CN108362217A - 布里渊光纤传感系统应变校准装置及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种布里渊光纤传感系统应变校准装置及校准方法。本发明通过伺服电机带动滚珠丝杠转动，使固定在导轨上的移动滑块产生水平运动，进而使固定在移动滑块上的单模裸光纤产生应变位移，光栅尺读取光纤应变位移，通过比较读取值和预设值，在到达减速范围后，控制器制动伺服电机逐步减速，最终到达预设位移值，实现对光纤施加已知的固定应变，结合布里渊光纤传感系统获取光纤中布里渊散射光信号的频移量，实现对应变‑频移系数的标定，也可实现对布里渊光纤传感系统应变参量的校准。相比较于现有技术，本发明装置结构简单，操作方便，具有定位精度、平行度以及直线度高、回程间隙底的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于煤矿矿井光纤传感型安全监测系统的校准装置及校准方法，特别涉及一种基于布里渊光纤传感系统的应变校准装置及校准方法。
背景技术
目前基于光纤传感技术主要包括：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射；瑞利散射的光纤传感技术只能测量光纤的损耗和断点，不能测量温度和应变等物理量，而基于拉曼散射原理的光纤传感，是分布式光纤传感中最为成熟的技术之一，拉曼散射的光信号相对较弱，因此检测较为困难，而且只对温度敏感，难以用于需要应力检测的地质、建筑结构等场合。布里渊散射对温度和应变都敏感，温度和应变会引起原始光信号的频移现象，因此，通过测量频移可以实现对光纤温度-频移系数、应变-频移系数的标定，布里渊光纤传感系统在测量精度、测量范围以及空间分辨率方面均高于其他传感技术。布里渊散射光信号对温度/应变交叉敏感，常见分离温度/应变的方法是通过检测布里渊散射光信号频移量和功率变化，实现温度/应变分离，但功率检测易受干扰、稳定性不好，且由于温度对布里渊信号频移和功率的敏感系数远大于应变敏感系数，频移和功率检测的误差会对应变检测结果带来较大影响。因此要实现对应变-频移系数的标定，对光纤应变校准装置有很高的要求。
传统的光纤应变检测装置采用竖直悬挂砝码的方式拉伸光纤，给光纤固定的拉力，通过检测布里渊散射频移量，实现对光纤应变的测量。装置通过砝码给光纤提供固定轴向力，光纤应变系数Cε已知，由公式F＝Cε×Δx(式中：F—力；Cε—光纤应变系数；Δx—光纤应变位移量。)可得光纤的理论应变位移量Δx。由此可知，装置不能直接使光纤产生固定的应变，只能提供理论值，造成装置系统误差；另外装置通过滑轮把砝码竖直方向的力转换成水平方向的力，理论上认为两方向力的大小是相等的，由于滑轮摩擦力使得水平方向力减小，造成装置系统误差；此外装置通过更换砝码，给光纤提供不同的拉力，造成装置灵活性差、测量范围小。因此，研制一套布里渊光纤传感系统应变校准装置显得极为重要。
发明内容
本发明针对现有技术中不能直接获取光纤的应变量而导致应变-频移系数计算不准确，进而影响布里渊光纤传感系统应变量的解调精度，本发明的目的在于研制一套布里渊光纤传感系统应变校准装置及校准方法，通过向光纤施加已知的标准应变，结合布里渊光纤传感系统获取光纤中布里渊散射光信号的频移量，进而得到应变-频移系数，进而实现对光纤传感装置应变参量的校准。
本发明的技术方案：
本发明包括固定底座、移动底座、伺服电机、电机减速器、滚珠丝杠、丝杠固定件、导轨、移动滑块、光纤夹持器、光纤夹持器固定件、光栅尺、光栅尺固定件。两个光纤夹持器通过光纤夹持器固定件分别固定在移动滑块以及夹具台上，用于固定裸光纤，单模裸光纤的一端由移动滑块上的光纤夹持器固定，另一端由夹具台上的光纤夹持器固定，并使待测裸光纤处于一定的预张紧状态，此时待测裸光纤初始长度l等于两个光纤夹持器的固定棒端头之间的长度。通过平移移动底座改变固定底座与夹具台之间距离，可满足不同长度待测光纤的安装、测量要求，夹具台与移动滑块高度一致且始终固定，光栅尺固定件把光栅尺读数头固定在移动滑块上，光栅尺读数头用于读取移动滑块的相对位移量，伺服电机通过带动丝杠转动，使移动滑块产生轴向运动，进而带动单模裸光纤产生一定量的相对位移量Δl，达到向光纤施加标准应变ε的效果。相对位移量Δl与应变量ε的关系为ε＝Δl/l。
采用上述装置对布里渊光纤传感系统应变-频移系数进行校准，该装置通过伺服电机带动丝杠转动，使移动滑块沿导轨方向做平移运动，进而使固定在移动滑块上的单模裸光纤产生一定量的位移，光栅尺读数头读取光纤相对位移值，读取数值和预设数值进行比较，在到达减速范围时通过控制器制动伺服电机进行逐步减速，最终达到预设位移值，使移动滑块产生标准位移，即对光纤施加标准应变，结合布里渊光纤传感系统获取光纤中布里渊散射光信号的频移量，进而完成对应变-频移系数的标定，并实现对布里渊光纤传感系统应变参量的校准。
与背景技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明中的光纤应变校准装置与传统光纤应变校准装置相比，具有定位精度、平行度以及直线度高、回程间隙低的特点，且可以精确地对光纤施加量程范围内的任意标准应变。
2.相比较于传统的光纤应变校准装置，本装置直接测量光纤的相对位移量，通过位移量计算应变量，可满足对2-3m待测光纤施加标准应变，使光纤产生500-15000μm的位移，最小分度值为1μm。
3.本发明中采用光纤夹持器固定单模裸光纤，传统固定单模裸光纤的方式是用瞬干胶将单模裸光纤粘贴在固定件上，与之相比本装置具有调整灵活、对光纤损伤小的特点。
4.本发明中的位移量读取以及伺服电机运行参数调整，用户可在软件界面上进行相关参数的调节，利用串口实现对位移数据的获取。检测结果在软件界面上显示，实时性和检测效率高，检测方法简单易操作，实时监测单模裸光纤的相对位移量，从而精确控制所施加的标准应变量的大小。
附图说明
图1是布里渊光纤传感系统应变校准装置立体结构示意图。
图2是本发明的光纤夹持器结构图。
图3是本发明的系统设计框图。
图4是本发明的控制系统流程图。
图5是本发明的溯源路径图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，光纤夹持器8、13通过光纤夹持器固定件9、14分别安置于夹具台10和移动滑块12上，用于固定裸光纤，使待测裸光纤处于一定的预张紧状态，此时待测裸光纤初始长度l等于两个光纤夹持器的固定棒端头之间的长度。夹具台10固定在移动底座7，通过移动底座7改变夹具台10与固定底座6之间的距离，满足测量不同长度单模裸光纤应变的要求，夹具台10与移动滑块12上表面高度一致且始终固定，伺服电机1与减速器2固定在固定底座6上，滚珠丝杠16通过丝杠固定件11安放在固定底座6上，伺服电机1以及减速器2给裸光纤提供轴向拉力，通过带动滚珠丝杠16转动，进而使滚珠丝杆16带动移动滑块12沿着导轨15方向产生轴向位移，进而带动裸光纤产生一定量的标准位移，光栅尺包括光栅标定尺3以及光栅尺读数头4，光栅标定尺3固定于固定底座6上，光栅尺读数头4通过光栅尺固定件5固定在移动滑块12上，光栅尺读数头4用于实时读取移动滑块12的相对位移量并上传至上位机进行数据处理。
如图2所示，本实施例中的光纤夹持器包括螺丝17、光纤固定棒18、光纤固定件19。光纤固定棒18通过夹缝固定裸光纤，夹缝大小根据不同型号的裸光纤的直径来确定，可以实现对本装置中待测裸光纤的夹持，符合实际需要。光纤固定棒18通过螺丝17固定在光纤固定件19上，转动螺丝17给光纤固定棒18一定的径向力，使其达到既可以固定光纤固定棒18同时又不损坏裸光纤的效果。
如图3所示，STM32单片机通过PWM输出，控制伺服电机1以预设速度值匀速转动，带动滚珠丝杠16转动，进而带动移动滑块12和光纤夹持器13移动，使裸光纤产生标准位移量Δl。光栅尺读数头4固定在移动滑块12上，用于读取移动滑块的相对位移量，并将测量结果通过串口通讯电路传输到STM32单片机。通过比较读取位移值和预设位移值，在到达减速范围后，控制器制动伺服电机1进行逐步减速，最终达到预设位移值，根据标准应变量ε与标准位移量l的关系式ε＝Δl/l求得标准应变量ε，即实现对光纤施加已知的标准应变ε，结合布里渊光纤传感系统获取光纤中布里渊散射光信号的频移量，进而得到应变-频移系数，也可实现对布里渊光纤传感系统应变参量的校准。
如图4所示，在控制系统的上位机界面上设置移动滑块位移值以及伺服电机转速值，伺服电机1带动滚珠丝杠14转动，使移动滑块10按设定速度移动，光栅尺读数头4检测相对位移量并将检测值上传至控制系统，控制系统经过对比检测值是否到达设定位移值减速范围、制动伺服电机逐步减速、对比检测值是否到达设定位移值、完全制动伺服电机，这一系列步骤实现对光纤施加已知的标准应变。
如图5所示，本发明可实现对布里渊光纤应变传感系统应变参量的校准，应变参量通过本装置可逐级溯源至国家长度基准。
Claims (4)
1.布里渊光纤传感系统应变校准装置，包括伺服电机、滚珠丝杠、光纤夹持器固定器件、光纤夹持器、固定底座、移动底座、夹具台、移动滑块、光栅尺、光栅尺固定器件，其特征在于：
两个光纤夹持器通过光纤夹持器固定件分别固定在移动滑块和夹具台上，用于固定裸光纤；单模裸光纤的一端由移动滑块上的光纤夹持器固定，另一端由夹具台上的光纤夹持器固定，并使待测裸光纤处于预张紧状态；此时待测裸光纤初始长度l等于两个光纤夹持器的光纤固定棒端头之间的长度；通过平移移动底座改变固定底座与夹具台之间距离，可满足不同长度待测光纤的安装、测量要求；所述的夹具台与移动滑块高度一致且始终固定，光栅尺固定件把光栅尺读数头固定在移动滑块上，光栅尺读数头用于读取移动滑块的相对位移量，伺服电机通过带动滚珠丝杠转动，使移动滑块产生轴向运动，进而带动单模裸光纤产生一定量的相对位移量Δl，达到向光纤施加标准应变ε的效果，相对位移量Δl与应变量ε的关系为ε＝Δl/l。
2.根据权利要求1所述的布里渊光纤传感系统应变校准装置，其特征在于：所述的光纤夹持器固定光纤包括光纤固定件、光纤固定棒和螺丝，光纤固定棒通过夹缝固定裸光纤，光纤固定棒通过螺丝固定在光纤固定件上。
3.根据权利要求1所述的布里渊光纤传感系统应变校准装置，其特征在于：待测单模裸光纤初始长度可调，可满足对2-3m单模裸光纤施加任意的标准应变的要求，装置可使单模裸光纤产生500-15000μm的位移，最小分度值为1μm。
4.布里渊光纤传感系统应变校准方法，采用权利要求1所述的装置，其特征在于该方法具体是：上位机控制伺服电机转动，由滚珠丝杠带动移动滑块移动，通过光栅尺测量光纤的相对位移量，比较读取值和预设值，在到达减速范围后，控制器制动伺服电机进行逐步减速，最终达到预设位移值，实现对光纤施加已知的标准应变，结合布里渊光纤传感系统获取光纤中布里渊散射光信号的频移量，实现对应变-频移系数的标定，并实现对布里渊光纤传感系统应变参量的校准。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180803 |