一种根据布里渊频移测量温度和/或形变的方法和装置与流程

本申请属于光纤分布式温度传感器技术领域，尤其是涉及一种独立测量基建节点温度的方法和装置。

背景技术：

光纤分布式温度与应变传感器fdtss(fiberdistributedtemperatureandstresssensor).系统采用了近年来迅速发展的布里渊光时域反射技术(botdr,brillouinopticaltimedomainreflectometry)，利用单模光纤和光子晶体光纤测温节点，使光纤作为传输信号媒介的同时，通过感知媒体以测量光纤路径上的温度和应变分布。该系统利用了光的非线性效应——入射光的布里渊频移正比于加载在光纤上的应变与温度的大小，通过对单频或多频时域反射功率谱的信号处理，能够测量温度与应变对布里渊频移的影响，以预知基建结构的变化，通过预先对基建进行维护、保养和修复的手段来避免安全事故的发生。基于botdr技术的测量装置具有较小光强分布的布里渊反射谱线，因此需要在脉冲泵浦和接受谱线处理上采用特殊的编/解码和信号处理。除此之外，由于布里渊频移同时正比于作用在光纤上的温度和应变，布里渊频移为温度和应变同时作用的结果，故无法独立测量作用于光纤节点上的温度与应变的值。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中上述不足，从而提供一种可以独立测量光纤节点温度和应变的根据布里渊频移测量温度和/或形变的方法和装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种根据布里渊频移测量温度的方法，包括以下步骤：

s1：取一段弯曲且两端固定的光纤，将光纤置于线膨胀系数为±0.007×10^-6k^-1之间的筒体内；

s2：测量该段光纤的布里渊频移vb1，则温度值t＝(vb1-v01)/△vb；其中△vb为温度对应的频移常数，v01为频移常量。

一种根据布里渊频移测量形变的方法，包括以下步骤：

s1：取一段弯曲且两端固定的光纤，将光纤置于良导热性且线膨胀系数为±0.007×10^-6k^-1之间的筒体内；

s2：测量该段光纤的布里渊频移vb1；

s3：测量一段无固定的光纤在相同温度下的布里渊频移vb2，则，应变量其中cr为应变频移常数，v01和v02分别为频移常量。

一种根据布里渊频移测量温度和形变的方法，包括以下步骤：

s1：取一段弯曲且两端固定的光纤，将光纤置于良导热性且线膨胀系数为±0.007×10^-6k^-1之间的筒体内；

s2：测量该段光纤的布里渊频移vb1，温度值t＝(vb1-v01)/△vb；其中△vb为温度对应的频移常数，v01为频移常量；

s3：测量一段无固定的光纤在相同温度下的布里渊频移vb2，则，应变量其中cr为应变频移常数，v02为频移常量。

优选地，本发明的方法，所述筒体为锂铝硅酸玻璃陶瓷，所述筒体上开设有通孔。

优选地，本发明的方法，光纤弯曲角度小于7°。

优选地，本发明的方法，光纤为光子晶体保偏光纤。

一种根据布里渊频移测量温度的装置，包括：

中空的筒体，设置在筒体两端的固定卡扣，固定在两个固定卡扣之间的弯曲的光纤；

布里渊频移传感器，与弯曲的光纤进行连接，用于测量光纤的布里渊频移vb1；

温度计算模块，根据公式t＝(vb1-v01)/△vb计算得到温度t，其中cr为应变频移常数，v01和v02分别为频移常量。

一种根据布里渊频移测量形变的装置，包括：

中空的筒体，设置在筒体两端的固定卡扣，固定在两个固定卡扣之间的弯曲的光纤；

一段无固定的光纤；

布里渊频移传感器，与弯曲的光纤和无固定的光纤进行连接，用于测量相同温度下弯曲的光纤的布里渊频移vb1和无固定的光纤的布里渊频移vb2；

形变计算模块，根据公式计算得到应变量ε，其中cr为应变频移常数。

一种根据布里渊频移测量温度和形变的装置，包括：

中空的筒体，设置在筒体两端的固定卡扣，固定在两个固定卡扣之间的弯曲的光纤；

一段无固定的光纤；

布里渊频移传感器，与弯曲的光纤和无固定的光纤进行连接，用于测量相同温度下弯曲的光纤的布里渊频移vb1和无固定的光纤的布里渊频移vb2；

温度计算模块，根据公式t＝(vb1-v01)/△vb计算得到温度t，其中△vb为温度对应的频移常数，v01为频移常量；

形变计算模块，根据公式算得到应变量ε，其中cr为应变频移常数，v02为频移常量。

本发明的有益效果是：

本申请的根据布里渊频移测量温度和/或形变的方法和装置，通过一段弯曲且两端固定的光纤，利用光纤弯曲且两端固定后应变对于布里渊频移的影响可忽略不计的作用，测量该段光纤的布里渊频移vb1，根据布里渊频移与温度的关系式，可得到温度。再测量一段无固定的光纤在一定温度下的布里渊频移vb2，再计算得到应变。本申请可以独立测量光纤节点温度和应变，具有计算简单，结果准确的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1是本申请实施例的光纤固定结构的结构示意图；

图中的附图标记为：

筒体1，固定卡扣2，光纤9。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

本申请基于布里渊频移与温度和应变的关系式：vb＝v0+crε+△vbt，其中vb为布里渊频移，cr为应变频移常数、为已知值，ε为应变量，δvb为温度对应的频移常数、为已知值，t为温度，v0为频移常量、为已知值。

公式表明，布里渊频移变化(vb)同时受温度和应变的影响无法单独测量，因此可通过双参量矩阵法进行独立区分。这种算法的原理是同时使用两组方程来描述温度和应变对布里渊频移的影响，并且其中一组对应变不敏感。也即，光纤在不同状态下(不管是两端固定还是无固定)，可通过测量多个温度值和应变值下的布里渊频移，再通过双参量矩阵法方式得到布里渊频移与温度值和应变值的关系式，该关系式最终可以应用在下文中应变值的计算。因此通过事先实验的方式，得到下文中的v01、v02和△vb

当光纤两端固定时，其应变对于布里渊频移的影响可忽略不计，因此crε可忽略，此时vb1＝v01+△vbt(式1)；布里渊频移vb1可由布里渊频移感应得到，v01为在光纤两端固定时的频移常量。根据式1在已知布里渊频移vb1的情况下可求出温度t＝(vb1-v01)/△vb。

当光纤两端无固定时，成自由状态时，vb2＝v02+crε+△vbt(式2)；布里渊频移vb2可由布里渊频移感应得到，v02为在光纤两端固定时的频移常量。

通过式1和式2，可求解出应变量v02为在光纤两端无固定时的频移常量。

因此通过上述方法，可以通过分别在同一温度下测量光纤两端固定时和光纤两端无固定时的频移常量，即可求解出光纤所在环境的温度，和光纤的应力。

实施例1

本实施例提供一种根据布里渊频移测量温度的方法，包括以下步骤：

s1：取一段弯曲且两端固定的光纤，将光纤置于筒体内，筒体优选为锂铝硅酸玻璃陶瓷，所述筒体上开设有通孔(通孔可以是圆形或者条形)，为了不引入较高的弯曲损耗和反射，光纤弯曲角度优选为小于7°，光纤优选为光子晶体保偏光纤，通常采用光子晶体保偏光纤时，光纤弯曲角度对于弯曲损耗和反射的影响可忽略不计；

s2：测量该段光纤的布里渊频移vb1，并计算得到温度t，t＝(vb1-v01)/△vb；其中△vb1为温度对应的频移常数，v01为频移常量；△vb为温度对应的频移常数、为已知值，t为温度。

本实施可直接通过布里渊频移得到环境温度。

实施例2

本实施例提供一种根据布里渊频移测量形变的方法，包括以下步骤：

s1：取一段弯曲且两端固定的光纤9，将光纤9置于筒体内，筒体优选为筒体优选为锂铝硅酸玻璃陶瓷，所述筒体上开设有通孔，为了不引入较高的弯曲损耗和反射，光纤9弯曲角度优选为小于7°，光纤优选为光子晶体保偏光纤，通常采用光子晶体保偏光纤时，光纤9弯曲角度对于弯曲损耗和反射的影响可忽略不计；

s2：测量该段光纤的布里渊频移vb1；

s3：测量一段无固定的光纤在一定温度下的布里渊频移vb2，则，应变量v01和v02为频移常量；△vb为温度对应的频移常数、为已知值。

本实施无需计算温度，直接通过布里渊频移得到应变量。

实施例3

本实施例提供一种根据布里渊频移测量温度和形变的方法，包括以下步骤：

s1：取一段弯曲且两端固定的光纤9，将光纤9置于筒体内，筒体优选为锂铝硅酸玻璃陶瓷，所述筒体上开设有通孔，为了不引入较高的弯曲损耗和反射，光纤9弯曲角度优选为小于7°，光纤9优选为光子晶体保偏光纤，通常采用光子晶体保偏光纤时，光纤9弯曲角度对于弯曲损耗和反射的影响可忽略不计；

s2：测量该段光纤的布里渊频移vb1，并计算得到温度t，t＝(vb1-v01)/△vb；其中△vb1为温度对应的频移常数，v01为频移常量；△vb为温度对应的频移常数、为已知值，t为温度；

s3：测量一段无固定的光纤在一定温度下的布里渊频移vb2，则，应变量为频移常量、为已知值。

本实施通过布里渊频移得到环境温度和应变量。

实施例4

本实施例提供一种根据布里渊频移测量温度的装置，如图1所示，包括：

中空的筒体1，设置在筒体1两端的固定卡扣2，固定在两个固定卡扣2之间的弯曲的光纤9；筒体优选为锂铝硅酸玻璃陶瓷，为了不引入较高的弯曲损耗和反射，光纤9弯曲角度优选为小于7°，光纤优选为光子晶体保偏光纤，通常采用光子晶体保偏光纤时，光纤9弯曲角度对于弯曲损耗和反射的影响可忽略不计；

布里渊频移传感器，与弯曲的光纤进行连接，用于测量光纤的布里渊频移vb1；

温度计算模块，根据公式t＝(vb1-v01)/△vb计算得到温度t，其中cr为应变频移常数、为已知值。

实施例5

本实施例提供一种根据布里渊频移测量形变的装置，如图1所示，包括：

中空的筒体1，设置在筒体1两端的固定卡扣2，固定在两个固定卡扣2之间的弯曲的光纤；筒体优选为锂铝硅酸玻璃陶瓷，为了不引入较高的弯曲损耗和反射，光纤弯曲角度优选为小于7°，光纤优选为光子晶体保偏光纤，通常采用光子晶体保偏光纤时，光纤弯曲角度对于弯曲损耗和反射的影响可忽略不计；

一段无固定的光纤；

布里渊频移传感器，与弯曲的光纤和无固定的光纤进行连接，用于测量相同温度下弯曲的光纤的布里渊频移vb1和无固定的光纤的布里渊频移vb2；

形变计算模块，根据公式计算得到应变量ε，其中cr为应变频移常数、为已知值。

实施例6

本实施例提供一种根据布里渊频移测量温度和形变的装置，如图1所示，包括：

中空的筒体1，设置在筒体1两端的固定卡扣2，固定在两个固定卡扣2之间的弯曲的光纤；筒体优选为锂铝硅酸玻璃陶瓷，为了不引入较高的弯曲损耗和反射，光纤弯曲角度优选为小于7°，光纤优选为光子晶体保偏光纤，通常采用光子晶体保偏光纤时，光纤弯曲角度对于弯曲损耗和反射的影响可忽略不计；

一段无固定的光纤；

布里渊频移传感器，与弯曲的光纤和无固定的光纤进行连接，用于测量相同温度下弯曲的光纤的布里渊频移vb1和无固定的光纤的布里渊频移vb2；

温度计算模块，根据公式t＝(vb1-v01)/△vb计算得到温度t，其中vb为温度对应的频移常数，v01为频移常量；

形变计算模块，根据公式计算得到应变量ε，其中△cr为应变频移常数、为已知值。

需要说明的是，实施例1-6中，筒体1的线膨胀系数为±0.007×10^-6k^-1之间，以防止筒体1本身的热形变对光纤造成影响。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。