CN110632720A - 一种用于水温监测的超弱光纤光栅光缆 - Google Patents
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Abstract
一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，包括：位于中心的超弱光纤光栅阵列；沿轴向均匀覆盖在超弱光纤光栅阵列上的油膏层；包裹超弱光纤光栅阵列、油膏层外围的金属管；围绕金属管以螺旋形式加捻包围的加强件；涂覆在加强件外部的传感器标记。该光栅光缆采用金属管直接封装超弱光纤光栅阵列，通过沿光栅阵列填充少量的油膏，抑制光纤余长的累积分布，在防止水汽浸润光纤的同时，减小或消除传感光纤中残余应变的影响。采用该方法制作的超弱光纤光栅感温光缆，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/℃。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光缆温度传感领域，具体涉及一种用于水温监测的超弱光纤光栅光缆。
背景技术
水温是水体环境表征的重要参数。监测水温的变化及其梯度分布，对水利调度、环境保护、水产捕捞、航道维管、水工建筑选址等领域具有重要的指导意义。光纤传感器具有不产生自热、抗电磁干扰、高灵敏度、轻质柔性、多参量复合传感、大空间分布式测量等显著优点，在水温监测领域具有广泛的应用前景。
目前应用于水温监测的光纤传感技术主要有基于散射(拉曼散射或布里渊散射)的分布式光纤传感DTS和基于高反射率光栅FBG的光纤传感两种。前者存在空间分辨率不高，无法点式测温，数据解调复杂等问题；后者传感器复用数目少，且传感单元多采用剥皮刻写后再涂覆，涂层均匀性差，温度线性度不好。超弱光纤光栅具有极低的反射率，通过时分/波分复用，可以实现密集的点式测温，极大地提高传感单元的复用数量和空间分辨率，此外，超弱光纤光栅多采用拉丝塔刻写，涂层材料均匀，温度线性度较好，这为水温监测的传感提供了良好的条件。
普通的超弱光纤光栅阵列相对脆弱，多采用金属管状加铠的封装结构，再绕盘标定和运输。在光缆绕盘时，位于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，光纤因长度不够会产生明显的拉长，这种拉长导致应变的存在，影响光栅的温度特性。如果在绕盘前预留光纤余长，当光缆放直时，这些余长需要释放，但光纤与管壁存在摩擦，摩擦阻力会导致余长的二次分布，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，传感点测得的累积温度测量误差大于1℃。此外，水温监测光缆不仅需要较高的测温精度，还需要考虑水气浸润的问题，传统的防水油膏填充工艺限制了光栅在金属管中的移动，也容易产生应变影响。因此，在超弱光纤光栅阵列成缆时，如何从物理结构上避免应力的影响，提升光栅的防水性能，是水温监测光缆急待解决的难题。
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，保证传感光纤免应力测量，这种方法在一定程度上避免了余量的累积分布，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”，均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，传感光缆在水体环境中长期使用时，水气的浸润也会对影响传感器的稳定性，上述光缆的设计，也不能满足水环境监测的需要。
发明内容
针对现有感温光缆结构复杂、测温精度不高、防水性差等问题。本发明提出了一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，该光栅光缆采用金属管直接封装超弱光纤光栅阵列，通过沿光栅阵列填充少量的油膏，抑制光纤余长的累积分布，在防止水汽浸润光纤的同时，减小或消除传感光纤中残余应变的影响。采用该方法制作的超弱光纤光栅感温光缆，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/℃，能长期可靠地测量水体中绝对温度，在水温监测领域具有良好的应用前景。
本发明采取的技术方案为：
一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，包括：
位于中心的超弱光纤光栅阵列；
沿轴向均匀覆盖在超弱光纤光栅阵列上的油膏层；
包裹超弱光纤光栅阵列、油膏层外围的金属管；
围绕金属管以螺旋形式加捻包围的加强件；
涂覆在加强件外部的传感器标记。
所述超弱光纤光栅阵列包含单层涂覆层，厚度小于30um
所述超弱光纤光栅阵列包含多个反射率低于0.1％的波分/时分复用超弱光纤光栅传感单元，光栅光谱半高宽小于0.3nm，光栅间隔为小于1米。
所述油膏层采用防水型油膏，填充高度为金属管半径高度的1/3。
所述超弱光纤光栅阵列相比较金属管，预留有一定的长度。
所述金属管为不锈钢材质，由激光无缝焊接而成。
所述加强件对于长距离重载场合，优选弹簧不锈钢钢丝；对于线性要求高的短距离轻载场合，优选软不锈钢丝。
在光栅传感点位置的光缆外径上涂覆有长20mm、直径5mm的传感器标记，用于标识传感器的位置和波长。
本发明的一种用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，具有以下有益效果：
1)减小或消除应变对温度的影响，提升感温精度：
通过沿光栅阵列填充少量的油膏，抑制光纤余长的累积分布，减小或消除传感光纤中残余应变的影响，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，金属封装导热系数大，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)防水性好，易于在水环境中长期使用：
超弱光纤光栅阵列采用金属管无缝焊接，避免与水体直接接触。在金属管内填充油膏，避免光纤暴露的空气中，能长时间抵御水汽的浸润，延长光纤的使用寿命。
3)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。填充防水油膏后，匹配适当的余长，可以保证光缆在卷绕时不产生大应变，进而保证标定的准确性。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，运输方便。
4)简化光缆结构，易于自动化批量：
针对超弱光纤光栅的特性，对光缆进行优化设计，结构简单，方便大批量生产，生产效率高，成本低廉，性价比高，方便在水温监测场合推广应用。
附图说明
图1为本发明的超弱光纤光栅光缆的截面结构示意图；
其中：1为超弱光纤光栅阵列；2为油膏层；3为金属管；4为加强件；5为传感器标记。
图2为本发明的感温超弱光纤光栅阵列的截面结构示意图；
其中：6为超弱光纤光栅传感单元；7为光纤包层；8为单层涂覆层。
图3为本发明的光纤光栅温度特性的曲线图；
图3中，随机抽取光栅的线性度在0.9999以上。
图4为本发明的光栅温敏系数的一致性曲线图；
图4中，随机抽取的10个光栅的温敏系数在10.4～11.0pm/℃。
具体实施方式
一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，包括：
位于中心的超弱光纤光栅阵列1；
沿轴向少量均匀覆盖在超弱光纤光栅阵列1上的油膏层2；
包裹超弱光纤光栅阵列1、油膏层2外围的金属管3；
围绕金属管3以螺旋形式加捻包围的加强件4；
涂覆在加强件4外部的传感器标记5。
所述超弱光纤光栅阵列1包括低弹性模量的单层涂覆层8，厚度小于30um，优选改性丙烯酸酯，在-25℃～100℃无明显的玻璃化温度点。传统光纤光栅采用双层涂覆，涂覆层材料的温度非线性特性影响光栅的感温特性，采用低弹性模量的单层涂覆层8，降低涂覆层的厚度到30um，实验证明能有效克服涂覆层的影响，使超弱光纤光栅阵列1获得优异的线性度。
所述超弱光纤光栅阵列1包含多个反射率低于0.1％的波分/时分复用超弱光纤光栅传感单元6，光栅光谱半高宽小于0.3nm，光栅间隔为小于1米。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反射率低于0.1％、光栅光谱半高宽小于0.3nm，可以获得最佳的波长解调效果，使得波长解调精度达到0.5pm，从而获得0.05℃的温度解调精度。
所述油膏层2为防水型油膏，优选中等粘度的油膏，填充高度约为金属管3半径高度的1/3。若金属管3内填充油膏过满，受热膨胀后对光栅产生附加拉力，影响测温精度。
所述超弱光纤光栅阵列1根据盘绕的直径不同，相比较所述金属管3要预留长度0.1％到0.6％的余长。该余长为金属管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。对于盘绕直径小的阵列，优选小的余量。
所述金属管3为不锈钢或其它材质，采用激光无缝焊接，直径小于2.0mm。
所述加强件4根据抗拉强度和弯曲强度的要求，优选不锈钢丝，对于长距离重载场合，优选弹簧不锈钢钢丝；对于线性要求高的短距离轻载场合，优选软不锈钢丝。
在光栅传感点位置的光缆外径上涂覆有长20mm、直径5mm的传感器标记5，用于标识传感器的位置和波长，传感器标记5优选红、蓝、绿等醒目颜色。
本发明提出了一种制作工艺简单、感温效果好、易于标定、防水效果好的水温监测用的光纤光缆，通过沿超弱光纤光栅阵列1覆盖少量的油膏，抑制光纤余长的累积分布，在防止水汽浸润光纤的同时，减小或消除传感光纤中残余应变的影响。采用该方法制作的超弱光纤光栅感温光缆，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/℃，能长期可靠地测量水体中绝对温度，在水温监测领域具有良好的应用前景。
Claims (8)
1.一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，其特征在于包括：
位于中心的超弱光纤光栅阵列(1)；
沿轴向均匀覆盖在超弱光纤光栅阵列(1)上的油膏层(2)；
包裹超弱光纤光栅阵列(1)、油膏层(2)外围的金属管(3)；
围绕金属管(3)以螺旋形式加捻包围的加强件(4)；
涂覆在加强件(4)外部的传感器标记(5)。
2.根据权利要求1所述一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，其特征在于：所述超弱光纤光栅阵列(1)包含单层涂覆层(8)，厚度小于30um。
3.根据权利要求1所述一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，其特征在于：所述超弱光纤光栅阵列(1)包含多个反射率低于0.1％的波分/时分复用超弱光纤光栅传感单元(6)，光栅光谱半高宽小于0.3nm，光栅间隔为小于1米。
4.根据权利要求1所述一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，其特征在于：所述油膏层(2)采用防水型油膏，填充高度为金属管(3)半径高度的1/3。
5.根据权利要求1所述一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，其特征在于：所述超弱光纤光栅阵列(1)相比较金属管(3)，预留有一定的长度。
6.根据权利要求1所述一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，其特征在于：所述金属管(3)为不锈钢材质，由激光无缝焊接而成。
7.根据权利要求1所述一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，其特征在于：所述加强件(4)，对于长距离重载场合，采用弹簧不锈钢钢丝；对于线性要求高的短距离轻载场合，采用软不锈钢丝。
8.根据权利要求1所述一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，其特征在于：在光栅传感点位置的光缆外径上涂覆有长20mm、直径5mm的传感器标记(5)，用于标识传感器的位置和波长。
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