OFDR技术测量悬臂梁应变

OFDR技术测量悬臂梁应变光频域反射计（OFDR）作为一种先进的光纤传感测量技术，与光时域反射计（OTDR）相比，有着更高的空间分辨率和灵敏度，它在光纤通信、电力、土木及航天航空测量领域有着广阔的应用前景。其技术原理为激光器发出的线性扫频光被分为两束，其中一束被作为参考光，另一束作为测试光发射到待测光纤中，光纤中的瑞利散射反射光返回与参考光发生拍频干涉。信号频率大小与反射光的位置成线性关系，信号光谱的移动与该位置应变、温度的变化有关。其基本原理如下图所示。耦合器光源光电探测器光纤参考光图1OFDR基本原理武汉隽龙科技股份有限公司自主研发的OCI-1500是国内首款基于OFDR技术超高精度传感设备，可实现200米测量范围内的空间分辨率小于20um，在分布式温度应变传感中，空间分辨率则可达5mm，最高可实现传感精度±0.2℃/±2με。实验过程中在长度为30cm，宽度为5cm的悬臂梁上布设聚酰亚胺涂层光纤，利用OCI-1500对信号进行处理，测量悬臂梁上的应变。光纤沿悬臂梁上下表面分别铺设一段并形成回路，具体如图2所示。图2悬臂梁光纤布设图实验开始时，用10、20、50、70、100、150、200g的砝码按由小到大，再由大到小的顺序对悬臂梁进行加载，并重复两次。图3为一次砝码按由小到大顺序加载试验中OCI-1500检测到的悬臂梁各点的受力情况。由图可知，不同荷载作用下，悬臂梁各点应变呈线性分布，且以上下表面转接处为中心，距离-应变曲线均呈对称分布。随着荷载增大，曲线渐趋平滑，这主要是由于粘贴光纤时产生的残余应力影响减小，测量稳定性提高所致。图4及表1为两次重复实验中，悬臂梁变形量最大处测量到的应变情况。从表及图中可以看出，悬臂梁最大应变与外界荷载呈线性关系，经拟合R2=0.9998且同一荷载下，相同位置单次测量偏差极小，这说明设备测量重复性较好，测量稳定性较高。图3距离-应变曲线表1多次重复测量方差荷载重量/g第一次测量相对偏差/%第二次测量相对偏差/%200.02930.3797500.00990.7173700.01160.77041000.01060.02361500.00040.42252000.00280.0837图4不同荷载下悬臂梁变形量最大处应变简单的悬臂梁应变实验说明了OCI-1500在分布式应变传感中优异的检测性能。在实际工程应用场合，特别在电力、航天航空等对测量精度要求很高的领域中，OCI-1500最高可实现传感精度±0.2℃/±2με，这体现了OFDR在高精度测量领域中的技术优势。OCI-1500全分布式光纤传感设备的出现极大地满足了监测管理中对精确定位、实时控制的需求。