超导带材温度及应力监测方法和系统
阅读说明：本技术 超导带材温度及应力监测方法和系统 (Superconducting tape temperature and stress monitoring method and system ) 是由 李柱永 吕莹莹 金之俭 江俊杰 于 2021-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种超导带材温度及应力监测方法和系统,包括：步骤1：利用封装带将两根传感光纤内封入高温超导带材,将两根传感光纤分别与拉曼散射信号采集器和布里渊散射信号采集器相连,分别采集拉曼散射信号和布里渊散射信号；步骤2：将两根传感光纤采集的信号进行编码并传送到计算机,先将拉曼散射信号解调为温度信号,获得超导带材的温度分布信息,再对布里渊散射信号进行温度补偿,解调出纯应力信号,获得超导带材的应力分布信息；步骤3：通过计算机同时将超导带材的温度分布曲线和应力分布曲线进行显示。本发明能够及时检测到超导带材运行状态变化,从而可以及时对超导设备采取保护措施,减小损失。(The invention provides a method and a system for monitoring temperature and stress of a superconducting tape, which comprises the following steps: step 1: the two sensing optical fibers are respectively connected with a Raman scattering signal collector and a Brillouin scattering signal collector to respectively collect Raman scattering signals and Brillouin scattering signals; step 2: encoding signals acquired by the two sensing optical fibers and transmitting the signals to a computer, demodulating the Raman scattering signals into temperature signals to obtain temperature distribution information of the superconducting tape, then performing temperature compensation on the Brillouin scattering signals to demodulate pure stress signals to obtain stress distribution information of the superconducting tape; and step 3: the temperature distribution curve and the stress distribution curve of the superconducting tape are simultaneously displayed by a computer. The invention can detect the change of the running state of the superconducting tape in time, thereby taking protective measures to the superconducting equipment in time and reducing the loss.)
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体地，涉及一种超导带材温度及应力监测方法和系统。尤其地，涉及一种融合拉曼和布里渊散射的超导带材温度及应力监测方法和系统。
背景技术
近年来，随着研究的深入，高温超导带材广泛应用于电力设备、高场磁体、医疗器械等多个领域中，与此同时面临的工作环境也更为复杂。一些超导设备，尤其是超导电力设备及高场磁体，在工作过程中会不可避免的受到外界干扰，从而导致失超，设备温度上升，严重的情况会烧毁设备，造成经济损失。此外，超导线圈工作时极易受到应力的影响，当应力过大时也会损坏线圈，造成损失。
相对于低温超导材料，高温超导材料的失超传播速度慢2-3个数量级，因此不能采用传统的电压检测法来进行失超检测。目前国内外采用的失超检测方法主要有：热电偶检测法、声学检测法、光纤光栅检测法等。但这些方法只能进行局部失超检测或反映超导线圈的整体运行情况，均不适用于长距离超导带材，也不能实现失超定位。
为解决上述难题，近年来分布式光纤传感技术逐步应用于高温超导带材的失超检测研究中，从而实现长距离高温超导带材的失超检测。根据被测光信号的不同，分布式光纤传感技术分为三种类型：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。其中拉曼散射只测量温度变化；瑞利及布里渊散射技术可同时测量温度及应力变化，但两种信号不易解耦，从而给失超检测带来了一定的困难。针对这个问题，本文提出了一种新型测量方法，利用内封入高温超导带材的两根测量光纤，同时采用拉曼散射和布里渊散射技术进行温度和应力监测。这种方法是基于内封光纤高温超导带材制备技术进行的。不仅能够实现长距离监测，还能够分立地测量超导带材的应力和温度，对高温超导带材进行实时监测。这种测量技术可用于大型超导磁体、超导电缆等应用中。
专利文献CN102313568A(申请号：CN201110252260.4)公开了一种布里渊和拉曼同时检测的分布式光纤传感装置，包括窄带光源、两个光耦合器、编码脉冲光调制器、光放大器、三个光滤波器、三个光电检测器、电解码器、光频移器、电子处理器、光偏振控制器、波分复用器。该专利是利用单根光纤将布里渊和拉曼散射融合。而本发明是利用两根光纤，一根用于检测拉曼散射信号，获得待检测超导带材的温度分布信息；另一根用于检测布里渊散射信号，并利用拉曼信号进行补偿，同步获得超导带材的应力分布信息。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超导带材温度及应力监测方法和系统。
根据本发明提供的超导带材温度及应力监测方法，包括如下步骤：
步骤1：利用封装带将两根传感光纤内封入高温超导带材，将两根传感光纤分别与拉曼散射信号采集器和布里渊散射信号采集器相连，分别采集拉曼散射信号和布里渊散射信号；
步骤2：将两根传感光纤采集的信号进行编码并传送到计算机，先将拉曼散射信号解调为温度信号，获得超导带材的温度分布信息，再对布里渊散射信号进行温度补偿，解调出纯应力信号，获得超导带材的应力分布信息；
步骤3：通过计算机同时将超导带材的温度分布曲线和应力分布曲线进行显示。
优选的，拉曼散射测温原理为利用反斯托克斯光强Ias与斯托克斯光强Is之比解调温度信号，公式为：
其中：h是普朗克常数；Ks和Kas分别是位置依赖的斯托克斯光和反斯托克斯光的散射损耗因子；k是玻尔兹曼常数；Δv是拉曼频移量；T是开尔文温度。
优选的，在布里渊型分布式光纤传感系统中，布里渊背向散射频移为：
其中：Va是声速，其值为5945m/s；n表示光纤的有效折射率；λ表示入射光的波长；
当传感光纤受到温度或应力影响时，布里渊背向散射频移变为：
其中：vB0是传感光纤在参考温度273K未受力情况下获得的布里渊背向散射频移；Ct和Cs分别是传感光纤环境温度T和发生应变ε的比例系数；θ为偏微分符号；vB表示：布里渊背向散射光的频率；
在没有应力干扰的情况下，温度变化ΔT与布里渊散射信号频移有如下关系：
CvΔT＝ΔvB
其中：Cv是布里渊散射频率和功率变化的温度系数；ΔvB是布里渊散射频移变化量。
优选的，所述传感光纤环境温度T的比例系数取值为9.4×10-5K。
优选的，所述发生应变ε的比例系数取值为4.6。
根据本发明提供的超导带材温度及应力监测系统，包括如下模块：
模块M1：利用封装带将两根传感光纤内封入高温超导带材，将两根传感光纤分别与拉曼散射信号采集器和布里渊散射信号采集器相连，分别采集拉曼散射信号和布里渊散射信号；
模块M2：将两根传感光纤采集的信号进行编码并传送到计算机，先将拉曼散射信号解调为温度信号，获得超导带材的温度分布信息，再对布里渊散射信号进行温度补偿，解调出纯应力信号，获得超导带材的应力分布信息；
模块M3：通过计算机同时将超导带材的温度分布曲线和应力分布曲线进行显示。
优选的，拉曼散射测温原理为利用反斯托克斯光强Ias与斯托克斯光强Is之比解调温度信号，公式为：
其中：h是普朗克常数；Ks和Kas分别是位置依赖的斯托克斯光和反斯托克斯光的散射损耗因子；k是玻尔兹曼常数；Δv是拉曼频移量；T是开尔文温度。
优选的，在布里渊型分布式光纤传感系统中，布里渊背向散射频移为：
其中：Va是声速，其值为5945m/s；n表示光纤的有效折射率；λ表示入射光的波长；
当传感光纤受到温度或应力影响时，布里渊背向散射频移变为：
其中：vB0是传感光纤在参考温度273K未受力情况下获得的布里渊背向散射频移；Ct和Cs分别是传感光纤环境温度T和发生应变ε的比例系数；θ为偏微分符号；vB表示：布里渊背向散射光的频率；
在没有应力干扰的情况下，温度变化ΔT与布里渊散射信号频移有如下关系：
CvΔT＝ΔνB
其中：Cv是布里渊散射频率和功率变化的温度系数；ΔvB是布里渊散射频移变化量。
优选的，所述传感光纤环境温度T的比例系数取值为9.4×10-5K。
优选的，所述发生应变ε的比例系数取值为4.6。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明利用两根内封入带材的测量光纤，分别采用拉曼散射及布里渊散射技术对超导带材进行温度及应力监测，从而可以同步、独立地测量温度和应力信号，解决了现阶段分布式光纤传感技术中温度与应力信号不易解耦的问题；
(2)本发明能够及时检测到超导带材运行状态变化，从而可以及时对超导设备采取保护措施，减小损失；
(3)本发明在内封测量光纤高温超导带材制备工艺的基础上，结合分布式光纤传感技术中的拉曼散射和布里渊散射技术来实现高温超导带材的温度和应力同步且独立的监测，同时还可以进行失超定位。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明方法流程图。
图中：1-封装带；2-超导带材；3-光纤；4-拉曼散射信号采集器；5-布里渊散射信号采集器；6-计算机。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
如图1所示，根据本发明提供的融合拉曼和布里渊散射技术的超导带材温度及应力监测方法，包括如下步骤：
步骤1、利用封装带1将两根光纤3内封入高温超导带材2，将两根光纤3分别与拉曼散射信号采集器4和布里渊散射信号采集器5相连，分别采集拉曼散射信号和布里渊散射信号；
步骤2、将两根传感光纤3采集的信号进行编码，传送到计算机6，先将拉曼信号解调为温度信号，获得超导带材2的温度分布信息；再对布里渊信号进行温度补偿，解调出纯应力信号，获得超导带材2的应力分布信息。
步骤3、计算机6同时将超导带材2的温度分布曲线和应力分布曲线分别显示出来。
拉曼散射测温原理：
利用反斯托克斯光强Ias与斯托克斯光强Is之比解调温度信号。上述三个公式分布展示了反斯托克斯光强、斯托克斯光强以及拉曼比的表达式。其中：h是普朗克常数，Ks和Kas分别是位置依赖的斯托克斯光和反斯托克斯光的散射损耗因子，k是玻尔兹曼常数，Δv是拉曼频移量，T是开尔文温度。
布里渊散射原理：
在布里渊型分布式光纤传感系统中，布里渊背向散射频移为：
其中：Va是声速，其值为5945m/s；n表示光纤的有效折射率；λ表示入射光的波长；
当传感光纤受到温度或应力影响时，布里渊背向散射频移变为：
定义参考温度为273K，则式中νB0是光纤在273K未受力情况下获得的布里渊背向散射频移，Ct和Cs分别是光纤环境温度T和发生应变ε的比例系数，取值分别为9.4×10-5K和4.6；θ为偏微分符号；vB表示：布里渊背向散射光的频率；
在没有应力干扰的情况下，温度变化与布里渊散射信号频移有如下关系：
CvΔT＝ΔvB
其中：Cv是布里渊散射频率和功率变化的温度系数；ΔvB是布里渊散射频率变化量。
因此，利用一根光纤，采用拉曼散射技术测量超导带材的温度信号；另一根光纤采用布里渊信号采集应力和温度信息；将利用拉曼散射原理采集到的温度信号折算成温度引起的布里渊频移，用以补偿布里渊信号中的温度信息，即可得到纯应力信号。
根据本发明提供的超导带材温度及应力监测系统，包括如下模块：
模块M1：利用封装带将两根传感光纤内封入高温超导带材，将两根传感光纤分别与拉曼散射信号采集器和布里渊散射信号采集器相连，分别采集拉曼散射信号和布里渊散射信号；
模块M2：将两根传感光纤采集的信号进行编码并传送到计算机，先将拉曼散射信号解调为温度信号，获得超导带材的温度分布信息，再对布里渊散射信号进行温度补偿，解调出纯应力信号，获得超导带材的应力分布信息；
模块M3：通过计算机同时将超导带材的温度分布曲线和应力分布曲线进行显示。
拉曼散射测温原理为利用反斯托克斯光强Ias与斯托克斯光强Is之比解调温度信号，公式为：
其中：h是普朗克常数；Ks和Kas分别是位置依赖的斯托克斯光和反斯托克斯光的散射损耗因子；k是玻尔兹曼常数；Δv是拉曼频移量；T是开尔文温度。
在布里渊型分布式光纤传感系统中，布里渊背向散射频移为：
其中：Va是声速，其值为5945m/s；n表示光纤的有效折射率；λ表示入射光的波长；
当传感光纤受到温度或应力影响时，布里渊背向散射频移变为：
其中：vB0是传感光纤在参考温度273K未受力情况下获得的布里渊背向散射频移；Ct和Cs分别是传感光纤环境温度T和发生应变ε的比例系数；θ为偏微分符号；vB表示：布里渊背向散射光的频率；
在没有应力干扰的情况下，温度变化ΔT与布里渊散射信号频移有如下关系：
CvΔT＝ΔvB
其中：Cv是布里渊散射频率和功率变化的温度系数；ΔvB是布里渊散射频移变化量。
所述传感光纤环境温度T的比例系数取值为9.4×10-5K；所述发生应变ε的比例系数取值为4.6。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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