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分布式应变论文.docxVIP

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分布式应变

分布式应变(精选四篇)

分布式应变篇1

分布式光纤传感器具有精度高、距离长、动态范围宽等优点,可以准确地测量在传感光纤区域内的温度和应变分布信息[1],因而得到了飞速发展。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系,因此,大量的研究者将注意力集中在基于布里渊散射原理的分布式光纤传感技术的研究上[2]。由于布里渊频谱测量的频率分辨率与空间分辨率之间相互制约[3],传统的布里渊光时域反射(BOTDR)系统可达到的最高指标为温度测量精度1℃,应变测量精度20,空间分辨率1m。

然而,在海水温度剖面测量、高压绝缘子故障定位等场合,现有的测量精度远远不能满足实际应用的要求。海洋面积广大,海情瞬息万变,它是影响全球气候和水、旱、台风等自然灾害的最重要的因素。海水温度剖面测量对研究海洋学、海洋环境监测、季节气候预测以及海洋渔业等有十分重要的实用意义,所得到的测量数据是海洋调查、监测的重要参数,是海洋水文气象观测及调查中不可或缺的技术指标。海水温度剖面测量精度需达到0.1℃以上[4]。安装在高压输电线路上的绝缘子,在运行过程中因长期经受机电负荷、日晒雨淋和冷热变化等作用,可能出现绝缘电阻降低、开裂甚至击穿等故障,严重威胁电力系统的安全运行。据统计,国内110kV线路发生不明原因闪络所占的比例为故障率的22%[5],所以高压绝缘子故障定位是十分必要的。通常高压绝缘子故障定位要求空间分辨率为厘米级。因此,在分布式光纤温度和应变测量领域,迫切需要研究高测量精度和高空间分辨率的传感方法。

本文介绍了目前已报道的两种高测量精度、高空间分辨率的光纤温度和应变测量方法,即基于相干光时域反射(COTDR)和双脉冲布里渊光时域反射(DP-BOTDR)的光纤传感技术。对这两种温度和应变传感方法的系统方案及实现原理进行了详细的分析,探讨了分布式光纤温度和应变传感技术的发展趋势。

1COTDR温度和应变测量

迄今为止,基于瑞利散射的分布式光纤传感技术主要应用于光纤损耗和断点检测方面[6]。为了提高OTDR测量的动态范围,T.Kurashima[7]等人提出利用相干接收原理来检测后向散射信号的传感技术,即COTDR技

术。利用相干检测方式,可以滤除掺铒光纤放大器(EDFA)产生的自发辐射(ASE)噪声,探测到非常微弱的后向散射光,大大增加系统的动态范围和信噪比[8]。2009年Y.Koyamada[9]等人发现利用COTDR技术可以实现沿传感光纤的高精度温度和应变测量,在长度为8km的情况下,实现了温度分辨率为0.01℃、空间分辨率为1m的测量,验证了此方法的可行性。该技术是利用传感光纤上后向散射光的强相干性引起的瑞利散射曲线的起伏特性达到高精度、高分辨率温度和应变测量的。

光脉冲从光纤的一端注入,当入射光为强相干光时,用光探测器探测的散射信号是在脉冲宽度区域内各点返回到入射端的瑞利散射光干涉的结果[10]。当光纤线路上某区域的温度和应变发生变化时,由于弹光效应,该区域光纤的折射率及密度将会发生变化,从而导致该区域瑞利散射光相位的变化。因为传感光纤上温度和应变变化区域内的散射光传输到探测器的相位差发生变化,因此,最终干涉的结果将会引起后向瑞利散射光强的变化。通过探测后向瑞利散射光强的变化以及注入脉冲与接收到的信号之间的时间延迟,可以准确地定位温度和应变发生变化的区域。

上述光相干原理,可以通过建立一个后向瑞利散射的离散模型来说明(如图1所示)。在离散模型中,后向散射的过程可以描述为由一系列反射镜对入射光产生反射的过程,这些反射镜产生的反射光可以看作是在一个特定长度ΔL的光纤内随机分布的散射体产生的后向散射的矢量和。在ΔL内这些散射体的后向散射光的电场具有随机的相位和幅度。因此,这些散射的矢量和将会随机地落在一个复平面内。

假设在ΔL内有M个随机分布的独立的瑞利散射元,而且这些散射元的偏振方向都是相同的,通过这些反射镜的

反射率和相位的统计值可知,M个散射场的矢量和为rkexp(jφk)=∑i=0Μaiexp(jΩi),(1)

式中,rk和φk分别为脉冲跨度内第k段光纤的M个后向瑞利散射的幅度和相位的矢量和;ai和Ωi分别是长度为ΔL的光纤内第i(i=0,1,…,M)个后向瑞利散射的幅度和相位;rk、φk、ai和Ωi都假定为随机变量。为了分析简单,假设ai和Ωi都是独立的并且对于所有的i值都具有相同的分布函数,而且Ωi均匀分布在区间(-π,π)上。反

射镜的幅度r和相位φ分别满足瑞利分布和均匀分布。概率密度函数可以表示为Ρ(r)=(r/σ2)exp(-r2/2σ2)r>0,(2)Ρ(φ)=1/2π-πφ

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