CN103983385B - 一种椭球形光纤压力传感器及检测光纤故障压力点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了椭球形光纤压力传感器及检测光纤故障压力点的方法，其中，所述椭球形光纤压力传感器由两个半椭球体组成，在其中一个半椭球体的粘贴面上刻有半径为预定长度的圆形盘纤凹槽，传感光纤盘于凹槽内并用胶黏剂固定在凹槽内；所述检测光纤压力故障点的方法包括：将多个所述椭球形光纤压力传感器串联在同一根传感光纤上；当对该传感光纤进行压力故障检测时，将光时域反射仪与传感光纤通过连接器相连，通过OTDR光时域反射仪检测并确定压力故障点。当光纤上的某一椭球形光纤压力传感器受到外界压力产生明显的弯曲损耗时，通过光时域反射仪显示即可定位光纤线路上的压力异常点，有助于工程上的故障判断与定位，为及时抢修和维护提供依据。

Description

一种椭球形光纤压力传感器及检测光纤故障压力点的方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种椭球形光纤压力传感器及检测光纤故障压力点的方法。

背景技术

近年来，光纤传感器因具有灵敏度高，体积小，抗电磁干扰，无需供电等独特的优点而备受瞩目。对于易燃易爆环境下的压力实时检测，传统的压电传感器由于产生电信号容易引发燃烧爆炸，因此不适合在此环境下应用。光纤压力传感器因其传输和传感的都是光信号而不受此限制。

在光纤压力传感系统中使用的压力传感器有Fabry-Perot型、光纤光栅型等。其中，Fabry-Perot型压力传感器具有高的灵敏度和温度稳定性，但传感器内部的薄膜操作时极易破碎，且测试分析比较复杂。光纤光栅压力传感器是目前采用较多的光纤压力传感器，但其封装工艺复杂，封装材料的选择和结构的设计直接决定了传感器的灵敏度和测量准确性，且光纤光栅的应变和温度交叉敏感问题也额外增加了温度补偿的成本。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种椭球形光纤压力传感器及检测光纤故障压力点的方法，用以解决现有光纤传感器结构复杂以及检测压力故障点成本高的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种椭球形光纤压力传感器，所述椭球形光纤压力传感器由两个半椭球体组成，两个半椭球体通过胶黏剂粘贴在一起，在其中一个半椭球体的粘贴面上刻有半径为预定数值的圆形盘纤凹槽，传感光纤盘于凹槽内并用胶黏剂固定在凹槽内。

进一步地，所述传感器两端尾纤出口处采用橡胶尾纤护套固定保护，尾纤护套一部分通过胶黏剂内嵌固定在椭球体内部，其余部分在椭球体外。

进一步地，所述半径的预定数值为传感光纤的临界曲率半径。

进一步地，所述临界曲率半径根据如下公式计算得到：

其中，R_C表示临界曲率半径，λ表示工作波长；λ_of表示截止波长，Δ表示光纤芯-包层相对折射率差。

进一步地，当所述传感光纤为工作波长λ＝1550nm、截止波长λ_of＝1300nm、相对折射率差Δ＝0.65％的普通G.652光纤，计算得临界曲率半径Rc＝15.6mm。

进一步地，两个所述半椭球体为弹性敏感材料制成。

本发明还提供了一种利用所述椭球形光纤压力传感器检测光纤压力故障点的方法，包括：

将多个所述椭球形光纤压力传感器串联在同一根传感光纤上；

当需要对该条传感光纤进行压力故障检测时，将OTDR光时域反射仪与传感光纤通过连接器相连，通过OTDR光时域反射仪检测并确定压力故障点。

进一步地，检测过程具体包括：

OTDR光时域反射仪发射光脉冲到传感光纤内，背向散射光不断地返回到传感光纤入射端，OTDR光时域反射仪上显示正常光纤线路上的光功率损耗随距离变化的曲线；

当某一椭球形光纤压力传感器受到外界压力时，椭球体内部的传感光纤发生弯曲，导致传感光纤的曲率半径小于预定临界曲率半径时，则OTDR光时域反射仪通过监测光功率损耗随距离变化的曲线确定发生故障压力的位置。

进一步地，根据工程实际情况确定多个所述椭球形光纤压力传感器两两的间距。

本发明有益效果如下：

本发明由于采用了椭球形光纤压力传感器，能迅速准确地感应来自不同方向的压力信号，直接将压力信号准确的传递给球体内的传感光纤，提高了传感器的应变传递率，大大减小了测量时的误差，降低了成本。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为所述椭球形光纤压力传感器的结构示意图；

图2为利用上述椭球形光纤压力传感器进行压力故障点检测的应用场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

首先结合附图1对本发明实施例所述椭球形光纤压力传感器进行详细说明。

如图1所示，图1为所述椭球形光纤压力传感器的结构示意图，该椭球形光纤压力传感器采用弹性敏感材料制成，由两个半椭球体1组成，两个半椭球体1通过胶黏剂粘贴在一起，在其中一个半椭球体的粘贴面上刻有半径为预定数值的圆形盘纤凹槽3，传感光纤盘于凹槽3内并用胶黏剂固定在凹槽3内。考虑到传感器的尾纤为裸纤，所以传感器两端尾纤4出口处采用橡胶尾纤护套5固定保护，尾纤护套一部分通过胶黏剂内嵌固定在椭球体内部，其余部分在椭球体外，防止出口处的尾纤断裂。

上述半径的预定数值主要是根据传感光纤临界曲率半径决定，具体解释如下：

对于折射率突变型的单模光纤，设曲率半径为R，则每单位长度的弯曲损耗可表示为：

${\mathrm{\α}}_c=A_C{R}^{-\frac{1}{2}}\exp (-UR)---\left(1\right)$

近似公式：

$U\≈0.705\frac{{\mathrm{\Δ}}^{\frac{3}{2}}}{\mathrm{\λ}}{(2.748-0.996\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_{of}})}^3---\left(2\right)$

$A_C\≈30{\mathrm{\Δ}}^{\frac{1}{4}}{\mathrm{\λ}}^{-\frac{1}{2}}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_{of}}{\mathrm{\λ}}\right)}^{\frac{3}{2}}---\left(3\right)$

式中，λ为工作波长；λ_of为截止波长；Δ为光纤芯-包层相对折射率差。从式(1)、(2)、(3)可以看出，弯曲损耗主要取决于弯曲半径、折射率差和比值λ/λ_of，弯曲损耗急剧增加是由式(1)中的指数项引起的，因此针对给定的折射率差、工作波长和截止波长，可以定义一个临界曲率半径R_C，当实际曲率半径减小到R_C时，弯曲损耗将从可以忽略变成不可容忍。

R_C可由式(4)得出。

$R_C\≈20\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\Δ}}^{3/2}}{(2.748-0.996\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_{of}})}^{-3}---\left(4\right)$

本发明实施例中传感光纤2采用工作波长λ＝1550nm、截止波长λ_of＝1300nm、相对折射率差Δ＝0.65％的普通G.652光纤，计算得Rc＝15.6mm，因此本发明实施例中圆形盘纤凹槽3的半径的数值为15.6mm，当普通G.652光纤的曲率半径达到15.6mm以下时，其宏弯损耗将不可接受。对于其他类型的光纤，由于其工作波长、截止波长以及相对折射率差会有所不同，因此计算出来的临界曲率半径会有所不同，则椭球体1的尺寸大小和圆形盘纤凹槽3的半径的数值也会据此进行调整。

接下来结合附图2对利用上述椭球形光纤压力传感器检测光纤压力故障点的方法进行详细说明。

如图2所示，图2为利用上述椭球形光纤压力传感器进行压力故障点检测的应用场景示意图，首先将多个所述椭球形光纤压力传感器串联在同一根传感光纤上，传感器两两之间的间距根据实际工程需要设定，例如在铺设传感光纤时，对于故障高发点可以设置比较短的间距，而对于其他位置则设置比较长的间距。当需要对该条传感光纤进行压力故障检测时，将OTDR光时域反射仪与传感光纤通过连接器相连，OTDR光时域反射仪发射光脉冲到传感光纤内，背向散射光不断地返回到光纤入射端，OTDR光时域反射仪上会显示正常光纤线路上的光功率损耗随距离变化的曲线，当光纤上的某一椭球形光纤压力传感器探头受到外界压力时，球体内的传感光纤因为球体受力变形而弯曲，当其半径减小到临界弯曲半径值以下，产生明显的弯曲损耗，并通过OTDR光时域反射仪显示出来，由此即可定位光纤线路上的压力异常点，有助于工程上的故障判断与定位，为及时抢修和维护提供依据。

综上所述，本发明实施例提供了一种椭球形光纤压力传感器及检测光纤故障压力点的方法，由于采用了椭球形关系压力传感器，能迅速准确地感应来自不同方向的压力信号，直接将压力信号准确的传递给球体内的传感光纤，提高了传感器的应变传递率，大大减小了测量时的误差。并且传感器封装制作简单，易于实现传感器的串联。进而结合OTDR光时域反射仪上的光功率损耗随距离变化的曲线可以轻松确定压力故障点，适合于长距离准分布式的压力故障点检测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种椭球形光纤压力传感器，其特征在于，所述椭球形光纤压力传感器由两个半椭球体组成，两个半椭球体通过胶黏剂粘贴在一起，在其中一个半椭球体的粘贴面上刻有半径为预定数值的圆形盘纤凹槽，所述半径的预定数值为传感光纤的临界曲率半径，传感光纤盘于凹槽内并用胶黏剂固定在凹槽内。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器两端尾纤出口处采用橡胶尾纤护套固定保护，尾纤护套一部分通过胶黏剂内嵌固定在椭球体内部，其余部分在椭球体外。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述临界曲率半径根据如下公式计算得到：

其中，R_C表示临界曲率半径，λ表示工作波长；λ_of表示截止波长，Δ表示光纤芯-包层相对折射率差。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，当所述传感光纤为工作波长λ＝1550nm、截止波长λ_of＝1300nm、相对折射率差Δ＝0.65％的普通G.652光纤，计算得临界曲率半径Rc＝15.6mm。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，两个所述半椭球体为弹性敏感材料制成。

6.利用权利要求1到5中任意一项所述的椭球形光纤压力传感器检测光纤压力故障点的方法，其特征在于，包括：

将多个所述椭球形光纤压力传感器串联在同一根传感光纤上；

当需要对该根传感光纤进行压力故障检测时，将OTDR光时域反射仪与传感光纤通过连接器相连，通过OTDR光时域反射仪检测并确定压力故障点。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，具体包括：

OTDR光时域反射仪发射光脉冲到传感光纤内，背向散射光不断地返回到传感光纤入射端，OTDR光时域反射仪上显示正常光纤线路上的光功率损耗随距离变化的曲线；

当某一椭球形光纤压力传感器受到外界压力时，椭球体内部的传感光纤发生弯曲，导致传感光纤的曲率半径小于预定临界曲率半径时，OTDR光时域反射仪通过监测光功率损耗随距离变化的曲线确定发生压力故障的位置。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据工程实际情况确定多个所述椭球形光纤压力传感器两两的间距。