CN110596837A - 一种免应力封装的感温光纤光缆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种免应力封装的感温光纤光缆及其制备方法，感温光纤光缆包括位于中心的超弱光纤光栅阵列；并行均布在超弱光纤光栅阵列周围的纤维束，所述超弱光纤光栅阵列与所述纤维束自由合束；沿轴向包裹在超弱光纤光栅阵列与纤维束外围的金属管；围绕所述金属管以螺旋形式加捻包围的加强件。本发明将超弱光纤光栅阵列与多股纤维自由合束后，再采用金属管直接封装，利用纤维回弹后的扩束作用，吸收光纤的余长，减小光纤与金属管管壁的摩擦，抑制余长的累积分布，方便批量标定，其温度曲线线性相关度达到0.999以上，温度灵敏度波动小于0.3pm/℃，提升了光缆的测温精度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光缆温度传感领域，具体涉及一种免应力封装的感温光纤光缆及其制备方法。
背景技术
光纤传感可实现对应变、温度等物理量进行可靠监测，在岩土工程、桥梁、隧道、周界等领域具有广泛的需求和良好的应用前景。目前主要的光纤传感技术有基于布里渊散射的光纤传感技术(BOTDR/BOTDA)、光频域反射技术(OFDR)、光纤光栅(FBG/wFBG)传感技术(FBG/wFBG)等，但在实际测量中，不可避免的地存在温度和应变的交叉敏感问题。尽管BOTDR/BOTDA通过算法处理能在一定程度上分离出温度和应变，但单个参量的测量精度下降较多；温度和应变的交叉影响对FBG/wFBG也是一个公认的难题。
为了获取相对准确的应变值，工程中多采用双光栅差分法进行检测，即成对布设2个FBG光栅，一个FBG用于检测温度和应变，另一个FBG不受应力的影响，只检测环境温度，将FBG传感器一与FBG传感器二的测量结果作差得到相对准确的应变值。但应力消除非常麻烦，目前工程中也只解决了单个FBG免应力封装的问题。对于线性多点的光纤光栅阵列，如何进行免应力封装是一道难题。由于光纤光栅阵列相对脆弱，需要通过二次封装后才能形成感温光缆，而数百米乃至几公里的传感光缆只有通过绕盘才便于运输。在光缆绕盘过程中，位于金属管内的光纤绕盘半径略大于金属管内圈的绕盘半径，等长的光纤和金属管经过多圈绕盘后，管内壁的光纤因长度不够产生明显的伸长，形成较大的拉应变，这种应变的存在会影响对传感器的温度特性。但如果在盘绕前预留光纤余长，当光缆放直时，这种余长需要释放，由于光纤与管壁存在摩擦，受摩擦力的影响余长容易出现不均匀的二次分布，从而导致局部光纤受力，影响了传感光缆的灵敏度和线性度。大量的试验研究表明，当光纤上的残余应变大于50με时，应变对温度测量的误差大于1℃。由于温度测量失真，采用双光栅差分法测取的应变结果，其精度自然也无法保障。
如上所述，在温度、应变同时监测的场合，不仅仅光纤光栅传感技术测量误差大、实用性差的问题，其它多参量监测的光纤传感技术均存在类似问题。因此，在感温光纤成缆时，如何从物理结构上实现光纤免应力封装，是线性感温光纤传感系统亟待解决的难题。
超弱光栅是近年来发展起来的一种线性测温技术，但超弱光栅阵列测温时对应变更加敏感，采取何种成缆方法有效消除弱光栅阵列的应力影响成为研究的热点。
中国专利“一种免应力光栅阵列感温光缆及其传感方法，申请号：201710457903.6”提出将受力光纤和免应力光纤预先粘接，再封装成缆，通过受力光纤承载余量变化产生的应力，保证超弱光纤光栅阵列免应力测量，这种方法在一定程度上避免了余量的累积分布，一定程度上减小了应力的分布，但受力光纤和免应力光纤预先粘接工艺复杂，余量准确控制困难，测温精度不高。
中国专利“一种骨架式光纤光栅感温光缆，申请号：201821650447.3”、“一种光纤光栅温度应变混合光缆，申请号：201811185773.6”提出通过将光纤与特殊结构分段粘贴来缓解应力的影响，这些方法可行但自动化生产困难，复杂的特殊结构会降低温度的响应速度，影响测温精度。此外，长距离的超弱光栅阵列标定需要再次绕盘，在绕盘过程中的应力也会导致温度线性度和灵敏度误差，这种误差随温度监测范围的扩大而累积，很大程度上限制了测温的准确性和范围。
发明内容
针对现有测温光缆结构复杂、自动化生产困难、测温精度差等问题，本发明提出了一种免应力封装的感温光纤光缆及其制备方法，该发明将超弱光纤光栅阵列与多股纤维自由合束后，再采用金属管直接封装，利用纤维回弹后的扩束作用，吸收光纤的余长，减小光纤与金属管的接触，抑制余长的累积分布，方便批量标定，其温度曲线线性相关度达到0.999以上，温度灵敏度波动小于0.3pm/℃，提升了光缆的测温精度；此外，本发明光纤光缆结构简单，易于机器批量制备，在光纤光栅应力应变传感领域具有广泛的应用前景。
本发明采取的技术方案为：
一种免应力封装的感温光纤光缆，包括：
位于中心的超弱光纤光栅阵列；
并行均布在超弱光纤光栅阵列周围的纤维束，所述超弱光纤光栅阵列与所述纤维束自由合束；
沿轴向包裹在超弱光纤光栅阵列与纤维束外围的金属管；
围绕所述金属管以螺旋形式加捻包围的加强件。
所述纤维束为多股凯芙拉纤维，用于在卷绕张力释放后可产生自由扩束，均匀分布在金属管内，使超弱光纤光栅阵列脱离与金属管内管壁的接触。
所述超弱光纤光栅阵列包含多个超弱光纤光栅传感单元，反射率在0.1％～0.01％。
所述超弱光纤光栅阵列相对于金属管，有一定的预留长度。
所述纤维束采用多股规格大于800D的纤维。
所述金属管为不锈钢材质，采用激光无缝焊接而成，直径大于2.0mm。
所述加强件为不锈钢丝。
一种免应力封装的感温光纤光缆制备方法，包括如下步骤：
S1：将超弱光纤光栅阵列与多股纤维的头部粘接，超弱光纤光栅阵列位于纤维束中间，通过导轮的牵引，超弱光纤光栅阵列被纤维束自动包裹，合束成光纤纤维束体；
S2：将不锈钢丝压扁成带状，采用模具拉伸后卷边、成型，制作成C型金属管，在行进中通过激光焊接成无缝金属管；
S3：光纤纤维束体与金属管的头部预固定，在金属管的牵引下行进。当金属管焊接成型后，光纤纤维束体被封装在金属管中；
S4：根据光缆绕盘直径的大小，计算光纤的余量大小；在拉伸缩颈工序，通过控制金属管拉伸时拉力的大小及速度，以及纤维束的张力，控制超弱光纤光栅阵列的预留长度的余量，一般大于0.1％，小于0.6％；
S5：在金属管外螺旋盘绞多根不锈钢丝，增强光缆的抗拉和抗弯性能；
S6：采用线盘将光缆卷绕成盘。
本发明一种免应力封装的感温光纤光缆及其制备方法，具有以下有益效果：
1)消除应变对温度的影响，提升感温精度：
将超弱光纤光栅阵列与多股纤维自由合束后，再采用金属管直接封装，利用纤维回弹后的扩束作用，均匀吸收光纤的余长，克服了余长再分布引起的应力集中的技术难题，使光栅真正实现均匀地免应力封装，保证了测温精度。此外，钢管导热导热系数大，直径小，使传感器具有较高的响应速度和热敏感性，可用于动态温度的测量。
2)光缆标定方便，易于成盘运输：
对于感温光缆，使用前需要全阵列卷绕后标定线性度和灵敏度，传统的光缆卷绕后，余长会重新分布，产生的应力应变会产生非线性、迟滞、重复性等问题。加入纤维束后，纤维对光纤余长的本地吸收，可以保证光缆卷绕时不产生大应变，从而保证标定的准确性，这也是保证测温精度的关键。此外，光缆可以采用普通工艺成盘，绕开后不影响测温的线性度和精度。
3)简化光缆结构，易于自动化批量：
针对感温光栅的特性，基于成熟的光缆工艺改进设计，结构简单，方便大批量生产，生产效率高，成本低廉，性价比高，方便在各种测温场合推广应用。
附图说明
图1为本发明感温光纤光缆的截面结构示意图；
其中：1为超弱光纤光栅阵列；2为纤维束；3为金属管；4为加强件。
图2为本发明的感温超弱光纤光栅阵列的示意图。
其中：5为超弱光纤光栅传感单元；6为光纤包层；7为光纤涂覆层。
图3为本发明的光纤光栅温度特性曲线图；
图3中，随机抽取光栅传感单元的温度曲线，其具有优异的线性度。
图4为本发明的光栅温度相关系数的波动曲线图；
图4中，光栅的温度相关系数在0.99996～0.9998之间，相关度高度接近1左右。
具体实施方式
一种免应力封装的感温光纤光缆，包括：
位于中心的超弱光纤光栅阵列1；
并行均布在超弱光纤光栅阵列1周围的纤维束2，所述超弱光纤光栅阵列1与所述纤维束2自由合束；
沿轴向包裹在超弱光纤光栅阵列1与纤维束2外围的金属管3；
围绕所述金属管3以螺旋形式加捻包围的加强件4。
所述纤维束2为多股凯芙拉纤维，用于在卷绕张力释放后可产生自由扩束，均匀分布在金属管3内，使超弱光纤光栅阵列1脱离与金属管3内管壁的接触。这大大降低光纤与金属管3管壁之间的摩擦力，有效避免了光缆弯曲时局部摩擦产生的附加应力，从而使超弱光纤光栅传感单元5具有优异的温度线性度。
所述超弱光纤光栅阵列1包含多个超弱光纤光栅传感单元5，反射率在0.1％～0.01％。中心波长可以相同，也可以不同。这种设计结合光纤光栅的时分/波分技术，能实现根据测温的空间间隔要求，灵活定制传感单元的间距，可以构成长距离、高空间分辨率的温度链。例如，超弱光纤光栅阵列的反射信号解调时，受采集卡响应速度的限制，时域内的信号分辨率只有1.5m～2m，但是通过在该空间内间插不同的波长，即在进行频分复用，如插入10个波长，则时分/频分的空间分辨率可以达到0.15～0.2m的精度，这能满足绝大多数高精度、高分辨率监测的要求。
所述超弱光纤光栅阵列1根据盘绕的直径不同，相对于所述金属管3而言，超弱光纤光栅阵列1预留长度的余量为金属管3总长度的0.1％到0.6％，均匀分布在整个金属管3内部，用于避免在光缆盘绕或布设时超弱光纤光栅阵列1承受过大的应力。
所述纤维束2采用多股规格大于800D的纤维。这种设计保证了纤维束2对传感光纤的包覆，有效规避光纤与金属管3管壁的摩擦。
所述金属管3为不锈钢材质，采用激光无缝焊接而成，直径大于2.0mm。
所述加强件4根据抗拉强度和弯曲强度的要求，设计成不锈钢丝或其它材质。
一种免应力封装的感温光纤光缆制备方法，包括如下步骤：
S1：将超弱光纤光栅阵列1与多股纤维的头部粘接，超弱光纤光栅阵列1位于纤维束2中间，通过导轮的牵引，超弱光纤光栅阵列1被纤维束2自动包裹，合束成光纤纤维束体；
S2：将不锈钢丝压扁成带状，采用模具拉伸后卷边、成型，制作成C型金属管，在行进中通过激光焊接成无缝金属管；
S3：光纤纤维束体与金属管的头部预固定，在金属管3的牵引下行进。当金属管3焊接成型后，光纤纤维束体被封装在金属管3中；
S4：根据光缆绕盘直径的大小，计算光纤的余量大小；在拉伸缩颈工序，通过控制金属管3拉伸时拉力的大小及速度，以及纤维束的张力，控制超弱光纤光栅阵列1的预留长度的余量，一般大于0.1％，小于0.6％；
S5：在金属管3外螺旋盘绞12根不锈钢丝，增强光缆的抗拉和抗弯性能；
S6：采用指定尺寸木线盘将光缆卷绕成盘。
本发明针对光栅应变敏感特性，通过在传统的线性光缆结构中增加纤维材料，均匀化光纤余长的分布，真正实现应变和温度的分离，克服了长距离光缆中残余应变对温度影响，保证了光栅的温度灵敏度和线性度，标定的温度曲线线性相关度达到0.999以上，温度灵敏度波动小于0.3pm/℃，能可靠测量绝对温度，在高精度测温领域具有良好的应用前景。
Claims (8)
1.一种免应力封装的感温光纤光缆，其特征在于包括：
位于中心的超弱光纤光栅阵列(1)；
并行均布在超弱光纤光栅阵列(1)周围的纤维束(2)，所述超弱光纤光栅阵列(1)与所述纤维束(2)自由合束；
沿轴向包裹在超弱光纤光栅阵列(1)与纤维束(2)外围的金属管(3)；
围绕所述金属管(3)以螺旋形式加捻包围的加强件(4)。
2.根据权利要求1所述一种免应力封装的感温光纤光缆，其特征在于：所述纤维束(2)为多股凯芙拉纤维，用于在卷绕张力释放后可产生自由扩束，均匀分布在金属管(3)内，使超弱光纤光栅阵列(1)脱离与金属管(3)内管壁的直接接触。
3.根据权利要求1所述一种免应力封装的感温光纤光缆，其特征在于：所述超弱光纤光栅阵列(1)包含多个超弱光纤光栅传感单元(5)，反射率在0.1％～0.01％。
4.根据权利要求1所述一种免应力封装的感温光纤光缆，其特征在于：所述超弱光纤光栅阵列(1)相对于金属管(3)，有一定的预留长度。
5.根据权利要求1所述一种免应力封装的感温光纤光缆，其特征在于：所述纤维束(2)采用多股规格大于800D的纤维。
6.根据权利要求1所述一种免应力封装的感温光纤光缆，其特征在于：所述金属管(3)为不锈钢材质，采用激光无缝焊接而成，直径大于2.0mm。
7.根据权利要求1所述一种免应力封装的感温光纤光缆，其特征在于：所述加强件(4)为不锈钢丝。
8.一种免应力封装的感温光纤光缆制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：将超弱光纤光栅阵列(1)与多股纤维的头部粘接，超弱光纤光栅阵列(1)位于纤维束(2)中间，通过导轮的牵引，超弱光纤光栅阵列(1)被纤维束(2)自动包裹，合束成光纤纤维束体；
S2：将不锈钢丝压扁成带状，采用模具拉伸后卷边、成型，制作成C型金属管，在行进中通过激光焊接成无缝金属管；
S3：光纤纤维束体与金属管的头部预固定，在金属管(3)的牵引下行进。当金属管(3)焊接成型后，光纤纤维束体被封装在金属管(3)中；
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