CN106979791B - 封装内加热fbg传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种封装内加热FBG传感器的方法，传感器包括刚玉管管体、光纤引线、加热电阻丝和FBG传感器，所述刚玉管管体上设有若干孔道，所述FBG传感器两端设有光纤引线，且所述FBG传感器设于其中一个所述孔道内，所述加热电阻丝设于其他所述孔道内，封装该传感器的方法，包括选材、开设孔道、布置FBG传感器、实现内加热、防水防漏电处理，制成内加热刚玉管FBG传感器。本发明最大程度使传感器所测水分场数据都基于温度场，从而把应变因素对测量结果的干扰性降到最低；并且通过在多孔道刚玉管内设加热电阻丝，实现刚玉管FBG岩土体水分场监测传感器的内加热功能。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器及其制作封装领域，提出了一种可运用于地质岩土体、农业土壤、工业垃圾填埋场等多种场地水分场(含水率ω、渗流速率ν)监测的内加热刚玉管FBG传感器(Inside heated Alundum Tube，以下简称IHAT-FBG)。
背景技术
含水率ω和渗流速率ν是水分场的最主要指标，也是地质岩土体、农业土壤、工业垃圾填埋场等场地最为基础的物理参数。如涉及溃堤塌坝、地面沉降、失稳滑坡、农作物生长健康分析，垃圾填埋场污染物运移调查等各种环境岩土工程问题分析时，常常需要与事发场地的水分场进行联系。目前通过研究已经证实，包括密度、连续性、耦合性、龟裂、胀缩性等多种岩土体的力学特征，均与其内部水分场存在密不可分的联系。因此，对地质岩土体、农业土壤、工业垃圾填埋场等场地中的水分场进行监测，是预测和预防可能发生的环境地质灾害的重要途径。
本发明基于FBG传感器高精度的温度响应特点：在剔除应变的条件下，波长变化与温度变化呈线性关系，将FBG传感器应用于环境岩土体水分场监测，利用不同介质导热率不同，通过温度与水分场之间已证实的线性关系，进而分析测定水分场的相关参数(含水率ω、渗流速率ν)。
若未经封装保护直接将FBG传感器布设于待测土体中，任何对可能造成应变的挤压作用，都会直接影响FBG传感器依附于温度场来测量岩土体水分场的准确性。为此现有技术中曾采用PVC材料对FBG传感器进行封装保护，但由于岩土体中水分场与周围环境之间温度差异小，温度分辨度低，使用PVC材料封装的FBG进行监测时无法准确区分水分场与周围环境。转而本发明人尝试采用空心碳纤维棒结合内加热技术对FBG进行封装保护，利用碳纤维良好的导热导电能力，在空心碳纤维棒内部放置电阻丝，通过电阻丝接电加热来增大水分场与周围岩土介质间的温度差异(也称为温度分辨度)，从而提高了监测结果的准确性。然而根据光纤光栅的布拉格方程知道，FBG同时对温度、应变因素敏感，即若不对应变因素的干扰进行剔除，会对FBG温度监测产生影响。碳纤维棒硬度小、刚度小，受到挤压易发生弯曲应变，因此用其对FBG传感原件进行封装，无法真正意义上起到保护FBG不受外力作用发生应变的作用，监测结果的准确性依然没有得到很好的保证。
为了解决以上问题，需要一种刚度大、硬度大，绝缘耐高温，导热性能优异的材料。较大的刚度、硬度在保护FBG不受周围环境影响而破坏的同时，也极大程度的剔除了应变对监测结果的干扰；并且材料绝缘耐高温，导热性好等特性极其利于内即热技术的应用。
发明内容
本发明的目的是，提供了一种可运用于地质岩土体、农业土壤、工业垃圾填埋场等多种场地水分场(含水率ω、渗流速率ν)监测的IHAT-FBG传感器。IHAT封装法选用刚玉管材料对FBG传感器进行封装保护，最大程度使传感器所测水分场数据都基于温度场，从而把应变因素对测量结果的干扰性降到最低。并且通过在双孔刚玉管内设加热电阻丝，实现刚玉管FBG岩土体水分场监测传感器的内加热功能。
本发明提供了如下的技术方案：
一种内加热FBG传感器，包括刚玉管管体、光纤引线、加热电阻丝和FBG传感器，所述刚玉管管体上设有若干孔道，所述FBG传感器两端设有光纤引线，且所述FBG传感器设于其中一个所述孔道内，所述加热电阻丝设于其他所述孔道内。
进一步的，所述光纤引线外包裹有引线护套。
进一步的，所述刚玉管管体上套设有热缩管。
进一步的，所述孔道的数目至少为两个。
优选的，所述孔道为圆柱孔道。
封装该传感器的方法，包括如下步骤：S1、选材，根据实际场地的监测需要选择尺寸合适的刚玉管材料；S2、开设孔道，根据需要在刚玉管管体中开设至少两个孔道；S3、布置FBG传感器,将FBG传感器两端设置光纤引线，并将FBG传感器设于S2中开设的一个孔道内；S4、实现内加热，在其他孔道内安装加热电阻丝；S5、防水防漏电处理，将刚玉管管体两端做防水防漏电处理，制成内加热刚玉管FBG传感器。
进一步的，在S3中FBG传感器需处于松弛自由状态，用以剔除应变对监测结果的干扰；设在FBG传感器两端的光纤引线露于孔道外的部分套有光纤护套进行保护，并在光纤引线引出刚玉管管体后使用环氧树脂将其固定于孔口，最后连接光纤跳线。
进一步的，S4中内置的加热电阻丝加热功率，选取7-11w/m；加热电阻丝置放于临近FBG传感器的孔道，两端与导线进行连接。其中，加热电阻丝的加热功率以9w/m为最佳。
进一步的，S5中防水防漏电处理，具体为采用热缩管包裹刚玉管管体接线端，并在包裹后遗留的孔中注满环氧树脂胶封死，最后制成IHAT-FBG。
本发明的有益效果是：刚玉管作为FBG感测元件的封装材料，极大程度利用了刚玉材料硬度大、刚度大、几乎不发生应变的优良特性，使得FBG即使在恶劣待测场地环境下也不会发生破坏，很好地延长了水分场监测传感器的实际使用寿命；同时也尽可能地防止了监测过程中FBG的挤压应变，剔除了FBG的应变敏感性可能造成的监测误差。最后，刚玉管还有着优异的热稳定性和导热性，并且材料易寻价格经济。
对FBG采用内置电阻丝的内加热封装方式，制作成为IHAT-FBG传感器。通过在双孔道刚玉管的其中一孔道安置电阻丝并接入直流电源，实现对待测场地局部加热的作用。人为施加温度场可以增大场地水分场和其周围介质的温度差异性，较大的温度分辨率可以最大程度提升FBG传感元件监测数据的准确性和可靠性。
引线护套、光纤引线、FBG传感器、加热电阻丝、管体、热缩管等制作材料经济易寻，同时所制作IHAT-FBG水分场监测传感器具有灵活便携、尺寸可控、布设简单、操作便捷、精度可靠等优点。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明结构示意图；
图2是图1的主视图示意图；
其中，1、引线护套；2、光纤引线；3、FBG传感器；4、加热电阻丝；5、刚玉管管体；6、热缩管。
具体实施方式
如图1-2所示，实施例中以长10cm、直径4mm、孔径1mm，孔距1mm的双孔刚玉管为例进行说明。
一种内加热FBG传感器，包括刚玉管管体5、光纤引线2、加热电阻丝4和FBG传感器3，刚玉管管体5上设有两个孔道，FBG传感器3两端设有光纤引线2并且FBG传感器3设于其中一孔道内，加热电阻丝4设于另一孔道。光纤引线2另一端外包裹有引线护套1，对FBG传感器3进行保护。刚玉管管体5两端设有热缩管6。用于防漏电防水。
其中，两孔道都为圆柱孔道。
本实施例中内加热FBG传感器的封装方法，具体为：S1、选取长10cm、直径4mm的刚玉管；S2、开设孔道，开设孔距1mm、孔径1mm的双孔道；S3、将FBG传感器3两端设置光纤引线2，并小心安放于S2中开设的一个孔道内；S4、在另一孔道内安装加热电阻丝4；S5、将刚玉管管体5两端用电工胶带、环氧树脂和热缩管6做防水防漏电处理。
S1中刚玉管管体5材料莫氏硬度9，抗拉强度3160kg/cm2，抗张强度23300kg/cm2，抗折强度2520kg/cm2，该种材料硬度大、刚度大，几乎不发生弯曲应变的材料，用来对FBG传感器3进行封装可以大幅降低外界应变因素对FBG传感器3测量结果的干扰。同时刚玉绝缘耐高温且热导性优良，在1000℃以上的极端高温环境也不会发生断裂，可以为内置加热电阻丝4的内加热封装技术提供支持。
S3中双孔刚玉管管体5中合理安装固定FBG传感器3：将FBG传感器3小心放置于双孔刚玉管管体5的其中一孔之中，FBG传感器3一端的光纤引线2自由放置于刚玉管5孔内，使FBG传感器3处于松弛状态，用以剔除应变对监测结果的干扰；FBG传感器3的另一端光纤引线2上套有光纤护套1进行保护，套有光纤护套1的光纤引线2引出刚玉管管体5后使用环氧树脂固定于双孔刚玉管管体5的孔口，最后连接光纤跳线。
S4中的加热电阻4，加热功率达到9W/m为最佳。将阻值合适的电阻丝放置于步骤一所述双孔刚玉管5的剩余一孔之中，两端连接导线。
S4中的防水防漏电电处理，具体指的是采用热缩管6包裹刚玉管管体5的接线端并热缩，然后在热缩后的遗留孔中注满环氧树脂胶封死进行防水防电漏电处理，最后制成IHAT-FBG。
本发明原理：由于FBG同时对温度和应变敏感的特性，选用刚玉管这种硬度大、刚度大、极难弯折应变的材料作为传感器的封装材料，对水分场监测FBG传感器进行封装保护后再埋入待测场地，可极大程度减少场地环境挤压对FBG弯曲应变作用，确保监测结果的准确性。IHAT-FBG传感器实际上是通过测定场地温度场来间接推导其水分场的,即待测环境的水分场越强(含水率、渗流速率越大)，单位时间内环境所耗散的热量就会越多，相应区域的温度场就会越低。这种温度场的相关信息可由FBG外接解调设备进行数据记录，从而实现基于环境温度场来监测环境水分场的功能。然而自然条件下，场地环境中水分场与周围介质的温度区分往往并不明显，较小的温度分辨率会造成基于FBG传感技术的场地水分场监测结果误差较大，无法反应真实情况，所以设计了加热电阻丝和温度感测用的FBG传感器一同安置于双孔刚玉管内的内加热封装方式，通过电阻丝接电加热，可人为对待测场地局部施加一个的温度场，从而增加了温度分辨率也使得测量结果更加真实精确。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种封装内加热FBG传感器的方法，其特征在于，传感器包括刚玉管管体、光纤引线、加热电阻丝和FBG传感器，所述刚玉管管体上设有若干孔道，所述FBG传感器两端设有光纤引线，且所述FBG传感器设于其中一个所述孔道内，所述加热电阻丝设于其他所述孔道内，封装该传感器的方法，包括如下步骤：S1、选材，根据实际场地的监测需要选择尺寸合适的刚玉管材料；S2、开设孔道，根据需要在刚玉管管体中开设至少两个孔道；S3、布置FBG传感器,将FBG传感器两端设置光纤引线，并将FBG传感器设于S2中开设的一个孔道内；S4、实现内加热，在其他孔道内安装加热电阻丝；S5、防水防漏电处理，将刚玉管管体两端做防水防漏电处理，制成内加热刚玉管FBG传感器。
2.根据权利要求1所述的封装内加热FBG传感器的方法，其特征在于，所述光纤引线外包裹有引线护套。
3.根据权利要求1所述的封装内加热FBG传感器的方法，其特征在于，所述刚玉管管体上套设有热缩管。
4.根据权利要求1所述的封装内加热FBG传感器的方法，其特征在于，所述孔道的数目至少为两个。
5.根据权利要求1所述的封装内加热FBG传感器的方法，其特征在于，所述孔道为圆柱孔道。
6.根据权利要求1所述的封装内加热FBG传感器的方法，其特征在于，在S3中FBG传感器一端的光纤引线自由放置于孔道中，使FBG传感器处于松弛状态，用以剔除应变对监测结果的干扰；光纤引线露于孔道外部的部分套有光纤护套，并在光纤引线引出刚玉管管体后使用环氧树脂将其固定于孔口。
7.根据权利要求1所述的封装内加热FBG传感器的方法，其特征在于，S4中内置的加热电阻丝加热功率，选取7-11w/m；加热电阻丝置放于临近FBG传感器的孔道，两端与导线进行连接。
8.根据权利要求1所述的封装内加热FBG传感器的方法，其特征在于，S5中防水防漏电处理具体为采用热缩管包裹刚玉管管体接线端，并在包裹后遗留的孔中注满环氧树脂胶封死。
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