光纤多向应变监测研究
孟阳abc 怀志苏abc
（a河海大学水文水资源与水利工程国家重点实验室，南京210098
b河海大学水利水电学院，江苏南京210098
c国家水利资源利用与工程安全工程研究中心，南京210098）
摘要：脉冲预泵布里渊光时域分析（PPP-BOTDA）技术以其高空间分辨率和应变精度真正实现了分布式测量。 根据基于PPP-BOTDA的基本监测原理，测试参数和布局方案，提出了一种系统化的分布式光纤多向应变监测（FOMDSM）技术。 并给出了合理的布局方案，温度补偿公式等。 这篇文章还决定了更合理的样本大小，光纤布局的位置和基本布局范围。 本文是对空间多方向污点同步监测的实验性可行性探讨，这是一个亟待解决的问题。 结构在实际工程中不仅仅处于拉拔力的作用下，因此本文还探讨了工程中弯曲与拉拔的共同组合，除拉伸试验外。 该技术利用研究领域的最高空间分辨率。 从监测的效果来看，已经出现了高精度和良好的实际应用。 本文的最终目的是通过基于PPP-BOTDA技术的通用0˚/45˚/90˚应变监测提出空间多向应力和应变监测思想，证明其合理性和适用性。 它说明了形成实际空间FOMDSM能力的重要指导意义。
关键词：光纤 应变监测 弯曲 PPP-BOTDA技术
- 介绍
复杂的土木工程本身不可避免地会受到材料性能退化，不利环境负荷等的影响。因此，经常发生灾难性事件[1]. 英国谢菲尔德水库大坝在1864年爆发，造成254人死亡。加拿大魁北克桥的突然碰撞在1907年导致74人死亡。美国加利福尼亚州卡尔斯巴德因2000年天然气管道泄漏和爆炸而死亡的人数为12人。这些结构事故的影响和严重的后果增加了对结构健康监测（SHM）的考虑。SHM起源于20世纪50年代。SHM技术主要用于局部或全部结构状态，包括应变，应力，温度，变形，速度，加速度和位移。SHM技术可以反映结构通过长期信号监测达到获得包括结构响应在内的机械量的目的，并预测结构损坏或降级以保证人们的安全。与传输和传感集成的良好特性是针对波长的。 光纤传感技术研究正在成为基于物理属性的基本检测和外部物理量检测的一个重要课题。 对于许多国家的主要项目和重要设备的改善未来而言，这是一个急需的重要领域。 需要更先进的监测技术，其特点是规模大，距离远，数量大，精度高，局部小应变监测。 重要的问题是对大型在建工程和建设项目的实时，长期和有效监测，以及在一个结构遭受灾难之前的预警。 传统的监测设备由于外部温度，湿度等原因，很容易产生漂移值，都是“点”监测。 因此无法完成大型结构的全面监控。 FBG是一种高精度技术，达到约3mu;e应变，但它不是真正的分布式监测技术。 布里渊光频域分析（BOFDA）具有空间分辨率高的优点，但测量范围太小。 布里渊光学相关域分析（BOCDA）仅测量光纤的单点，而且感应距离太短。 BOTDR的精度仅为50mu;e，空间分辨率仅为1 m左右。
基于上述研究背景，高空间分辨率，高精度和量程分布式监测技术是需要回答的一个问题。 PPP-BOTDA是传统BOTDA / R限制的突破，显着提高了测量空间分辨率和精度，最终实现了基于诱导布里渊的唯一厘米级精密光电测量系统。 它通过测量数据揭示了结构的更多物理行为。 它达到了量化的实用水平，是一种新型可靠的分布式监测技术。 它为项目监控提供了一种新的思路[2]. Kishida致力于通过使用预泵方法来提高空间分辨率和精度[3]. 在PPP-BOTDA分布式贝尔传感技术中，在桩基，油井，复合材料和预应力梁中有一些成熟的应用。
然而，现在还没有真正系统地研究基于这种技术的空间FOMDSM。本研究有助于最大程度地获取监测结构的基本信息，尤其是对于反映大坝，桥梁等单环行为的不同方向信息。本文研究的是最大空间分辨率目前的FOMDSM基于PPP-BOTDA技术。探索性试验研究主要针对上述问题，从实际工程需求出发，通过同时监测多方向变形，最终实现了基于布局方案，温度补偿和波动排列过程的FOMDSM测试目的。
- PPP-BOTDA的分布式应变传感技术
PPP-BOTDA是BOTDA的升级技术。在引入脉冲光之前，它采用适当的脉冲预泵浦并预先激发声子。PPP-BOTDA完成了高空间分辨率（lt;10cm）和测量精度（lt;plusmn;25mu;e）。
2.1 基于布里渊频移的应变监测原理
布里渊散射是非弹性散射，是由光波和声波的相互作用产生的。在散射过程中斯托克斯光和泵浦光之间的频移是布里渊频移存在的原因。反向传播发生在频率为v1的脉冲泵浦光和频率为v2的光的连续检测之间。当v1 - v2（频率差）等于vB（布里渊频移）时，弱信号被强信号放大。它被称为布里渊激励放大的特征。布里渊频移的信号衰减在某些时间段内会迅速增加，因为外界因素影响了波的形成。此时，当具有反向传播和探测光的泵浦光的调谐v1-v2等于vB时，弱信号被放大，该衰减布里渊频移是由于一部分柏林应变[4]. 这是接收布里渊散射信号的时间点（图1）。
这种频移与轴向应变之间存在线性关系，
|
vB(x) = vB(0) times; (1 Cvεε(x)) 其中vB（x）是柏林激励应变下的中心频率; vB（0）是初始值; Cvε是应变系数。ber的应变值可以通过测量Brillunion频移变量量来获得。
|
接着ε(x) = vB(x)/Cvε
其中LlvB（x）是Brillunion频移的变量; ε（x）是应变。
图1. BOTDA的监控原理。
频移vB的变化与唯一温度情况下的温度T有关：
vB（T）= vB（T0） CvT LlT(4)
其中LlvB是Brillunion频移的变量; CvT是温度系数; LlT是温度的可变量。
当温度和应变同时存在时，可以表示如下：
LvB=CvεLlε CvT LlT (6)
那是，
vB（ε，T）= vB（0） Cvεε CvT LlT (7)
差异表达式显示为
vB（ε，T）= vB（0） DVB（ε）ε dvB（T）L1T (8)
dε 的dT
其中vB（ε，T）; 表示应变为ε时的Brillunion频移，温度为T; vB（0）是无应变和初始温度下的Brillunion频移; dvB（ε）是应变系数; dvB（T）是温度系数。
dε 的dT
根据上述原理同时监测基于Brillunion的Ber应变和温度是可行的[5,6].
2.2 PPP-BOTDA技术的测量原理
其原理是：事先泵浦（预泵浦）激光器提前激发声子，在声波安定后注入用于监测的泵浦脉冲。 这可以确保高空间分辨率而不会缩短脉冲光的宽度以及布里渊增益和光谱的有利形态[7].
冗余输出功率可以降低，以正确设置脉冲光和脉冲预泵浦光之间的功率比。 消光系数（Rp）显示为
(AP CP 2
CP
CP
Rp=
(9)
其中CP是脉冲光功率; AP CP是脉冲预泵的功率。
图2显示了监测的原理。
图2. PPP-BOTDA技术的原理。
其中D和D预分别为泵浦脉冲光和脉冲预泵浦光的持续时间。 基于摄动理论的探测光受激布里渊散射振幅公式为
( )
ECW=（0，t）= ACW1 H（t，˝） (11)
扰动系数在哪里，取值为2.2times;10minus;4。 ˝是泵浦光（脉冲光）功率，v1与探测光功率v2即声子频率之间的v1 - v2值; t是时间系数; H（t，˝）是受激布里渊散射的光谱项，由泵浦脉冲光的二次积分组成
轮廓形状可以用阶梯函数来描述
H（t，˝）= H1（t，˝） H2（t，˝） H3 (13)
H1（t，˝）是泵浦脉冲光，它的特点是空间分辨率高，光谱范围宽，是BOTDA术语的传统意义。 H1（t，˝）的尺寸分布为D（泵浦脉冲光持续时间）的空间分辨率，不利于应变监测。
H2（t，˝）取代了泵浦光和脉冲预泵浦光之间的相互作用，以及高空间分辨率和窄光谱范围的特点。 它可以获得半高全宽（FWHW），LlvB，与连续光相同，其表示形式为I#39;B。
H3（t，˝）表示脉冲预泵浦光与泵浦光之间的相互作用，但它包含振动噪声和复杂的部件。
H4（t，˝）取代脉冲预泵浦光，低空间分辨率和窄光谱范围。 普遍性在应用上很差，因为它在很大程度上取决于整个长度。
vg对应于光波的波速; h（z，s）用于描述声子特性; L是长度
柏林
h（z，s）= I#39;e - [I#39; i（vB（z）-v）] s (14)
其中vB（z）是位置（Z）的Brillunion中心频率，带有测量点，I#39;=I#39;B。
2
因此，布里渊增益谱（BGS）的表达式为
V（t，v）=1ACW2H（t，v） cc (15)
2
ACW是探测光的功率; 是摄动系数。
对于PPP-BOTDA，预泵浦灯控制的持续时间可以限制泵浦光前泵长度中的H4（t，˝）。 H3（t，˝）和H1（t，˝）是布里渊增益保持不变的整数相等，并且BGS通过H2（t，˝）变窄。 在上述过程之后，PPP-BOTDA技术可用于应变监测[8,9].
- 测试空间FOMDSM的布局方案
光纤三向应变监测（FOTDSM）只是FOMDSM的一种类型。 0◦/ 45◦/ 90◦应变监测也是FOTDSM的一种。 通过基于PPP-BOTDA技术的通用0◦/ 45◦/ 90◦应变监测，提出FOMDSM思想的最终目的是合理的。 基于这种技术的FOMDSM几乎没有研究。 唯一的研究不涉及许多核心部分，比如合理的布局方案。
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