摘要：本文概述性的对比了光纤传感系统的种种优势，着重阐述了匹配BOTDA光纤传感系统所用的新型传感光缆的研究，研究内容结合系统的应用场景，通过对传感光缆结构、用料、工艺的创新及改善，使传感光缆对系统测量精度的影响尽量降低。并研发一款能用单纤测量温度、应力双物理量的传感光缆。

关键词：光纤传感系统；传感光缆；温度、应力测量

 

0 引言

我国大型基础设施体量排在世界前列，例如：公路桥梁78万座，铁路桥梁7万座，均为世界第一；高速公路总里程超过13万公里，为世界第一；油气管道超过12万公里。然而，大型基础设施在长期服役过程中长期受到外力和环境侵蚀，极有可能发生灾害，从而造成严重的安全事故和经济损失。同时，我国是世界上地质灾害多发国家之一，地质灾害种类多、面积广、活动频次高、危害程度大。例如，2015年12月20日，深圳市发生渣土堆山滑坡事故，导致74人死亡，直接经济损失近10亿元人民币。为避免人员伤亡、减小经济损失，需要对大型基础设施和各种地质灾害进行监测。

 

1 光纤传感系统优势

对于大型基础设施如公路、隧道、大型桥梁、油气管线、电力线等，空间尺寸长，以及像地质灾害这类分布面积广的场景监测，电阻式应变片和光纤光栅为主的点式传感器只能测量有限的离散点，无法实现待测物的全空间测量（如图1）。分布式布里渊光纤传感可以实现在空间上的连续测量，具有测量距离长、定位精度高等特点，测量物理量包括温度和应变（如图2）。

图1 点式传感示意图

图2 分布式传感示意图

    与传统传感技术相比，分布式光纤传感器具有重量轻、抗恶劣环境、抗电磁干扰、在传感点无需用电等优点，此外，它可实现多达百万个监测测点和长达上百公里的超长距离分布式测量^[1]。

2 典型应用领域

包括：石油天然气管道和存储罐的温度和变形监测，海底或陆地高压电缆/光缆的温度和应变监测，地质灾害（比如山体滑坡、泥石流等）的分布式监测，桥梁、大坝和隧道等大型建筑物的结构健康监测，飞行器和航天器的飞行状态监测以及火灾报警等。

3 技术原理
    分布式光纤传感根据光的散射方式可分为：拉曼散射型、瑞利散射型和布里渊散射型。
·基于拉曼散射的分布式光纤传感，斯托克斯和反斯托克斯光强比与温度呈线性关系，可用于温度测量和火灾报警，但是传感距离（至多20 km）和空间分辨率（最小1 m）有限。
·基于瑞利散射的分布式光纤传感主要用于光纤断点和损耗检测，近年来发展的相位光时域反射计可以实现分布式振动测量，主要用于光纤周界安防。
·基于布里渊散射的分布式光纤传感，散射光和入射光之间的频率差（布里渊频移）与光纤温度和应变呈线性关系，使用通信用单模光纤作为传感器，可以实现超长距离长（百公里级）、超高空间分辨率高（厘米级）和高精度的分布式应变和温度测量^[2]，特别适合大型基础设施、泥石流和山体滑坡等地质灾害监测。

可见BOTDA光纤传感系统是现今精度最高、测量物理量实用性最强、传感距离最大的光纤传感系统，未来的发展空间和应用前景更被看好。BOTDA是通过检测布里渊频率移动的方法反馈温度应力变化的传感系统^[3]，布里渊频移与温度和应力有线性正相关关系，且对这两个物理量同时体现相关性，就像一个二元一次方程：  

其中ΔV_B为布里渊频移、Δε为纤应变、ΔT为温度变化。

 

4 新型传感光缆研究

由于传感解调器的性能已经达到商用水准，传感光缆对系统的匹配度时常成为限制系统精度的门槛。目前使用于BOTDA系统的传感光缆大致分为三类：温度传感类、应力传感类、温度应力复合传感类。

·温度传感类一般采用光纤在松套管内，且有光纤余长，余长用于保护光纤不受外应力影响；

·应力传感类一般采用紧结构光缆，使光缆受力直接传递到光纤上；

·复合传感类一般采用一松一紧的结构，带有余长的松结构光纤用于测温，紧结构的光纤用于测应力，且两光纤所测频率可做相互补偿。

我司近期研究的一款传感光缆突破了原复合传感类结构形式，可采用单根光纤实现相对准确的双物理量测量，该传感光缆产品是结合了大量实验数据及理论分析设计得出的。

使用一根光纤准确的测量温度、应力两个物理量主要面临下述难点：温度应力这两个物理量的测量方式不同：测应力时由于松套光纤不能随光缆进行轴向变形，所以需要使用紧包光纤，而紧包光纤又会因其包层的热膨胀系数与光纤有差异^[4]，导致包层在温度变化的过程中对纤芯产生轴向拉伸或压缩，进而影响紧包纤对温度的测量精度。我司据此改用玻璃纤维作为光纤包层，做成紧结构光缆。玻璃纤维护层与光纤的热膨胀系数基本相同，可以大大降低包层对光纤测温的影响，且紧结构又适合于测应力。

 

5 新型传感光缆性能验证

此种玻璃纤维传感光缆制成后，用其在实验室进行验证性实验，实验分别测试了此种光缆环境温度、所受应力对应布里渊频移的线性度反馈。

实验方法：在同一盘缆上选取A段进行温度测试，置入高低温循环箱在温度区间-25~60℃内选多个温度点进行布里渊频率测量；B段进行应力测试，施加0~100N的力，每隔10N测量一次布里渊频率。实验所得二维描点图如下：

 

从上图中可以看出，该缆温度测量结果线性较好，精度较高，应力测量结果线性度稍差，随着加大应力布里渊频率提升明显，但精度一般。这可以理解为该光缆在生产过程中工艺控制不良所致，使缆成缆前光纤受力均一度差，而由于其为紧结构，光纤又没法在缆中自由释放内应力，所以在施加外应力时，光纤的布里渊频率变化的线性度会体现出这种小幅度的折线。

此种新型传感光缆的优势和劣势很分明，主要优势为：体积小、重量轻、施工难度低、适合大型建筑的结构健康监测、单根光纤可测温度应力两种物理量；主要劣势为：刚性大、不宜小半径弯曲，对布设路径的拐点有一定要求。因此该种传感光缆的适用领域倾向于大型建筑，如：隧道、桥梁、大坝等。

 

结束语：

后期还需通过改善光缆制造工艺改善应力测试效果，主要改善光缆内应力的均一性。也需要针对此种光缆的特性选择合适的适用场景，使其发挥出自己的优势。光纤传感领域待创新和探索的地方还有很多，相信此领域的未来一片光明。

 

参考文献：

［1］ 李仁禄,郭锦锦,杨远洪.基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究及进展.[J].红外与激光工程,2006(10) : 35．

［2］ 彭映成,钱海,鲁辉,郭弦.基于BOTDA的分布式光纤传感技术新进展.[J].激光与光电子学进展, 50,100005(2013)

［3］ 贾振安,张童,刘颖刚,尉婷,徐成.基于BOTDA的分布式光纤温度传感测量实验研究[J]. 传感器与微系统, 2014.33卷4

［4］ 王传琦,王辅东,李志鹏,王晓锋,伍历文.尼龙紧包纤的布里渊频移和温度监测研究[J].光通信技术,2017.11.第41卷11期

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