CN101566508B - 高空间分辨率分布式光纤温度传感器 - Google Patents
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Abstract
高空间分辨率分布式光纤温度传感器，由一根长直圆柱状管子作为主轴管，在主轴管表面上螺旋式均匀缠绕穿过空心软管的光纤；所述光纤是接入布里渊散射光时域反射测量仪的分布式的光纤传感器，传感器空间分辨率由主轴的直径以及缠绕光纤的圈数决定，光纤螺旋式分布并使光纤不发生应变从而使采集的数据能如实反映温度情况。本发明采用独特的螺旋缠绕的排布方式，增大单位长度测试段内的传感光纤长度，使得基于BOTDR技术的温度测试空间分辨精度提到数厘米级。
Description
一、技术领域：
本发明涉及光电技术中的新型传感器技术领域，具体为一种具有高空间分辩率的分布式光纤温度传感及测量装置。
二、技术背景：
布里渊光时域反射计(BOTDR)，为一种分布式的光纤传感技术，可对温度和应变进行同时测试，其工作原理是：脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤不发生应变时，频率漂移量就与温度变化保持很好的线性关系，通过测量光纤中的背向布里渊散射光的频率漂移量就可以得到光纤沿线温度的分布信息。BOTDR技术将温度传感和信号传输集光纤于一体，具有分布式、抗干扰及成本低等优点，在众多检测和监测领域得到应用。但受BOTDR解调技术限制，目前采用该技术温度测量所能达到空间分辨率只能到1米，无法满足空间变异性强的温度场的测试，加上光纤自身纤细脆弱，且测试结果受应变交叉影响等问题，使其在工程监测领域应用受到很大限制。
三、发明内容：
本发明所需解决的技术问题是，克服技术背景中所述的众多不足，对普通光纤进行特殊封装保护和排设，提供一种安装便捷、经久耐用的高空间分辨率分布式传感器件，大幅度提高BOTDR分布式光纤测温技术的空间分辨率。
本发明采用了螺旋缠绕排布光纤，以增加单位长度空间内传感光纤长度的方式来提高BOTDR测温技术的空间分辨率，其基本原理是：当光纤螺旋式均匀缠绕在直径为d的圆柱体管上，长度L0柱内盘绕光纤长度L取决于盘绕圈密度n(圈/米)与圆柱直径d，其关系式可近似表示为L＝nπd*L0，可见对于同样长度空间采用螺旋缠绕的比笔直布设的方式，测试光纤长度扩大了nπd倍，同样空间分辨率也将提高该倍数，可根据实际测试需要，选择不同的n和d值，改变空间分解精度。通过该方法，可使BOTDR温度测试的空间分辨精度提高到数十倍，达到厘米级。
本发明的实现技术方案是：将普通单模光纤穿入空心软管中进行保护，保护管具有一定抗变形强度PU管或金属波纹管，直径4-5mm为宜，光纤可在管内自由滑动，达到隔离外在变形，实现温度单独传感的目的；为了增强传感器的热敏感性，使软管内的传感光纤能在很短时间内反映出外界的温度，可以在软管内密封导热介质，如传热脂或油；将软管保护好的光纤以螺旋盘升的方式缠绕一圆形断面的长柱形中心支撑柱上，支撑管柱直径据实际需求而定，但需满足光纤折曲的最小曲率半径要求，一般直径4-8厘米为宜，材质为热传导性较差的塑料、橡胶、木材等材料，支撑柱体设计为空心，可在其中加入隔热泡沫材料增加阻热效果，或供安装其它类型传感器用，支撑柱体抗侧压变形能力较高，须保持其断面不变形，但可纵向挠曲，以适应不同形态的测试体中铺设；缠绕密度根据实际需求进行确定，空间分辨精度可根据缠绕的光纤长度和支撑柱长度的比值来确定，缠绕方式可采用两纤并行缠绕，并将两纤在一端连接，另一端的两个头作为连接引线；缠绕好的管件将两接头引出保护，供连接仪器之用，柱身可外加护套保护，形成一根成型的适合BOTDR技术的高空间分辨率的温度传感器。
本发明的有益效果：采用独特的螺旋缠绕的排布方式，增大单位长度测试段内的传感光纤长度，使得基于BOTDR技术的温度测试空间分辨精度提到数厘米级，填补了该类产品的空白，增强了该技术的实用性；本发明可进行高精空间分解精度的分布式温度测量，将解决混凝土、岩土体及工程流体等变异性强的温度场难测试的问题；光纤受到了有效地保护，具有较强的抗外界破坏能力，大幅提高了传感光纤植入的成活率，传感器的长度和直径可根据实际需求而定，安装和测试过程十分便捷，可适用于环境较为恶劣的工程检测与监测；不同传感器间可进行串联连接，并进行远程测试，极易集成大型温度监测网络，适合大型工程的温度检测和监测。
四、附图说明
图1是穿过软管的光纤结构示意图
图2是本发明单线缠绕好的传感器结构示意图
图3是本发明双线缠绕好的传感器结构示意图
图4是本发明的现场安装示意图
1-单模光纤；2-套管；21-穿有光纤的软管；22-作为主轴的圆柱体管件、41-BOTDR测试仪；42-温度传感器；43-待测试体。
五、具体实施方案
本发明按以下步骤进行实施：
温度传感光纤的实施：选择直径5-10mm的pu软管、金属波纹管等可自由弯曲的软性管，将直径0.25-2mm的单模紧套光纤穿入管中，两头露出光纤，长度根据实际需求而定，形成如附图1所示的温度传感光纤，当光纤长度需求较大时，可直接采用外壁强度较高的金属铠装松套单模光缆代替。
缠绕实施：选择直径4-8cm的圆形PVC管、加强波纹管、橡胶棒及木棒等，将其作为缠绕主轴支撑管，将封装好的传感光纤沿着主轴逐渐螺旋缠绕，为防止光纤保护软管和主轴支撑管滑脱，可在支撑管外壁涂覆胶水后缠绕，加以固定。光纤缠绕的方式可采用单线缠绕，即一线沿着一个方向缠绕，最终形成如附图2所示的两引线在管件两端的传感器；也可采用双线缠绕，即将一保护好的光纤，沿着中间对折成双线，注意须保持一定过渡弧段，然后将双线并排沿着中心支撑管逐渐缠绕，形成如图3所示的两引线在同一段的传感器件。缠绕后，须在留有足够长的引线，引线长度应比管长多一米以上，方便后期安装。在软管中间可注入导热的油脂，再将两端密封，以加快热传导速率。如支撑中轴管件为空心，可在其中加入泡沫颗粒填充。缠绕成型的传感关键可在外部加外套保护。本实施可通过机械进行。
标定实施：传感器封装好须进行标定以确定相关参数。传感器的空间变率可根据计算获取，将实际缠绕光纤长度与缠绕段长度的比值作为增敏系数(双线缠绕取半值)，将BOTDR解调的实际空间变率除以该增敏系数，即为该传感器件的空间分辨率。传感器的温度系数可采用水浴法进行标定，根据实际温度和布里渊频率漂移的比值来确定。
安装实施：本发明装置可直接通过钻孔、预浇等方式埋入到测试体中进行，测试，也可通过预埋管件，然后将传感器放入到预埋管中进行测试。传感器件可通过两引线进行相互串联，连入BOTDR解调仪进行测试监测，如附图4所示。
Claims (5)
1.高空间分辨率分布式光纤温度传感器，其特征是由一根长直圆柱状管子作为主轴管，在主轴管表面上螺旋式均匀缠绕穿过空心软管的光纤；所述光纤是接入布里渊散射光时域反射测量仪的分布式的光纤传感器，传感器空间分辨率由主轴的直径以及缠绕光纤的圈数决定，光纤螺旋式分布并使光纤不发生应变从而使采集的数据能如实反映温度情况；所述主轴管是塑料材质或木质绝热材料。
2.根据权利要求1所述的高空间分辨率分布式光纤温度传感器，其特征是所述主轴管是实心或空心圆柱棒柱。
3.根据权利要求1所述的高空间分辨率分布式光纤温度传感器，其特征是采用的光纤为单模紧套光纤，直径不超过2mm。
4.根据权利要求1所述的高空间分辨率分布式光纤温度传感器，其特征是所述空心软管是软塑套管或金属波纹管，光纤在管内自由滑动，软管的内径在5～10mm之间。
5.根据权利要求1所述的高空间分辨率分布式光纤温度传感器，其特征是在软管内充入导热介质，在软管两端用玻璃胶密封。
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