CN103323143B - 可同时测量温度和振动的准分布式光纤传感器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种可同时测量温度和振动的准分布式光纤传感器，所述光纤传感器由普通单模光纤和保护套组成；保护套内壁与普通单模光纤外壁焊接；第一焊接位置和第二焊接位置之间的普通单模光纤形成温度校正段，温度校正段上设置有第一布拉格光栅；第二焊接位置和第三焊接位置之间的普通单模光纤形成振动测量段，振动测量段中部形成振动放大块、两侧分别形成两条振动梁；振动放大块和温度校正段之间的那条振动梁上设置有第二布拉格光栅；第一布拉格光栅和第二布拉格光栅的中心波长不同。本发明的有益技术效果是：大幅缩小器件尺寸，提高传感器对安装位置的适应性，避免传感器自身的热胀冷缩效应对测量结果造成影响，结构简单，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感技术，尤其涉及一种可同时测量温度和振动的准分布式光纤传感器及制作方法。
背景技术
通过测量斜拉索桥的振动和温度信息来实现桥梁健康状况的检测是目前斜拉索桥质量检测的一种重要手段。与传统的电学振动和温度传感器相比，基于光纤布拉格光栅（FBG）的光纤传感器具有精度高、体积小、防电磁干扰、容量大、可复用等优点，因此，基于光纤布拉格光栅的光纤传感器在实际应用中具有广阔的前景。现有技术中，可同时对振动和温度进行测量的光纤传感器比较少，而且测量振动时，现有的光纤传感器需要依赖外加的形变传送装置来激发光纤布拉格光栅的中心波长漂移，这种形变传送装置的引入有两方面的缺点：一是导致传感器尺寸增大，测量光纤的直径一般为125μm，将涂覆层厚度计算在内后也才250μm左右，而外加的形变传送装置的体积一般是以厘米为单位的，导致形变传送装置位置处的器件尺寸陡然增大，这使得传感器很难设置在一些间隙狭窄的结构中，比如斜拉索桥的拉索之间，大大的限制了传感器的应用范围；二是形变传送装置自身的热胀冷缩效应会对光纤布拉格光栅的测量造成误差，光纤布拉格光栅对温度的较敏感性很高，一般灵敏度为10pm/℃，由于光纤布拉格光栅直接与形变传送装置接触，故，形变传送装置自身在热胀冷缩效应下发生的形变也会引起光纤布拉格光栅的周期发生变化，进而引起光纤布拉格光栅的波长发生变化，会对光纤布拉格光栅的测量结果造成很大影响。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种可同时测量温度和振动的准分布式光纤传感器，具体方案为：所述光纤传感器由普通单模光纤和保护套组成；保护套套接在普通单模光纤外，保护套内壁与普通单模光纤外壁焊接；焊接位置有3个，第一焊接位置、第二焊接位置和第三焊接位置沿保护套轴向顺次排列；第一焊接位置和第二焊接位置之间的普通单模光纤形成温度校正段，温度校正段范围内的普通单模光纤纤芯上设置有第一布拉格光栅；第二焊接位置和第三焊接位置之间的普通单模光纤形成振动测量段，振动测量段中部形成振动放大块；振动放大块两侧分别形成两条振动梁，振动放大块外径大于振动梁外径，振动放大块外径小于温度校正段外径；振动放大块和温度校正段之间的那条振动梁上设置有第二布拉格光栅；第一布拉格光栅和第二布拉格光栅的中心波长不同。
前述结构的原理是：第一布拉格光栅所在的温度校正段两侧由于被第一焊接位置和第二焊接位置所固定，因此，第一布拉格光栅的中心波长漂移量仅对温度变化敏感，对振动不敏感；第二布拉格光栅所在的振动测量段由于为变截面结构，其上的振动梁十分纤细，再加上振动放大块对振动的放大作用，导致第二布拉格光栅的中心波长漂移量不仅对温度变化敏感，而且对振动也十分敏感；具体测量时，通过第一布拉格光栅获得的测量数据仅反应了温度信息，而通过第二布拉格光栅获得的测量数据不仅反应了温度信息，同时还反应了振动信息，由于第一布拉格光栅和第二布拉格光栅的中心波长均为已知，根据现有理论，可通过计算获知第一布拉格光栅和第二布拉格光栅在温度作用下发生的漂移量之间的换算比例系数，从而可将温度信息从通过第二布拉格光栅获得的测量数据中剥离出来（即用第二布拉格光栅的总漂移量减去通过第一布拉格光栅换算出的对应第二布拉格光栅中心波长的漂移量），最终获得较为准确的振动信息。本发明不需要外加的形变传送装置即可实现对温度和振动的同时测量，保护套的尺寸也十分细小，因此可大幅缩减传感器的尺寸，使传感器可安装于十分狭小的空间内，同时还避免了外加的形变传送装置自身的热胀冷缩效应对测量结果的影响。
优选地，所述保护套采用石英管。
优选地，同一焊接位置处设置有多个焊点，同一焊接位置处的多个焊点沿普通单模光纤周向均匀分布。
本发明还提出了一种可同时测量温度和振动的准分布式光纤传感器的制作方法，具体步骤为：
1）在普通单模光纤的纤芯上分别写入第一布拉格光栅和第二布拉格光栅；
2）将普通单模光纤上与两条振动梁位置对应的区段范围内的涂覆层去掉，形成两个剥离区，两个剥离区之间的普通单模光纤形成待剥离区，待剥离区上仍保留有涂覆层；将剥离区浸入氢氟酸中，使剥离区的外径缩小；
3）然后将待剥离区范围内的涂覆层去掉，将待剥离区和剥离区都浸入氢氟酸中，使待剥离区和剥离区的外径同时缩小，腐蚀一定时间后，即得到两条振动梁和振动放大块；
4）将普通单模光纤插入保护套中，调节好普通单模光纤和保护套的相对位置后，采用CO2激光器将普通单模光纤和保护套焊接固定；其中，第二焊接位置和第三焊接位置分别位于振动测量段两侧、振动测量段以外的区域，第一布拉格光栅位于第一焊接位置和第二焊接位置之间。
本发明的有益技术效果是：大幅缩小器件尺寸，提高传感器对安装位置的适应性，避免传感器自身的热胀冷缩效应对测量结果造成影响，结构简单，适用范围广。
附图说明
图1、本发明的结构示意图。
具体实施方式
一种可同时测量温度和振动的准分布式光纤传感器，所述光纤传感器由普通单模光纤1和保护套2组成；
保护套2套接在普通单模光纤1外，保护套2内壁与普通单模光纤1外壁焊接；
焊接位置有3个，第一焊接位置A、第二焊接位置B和第三焊接位置C沿保护套2轴向顺次排列；
第一焊接位置A和第二焊接位置B之间的普通单模光纤1形成温度校正段1-1，温度校正段1-1范围内的普通单模光纤1纤芯上设置有第一布拉格光栅FBG1；
第二焊接位置B和第三焊接位置C之间的普通单模光纤1形成振动测量段1-2，振动测量段1-2中部形成振动放大块3；振动放大块3两侧分别形成两条振动梁4，振动放大块3外径大于振动梁4外径，振动放大块3外径小于温度校正段1-1外径；振动放大块3和温度校正段1-1之间的那条振动梁4上设置有第二布拉格光栅FBG2；
第一布拉格光栅FBG1和第二布拉格光栅FBG2的中心波长不同。
进一步地，所述保护套2采用石英管。
进一步地，同一焊接位置处设置有多个焊点，同一焊接位置处的多个焊点沿普通单模光纤1周向均匀分布。
一种可同时测量温度和振动的准分布式光纤传感器的制作方法，按如下步骤制作传感器：
1）在普通单模光纤1的纤芯上分别写入第一布拉格光栅FBG1和第二布拉格光栅FBG2；
2）将普通单模光纤1上与两条振动梁4位置对应的区段范围内的涂覆层去掉，形成两个剥离区，两个剥离区之间的普通单模光纤1形成待剥离区，待剥离区上仍保留有涂覆层；将剥离区浸入氢氟酸中，使剥离区的外径缩小；
3）然后将待剥离区范围内的涂覆层去掉，将待剥离区和剥离区都浸入氢氟酸中，使待剥离区和剥离区的外径同时缩小，腐蚀一定时间后，即得到两条振动梁4和振动放大块3；
4）将普通单模光纤1插入保护套2中，调节好普通单模光纤1和保护套2的相对位置后，采用CO2激光器将普通单模光纤1和保护套2焊接固定；其中，第二焊接位置B和第三焊接位置C分别位于振动测量段1-2两侧、振动测量段1-2以外的区域，第一布拉格光栅FBG1位于第一焊接位置A和第二焊接位置B之间。
Claims (4)
1.一种可同时测量温度和振动的准分布式光纤传感器，其特征在于：所述光纤传感器由普通单模光纤（1）和保护套（2）组成；
保护套（2）套接在普通单模光纤（1）外，保护套（2）内壁与普通单模光纤（1）外壁焊接；
焊接位置有3个，第一焊接位置（A）、第二焊接位置（B）和第三焊接位置（C）沿保护套（2）轴向顺次排列；
第一焊接位置（A）和第二焊接位置（B）之间的普通单模光纤（1）形成温度校正段（1-1），温度校正段（1-1）范围内的普通单模光纤（1）纤芯上设置有第一布拉格光栅（FBG1）；
第二焊接位置（B）和第三焊接位置（C）之间的普通单模光纤（1）形成振动测量段（1-2），振动测量段（1-2）中部形成振动放大块（3）；振动放大块（3）两侧分别形成两条振动梁（4），振动放大块（3）外径大于振动梁（4）外径，振动放大块（3）外径小于温度校正段（1-1）外径；振动放大块（3）和温度校正段（1-1）之间的那条振动梁（4）上设置有第二布拉格光栅（FBG2）；
第一布拉格光栅（FBG1）和第二布拉格光栅（FBG2）的中心波长不同。
2.根据权利要求1所述的可同时测量温度和振动的准分布式光纤传感器，其特征在于：所述保护套（2）采用石英管。
3.根据权利要求1所述的可同时测量温度和振动的准分布式光纤传感器，其特征在于：同一焊接位置处设置有多个焊点，同一焊接位置处的多个焊点沿普通单模光纤（1）周向均匀分布。
4.一种可同时测量温度和振动的准分布式光纤传感器的制作方法，其特征在于：按如下步骤制作传感器：
1）在普通单模光纤（1）的纤芯上分别写入第一布拉格光栅（FBG1）和第二布拉格光栅（FBG2）；
2）将普通单模光纤（1）上与两条振动梁（4）位置对应的区段范围内的涂覆层去掉，形成两个剥离区，两个剥离区之间的普通单模光纤（1）形成待剥离区，待剥离区上仍保留有涂覆层；将剥离区浸入氢氟酸中，使剥离区的外径缩小；
3）然后将待剥离区范围内的涂覆层去掉，将待剥离区和剥离区都浸入氢氟酸中，使待剥离区和剥离区的外径同时缩小，腐蚀一定时间后，即得到两条振动梁（4）和振动放大块（3）；
4）将普通单模光纤（1）插入保护套（2）中，调节好普通单模光纤（1）和保护套（2）的相对位置后，采用CO2激光器将普通单模光纤（1）和保护套（2）焊接固定；其中，第二焊接位置（B）和第三焊接位置（C）分别位于振动测量段（1-2）两侧、振动测量段（1-2）以外的区域，第一布拉格光栅（FBG1）位于第一焊接位置（A）和第二焊接位置（B）之间；
由前述方法得到的可同时测量温度和振动的准分布式光纤传感器的结构为：所述光纤传感器由普通单模光纤（1）和保护套（2）组成；
保护套（2）套接在普通单模光纤（1）外，保护套（2）内壁与普通单模光纤（1）外壁焊接；
焊接位置有3个，第一焊接位置（A）、第二焊接位置（B）和第三焊接位置（C）沿保护套（2）轴向顺次排列；
第一焊接位置（A）和第二焊接位置（B）之间的普通单模光纤（1）形成温度校正段（1-1），温度校正段（1-1）范围内的普通单模光纤（1）纤芯上设置有第一布拉格光栅（FBG1）；
第二焊接位置（B）和第三焊接位置（C）之间的普通单模光纤（1）形成振动测量段（1-2），振动测量段（1-2）中部形成振动放大块（3）；振动放大块（3）两侧分别形成两条振动梁（4），振动放大块（3）外径大于振动梁（4）外径，振动放大块（3）外径小于温度校正段（1-1）外径；振动放大块（3）和温度校正段（1-1）之间的那条振动梁（4）上设置有第二布拉格光栅（FBG2）；
第一布拉格光栅（FBG1）和第二布拉格光栅（FBG2）的中心波长不同。
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Effective date of registration: 20231204 Address after: No. 888, Section 2, Chenglong Avenue, Damian Street, Chengdu Economic and Technological Development Zone (Longquanyi District), Sichuan Province, 610101, Building 56, 4th Floor, No.1 Patentee after: Chengdu Taco Optoelectronic Technology Co.,Ltd. Patentee after: Chongqing Take Zhigan Technology Co.,Ltd. Address before: 610100 No.1, Floor 4, Building 56, No. 888, Section 2, Chenglong Avenue, Damian Street, Chengdu Economic and Technological Development Zone (Longquanyi District), Sichuan Patentee before: Chengdu Taco Optoelectronic Technology Co.,Ltd. |
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