分析OFDR曲線能否進(jìn)行應(yīng)變溫度測(cè)量？

1概述

OFDR分布式光纖傳感技術(shù)具有高分辨、高精度、分布式的傳感特性，已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中。在實(shí)際測(cè)量中，光纖鏈路可能會(huì)出現(xiàn)高反射、損耗等干擾，導(dǎo)致OFDR測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確甚至不能測(cè)試。這種情況下，如何分析OFDR曲線并改善是成功測(cè)試的重中之重，本文匯總了一些常見異常情況并給出處理建議。

2理想OFDR曲線

OFDR傳感可以測(cè)量光纖應(yīng)變和溫度變化量，需要在加載測(cè)量前保存一組基準(zhǔn)（取參考）。以O(shè)SI設(shè)備為例，軟件上取參考界面如圖1所示。在此界面可以獲得一組OFDR曲線，即距離（橫坐標(biāo)）-散射強(qiáng)度（縱坐標(biāo)）曲線。OFDR曲線橫坐標(biāo)可以反映待測(cè)光纖鏈路的有效長(zhǎng)度以及設(shè)備可支持的最大傳感長(zhǎng)度（例如圖1，光纖鏈路的長(zhǎng)度約6m,設(shè)備最大傳感長(zhǎng)度約110m）。OFDR曲線縱坐標(biāo)可以反映整根光纖鏈路中各位置對(duì)應(yīng)的反射強(qiáng)度及損耗。

圖1OSI-S的取參考界面

理想的OFDR曲線是這樣的：在光纖鏈路長(zhǎng)度范圍內(nèi)，曲線為一條平整干凈、無(wú)臺(tái)階（無(wú)損耗）的直線，在法蘭連接或熔接位置會(huì)有反射峰，光纖尾端因光路截止出現(xiàn)下降的臺(tái)階，光纖尾端有反射峰且峰值與前面基線差值小于40dB，如圖2所示。

圖2理想OFDR曲線

3異常OFDR曲線

OFDR曲線出現(xiàn)異常，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變溫度傳感測(cè)量效果不好甚至測(cè)試失敗。總結(jié)OFDR曲線異常情況，可分為兩類：1）、光纖鏈路中存在損耗；2）、光纖鏈路中存在高反射。

3.1 光纖鏈路中存在損耗

光纖鏈路中產(chǎn)生損耗主要原因?yàn)椋哼B接頭損耗、熔接點(diǎn)質(zhì)量不高、光纖斷裂、光纖彎曲半徑小、粘貼光纖膠水固化收縮等。異常OFDR曲線如下圖所示。

圖3 光纖斷裂

圖4 光纖彎曲或連接較差

光纖鏈路中存在損耗時(shí)能否繼續(xù)測(cè)量，需根據(jù)實(shí)際情況來(lái)評(píng)估，大致有以下三種情況。 1）光纖鏈路信號(hào)到達(dá)設(shè)備底噪，不能進(jìn)行傳感測(cè)量。此時(shí)通常為光纖斷裂或有大損耗，測(cè)量段光纖信號(hào)進(jìn)入底噪，探測(cè)不到有效信號(hào)，不能進(jìn)行傳感測(cè)試。

2）光纖鏈路有少量損耗，光纖傳感段散射信號(hào)高于設(shè)備底噪8dB以上，即信噪比大于8dB，應(yīng)變測(cè)量不受影響，而且應(yīng)變范圍也不會(huì)有損失，可以在此條件下繼續(xù)測(cè)試。

3）光纖鏈路有較大損耗，信噪比低于8dB，測(cè)試可以繼續(xù)，但是隨著光纖鏈路的損耗增大，系統(tǒng)可準(zhǔn)確測(cè)量的應(yīng)變范圍會(huì)降低。以光纖拉伸梁測(cè)試應(yīng)變?yōu)槔?，?duì)比不同信噪比條件下儀器能準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)變的最大范圍，得出如圖5所示的信噪比-應(yīng)變范圍曲線。

圖5 信噪比-應(yīng)變范圍曲線

圖6 OFDR曲線信噪比

對(duì)于不同待測(cè)結(jié)構(gòu)和測(cè)試方案，由光纖鏈路損耗而導(dǎo)致的應(yīng)變范圍損失，情況有所不同。因此，我們建議當(dāng)鏈路有損耗且信噪比低于8dB時(shí)，先查找原因、排除損耗后再進(jìn)行測(cè)試。

備注：OSI系統(tǒng)可調(diào)節(jié)信號(hào)增益，如下圖所示0.8m處光纖彎曲產(chǎn)生損耗，設(shè)置增益倍數(shù)，從6dB切換至16dB，增益后光纖鏈路各位置的信號(hào)增強(qiáng)。

圖7 OSI增益調(diào)節(jié)

圖8 OSI增益調(diào)節(jié)后的OFDR曲線

注意：若光纖尾端反射太高，加大增益，可能出現(xiàn)OFDR曲線畸形。

3.2光纖鏈路中存在高反射

光纖鏈路中高反射主要來(lái)源于連接頭端面反射和光纖尾端反射。通常PC/UPC端面研磨方式的光纖接頭反射比較大，建議光纖鏈路中選擇APC端面研磨接頭。

圖9 OFDR曲線存在高反射

若是光纖尾端高反射，建議在每次測(cè)試前都對(duì)分布式光纖傳感器的尾端進(jìn)行處理，以消除高反射。如何消除光纖尾端高反射，有以下幾種方法可供參考。

1）在光纖傳感器尾端熔接或連接一根ERE尾端反射消除器；

2）在靠近光纖尾端處打結(jié)或繞圈，使信號(hào)衰減降低反射；

3）在光纖尾端端面處涂匹配膏消除高反射。

以上方法中，熔接ERE效果最佳，也適合各類光纖傳感器。涂匹配膏的方法具有不穩(wěn)定性，適合短時(shí)加載的實(shí)驗(yàn)。尾端打結(jié)的方法適合不耐彎曲光纖，不適合耐彎曲光纖。

4總結(jié)

本文分享了OFDR使用的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，關(guān)于如何分析OFDR曲線，以獲得最佳的傳感測(cè)量效果。文章羅列了OFDR曲線正常和異常的情況，并給出處理建議。總結(jié)來(lái)看，有以下兩方面。

1）光纖鏈路中存在損耗。若鏈路有少量損耗且信噪比大于8dB，OSI傳感測(cè)量不受影響；若信噪比低于8dB，此時(shí)系統(tǒng)可測(cè)的應(yīng)變范圍有所下降，建議查找原因、排除損耗后再進(jìn)行測(cè)試。用戶也可以加大OSI系統(tǒng)上的增益倍數(shù)，提高信號(hào)強(qiáng)度。

2）光纖鏈路中存在高反射，尤其是光纖尾端。建議在每次測(cè)試前對(duì)光纖尾端進(jìn)行處理，熔接ERE效果最佳。

來(lái)源：大話光纖傳感

審核編輯：湯梓紅