CN107014529A - 基于异质光纤的压力传感器及压力传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于异质光纤的压力传感器及压力传感装置。本发明中压力传感器采用纯SiO2光纤作为异质光纤的芯层；采用折射率低于纯SiO2的塑料涂敷在纯SiO2光纤上作为异质光纤的外包层；纯SiO2和塑料界面构成全反射。压力传感装置采用光学时域反射技术进行检测，包括上述异质光纤，脉冲激光发射机，光电探测器和数据处理控制电路；激光发射器机发射脉冲光到光纤内，脉冲光在异质光纤内传输，传输时会产生散射，光电探测器在脉冲光入射端测得后向散射光信号，并传输给数据处理控制电路处理。本发明的异质光纤不仅保护了裸光纤，使其更加适合应用于工程中，而且其结构简单、成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体为一种基于异质光纤的压力传感器及压力传感装置。
背景技术
光纤传感技术是光学领域最为重要的传感技术之一，已经被广泛应用于建筑、机械、高铁、桥梁、国防工业等领域。光纤传感器具有抗电磁干扰能力和耐腐蚀性,因而极适合用作桥梁等处于露天、恶劣环境下的大型土木工程结构的长期监测。以桥梁监测为例，采用光纤传感器，光纤既可以传递光源又可以传递测量信号,还可多路复用。解决了一般传感系统采用电缆来传递和输出信号，电缆数量大、重量大的问题。
普通光纤的主要成分是SiO2，纤细、脆弱、抗剪能力差，无法直接将其作为传感器应用于土木工程的施工中，如混凝土的浇注、钢结构的吊装等以及恶劣的环境等。因此，在裸光纤的基础上，需要对其进行封装等二次处理，使其更好的应用于工程中。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种基于异质光纤的压力传感器及压力传感装置。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于异质光纤的压力传感器，采用纯SiO2光纤作为异质光纤的芯层；采用折射率低于纯SiO2的塑料涂敷在纯SiO2光纤上作为异质光纤的外包层；纯SiO2和塑料界面构成全反射，光主要能量在纯SiO2传播，部分能量在塑料层传播。
进一步说，所述的纯SiO2光纤的直径为10-200微米。
进一步说，涂敷的塑料厚度为100-500微米。
一种基于异质光纤的压力传感装置，采用光学时域反射技术进行检测，包括异质光纤，脉冲激光发射机，光电探测器和数据处理控制电路，其特征在于：所述的异质光纤采用纯SiO2光纤作为异质光纤的芯层；采用折射率低于纯SiO2的塑料涂敷在纯SiO2光纤上作为异质光纤的外包层；
所述的激光发射器机发射脉冲光到光纤内，脉冲光在异质光纤内传输，传输时会产生散射，光电探测器在脉冲光入射端测得后向散射光信号，并传输给数据处理控制电路处理；
当监测体正常时，接收到的光信号强弱随时间呈指数衰减；当出现监测体受到碰撞或产生裂缝时，异质光纤受到压力，接收到的光信号强度在某个时间点产生极大的衰减，通过衰减程度来确定压力强弱。
本发明的有益效果如下：光纤压力传感器具有质量轻、信息量大、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，易于分布埋入结构和构成网络，适合工程监测。异质光纤不仅保护了裸光纤，使其更加适合应用于工程中，而且其结构简单、成本低廉。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明中的传感器采用纯SiO2光纤作为异质光纤的芯层，直径为10-200微米；采用折射率低于纯SiO2的塑料涂敷在纯SiO2光纤上作为异质光纤的外包层，其厚度为100-500微米；异质光纤的导光原理：纯SiO2和塑料界面构成全反射，光主要能量在纯SiO2传播，部分能量在塑料层传播。
以异质光纤作为压力传感器，异质光纤的纤芯与塑料包层的折射率不同。对于现存的工程结构，将异质光纤用胶粘贴在需要检测的结构上；对于在建或者将要兴建的工程，在混凝土结构的施工过程中，在需要进行监测的结构上埋入异质光纤，然后进行浇筑。
传感技术方案：分布式传感，具体包括分布式光纤压力传感器，脉冲激光发射机，光电探测器，数据处理控制电路。分布式光纤压力传感器的异质光纤既是传输介质又是传感元件，异质光纤上任意一点都是一个压力传感器单元，异质光纤上任意空间和时间变化的分布信息都能测量。采用OTDR(光学时域反射技术)进行检测。激光发射器机发射脉冲光到光纤内，脉冲光在异质光纤内传输，传输时会产生散射，光电探测器在脉冲光入射端测得后向散射光信号，并传输给数据处理控制电路处理。当监测体正常时，接收到的光信号强弱随时间呈指数衰减；当出现监测体受到碰撞、产生裂缝等情况时，异质光纤受到压力，接收到的光信号强度在某个时间点有极大的衰减，通过衰减程度来确定压力强弱。
从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在异质光纤中的速度，就可以计算出距离即位置为：
d＝(c×t)/2neff
其中，neff为异质光纤的有效折射率，c为真空光速，t是信号发射后到接收到信号(双程)的总时间(两值相乘除以2后就是单程的距离)。
实施例，见图1：一种基于异质光纤的压力传感装置包括脉冲激光发射机1，分布式光纤压力传感器2，光电探测器3和数据处理控制电路4，见图1。脉冲激光发射器机1发射脉冲光入射到分布式光纤压力传感器2内，发生碰撞时，碰撞点5处的光纤受到应力，后向散射光发生变化。光电探测器3在激光入射端测光纤中的后向散射光，将信号传输给数据处理控制电路4。数据处理控制电路4得到后向散射光光强随时间的变化曲线(正常时曲线呈指数衰减)。在碰撞点5对应的时间点处，光强发生突变，根据光强的变化情况，分析受到的碰撞的强弱，并且根据时间点计算出发生碰撞的位置。数据处理控制电路4同时连接脉冲激光发射机1，可以根据接收的光信号对脉冲光进行调整。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.基于异质光纤的压力传感器，其特征在于：采用纯SiO2光纤作为异质光纤的芯层；采用折射率低于纯SiO2的塑料涂敷在纯SiO2光纤上作为异质光纤的外包层；纯SiO2和塑料界面构成全反射，光主要能量在纯SiO2传播，部分能量在塑料层传播。
2.根据权利要求1所述的基于异质光纤的压力传感器，其特征在于：所述的纯SiO2光纤的直径为10-200微米。
3.根据权利要求1所述的基于异质光纤的压力传感器，其特征在于：涂敷的塑料厚度为100-500微米。
4.基于异质光纤的压力传感装置，采用光学时域反射技术进行检测，包括异质光纤，脉冲激光发射机，光电探测器和数据处理控制电路，其特征在于：所述的异质光纤采用纯SiO2光纤作为异质光纤的芯层；采用折射率低于纯SiO2的塑料涂敷在纯SiO2光纤上作为异质光纤的外包层；
所述的激光发射器机发射脉冲光到光纤内，脉冲光在异质光纤内传输，传输时会产生散射，光电探测器在脉冲光入射端测得后向散射光信号，并传输给数据处理控制电路处理；
当监测体正常时，接收到的光信号强弱随时间呈指数衰减；当出现监测体受到碰撞或产生裂缝时，异质光纤受到压力，接收到的光信号强度在某个时间点产生极大的衰减，通过衰减程度来确定压力强弱。
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