CN106052726A - 一种光纤传感探头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤传感探头，包括：由弹性材料制成且形状为柱状的光纤附着载体；所述光纤附着载体的侧壁外表面设置有光纤传感装置，所述光纤传感装置的输入端口和输出端口设置在所述光纤附着载体的一个端面上；所述光纤附着载体的具有中部空腔，所述光纤附着载体的端面上设置有填充口，由所述填充口向所述中部空腔充入气体或液体，能够使所述光纤附着载体沿径向产生体积膨胀；本发明的光纤传感探头可以在最短的时间内对分布式光纤传感器安装到位进行现场的温度，应力测量，具有结构简单，快速布置，易于扩展的优点，并且能够重复利用。

Description

一种光纤传感探头及其使用方法

技术领域

本发明涉及传感器设备技术领域，特别是指一种光纤传感探头及其使用方法。

背景技术

光纤传感具有低能耗，高灵敏度，分布式传感的优点。常用的光纤传感技术有基于光纤光栅的传感，其中包括布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅；基于干涉仪的光纤传感，以及基于光时域反射技术的光纤传感。在光纤传感中，基本上都包含了如下部分：光源，用于提供传感测量的光信号，根据不同的传感机制，可以选择宽带光源，窄带光源，单纵模的激光器或是可调谐激光器；延迟光纤(连接光纤)，延迟光纤一般用于分布式传感，为不同位置的传感器提供时间上的分辨，由于光速很大，在一般光纤中约为2e8米/秒，根据数据采集的分辨率，延迟的光纤一般在几十到上百米不等最重要的部分是与待传感物体直接接触的传感部分，特别地，对于波分复用结构的传感，一般只需要用光纤连接，由波长的分辨来区分传感器的空间位置；数据采集及分析，一般由光电转换器，数据采集卡及计算机，分析软件组成；光纤传感器，针对不同的测量而优化的全光纤型传感器，某些传感器可以预先埋设进待测结构，有些则需要根据需要现场进行安置。

对于某些物理量的传感，比如定点温度，应力传感等，要求光纤传感器与待测量面有着相当良好的接触。这对于预先埋设的传感器没有问题，但是对于现场安置的传感器，这种良好的接触往往需要相当的时间：特别是在对滑波，堰塞湖等应急抢险过程中，对于应力的紧急测量，往往会导致时间的延误从而产生严重的后果。

目前的技术，光纤的传感器通常做成杆状的载体，上面附着着用于测量的光纤或是光纤器件。在待测区域打孔后，将杆状的光纤载体插入洞中，然后灌入水泥或是粘胶进行固定，待固化到一定的强度后再进行测量。一般的非紧急应用，这种方案因为有充足的时间，可行性不受到影响；但是在极特殊的情况，对于险情需要在短时间内(几十分钟)掌握第一手资料时，目前的技术方案就会造成极大的问题。同时，由于灌注的水泥和粘胶，不但要求在注入时尽量减少汽泡，提高工艺要求，同时这种对于光纤传感器的使用往往是一次性的，在应用中，会导致灵活性和成本一定程度的牺牲。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种光纤传感探头及其使用方法，所述光纤传感探头结构简单、布置快速、易于扩展、且能够重复利用。

基于上述目的本发明提供的一种光纤传感探头，包括：由弹性材料制成且形状为圆柱状的光纤附着载体；所述光纤附着载体的侧壁外表面设置有光纤传感装置，所述光纤传感装置的输入端口和输出端口设置在所述光纤附着载体的一个端面上；所述光纤附着载体的具有中部空腔，所述光纤附着载体的端面上设置有填充口，由所述填充口向所述中部空腔充入气体或液体，能够使所述光纤附着载体沿径向产生体积膨胀。

优选的，所述光纤附着载体的所述中部空腔内沿轴向设置有具有一定刚度的加强条。

可选的，所述光纤传感装置为光纤传感器，所述光纤传感器附着固定在所述光纤附着载体的侧壁外表面。

可选的，所述光纤传感装置为传感光纤，所述传感光纤均匀的、有余量的缠绕在所述光纤附着载体的侧壁外表面上，所述余量与所述光纤附着载体沿径向产生体积膨胀相配合。

可选的，所述光纤附着载体的侧壁外表面设置有均匀分布的安装槽，所述传感光纤设置在所述安装槽中。

可选的，所述光纤附着载体的所述中部空腔内的轴线位置处设置有机械膨胀轴，所述机械膨胀轴的操作端设置与所述光纤附着载体的一个端面上。

另一方面，本发明还提供了一种如上任意一项所述的光纤传感探头的使用方法，包括：

将所述光纤传感探头的输入端口和输出端口连接至光时域反射仪的相应连接端；

在待测区域打孔，将没有膨胀的所述光纤传感探头插入所述孔中；

从填充口向所述光纤传感探头的中部空腔内充入气体或液体，使光纤附着载体沿径向产生体积膨胀，令所述光纤附着载体侧壁外表面的光纤传感装置贴合的置于所述孔中以达到传感作用，并开始检测工作；

检测工作结束后，打开所述填充口将所述光纤附着载体的中部空腔内的气体或液体放出，使其收缩体积减小，然后从所述孔中取出所述光纤传感探头。

可选的，当所述光纤附着载体的所述中部空腔内的轴线位置处设置有机械膨胀轴时；

所述从填充口向所述光纤传感探头的中部空腔内充入气体或液体，使光纤附着载体沿径向产生体积膨胀的步骤为：旋转所述机械膨胀轴的操作端，使机械膨胀轴的直径增大，进而使所述光纤附着载体沿径向产生体积膨胀；

所述检测工作结束后，打开所述填充口将所述光纤附着载体的中部空腔内的气体或液体放出，使其收缩体积减小的步骤为：检测工作结束后，反方向旋转所述机械膨胀轴的操作端，使机械膨胀轴的直径减小，使所述光纤附着载体积减小。

从上面所述可以看出，本发明提供的光纤传感探头及其使用方法，解决了现场应急分式光纤传感器安装需求较高、安装速度过慢以及不可重复利用的问题，利用本发明的方案，可以在最短的时间内对分布式光纤传感器安装到位进行现场的温度，应力测量，具有结构简单，快速布置，易于扩展的优点，并且能够重复利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的光纤传感探头结构示意图；

图2为本发明实施例的光纤传感探头应用于OTDR时的布置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种光纤传感探头。参考图1，为本发明实施例的光纤传感探头结构示意图。

所述光纤传感探头，包括：由弹性材料制成且形状为圆柱状的光纤附着载体1；所述光纤附着载体1的侧壁外表面设置有光纤传感装置2，所述光纤传感装置的输入端口201和输出端口202设置在所述光纤附着载体1的一个端面上；所述光纤附着载体1的具有中部空腔101，所述光纤附着载体的端面上设置有填充口102，由所述填充口102向所述中部空腔101充入气体或液体，能够使所述光纤附着载体1沿径向产生体积膨胀。

所述弹性材料的光纤附着载体1具有一定的刚度，可以在进行检测时，插入打好的传感孔洞中；这种刚度可以由光纤附着载体1材料自身提供，也可以通过附加刚度加强结构来实现。具体的，在优选实施例中，所述光纤附着载体1的所述中部空腔101内沿轴向设置有具有一定刚度的加强条3。所述加强条3能够沿圆柱状的光纤附着载体1的轴向加强其整体的刚度，使本发明的光纤传感探头能够顺利插入用于传感检测的孔洞中。

为了提高传感的灵敏度，通常光纤传感装置附着固定在光纤附着载体1的外表面，和一般的光纤传感器配置无异，与大部分加强传感方向性和灵敏度的专利方案相兼容。具体的，所述光纤传感装置可以选用传感光线，或者是光纤传感器。当选用光纤传感器时，一般会使用多个光纤传感器，多个光纤传感器会均匀的附着固定在所述光纤附着载体1的侧壁外表面。当选用传感光纤时(图1所示的即为选用传感光纤的方案)，所述传感光纤均匀的、有余量的缠绕在所述光纤附着载体1的侧壁外表面上，所述余量与所述光纤附着载体1沿径向产生体积膨胀相配合。通过对缠绕的传感光纤预留出膨胀的余量，防止使用过程中损伤传感光纤。

作为最重要用于实现令所述光纤附着载体1沿径向产生体积膨胀的结构，目的是使内胀式快装载体产生沿柱体半径方向的膨胀，使光纤传感装置可以贴合在放置在孔洞中。具体实现上述膨胀的方案有多种可选，根据不同的需求，可以使用机械膨胀，气压膨胀及液压膨胀等多种方案。本实施例中，通过所述光纤附着载体1一端部设置的填充口102向中部空腔101充入气体或液体的方案以实现膨胀的方案，即为所述气压膨胀及液压膨胀。

在一些实施例中，所述光纤附着载体1的所述中部空腔内的轴线位置处设置有机械膨胀轴(未示出)，所述机械膨胀轴的操作端设置与所述光纤附着载体1的一个端面上。在进行检测时，通过操作光纤附着载体1的一个端面上的机械膨胀轴的操作端，使机械膨胀轴的直径增大，进而使所述光纤附着载体沿径向产生体积膨胀。

在一些实施例中，所述光纤附着载体1的侧壁外表面设置有均匀分布的安装槽，所述传感光纤设置在所述安装槽中；通过所述安装槽的设置，使传感光纤的走线方向更加规则，且方便维护，需要注意的是，所述安装槽同样需要留出配合于上述膨胀的余量。

另一方面，本方面实施例还提供了一种如上所述的光纤传感探头的使用方法。参考图2，为本发明实施例的光纤传感探头应用于OTDR时的布置示意图。

所述光纤传感探头的使用方法，包括以下步骤：

步骤1、将所述光纤传感探头的输入端口和输出端口连接至光时域反射仪(OTDR)的相应连接端；

步骤2、在待测区域打孔，将没有膨胀的所述光纤传感探头插入所述孔中；

步骤3、从填充口向所述光纤传感探头的中部空腔内充入气体或液体，使光纤附着载体沿径向产生体积膨胀，令所述光纤附着载体侧壁外表面的光纤传感装置贴合的置于所述孔中以达到传感作用，并开始检测工作；

步骤4、检测工作结束后，打开所述填充口将所述光纤附着载体的中部空腔内的气体或液体放出，使其收缩体积减小，然后从所述孔中取出所述光纤传感探头。

在一些实施例中，当所述光纤附着载体的所述中部空腔内的轴线位置处设置有机械膨胀轴时。相应的使使光纤附着载体沿径向产生体积膨胀的步骤可以具有另外的操作过程，具体的包括：

将没有膨胀的所述光纤传感探头插入所述孔中之后，旋转所述机械膨胀轴的操作端，使机械膨胀轴的直径增大，进而使所述光纤附着载体沿径向产生体积膨胀。

所述检测工作结束后，反方向旋转所述机械膨胀轴的操作端，使机械膨胀轴的直径减小，使所述光纤附着载体积减小。

由上述实施例可见，本发明的光纤传感探头及其使用方法，解决了现场应急分式光纤传感器安装速度过慢以及不可重复利用的问题，利用本发明的方案，可以在最短的时间内对分布式光纤传感器安装到位进行现场的温度，应力测量。本发明对于具有时间紧迫性的突发事件现场，特别是滑坡，堰塞湖的抢险有着重要的应用价值，与之配套的分布式传感系统可以作为标准设备，做到第一时间对现场的情况把握，并且可以在抢险后，对于光纤传感装置进行回收，节约成本。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤传感探头，其特征在于，包括：由弹性材料制成且形状为柱状的光纤附着载体；所述光纤附着载体的侧壁外表面设置有光纤传感装置，所述光纤传感装置的输入端口和输出端口设置在所述光纤附着载体的一个端面上；所述光纤附着载体的具有中部空腔，所述光纤附着载体的端面上设置有填充口，由所述填充口向所述中部空腔充入气体或液体，能够使所述光纤附着载体沿径向产生体积膨胀。

2.根据权利要求1所述的光纤传感探头，其特征在于，所述光纤附着载体的所述中部空腔内沿轴向设置有具有一定刚度的加强条。

3.根据权利要求1所述的光纤传感探头，其特征在于，所述光纤传感装置为光纤传感器，所述光纤传感器附着固定在所述光纤附着载体的侧壁外表面。

4.根据权利要求1所述的光纤传感探头，其特征在于，所述光纤传感装置为传感光纤，所述传感光纤均匀的、有余量的缠绕在所述光纤附着载体的侧壁外表面上，所述余量与所述光纤附着载体沿径向产生体积膨胀相配合。

5.根据权利要求4所述的光纤传感探头，其特征在于，所述光纤附着载体的侧壁外表面设置有均匀分布的安装槽，所述传感光纤设置在所述安装槽中。

6.根据权利要求1所述的光纤传感探头，其特征在于，所述光纤附着载体的所述中部空腔内的轴线位置处设置有机械膨胀轴，所述机械膨胀轴的操作端设置与所述光纤附着载体的一个端面上。

7.一种如根据权利要求1至6任意一项所述的光纤传感探头的使用方法，包括：

将所述光纤传感探头的输入端口和输出端口连接至光传感网络(包括以光时域反射仪组成的简单光传感网络)的相应连接端；

在待测区域打孔，将没有膨胀的所述光纤传感探头插入所述孔中；

从填充口向所述光纤传感探头的中部空腔内充入气体或液体，使光纤附着载体沿径向产生体积膨胀，令所述光纤附着载体侧壁外表面的光纤传感装置贴合的置于所述孔中以达到传感作用，并开始检测工作；

检测工作结束后，打开所述填充口将所述光纤附着载体的中部空腔内的气体或液体放出，使其收缩体积减小，然后从所述孔中取出所述光纤传感探头。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述光纤附着载体的所述中部空腔内的轴线位置处设置有机械膨胀轴时；

所述从填充口向所述光纤传感探头的中部空腔内充入气体或液体，使光纤附着载体沿径向产生体积膨胀的步骤为：旋转所述机械膨胀轴的操作端，使机械膨胀轴的直径增大，进而使所述光纤附着载体沿径向产生体积膨胀；

所述检测工作结束后，打开所述填充口将所述光纤附着载体的中部空腔内的气体或液体放出，使其收缩体积减小的步骤为：检测工作结束后，反方向旋转所述机械膨胀轴的操作端，使机械膨胀轴的直径减小，使所述光纤附着载体积减小。