引用本文:
王成亮,官国飞,徐妍,等. 基于布里渊散射光纤传感技术的温度和应变同时测量误差分析[J]. 光通信技术,2021,45(11):11-17.
王成亮,官国飞,徐 妍,蒋 超
(江苏方天电力技术有限公司,南京 211103)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为了提高分布式光纤传感系统的准确性,理论上比较了多参数同时测量与单参数测量时温度、应变的误差标准差,指出在典型配置下双光纤或双波长方式的同时测量误差标准差可达单参数测量法的9~850倍,双段光纤法应变误差标准差为单参数测量法的1.4倍。采用基于伪Voigt模型的拟合算法提取布里渊频移,计算结果验证了以上结论。
关键词:分布式光纤传感;布里渊散射;温度和应变同时测量;误差分析;双光纤法;双波长法
中图分类号:TN212.9 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2021)11-0011-07
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.11.003
0 引言
智能感知在电力物联网[1]的数据入口扮演重要角色,是设备智能化的基础,主要依赖传感器。分布式光纤传感技术不仅具备普通光纤传感器所具有的耐高温、电绝缘、抗电磁干扰和尺寸小等优点,且只需测量一次便可得到光纤沿线的物理状态。因此,基于分布式传感技术的一根光纤可以代替成千上万个点式传感器,尤其在大尺寸设备监测时更有优势[1-3]。其中,基于布里渊散射的传感器能感知温度和应变[4-5],甚至针对特殊光纤可以实现形状的传感[6-7]。由于布里渊频移与温度和应变均有关,无法实现温度和应变的同时测量。目前,人们的解决思路主要有2种:一种是布里渊散射结合喇曼散射测量法[8-9],利用其它手段先获得光纤温度,然后在测得的布里渊频移中排除温度的影响,最后计算光纤上的应变;另一种是引入其它受温度和应变影响的特征量(布里渊散射功率[10]、特殊光纤的多个峰的频移[11-12]和瑞利散射的频移)的双光纤法[13-14]。与双光纤法类似的是双波长法[13],该方法通过在一根光纤入射不同的波长,然后根据不同波长下的温度和应变敏感系数的不同实现传感。除此之外,文献[15]提出了双段光纤法,即采用一根光纤经历路径2次,其中一次路径上同时受温度和应变的影响,另一次路径上光纤不承受应变而只受温度影响,这样可提高测量的准确性。这些文献对基于布里渊散射分布式光纤传感的温度和应变测量方法做了很好的实践探索,但在误差分析等方面尚不够系统深入。为此,本文在考虑布里渊频移误差满足正态分布且期望为0的基础上,结合双光纤法、双波长法和双段光纤法的典型参数,理论推导同时测量温度、应变误差与单参数测量时二者误差的关系,仿真研究信噪比(SNR)、双段光纤法等效应变敏感系数分别对温度和应变测量误差的影响规律。
4 结束语
本文对基于布里渊频移的温度和应变同时测量方法的误差进行了理论分析和数值验证,所得结论如下:
①双光纤法和双波长法的温度和应变误差标准差为单参数测量时误差的9~850倍;双光纤法和双波长法的温度和应变误差标准差随SNR增大误差呈指数规律下降,指数为0.88~0.89;当SNR从10 dB增大到35 dB时,同时测量时误差减小到原来的119左右;为减小测量误差需增大,同时选择尽量高的SNR。
②双段光纤法应变测量误差标准差约为单参数测量法的1.4倍;随着第二段光纤等效应变敏感系数增大,温度和应变测量误差标准差线性增大。