一种光纤应变系数自动标定方法与流程

本发明涉及一种光纤应变系数自动标定方法。

背景技术：

光纤应变分布测试仪依靠测量光纤中后向布里渊散射光的布里渊频移分布计算光纤的应变分布，脉冲光以一定的频率自光纤一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声子发生相互作用后产生布里渊散射，后向布里渊散射光沿光纤原路返回到入射端。由于光纤中布里渊散射光频移与光纤轴向应变和温度间存在线性关系，因此测量出光纤的布里渊散射频移分布即可计算出光纤中的应变分布。布里渊光时域反射计具有低能源依赖性、高环境耐受性、抗电磁干扰、抗腐蚀、防水、抗潮湿、温度适应性强等特性，并且由于可以单端测量，施工难度较低而广受关注。布里渊光时域反射计可用于岩土工程健康监测、地质灾害预警监测、电缆及管道的健康监测等领域，是工程领域用于取代传统点式传感器的最有力的产品之一。

在光纤传感系统中，光纤应变分布测试仪(简称BOTDR)是不可或缺的测试仪器，在其使用过程中，必须首先确定被测光纤的应变系数，而该系数与光纤的材料有关，是光纤自身的物理参数，无法直接测试，只能通过间接测试并经标定获得。目前，常用的光纤应变系数标定方法都为手动标定方法，通过等强度梁、位移台等装置对光纤施加应变，通过人工寻找应变位置，结合手动更改应变大小实现光纤应变系数的标定，每一次对光纤进行应变系数标定都需要花费大量的时间和精力，而且由于人工测试手段误差较大，导致光纤应变系数标定精度较低，难以满足实际应用中多种光纤应变系数的快速、精确的测试需求。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种光纤应变系数自动标定方法，实现了光纤应变系数全自动标定，提高了标定效率；提高了光纤应变系数的标定精度，降低了标定误差。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光纤应变系数自动标定方法，自动标定装置包括第一电控位移台，第一电控位移台上设有第一夹具承载平台，所述第一电控位移台上设有能相对移动的第二电控位移台，第二电控位移台上设有第二夹具承载平台，第一夹具承载平台和第二夹具承载平台上分别设有第一夹具和第二夹具，双频激光干涉测长装置测量光纤的长度，布里渊光时域反射计测试光纤的中心频移分布曲线，第一电控位移台和第二电控位移台都与电控位移台控制器通信，电控位移台控制器与主控计算机通信，

所述第一电控位移台、第二电控位移台上都设有限位开关位，防止电控位移台中的移动平台移动超限造成电控位移台损伤，标定方法包括：

步骤1、输入光纤应变区域长度，该长度为预计光纤应变作用区域的长度；输入光纤无应变频移FB0，FB0值应在9.0～13.0GHz之间，典型值可为10.6GHz；控制第一电控位移台和第二电控位移台移动设定的光纤应变区域长度的距离；将被测光纤拉直按照设定距离固定在第二夹具和第二夹具之间；输入光纤长度和光纤折射率；

步骤2、主控计算机开始进行自动标定；由主控计算机自动控制第一电控位移台和第二电控位移台移动令被测光纤的受应变部分产生应变变化，通过分析布里渊光时域反射计测试的光纤应变分布数据，找到光纤应变区域对应的位置；

步骤3、主控计算机自动控制第一电控位移台和第二电控位移台移动，在分析出的光纤应变区域对应位置的基础上，利用布里渊光时域反射计测试光纤应变分布，找到被拉伸部分光纤的应变临界长度L0，即被拉伸光纤处于此长度时，其应变正好处于0应变状态，若拉伸部分光纤长度小于L0，则光纤处于松弛状态，过拉伸部分光纤长度大于L0，则光纤处于受应变状态，但由于理论临界状态非常难以界定，一般以≤50με的应变为接近无应变状态，换算成布里渊频移，则以≤2.5MHz可视为接近无应变状态；

步骤4：主控计算机根据被测光纤的作用区域长度自动确定标定步进距离；

步骤5：主控计算机自动控制第二电控位移台增加移动距离，令被测光纤受应变部分产生应变变化，在分析出的光纤应变区域对应位置的基础上，读取并记录布里渊光时域反射计测试的光纤应变区域对应的光纤应变分布数据，移动并测试N次后，N为大于等于1的自然数，获得对应的光纤长度的数据数组FL[1～N]及其对应布里渊频移数据数组BSC[1～N]；

步骤6：对数据FL[1～N]及BSC[1～N]进行线性拟合，得到被测光纤的应变系数FCS。

还包括标定前调试的步骤：标定装置开机、自检、复位及归零：主控计算机依次对双频激光干涉测长装置、电控位移台控制器、布里渊光时域反射计进行自检；主控计算机控制电控位移台控制器将第一电控位移台及第二电控位移台复位；双频激光干涉测长装置归零。

所述步骤1中控制第一电控位移台和第二电控位移台移动设定的光纤应变区域长度的距离的具体方法包括：

获取光纤应变区域长度LT0；初始化控制第一电控位移台移动距离LT＝0；

然后控制第一电控位移台每次增加移动1mm，每移动1mm判断一次第一电控位移台是否遇到限位开关位，如果没有遇到限位开关那么通过双频激光干涉测长装置测量第一电控位移台的移动距离是否小于设定的获取光纤应变区域长度LT0，如果小于那么继续再控制第一电控位移台增加移动1mm，直到双频激光干涉测长装置读取的读数不小于LT0时，判断如果等于LT0则移动结束，如果不等于LT0，则控制控制第一电控位移台后退1mm，然后控制第二电控位移台每次移动1μm，直到双频激光干涉测长装置测量的读数为LT0；

如果遇到限位开关，再通过控制第二电控位移台移动，直到双频激光干涉测长装置测量的读数为LT0或者第二电控位移台碰到限位开关。

如果第一电控位移台遇到限位开关，通过控制第二电控位移台移动达到设定光纤应变区域长度的距离的方法为：

控制第二电控位移台每次移动增加1mm，每移动1mm判断一次是否遇到限位开关位，如果没有遇到限位开关那么通过双频激光干涉测长装置测量第一电控位移台的移动距离与第二电控位移台的移动距离之和是否小于设定的获取光纤应变区域长度LT0，如果小于那么继续再控制第二电控位移台增加移动1mm，直到双频激光干涉测长装置读取的读数不小于LT0时，如果等于LT0则移动结束，如果不等于LT0，则控制第二电控位移台后退1mm，然后控制第二电控位移台每次移动1μm，直到双频激光干涉测长装置测量的读数为LT0。

所述步骤2具体方法为：

步骤201：获取光纤长度FL；

步骤202：与布里渊光时域反射计通信，设置测量参数；

步骤203：布里渊光时域反射计开始测试；

步骤204：等待0.1s；

步骤205：查询布里渊光时域反射计测试是否完毕：是，则进行步骤206；否，则返回步骤204；

步骤206：读取布里渊光时域反射计测试数据数组D[0～M]，其中M为布里渊光时域反射计测试数据长度；

步骤207：将D[0～M]赋值到测试基线数据数组DB0[0～M]；

步骤208：测试次数N＝0，数据异常次数EN＝0；

步骤209：控制第二电控位移台增加移动0.5mm；

步骤210：布里渊光时域反射计开始测试；

步骤211：等待0.1s；

步骤212：查询布里渊光时域反射计测试是否完毕：是，则进行步骤213；否，则返回步骤211；

步骤213：读取布里渊光时域反射计测试数据数组D[0～M]，其中M为布里渊光时域反射计光纤长度范围内测试数据长度；

步骤214：将D[0～M]赋值到测试比较数据数组DB1[0～M]；

步骤215：计算差分数据DDB[0～M]＝DB1[0～M]-DB0[0～M]；

步骤216：将DDB[0～M]中所有值小于0的元素全部替换为0；

步骤217：将DDB[0～M]赋值到DDBM[N][0～M]中；

步骤218：判断N是否大于2：是，则进行步骤219；否，则进行步骤220；

步骤219：将DDBM[N][0～M]，DDBM[N-1][0～M]，DDBM[N-2][0～M]取并集，得DDBMT[0～M]＝DDBM[N][0～M]∪DDBM[N-1][0～M]∪DDBM[N-2][0～M]；

步骤220：测试次数N＝N+1，返回步骤209；

步骤221：计算DDBMT[0～M]中所有值大于0的元素的个数DDBMTN；

步骤222：判断DDBMTN是否大于等于1：是，则进行步骤223；否，则进行步骤224；

步骤223：判断DDBMTN是否等于1：是，则转至步骤232；否，则转至步骤225；

步骤224：判断N是否小于60：是，则返回步骤220；否，则转至步骤234；

步骤225：对DDBMT[0～M]进行相邻合并计算；

步骤226：循环计数I＝0；

步骤227：如果DDBMT[I]>0且DDBMT[I+1]>0，则DDBMT[I]赋值为0；

步骤228：判断I是否大于等于M-1：是，则进行步骤229；否，则进行步骤230；

步骤229：重新计算DDBMT[0～M]中所有值大于0的元素的个数DDBMTN；

步骤230：循环计数I＝I+1；

步骤231：判断DDBMTN是否等于1：是，则进行步骤232；否，则返回步骤224；

步骤232：查询DDBMTN[0～M]中值大于0的元素对应的光纤距离FD；

步骤233：测试结束，返回FD；

步骤234：测试参数有误，测试结束。

所述步骤3的具体方法为：

步骤301：读取输入的光纤无应变频移FB0，典型值可为10.6GHz；

步骤302：获取光纤应变区域对应距离FD；

步骤303：与布里渊光时域反射计通信，设置测量参数；

步骤304：布里渊光时域反射计开始测试；

步骤305：等待0.1s；

步骤306：查询布里渊光时域反射计测试是否完毕：是，则进行步骤307；否，则返回步骤305；

步骤307：读取布里渊光时域反射计测试数据中FD对应位置的布里渊谱中心频移BSCF；

步骤308：判断BSCF是否大于设定值：是，则进行步骤310；否，则进行步骤309；

步骤309：控制高精度电控位移台增加移动0.1mm，返回步骤304；

步骤310：控制高精度电控位移台退回5μm；

步骤311：布里渊光时域反射计开始测试；

步骤312：等待0.1s；

步骤313：查询布里渊光时域反射计测试是否完毕：是，则进行步骤314；否，则返回步骤312；

步骤314：读取布里渊光时域反射计测试数据中FD对应位置的布里渊谱中心频移BSCF；

步骤315：判断BSCF是否小于设定值：是，则进行步骤316；否，则返回步骤310；

步骤316：读取双频激光干涉仪数据LL；

步骤317：光纤的作用区域长度L0赋值为LL；

步骤318：返回L0。

所述步骤中的设定值为308FB0+50MHz，所述步骤中的设定值为315FB0+0.5MHz。

所述步骤4中，标定步进距离的确定原则如下表所示：

所述步骤5的具体步骤为：

步骤501：获取标定步进距离SL；

步骤502：获取光纤应变区域对应的光纤长度FD；

步骤503：初始化测试计数I＝1；

步骤504：初始化移动距离D＝0；

步骤505：与布里渊光时域反射计通信，设置测量参数；

步骤506：布里渊光时域反射计开始测试；

步骤507：等待0.1s；

步骤508：查询布里渊光时域反射计测试是否完毕：是，则进行步骤509；否，则返回步骤507；

步骤509：读取布里渊光时域反射计测试数据中FD对应位置的布里渊谱中心频移BSCF；

步骤510：将FL[I]赋值为D，BSC[I]赋值为BSCF；

步骤511：判断BSCF是否大于设定值：是，则进行步骤512；否，则进行步骤513；

步骤512：测试次数N赋值为I，转至步骤517；

步骤513：判断I是否大于100：是，则转至步骤517；否，则进行514；

步骤514：D＝D+SL；

步骤515：I＝I+1；

步骤516：控制高精度电控位移台增加移动SL，返回步骤506；

步骤517：测试结束，输出BSCF[1～N]，FL[1～N]。

所述步骤511中的设定值为FB0+400MHz。

本发明的有益效果：

(1)实现了光纤应变系数全自动标定，提高了标定效率；

(2)提高了光纤应变系数的标定精度，降低了标定误差；

(3)本装置及标定方法可溯源。

附图说明

图1为自动标定装置示意图；

图2(a)为步骤103自动标定装置复位示意图；图2(b)为步骤110自动标定装置寻找光纤无应变临界状态示意图；图2(c)为步骤113自动标定装置为光纤施加应变示意图；

图3为粗略光纤应变区域长度LT0移动流程示意图；

图4为光纤作用区域位置FD确定流程示意图；

图5为光纤作用长度分析流程示意图；

图6标定过程示意图；

其中，1双频激光干涉测长光路，2全反射装置，3右夹具承载平台，4右侧夹具，5左侧夹具，6高精度电控位移台，7长距离电控位移台，8高精度电控位移台移动平台，9双频激光干涉测长装置，10双频激光干涉测长装置控制器，11布里渊光时域反射计(BOTDR)，12主控计算机，13电控位移台控制器，14被测光纤受应变部分。

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，一种光纤应变系数自动标定装置，包括第一电控位移台即图中的长距离电控位移台7，第一电控位移台上设有第一夹具承载平台即图中的右夹具承载平台3，所述第一电控位移台上设有能相对移动的第二电控位移台即图中的高精度电控位移台6，第二电控位移台上还设有高精度电控位移台移动平台8，高精度电控位移台移动平台8上设有第二夹具承载平台即图中的左夹具承载平台5，右夹具承载平台3和左夹具承载平台5上分别设有右侧夹具4和左侧夹具5，双频激光干涉测长装置9发出的双频激光干涉测长光路1，经全反射装置2反射回到发射点，双频激光干涉测长装置9与双频激光干涉测长装置控制器10连接，用于测量光纤的长度，布里渊光时域反射计11测试光纤的中心频移分布曲线，第一电控位移台和第二电控位移台都与电控位移台控制器13通信，电控位移台控制器与主控计算机12通信，所述第一电控位移台和第二电控位移台上都设有限位开关位，限位开关位于第一电控位移台和第二电控位移台上不可移动的部分，不会随着位移台一起移动。

其中：高精度电控位移台6最大移动距离≤0.5m，移动精度≤3μm；长距离电控位移台7最大移动距离≥1m，移动精度≤10μm。

一种光纤应变系数自动标定方法，

步骤101：将双频激光干涉测长装置、双频激光干涉测长装置控制器、电控位移台控制器、主控计算机及布里渊光时域反射计全部开机；

步骤102：主控计算机依次对双频激光干涉测长装置、双频激光干涉测长装置控制器、电控位移台控制器、布里渊光时域反射计进行自检；

步骤103：主控计算机控制电控位移台控制器13将高精度电控位移台6及长距离电控位移台7复位，如图2(a)所示；

步骤104：主控计算机将双频激光干涉测长装置控制器10归零；

步骤105：控制主控计算机进入粘贴光纤流程，输入粗略光纤应变区域长度LT0，输入光纤无应变频移FB0，FB0值应在9.0～13.0GHz之间，典型值可为10.6GHz，由控制程序控制长距离电控位移台和高精度电控位移台移动距离LT0，LT0典型值为1.0m～1.5m，详细流程如图3所示。

步骤106：将被测光纤拉直固定在左侧夹具和右侧夹具上，左侧夹具与右侧夹具之间的部分即为被测光纤受应变部分14；

步骤107：输入光纤长度FL，光纤折射率FIR；

步骤108：控制主控计算机开始进行自动标定；

步骤109：主控程序通过控制长距离电控位移台、高精度电控位移台上的高精度电控位移台移动平台进行移动，令被测光纤产生应变变化，利用BOTDR测试光纤应变分布，寻找光纤应变区域对应的光纤长度FD，详细流程如图4所示。

步骤110：主控程序通过控制高精度电控位移台上的高精度电控位移台移动平台移动，利用BOTDR测试光纤应变分布，先令被测光纤拉紧应变增加，再逐步减小拉伸距离，直至光纤接近无应变状态，从而寻找到被测光纤的作用区域长度L0，自动标定装置状态如图2(b)所示，详细流程如图5所示，被拉伸部分光纤的应变临界长度L0，即被拉伸光纤处于此长度时，其应变正好处于0应变状态，若拉伸部分光纤长度小于L0，则光纤处于松弛状态，过拉伸部分光纤长度大于L0，则光纤处于受应变状态，但由于理论临界状态非常难以界定，一般以≤50με的应变为接近无应变状态，换算成布里渊频移，则以≤2.5MHz可视为接近无应变状态。

步骤111：根据被测光纤的作用区域长度确定标定步进距离SL，SL确定原则如表1中所示；

步骤112：主控程序控制高精度电控位移台增加移动距离，自动标定装置状态如图2(c)所示，控制BOTDR测试光纤应变分布，读取FD距离对应的布里渊频移数据，移动并测试N次后，获得对应的测试距离数据数组FL[1～N]及其对应布里渊频移数据数组BSC[1～N]，详细流程如图6所示；

步骤113：对数据FL[1～N]及BSC[1～N]进行线性拟合，从而得到被测光纤的应变系数FCS；

步骤114：主控程序输出应变系数FCS，应变标定结束。

步骤105详细流程如下：

步骤10501：获取LT0；

步骤10502：移动距离LT＝0；

步骤10503：与电控位移台控制器通信；

步骤10504：控制长距离电控位移台增加移动1mm；

步骤10505：读取长距离电控位移台限位开关信息，是否遇到限位开关。是，则进行步骤10506；否，则进行步骤10507；

步骤10506：控制高精度电控位移台增加移动1mm，转至步骤10518；

步骤10507：读取双频激光干涉仪数据LL；

步骤10508：判断LL是否小于LT0；是，则返回步骤10504；否，则进行步骤10509；

步骤10509：判断LL是否等于LT0，是，则转至步骤10524；否，则进行步骤10510；

步骤10510：控制长距离电控位移台退回1mm；

步骤10511：控制高精度电控位移台增加移动10μm；

步骤10512：读取双频激光干涉仪数据LL；

步骤10513：判断LL是否小于LT0：是，则返回步骤10511；否，则进行步骤10514；

步骤10514：判断LL是否等于LT0：是，则转至步骤10524；否，则进行步骤10515；

步骤10515：控制长距离电控位移台退回10μm；

步骤10516：读取双频激光干涉仪数据LL；

步骤10517：判断LL是否小于LT0：是，则返回步骤10515；否，则转至步骤10524；

步骤10518：读取高精度电控位移台限位开关信息，是否遇到限位开关：是，则转至步骤10523；否，则进行步骤10519；

步骤10519：读取双频激光干涉仪数据LL；

步骤10520：判断LL是否小于LT0：是，则返回步骤10506；否，则进行步骤10521；

步骤10521：判断LL是否等于LT0：是，则转至步骤10524；否，则进行步骤10522；

步骤10522：控制高精度电控位移台退回1mm，返回步骤10511；

步骤10523：长度LT0超过电控位移台总移动范围，移动出错；

步骤10524：移动完毕。

步骤109详细流程如下：

步骤10901：获取光纤长度FL；

步骤10902：与BOTDR通信，设置测量参数；

步骤10903：BOTDR开始测试；

步骤10904：等待0.1s；

步骤10905：查询BOTDR测试是否完毕：是，则进行步骤10906；否，则返回步骤10904；

步骤10906：读取BOTDR测试数据数组D[0～M]，其中M为BOTDR测试数据长度；

步骤10907：将D[0～M]赋值到测试基线数据数组DB0[0～M]；

步骤10908：测试次数N＝0，数据异常次数EN＝0；

步骤10909：控制高精度电控位移台增加移动0.5mm；

步骤10910：BOTDR开始测试；

步骤10911：等待0.1s；

步骤10912：查询BOTDR测试是否完毕：是，则进行步骤10913；否，则返回步骤10911；

步骤10913：读取BOTDR测试数据数组D[0～M]，其中M为BOTDR光纤长度范围内测试数据长度；

步骤10914：将D[0～M]赋值到测试比较数据数组DB1[0～M]；

步骤10915：计算差分数据DDB[0～M]＝DB1[0～M]-DB0[0～M]；

步骤10916：将DDB[0～M]中所有值小于0的元素全部替换为0；

步骤10917：将DDB[0～M]赋值到DDBM[N][0～M]中；

步骤10918：判断N是否大于2：是，则进行步骤10919；否，则进行步骤10920；

步骤10919：将DDBM[N][0～M]，DDBM[N-1][0～M]，DDBM[N-2][0～M]取并集，得DDBMT[0～M]＝DDBM[N][0～M]∪DDBM[N-1][0～M]∪DDBM[N-2][0～M]；

步骤10920：测试次数N＝N+1，返回步骤10909；

步骤10921：计算DDBMT[0～M]中所有值大于0的元素的个数DDBMTN；

步骤10922：判断DDBMTN是否大于等于1：是，则进行步骤10923；否，则进行步骤10924；

步骤10923：判断DDBMTN是否等于1：是，则转至步骤10932；否，则转至步骤10925；

步骤10924：判断N是否小于60：是，则返回步骤10920；否，则转至步骤10934；

步骤10925：对DDBMT[0～M]进行相邻合并计算；

步骤10926：循环计数I＝0；

步骤10927：如果DDBMT[I]>0且DDBMT[I+1]>0，则DDBMT[I]赋值为0；

步骤10928：判断I是否大于等于M-1：是，则进行步骤10929；否，则进行步骤10930；

步骤10929：重新计算DDBMT[0～M]中所有值大于0的元素的个数DDBMTN；

步骤10930：循环计数I＝I+1；

步骤10931：判断DDBMTN是否等于1：是，则进行步骤10932；否，则返回步骤10924；

步骤10932：查询DDBMTN[0～M]中值大于0的元素对应的光纤距离FD；

步骤10933：测试结束，返回FD；

步骤10934：测试参数有误，测试结束。

步骤110详细流程如下：

步骤11001：读取光纤无应变频移FB0；

步骤11002：获取光纤应变区域对应距离FD；

步骤11003：与BOTDR通信，设置测量参数；

步骤11004：BOTDR开始测试；

步骤11005：等待0.1s；

步骤11006：查询BOTDR测试是否完毕：是，则进行步骤11007；否，则返回步骤11005；

步骤11007：读取BOTDR测试数据中FD对应位置的布里渊谱中心频移BSCF；

步骤11008：判断BSCF是否大于FB0+50MHz：是，则进行步骤11010；否，则进行步骤11009；

步骤11009：控制高精度电控位移台增加移动0.1mm，返回步骤11004；

步骤11010：控制高精度电控位移台退回5μm；

步骤11011：BOTDR开始测试；

步骤11012：等待0.1s；

步骤11013：查询BOTDR测试是否完毕：是，则进行步骤11014；否，则返回步骤11012；

步骤11014：读取BOTDR测试数据中FD对应位置的布里渊谱中心频移BSCF；

步骤11015：判断BSCF是否小于FB0+0.5MHz：是，则进行步骤11016；否，则返回步骤11010；

步骤11016：读取双频激光干涉仪数据LL；

步骤11017：光纤的作用区域长度L0赋值为LL；

步骤11018：返回L0。

在步骤111中，SL的确定原则如表1所示。

表1标定步进距离SL确定原则

步骤112详细流程如下：

步骤11201：获取标定步进距离SL；

步骤11202：获取光纤应变区域对应距离FD；

步骤11203：初始化测试计数I＝1；

步骤11204：初始化移动距离D＝0；

步骤11205：与BOTDR通信，设置测量参数；

步骤11206：BOTDR开始测试；

步骤11207：等待0.1s；

步骤11208：查询BOTDR测试是否完毕：是，则进行步骤11209；否，则返回步骤11207；

步骤11209：读取BOTDR测试数据中FD对应位置的布里渊谱中心频移BSCF；

步骤11210：将FL[I]赋值为D，BSC[I]赋值为BSCF；

步骤11211：判断BSCF是否大于FB0+400MHz：是，则进行步骤11212；否，则进行步骤11213；

步骤11212：测试次数N赋值为I，转至步骤11217；

步骤11213：判断I是否大于100：是，则转至步骤11217；否，则进行11214；

步骤11214：D＝D+SL；

步骤11215：I＝I+1；

步骤11216：控制高精度电控位移台增加移动SL，返回步骤11206；

步骤11217：测试结束，输出BSCF[1～N]，FL[1～N]。

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。