CN105091920A - 集束光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

一种集束光纤光栅传感器，它包括多根光纤，每根光纤上均刻有多个光栅，多根刻有多个光栅的光纤集束封装在一个平面上或一个束管内。本发明集束光纤光栅传感器的优点是：熔接损耗小，操作过程简单，探测分辨率高，容易封装，存活率高，体积小，且能够实现大面积温度应变的线、面、体探测。

Description

集束光纤光栅传感器

技术领域：

本发明涉及传感器技术领域，具体讲是一种熔接损耗小，操作过程简单，探测分辨率高，容易封装，存活率高，体积小，且能够实现大面积温度应变的线、面、体探测的集束光纤光栅传感器。

背景技术：

光纤光栅(FBG)是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。自从1978年加拿大通信研究中心的K.O.Hill等制作出世界上第一根光纤布拉格光栅(FBG)以来，由于其许多独特的优点，人们越来越致力于将其应用于各种物理量的传感。1989年，W.W.Morey等人首次报道用光纤光栅做传感器用来测量温度和应变，从此掀开了光纤光栅在传感技术领域应用研究的新篇章。光纤光栅传感器由于光纤光栅的波长编码特性避免了光强调制型光纤传感器精度受光能波动的严重影响和光纤干涉型传感系统只能进行相对测量和对工作环境要求高的不足，及其可复用性，使它被广泛应用于航空航天、石油化工、电力、纺织等军民用领域，进行温度、应变、位移、压力等的测量。作为传感元件，光纤光栅将被测的信息转化为其反射波长的移动，即波长解调，因此不受光功率波动和系统损耗的影响。另外，光纤光栅还具有可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀，易于将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现分布式传感等优点。光纤光栅温度传感器具有灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、无零漂、体积小、易于安装、可靠性高、使用寿命长等特点。温度、应变是石油、航空航天等领域中最基础和最常用也是非常重要的检测参数，测试温度、应变是光纤光栅传感器最主要和最直接的应用之一。

光纤光栅传感器的研究，除对现有器件进行外场验证、完善和提高外，目前有以下几个发展动向：大力发展测量温度分布的测量技术，即由对单个点的测量到对光纤传感器沿线上多点分布，以及大面积多维分布的测量；开发包括测量温度应变在内的多功能的传感器；研制大型传感器阵列，实现全光学检测及远程监控。

在大型工程中，要经常采用多点连续温度测量，准分布式的多个光纤Bragg光栅传感器可以很好地解决这些工程问题。目前常采用单个光纤光栅焊接成串，或使用光纤光栅串进行温度、应变的线探测，这两种方式的操作过程非常繁琐，需要对每个光栅进行单独封装，再将光栅逐个进行串联熔接，操作复杂，熔接损耗大，不易封装，存活率低。另外，由于光栅熔接需要有一定的长度，即两个光栅之间的距离不能太短，因此温度探测的分辨率较低。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，提供一种熔接损耗小，操作过程简单，探测分辨率高，容易封装，存活率高，体积小，且能够实现大面积温度应变的线、面、体探测的集束光纤光栅传感器。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的集束光纤光栅传感器，它包括多根光纤，每根光纤上均刻有多个光栅，多根刻有多个光栅的光纤集束封装在一个平面上或一个束管内。

采用以上结构后，本发明的有益效果是：

1、与现有技术需要将每个光栅逐个进行串联熔接不同，本发明是直接在光纤上刻制多个光栅，并将多根刻制有多个光栅的光纤进行集束封装，无需进行串联熔接，因此本发明不但熔接损耗大大减小，而且操作过程也变得较为简单。

2、由于本发明是在一根光纤上直接刻录多个光栅，可以将光栅之间的间距设置的很小，因此本发明具有密集程度高，探测间距小，探测分辨率高，以及易于集成的特点。

3、由于本发明的集成度较高，可以整串光栅进行封装，再将每串光栅集束在一起，减少了连接器等附件，因此本发明不但体积较小，而且使用时只需安装一根即可，容易封装。

4、因为光纤光栅单元较少，安装方便，光纤光栅损害较少，所以光纤光栅存活率高。

5、因为本发明中的一根光纤上刻多个光栅，因此可检测线上多点，而当多个光栅单元并排平面或曲面放置时，可实现n×m的面上点测试，而当每一个平面上都布放了光纤光栅，就可实现物体的立体测试。

本发明所述的集束光纤光栅传感器，其中，多根刻有多个光栅的光纤集束封装在一个平面上采用的可以是以下具体结构：多根光纤水平平行分布，光纤之间有间隔，多根光纤位于一个方形保护套内，光纤与方形保护套内壁之间有集束光纤保护填充物。

本发明所述的集束光纤光栅传感器，其中，多根刻有多个光栅的光纤集束封装在一个束管内采用的可以是以下具体结构：多根刻有多个光栅的光纤分别卡在一个支撑架的梯形凹槽内，支撑架上由内向外依次包裹有内保护套、包带及外保护套。包带的作用是保护光纤光栅不从槽中脱出。

本发明所述的集束光纤光栅传感器，其中，多根刻有多个光栅的光纤集束封装在一个束管内采用的可以是以下具体结构：多根刻有多个光栅的光纤集中在内保护套的中间，内保护套外圆周表面上沿周向分布有多根加强绳，多根加强绳上包裹有外保护套，光纤之间填充有集束胶。加强绳可为传感单元提供机械加强保护，如可承受一定的拉伸和抗压力等。集束胶起缓冲固定的作用。

本发明所述的集束光纤光栅传感器，其中，多根刻有多个光栅的光纤集束封装在一个束管内采用的可以是以下具体结构：多根刻有多个光栅的光纤位于一个圆形保护套内，多根光纤呈圆周分布，光纤与圆形保护套内部之间有集束光纤保护填充物。

本发明所述的集束光纤光栅传感器，其中，集束光纤保护填充物可由耐高温纤维或触变型胶体制成。由耐高温纤维或触变型胶体制成的集束光纤保护填充物可以防止潮气水分进入光纤影响其机械强度和光学性能。

附图说明：

图1是多根刻有多个光栅的光纤平行间隔地放置在一起时的结构示意图；

图2是本发明集束光纤光栅传感器采用平面封装结构时的截面示意图；

图3是本发明集束光纤光栅传感器采用支撑式集束封装结构时的截面示意图；

图4是本发明集束光纤光栅传感器采用中心式集束封装结构时的截面示意图；

图5是本发明集束光纤光栅传感器采用常规集束封装结构时的截面示意图；

图6是本发明集束光纤光栅传感器应用在光纤光栅传感器系统中时的工作原理示意图。

具体实施例：

下面结合附图和具体实施例对本发明集束光纤光栅传感器作进一步详细说明：

实施例一

如图1和图2所示，本发明集束光纤光栅传感器包括十二根光纤1，每根光纤1上均刻有十个光栅2，十二根刻有十个光栅2的光纤1采用的是平面集束封装方式，其具体结构是：十二根光纤1水平平行分布，相邻光纤1之间有间隔，刻有多个光栅2的光纤1的光学传感中心间距大于0.5mm。另外，同一条光纤1上的光栅2之间的间距大于等于2mm，十二根光纤1同时位于一个方形保护套7内，光纤1与方形保护套7内壁之间有集束光纤保护填充物6。集束光纤保护填充物6由耐高温纤维或触变型胶体制成。方形保护套一般由陶瓷、铝等金属和热塑性聚合物制成，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯及铁氟龙等材料制成。

实施例二

如图3所示，本发明集束光纤光栅传感器包括六根光纤1，每根光纤1上均刻有多个光栅2，六根刻有多个光栅2的光纤1采用的是束管集束封装方式，其具体结构是：六根刻有多个光栅2的光纤1分别卡在一个支撑架8的梯形凹槽9内，支撑架8上由内向外依次包裹有内保护套10、包带11及外保护套12。相邻光纤1之间有间隔，刻有多个光栅2的光纤1的光学传感中心间距大于0.5mm。另外，同一条光纤1上的光栅2之间的间距大于等于2mm。包带11可以由聚酯类塑料等非金属或铝带、钢带等金属制成，内护套10可以由PE等有机材料制成，外护套12可以是由有机材料制成，如采用PE、PVC及TPU等，也可以是和测试表面材料性能相近的材料，还可以用不锈钢等金属材料。

实施例三

如图4所示，本发明集束光纤光栅传感器包括七根光纤1，每根光纤1上均刻有多个光栅2，多根刻有多个光栅2的光纤1采用的是束管集束封装方式，其具体结构是：七根刻有多个光栅2的光纤1集中在内保护套10的中间，相邻光纤1之间有间隔，刻有多个光栅2的光纤1的光学传感中心间距大于0.5mm。另外，同一条光纤1上的光栅2之间的间距大于等于2mm。内保护套10外圆周表面上沿周向分布有十二根加强绳13，十二根加强绳13上包裹有外保护套12，，光纤1之间填充有集束胶15。加强绳10可采用金属丝也可用非金属纤维制成。外护套12可以是由有机材料制成，如采用PE、PVC及TPU等，也可以是和测试表面材料性能相近的材料，还可以用不锈钢等金属材料。

实施例四

如图5所示，本发明集束光纤光栅传感器包括八根光纤1，每根光纤1上均刻有多个光栅2，八根刻有多个光栅2的光纤1采用的是束管集束封装方式，其具体结构是：八根刻有多个光栅2的光纤1位于一个圆形保护套14内，八根光纤1呈圆周分布，相邻光纤1之间有间隔，刻有多个光栅2的光纤1的光学传感中心间距大于0.5mm。另外，同一条光纤1上的光栅2之间的间距大于等于2mm。光纤1与圆形保护套14内部之间有集束光纤保护填充物6。

如图6所示，光纤光栅传感器系统通常包括宽带光源3、光开关4、光纤光栅解调仪5、光纤1以及光纤光栅传感单元，带光源3与光开关4之间通过光纤1连接，光开关4与光纤光栅解调仪5之间通过光纤光栅传感单元连接，当本发明集束光纤光栅传感器应用到光纤光栅传感器系统中时，多根刻有多个光栅2的光纤1就作为光纤光栅传感单元使用。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种集束光纤光栅传感器，其特征在于：它包括多根光纤(1)，每根光纤(1)上均刻有多个光栅(2)，多根刻有多个光栅(2)的光纤(1)集束封装在一个平面上或一个束管内。

2.根据权利要求1所述的集束光纤光栅传感器，其特征在于：多根刻有多个光栅(2)的光纤(1)集束封装在一个平面上是指，多根光纤(1)水平平行分布，光纤(1)之间有间隔，多根光纤(1)位于一个方形保护套(7)内，光纤(1)与方形保护套(7)内壁之间有集束光纤保护填充物(6)。

3.根据权利要求1所述的集束光纤光栅传感器，其特征在于：多根刻有多个光栅(2)的光纤(1)集束封装在一个束管内是指，多根刻有多个光栅(2)的光纤(1)分别卡在一个支撑架(8)的梯形凹槽(9)内，支撑架(8)上由内向外依次包裹有内保护套(10)、包带(11)及外保护套(12)。

4.根据权利要求1所述的集束光纤光栅传感器，其特征在于：多根刻有多个光栅(2)的光纤(1)集束封装在一个束管内是指，多根刻有多个光栅(2)的光纤(1)集中在内保护套(10)的中间，内保护套(10)外圆周表面上沿周向分布有多根加强绳(13)，多根加强绳(13)上包裹有外保护套(12)，光纤(1)之间填充有集束胶(15)。

5.根据权利要求1所述的集束光纤光栅传感器，其特征在于：多根刻有多个光栅(2)的光纤(1)集束封装在一个束管内是指，多根刻有多个光栅(2)的光纤(1)位于一个圆形保护套(14)内，多根光纤(1)呈圆周分布，光纤(1)与圆形保护套(14)内部之间有集束光纤保护填充物(6)。

6.根据权利要求2或5所述的集束光纤光栅传感器，其特征在于：所述集束光纤保护填充物(6)由耐高温纤维或触变型胶体制成。