CN109459830A - 分布式光纤光栅振动传感器的封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤光栅振动传感器的封装结构，其特征在于，包括聚乙烯护套，该聚乙烯护套内封装有：至少一根光纤，其上刻有光纤光栅阵列；光纤外部套设松套管，光纤在松套管内部的余长为0.3％‑0.5％；至少两根加强芯；至少一根填充绳。本发明提高了光纤光栅阵列的使用寿命，并且可以将这种光缆的结构设计运用在长距离、大范围的工程测试领域。

Description

分布式光纤光栅振动传感器的封装结构

技术领域

本发明属于分布式光纤传感检测技术领域，尤其涉及一种分布式光纤光栅振动传感器的封装结构。

背景技术

基于Mach-Zehnder干涉和光时域反射技术的分布式光纤光栅振动传感系统，利用光栅之间的光纤作为传感单元，通过检测弱光纤光栅阵列中相邻两个光栅之间的干涉信号，实现对整根光纤的分布式振动监测。通过固定间距的光纤光栅阵列和光纤连续分布的特点，可以准确的实现待测区域的空间定位。

光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘性能好、耐腐蚀、传输损耗小等特点。所以光纤光栅传感技术适合应用在很多恶劣的环境中，但由于光纤纤细柔软，易损坏，因此需要采用一些封装方法，保护光栅。并且在一些测量精度要求较高的场合，需要对其封装以提高灵敏度。本发明可以解决这方面的难题，不仅可以起到保护光纤，还可以提高分布式光纤光栅振动传感器的灵敏度。

目前基于Mach-Zehnder干涉和光时域反射技术的分布式光纤光栅振动传感系统，多用于实验室研发阶段，没有真正应用于实际的工程项目，一个很重要的因素就是光纤光栅阵列。光纤光栅阵列主要有以下两个方面的重要影响：

首先在分布式振动检测的过程中，是利用弱光纤光栅阵列中相邻两个光栅之间反射波长，通过不等臂的干涉仪，让两束光产生干涉。所以在检测过程中，要保证光纤光栅阵列的中心波长不能产生较大的漂移。在另一方面，由于光纤外径非常细(带涂覆层外径为250微米左右)，无法对待测物体的振动信号进行有效传递，振动而导致的光纤形变很小，进而导致相位解调出的信号幅度很弱。

基于这两方面的影响，设计了本发明的分布式光纤光栅振动传感器的封装结构。

发明内容

为了解决分布式光纤光栅振动传感系统采用的光纤光栅阵列在实际工程应用上的问题，本发明提供了可运用在长距离、大范围的工程测试领域的分布式光纤光栅振动传感器的封装结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种分布式光纤光栅振动传感器的封装结构，包括聚乙烯护套，该聚乙烯护套内封装有：

至少一根光纤，其上刻有光纤光栅阵列；光纤外部套设松套管，光纤在松套管内部的余长为0.3％-0.5％；

至少两根加强芯；

至少一根填充绳。

接上述技术方案，在光纤与PBT松套管之间填充润滑层。

接上述技术方案，所述润滑层为一层油膏。

接上述技术方案，所述加强芯为非金属加强芯FRP。

接上述技术方案，该封装结构的外径尺寸为6.5mm。

接上述技术方案，所述加强芯的外径尺寸为2mm。

接上述技术方案，所述松套管的材质为PBT，所述松套管的外径尺寸为2mm。

本发明还提供了一种上述分布式光纤光栅振动传感器的封装结构制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用在线制备光纤光栅系统在光纤拉制过程中动态写入光栅阵列；

步骤2：利用光纤二次套塑工艺将光纤光栅阵列放入松套管中；

步骤3：将松套管、加强芯、填充绳通过成缆工艺制成光缆结构。

接上述技术方案，还包括以下步骤：在光纤与套管之间填充润滑油膏。

本发明产生的有益效果是：本发明通过光缆的制作工艺流程将光纤光栅阵列封装成光缆结构，控制光缆的余长在0.3％-0.5％范围内，增加加强芯，并对光纤进行二次套塑工艺，可以提高分布式光纤光栅振动传感器的灵敏度，并且可以运用在大范围、长距离的工程测试领域。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例光纤在线拉丝制成的光纤光栅阵列示意图；

图2是本发明实施例分布式光纤光栅振动传感器的封装结构的剖面示意图；

图3是本发明实施例分布式光纤光栅振动传感器的封装结构的立体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，本发明实施例的分布式光纤光栅振动传感器的封装结构，包括聚乙烯护套6，该聚乙烯护套内封装有：至少一根光纤3，其上刻有光纤光栅阵列(如图1所示)；光纤外部套设松套管1，光纤在松套管1内部的余长为0.3％-0.5％；至少两根加强芯5；至少一根填充绳4。填充绳4可选用聚乙烯网状带。

为了保证光纤光栅阵列在检测过程中尽量避免外力张拉的影响，在光纤的外层加上直径约2mm的PBT松套管，并且在光纤与套管之间附上一层油膏2，可以减小光纤与套管之间的摩擦力。

由于光纤光栅的应用环境相对恶劣，很容易受到挤压和拉伸等因素的影响。然而2mm的PBT松套管1并不能完全起到保护光纤光栅的作用。所以在松套管的外层再套上一层聚乙烯的护套6(外径6.5mm)，封装成光缆结构，这样可以增加光缆的柔软性及可弯曲度，提高光缆的抗拉能力和改善光缆的温度特性。同时可以减小温度对光纤光栅中心波长的影响。

由于在工程应用中光缆的长度较长，一般测试距离可达10km，相邻光栅之间的间距一般为5m，由于光纤光栅封装后自身的重量较大，在5m跨度范围内，相邻两个光栅之间很容易产生受力影响，导致中心波长产生漂移。所以在PBT松套管1与聚乙烯护套6之间加上两根外径为2mm加强芯5，不仅可以有效的减小避免光缆重量对光栅的影响，而且可以增加光缆的强度。

为了保证光纤光栅中心波长在相对稳定的条件下，在光纤光栅封装成光缆的过程中，还需要控制光缆的余长在0.3％-0.5％范围内。由于套管1和光纤3所用的材料不同，所以线膨胀系数不同，在外界环境温度发生改变时，光缆会产生热胀冷缩。由于光纤3在光缆里面有一定的余长，当光缆被拉伸时，光纤在套管里面是不会产生受力，如果光纤余长过小，光纤就会被张拉，导致光栅受力；当光缆被压缩时，套管内的光纤会向管外侧移动，如果余长过大，光纤的弯曲半径大于临界值时，光纤就会产生较大的损耗。

在待测区域，光缆可以采用表贴(铺设在需要测量的结构体表面)或者埋入待测结构体内的方式，将振动信号更有效的传递到光纤，提高分布式光纤光栅振动传感器的灵敏度，并实现大范围、长距离的振动信号测量。

本发明的一个实施例中，上述分布式光纤光栅振动传感器的封装结构从光纤光栅阵列到光缆的工艺过程如下：

步骤1：利用在线制备光纤光栅系统在光纤拉制过程中动态写入光栅阵列。光纤光栅阵列如图1所示。

步骤2：利用光纤二次套塑工艺(是选用合适的高分子材料，采用挤塑的方法，在合理的工艺条件下，给光纤套上一个合适的松套管1，同时在管与光纤之间，填充一种化学物理性能长期稳定、粘度合适、防水性能优良、对光纤有长期良好保护性能、与套管材料完全相容的光纤专用油膏2。)将光纤光栅阵列放入PBT材质的松套管1中，在光纤与套管之间填充光纤油膏2。

步骤3：将松套管1、中心加强芯5、填充绳4通过成缆工艺(成缆的目的是为了增加光缆的柔软性及可弯曲度，提高光缆的抗拉能力和改善光缆的温度特性，同时通过对不同根数的松套管的组合而制造出不同芯数的光缆。)制成光缆结构。如图3所示。

松套管PBT的材料具有良好的耐水解性能，管内充以光纤油膏2，对光纤进行保护，防止光缆在张拉过程中，导致光纤受力，影响光纤光栅的测量。非金属加强芯5具有优良的抗压性，当光纤光栅在受到挤压时，不被折断。同时可以在光缆内部充当填充物，有效的传递振动信号。填充绳4的作用是方便光缆在施工的时候可以快速的剥除外护套，便于光纤的熔接。在光缆的制作过程中，可以通过精确控制光纤的余长保证了光缆具有很好的抗拉性能。在另一方面也可以保证光纤光栅在光缆里面没有受力，从而避免光在光纤中传输产生较大的损耗。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种分布式光纤光栅振动传感器的封装结构，其特征在于，包括聚乙烯护套，该聚乙烯护套内封装有：

至少一根光纤，其上刻有光纤光栅阵列；光纤外部套设松套管，光纤在松套管内部的余长为0.3％-0.5％；

至少两根加强芯；

至少一根填充绳。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅振动传感器的封装结构，其特征在于，在光纤与PBT松套管之间填充润滑层。

3.根据权利要求2所述的分布式光纤光栅振动传感器的封装结构，其特征在于，所述润滑层为一层油膏。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅振动传感器的封装结构，其特征在于，所述加强芯为非金属加强芯FRP。

5.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅振动传感器的封装结构，其特征在于，该封装结构的外径尺寸为6.5mm。

6.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅振动传感器的封装结构，其特征在于，所述加强芯的外径尺寸为2mm。

7.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅振动传感器的封装结构，其特征在于，所述松套管的材质为PBT，所述松套管的外径尺寸为2mm。

8.一种基于权利要求1的分布式光纤光栅振动传感器的封装结构制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用在线制备光纤光栅系统在光纤拉制过程中动态写入光栅阵列；

步骤2：利用光纤二次套塑工艺将光纤光栅阵列放入松套管中；

步骤3：将松套管、加强芯、填充绳通过成缆工艺制成光缆结构。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，还包括以下步骤：在光纤与套管之间填充润滑油膏。