一种便携式分布式光纤温度应变复合演示装置及演示方法与流程

本发明涉及一种便携式分布式光纤温度应变复合演示装置及演示方法。

背景技术：

在光纤传感系统中，分布式光纤应变测试仪(简称BOTDR)、分布式光纤测温装置(简称ROTDR)是最重要、市场前景最广阔的两类分布式光纤传感器。BOTDR测试光纤的应变分布状态，可用于大坝、高铁、电力、高大建筑、隧道、油气管道的健康监测及滑坡地质灾害预防等领域，应用前景广阔，市场潜力巨大。而ROTDR测试光纤的温度分布状态，可广泛应用于各类建筑、岩土工程、储油库、储气库、油气管道的防火、温度预警等领域，发展潜力巨大。

在其使用过程中，由于测试原理限制，BOTDR的测试结果既受光纤应变影响也受光纤温度影响，而ROTDR的测试结果只受温度影响不受应变影响，由于自发布里渊散射信号和自发拉曼散射信号都非常微弱，目前BOTDR及ROTDR产品的空间分辨率指标都≥1m，要求演示装置必须能对超过1m长度的光纤施加形变或温度变化，才能令仪器准确的测试出演示现象。传统的演示方案中，BOTDR使用的演示装置都只将应变作为变化量，通过拉伸、弯曲变形等方式令光纤产生应变，忽略了环境温度变化的影响，导致无法演示温度补偿对BOTDR测试结果的影响，而且也导致测试结果容易受到环境温度的变化而影响演示效果；而ROTDR的演示装置则都使用温度作为变化量，仅仅演示ROTDR测试结果随温度的变化，无法演示ROTDR对应变变化的不敏感，限制了BOTDR和ROTDR在应变与温度复合测试情况下的特性展示，影响了分布式光纤传感设备的推广及应用。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种便携式分布式光纤温度应变复合演示装置及演示方法，实现了分布式光纤应变及温度的复合产生及演示。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种便携式分布式光纤温度应变复合演示装置，包括光纤形变管，所述光纤形变管的两端各与一个演示装置固定端连接，所述演示装置固定端固定在可折叠三脚架上，所述光纤形变管上设有砝码挂钩承重盘，砝码挂钩承重盘与砝码连接；

所述光纤形变管内壁涂有耐高温绝缘涂料，并铺设有加热电阻丝及温度传感器，加热电阻丝和温度传感器都与演示温度控制器连接，所述光纤形变管的外表面还设有上光纤铺设槽和下光纤铺设槽。

所述上光纤铺设槽内铺设并粘贴演示光纤受挤压形变而产生负应变时的应变光纤或光缆以及温度光缆，下光纤铺设槽内铺设并粘贴演示光纤受拉伸应变而产生正应变时的应变光纤或光缆以及温度光缆。

所述演示装置固定端包括成圆柱形的固定端外壳，固定端外壳的一端与光纤形变管通过固定螺孔连接，另一端连接固定端保护盖。

所述固定端保护盖上设有四个法兰盘，还设有与加热电阻丝及温度传感器连接的电气接口。

所述固定端外壳上设有固定保护盖的螺纹孔和与可折叠三脚架连接的螺纹孔。

所述光纤形变管为金属空心管，光纤形变管长度应在1m～1.6m之间，便于携带或邮寄，直径大于2cm。

采用所述的一种便携式分布式光纤温度应变复合演示装置的演示方法，包括：

步骤101：将两条两端光接口为FC接口的应变传感光缆或光纤分别拉紧粘贴固定到上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内；

步骤102：将两条与步骤101中应变传感光缆或光纤的长度同样的、两端光接口也为FC接口的温度传感光缆分别粘贴固定到空余的上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内；

步骤103；将上光纤铺设槽中的应变传感光纤光缆或光纤以及温度传感光缆的一端光接口接入演示装置固定端中；

步骤104；将下光纤铺设槽中的应变传感光纤光缆或光纤以及温度传感光缆的一端光接口也接入演示装置固定端中；

步骤105：将光纤形变管内加热电阻丝和温度传感器的电线焊接到演示装置固定端上；

步骤106：将光纤形变管固定在演示装置固定端上；

步骤107：将演示装置固定端固定在可折叠三脚架上进行演示温度不变，应变变化时数据的变化特征；温度变化，应变不变时数据的变化特征；温度与应变同时变化时数据的变化特征。

初次使用前需要进行以上的步骤。

在所述步骤107中进行演示前，还包括以下步骤：

步骤701，打开两个可折叠三脚架，利用两个可折叠三脚架将两端的演示装置固定端及光纤形变管支持起来，并保持光纤形变管水平；

步骤702：通过光纤跳线或转接光纤分别将上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆接入与BOTDR连接的光开关中；

步骤703：将温度控制器与加热电阻丝及温度传感器连接。

使用BOTDR演示温度不变，应变变化时数据的变化特征的具体方法为，

步骤A201：通过BOTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SUT0、温度数据TUT0，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SDT0、温度数据TDT0；

步骤A202：在砝码挂钩承重盘上增加砝码，砝码重量W0，通过BOTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SUW0T0、温度数据TUW0T0，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SDW0T0、温度数据TDW0T0；

步骤A203：比较数据SUT0、SUW0T0，TUT0、TUW0T0，SDT0、SDW0T0，TDT0、TDW0T0，演示温度不变，应变变化时数据的变化特征。

使用BOTDR演示温度变化，应变不变时数据的变化特征的具体方法为：

步骤A301：通过BOTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SUW0T0、温度数据TUW0T0，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SDW0T0、温度数据TDW0T0；

步骤A302；利用演示温度控制器设置演示装置温度为T1，等待温度控制器提示温度稳定后，通过BOTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下应变数据SUW0T1、温度数据TUW0T1，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下应变数据SDW0T1、温度数据TDW0T1；

步骤A303：比较数据SUW0T0、SUW0T1，TUW0T0、TUW0T1，SDW0T0、SDW0T1，TDW0T0、TDW0T1，演示温度变化，应变不变时数据的变化特征；

使用BOTDR演示温度与应变同时变化时数据的变化特征的具体方法为：

步骤A401：通过BOTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SUW0T0、温度数据TUW0T0，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SDW0T0、温度数据TDW0T0；

步骤A402：改变砝码挂钩承重盘上砝码重量，砝码重量W1，利用演示温度控制器设置演示装置温度为T1，等待温度控制器提示温度稳定后，通过BOTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下应变数据SUW1T1、温度数据TUW1T1，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下应变数据SDW1T1、温度数据TDW1T1；

步骤A403：比较数据SUW0T0、SUW1T1，TUW0T0、TUW1T1，SDW0T0、SDW1T1，TDW0T0、TDW1T1，演示温度与应变同时变化时数据的变化特征。

使用ROTDR演示温度变化，应变不变时测温数据的变化特征的具体方法为：

步骤B301：通过ROTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下温度数据SUW0T0、TUW0T0，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下温度数据SDW0T0、TDW0T0；

步骤B302；利用演示温度控制器设置演示装置温度为T1，等待温度控制器提示温度稳定后，通过ROTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，得上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下温度数据TSUW0T1、TTUW0T1，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下温度数据TSDW0T1、TTDW0T1；

步骤B303：比较数据TSUW0T0、TSUW0T1，TTUW0T0、TTUW0T1，TSDW0T0、TSDW0T1，TTDW0T0、TTDW0T1，演示温度变化，应变不变时ROTDR测温数据的变化特征；

使用ROTDR演示温度与应变同时变化时数据的变化特征的具体方法为：

步骤B401：通过ROTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下温度数据TSUW0T0、TTUW0T0，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下温度数据TSDW0T0、TTDW0T0；

步骤B402：改变砝码挂钩承重盘上砝码重量，砝码重量W1，利用演示温度控制器设置演示装置温度为T1，等待温度控制器提示温度稳定后，通过ROTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下温度数据TSUW1T1、TTUW1T1，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下温度数据TSDW1T1、TTDW1T1；

步骤B403：比较数据TSUW0T0、TSUW1T1，TTUW0T0、TTUW1T1，TSDW0T0、TSDW1T1，TTDW0T0、TTDW1T1，演示温度与应变同时变化时数据的变化特征。

本发明的有益效果：

(1)实现了分布式光纤应变及温度的复合产生及演示；

(2)可以对BOTDR应变测试过程中温度补偿结果进行直观演示，也可以对ROTDR温度测试过程不受应变影响的特性进行演示；

(3)演示装置安装拆卸简单，演示快捷方便，便于邮寄和携带，进一步降低了分布式光纤传感器的推广难度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为光纤形变管示意图；

图3(a)为演示装置固定端(装有固定端保护盖)示意图，图3(b)为演示装置固定端(无固定端保护盖)示意图，图3(c)为演示装置固定端后向示意图；

图4为使用BOTDR演示时结构示意图。

图5为使用ROTDR演示时结构示意图。

其中，1.光纤形变管，2.演示装置固定端，3.可折叠三脚架，4.砝码挂钩承重盘，5.砝码；

1a上光纤铺设槽，1b下光纤铺设槽，1c光纤形变管安装孔；

2a固定端外壳；2b固定端保护盖；2c上法兰盘；2d下法兰盘；2e固定保护盖的螺纹孔；2f电气接口；2g与可折叠三脚架连接的螺纹孔；2h固定光纤形变管的螺孔。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种便携式分布式光纤温度应变复合演示装置，包括光纤形变管1，所述光纤形变管的两端各与一个演示装置固定端2连接，所述演示装置固定端2固定在可折叠三脚架3上，所述光纤形变管1上设有砝码挂钩承重盘4，砝码挂钩承重盘4与砝码5连接；

如图2所示，光纤形变管为金属空心管，光纤形变管长度大于1m，典型值为1.5m，直径大于2cm，典型值为3cm，所述光纤形变管1内壁铺设有加热电阻丝及温度传感器，用于反馈光纤形变管温度，加热电阻丝和温度传感器都与演示温度控制器连接，所述光纤形变管内表面的还设有上光纤铺设槽1a和下光纤铺设槽1b。

所述上光纤铺设槽1a内铺设演示光纤受挤压形变而产生负应变时的应变光纤或光缆以及温度光缆，下光纤铺设槽内铺设演示光纤受拉伸应变而产生正应变时的应变光纤或光缆以及温度光缆，应变光缆可为单模光纤紧套光缆、单模光纤裸纤或其它类型应变光缆，典型温度光缆可为单模光纤松套光缆或其它类型感温光缆。

所述演示装置通过在光纤形变管上悬挂重物令光纤形变管产生形变，从而令光纤形变管上光纤铺设槽内粘贴的光纤或光缆产生负应变，同时令光纤形变管下光纤铺设槽内粘贴的光纤或光缆产生正应变。

所述演示装置通过光纤形变管内壁铺设的加热电阻丝进行加热，令整根光纤形变管产生温度变化，并由演示温度控制器控制，保持温度稳定。

所述演示装置固定端包括成圆柱形的固定端外壳2a，固定端外壳的一端与光纤形变管通过固定螺孔2h连接，另一端连接固定端保护盖2b。

如图3(a)-图3(c)所示，所述固定端保护盖2b上设有四个法兰盘，法兰盘包括与光纤形变管上光纤铺设槽粘贴的应变光纤/光缆、温度光缆连接的上法兰盘2c，和与光纤形变管下光纤铺设槽粘贴的应变光纤/光缆、温度光缆连接的下法兰盘2d，所述固定端保护盖2b上还设有与加热电阻丝及温度传感器连接的电气接口2f。

所述固定端外壳上设有固定保护盖的螺纹孔2e和与可折叠三脚架连接的螺纹孔2g。

采用所述的一种便携式分布式光纤温度应变复合演示装置的演示方法，包括：

步骤101：准备好两条长度为L的应变传感光缆/光纤，L应大于3m，典型值为10m，两端光接口应为FC接口，分别将其拉紧粘贴固定到光纤形变管上光纤铺设槽及下光纤铺设槽中；

步骤102：准备两条长度同样为L的温度传感光缆，两端光接口应为FC接口，分别将其粘贴固定到空余的光纤形变管上光纤铺设槽及下光纤铺设槽中；

步骤103；将上光纤铺设槽中的应变传感光纤光缆或光纤以及温度传感光缆的一端光接口接入对应的演示装置固定端中2c部位对应的上法兰盘；

步骤104；将下光纤铺设槽中的应变传感光纤光缆或光纤以及温度传感光缆的一端光接口接入对应的演示装置固定端中2d部位对应的下法兰盘；

步骤105：将光纤形变管内加热电阻丝和温度传感器的电线焊接到演示装置固定端2f部位对应的电气接口上；

步骤106：通过光纤形变管两端的光纤形变管安装孔1c，将光纤形变管固定在演示装置固定端3上；

步骤107：通过演示装置固定端中2e位置对应的固定保护盖的螺纹孔将固定端保护盖固定到演示装置固定端上进行演示温度不变，应变变化时数据的变化特征；温度变化，应变不变时数据的变化特征；温度与应变同时变化时数据的变化特征。

步骤107的具体步骤包括：

步骤701：打开两个可折叠式三脚架，分别将可折叠式三脚架与演示装置两端的演示装置固定端通过螺孔进行固定，利用两个可折叠式三脚架将两端的演示装置固定端及光纤形变管支持起来，并保持光纤形变管水平；

步骤702：通过光纤跳线或转接光纤分别将上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤/光缆以及温度光缆接入与BOTDR连接的光开关中；

步骤703：通过演示装置固定端的电气接口，将温度控制器与加热电阻丝及温度传感器连接。

如图4所示，使用BOTDR演示温度不变，应变变化时数据的变化特征的具体方法为：

步骤A201：通过BOTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤/光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内的应变光纤/光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SUT0、温度数据TUT0，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SDT0、温度数据TDT0；

步骤A202：在砝码挂钩承重盘上增加砝码，砝码重量W0，W0典型值可为100g，通过BOTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽的应变光纤/光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SUW0T0、温度数据TUW0T0，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SDW0T0、温度数据TDW0T0；

步骤A203：比较数据SUT0、SUW0T0，TUT0、TUW0T0，SDT0、SDW0T0，TDT0、TDW0T0，可以演示温度不变，应变变化时数据的变化特征。

使用BOTDR演示温度变化，应变不变时数据的变化特征的具体方法为：

步骤A301：通过BOTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SUW0T0、温度数据TUW0T0，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SDW0T0、温度数据TDW0T0；

步骤A302；利用演示温度控制器设置演示装置温度为T1，T1典型温度可为60摄氏度，等待温度控制器提示温度稳定后，通过BOTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤/光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下应变数据SUW0T1、温度数据TUW0T1，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下应变数据SDW0T1、温度数据TDW0T1；

步骤A303：比较数据SUW0T0、SUW0T1，TUW0T0、TUW0T1，SDW0T0、SDW0T1，TDW0T0、TDW0T1，可以演示温度变化，应变不变时数据的变化特征；

使用BOTDR演示温度与应变同时变化时数据的变化特征的具体方法为：

步骤A401：通过BOTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SUW0T0、温度数据TUW0T0，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下应变数据SDW0T0、温度数据TDW0T0；

步骤A402：改变砝码挂钩承重盘上砝码重量，砝码重量W1，W1典型值可为200g，利用演示温度控制器设置演示装置温度为T1，等待温度控制器提示温度稳定后，通过BOTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤/光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下应变数据SUW1T1、温度数据TUW1T1，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下应变数据SDW1T1、温度数据TDW1T1；

步骤A403：

比较数据SUW0T0、SUW1T1，TUW0T0、TUW1T1，SDW0T0、SDW1T1，TDW0T0、TDW1T1，演示温度与应变同时变化时数据的变化特征；可以演示温度与应变同时变化时数据的变化特征。

本发明既方便施加形变，也可以同时加热的光纤形变管实现了分布式光纤传感中应变与温度的复合产生，克服了传统演示装置只能单独演示应变变化或温度变化的缺陷，可以直观的演示BOTDR/ROTDR等分布式传感器对应变、温度的感知特征。同时针对演示装置固定端以及光纤形变管进行了模块化设计，初次装配后，无需再次进行光纤粘贴固定等操作，演示方便快捷，安装拆卸简单，便于邮寄和携带。

如图5所示，使用ROTDR演示温度变化，应变不变时测温数据的变化特征的具体方法为：

步骤B301：通过ROTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下温度数据SUW0T0、TUW0T0，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下温度数据SDW0T0、TDW0T0；

步骤B302；利用演示温度控制器设置演示装置温度为T1，等待温度控制器提示温度稳定后，通过ROTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，得上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下温度数据TSUW0T1、TTUW0T1，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下温度数据TSDW0T1、TTDW0T1；

步骤B303：比较数据TSUW0T0、TSUW0T1，TTUW0T0、TTUW0T1，TSDW0T0、TSDW0T1，TTDW0T0、TTDW0T1，演示温度变化，应变不变时ROTDR测温数据的变化特征；

使用ROTDR演示温度与应变同时变化时数据的变化特征的具体方法为：

步骤B401：通过ROTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，并进行温度补偿计算，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下温度数据TSUW0T0、TTUW0T0，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆常温T0温度下温度数据TSDW0T0、TTDW0T0；

步骤B402：改变砝码挂钩承重盘上砝码重量，砝码重量W1，利用演示温度控制器设置演示装置温度为T1，等待温度控制器提示温度稳定后，通过ROTDR对上光纤铺设槽和下光纤铺设槽内的应变光纤或光缆以及温度光缆进行测试，得到上光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下温度数据TSUW1T1、TTUW1T1，下光纤铺设槽内应变光纤或光缆以及温度光缆T1温度下温度数据TSDW1T1、TTDW1T1；

步骤B403：比较数据TSUW0T0、TSUW1T1，TTUW0T0、TTUW1T1，TSDW0T0、TSDW1T1，TTDW0T0、TTDW1T1，演示温度与应变同时变化时数据的变化特征。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。