CN110987036B - 一种光电复合热线缆及应用其的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光电复合热线缆及应用其的光纤传感器，包括：光纤；电致发热层，连续附着在光纤外表面；绝缘导热层，完整包覆在电致发热层外表面。其中，电致发热层，受电激励会产生热量，使自身和光纤温度升高；光纤能够通过其中传输光信号变化反演其自身温度变化；绝缘导热层，本质绝缘，不影响电激励过程，同时具有导热能力，将电致发热层热量向光电复合热线缆外环境传递使之降温。在电致发热层所受电激励模式和参数不变的情况下，通过光纤测得的温度变化信息，能够反映光电复合热线缆外环境的特定参量信息，实现测量。

Description

一种光电复合热线缆及应用其的光纤传感器

技术领域

本发明涉及热学测量与环境识别技术领域，尤其涉及一种光电复合热线缆及应用其的光纤传感器。

背景技术

光纤主要应用于通信领域，20世纪70年代起，以其抗电磁干扰、长距离低损耗、缆线轻等天然优势被应用于传感测量领域，形成光纤传感器技术。

光纤的基本结构由纤芯和包层构成，两者均为透光材料，包层折射率略大于纤芯，二者构成全反射光波导结构实现光的低损传输。普通光纤线缆由光纤、涂覆层、保护层组成；普通电缆由导电线、绝缘层、保护层组成。市面现有光电复合缆则是直接把普通光纤线缆和电缆进行并排放置再通过外护套套装成缆，光纤和导电线之间没有相互作用关系，仅用于光纤通信和供电，不具备传感测量功能。

目前利用光纤和电热线结合并利用电热效应进行传感测量的方法是存在的。杜建芳、宋彬等人(中国专利，CN 102395228A)提出一种光纤电热带，他们通过在电热带本体旁设置光纤，通过光纤实时监测电热带温度变化进而辨别电热带本体是否发生故障以及确定故障位置，该发明是利用光纤测温原理对电缆本身热参量进行测量的方法，并不能用于对其周围环境的测量；Allen R.Parker，W.Lance Richards等人(美国专利，US9074921B1)提出一种极低温液位传感器测量方式方法(Cryogenic liquid level sensor apparatusand method)，他们通过在加热元件(heating element)旁边放置测温光纤(fiber)实现低温液体液面位置测量。这种结构在使用时，一方面加热元件与测温光纤仅是相邻放置而不是一体，会导致两者间的热传递延迟及测温准度下降；另一方面，该方法仅是通过一个脉冲激励观察热过程的上升沿或下降沿斜率，在斜率绝对值较小的情形测量精度很差，此外测量时间段内一旦受到外界偶发激励的影响就会造成数据错判。

在实现本发明的过程中，申请人发现：一方面，现有利用光纤和电热效应结合进行传感测量的结构都是光纤和电热结构分立的，使得两者之间的热耦合性较差，测量响应速度慢且测量结果准度低，尚没有一种光电一体、热耦合性更好的传感用复合热线缆结构；另一方面，现有基于电热原理对外界环境进行测量的方法中在一个电激励周期中仅采用一次脉冲激励，通过热过程的斜率进行判读，具有测量精度低、受偶发非待测量激励影响误判率高的缺点，尚没有一种测量精度更高、抗非待测量激励的基于光电复合热线缆的光纤传感器。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，本发明提供了一种光电复合热线缆及应用其的光纤传感器，以解决目前因缺乏光纤、电热线一体的光电复合热线缆导致现有光纤电热传感器中测量响应速度慢、测量结果准度低的技术问题。

本发明解决的技术方案为：一种光电复合热线缆，包括：光纤、电致发热层和绝缘导热层；

电致发热层，连续附着在所述光纤外表面；

绝缘导热层，完整包覆在所述电致发热层外表面；

其中，所述电致发热层，受电激励会产生热量，使自身和所述光纤温度升高；所述光纤能够通过传输光信号反演其自身温度变化；所述绝缘导热层具有导热能力，将电致发热层热量向所述光电复合热线缆外环境传递使电致发热层和所述光纤均降温，降温的速率由外环境决定；

在所述电致发热层所受电激励模式和参数不变的情况下，所述光纤测得自身降温过程温度变化，能够反映所述光电复合热线缆外环境的信息，实现测量。

优选的，所述光纤截面为圆形、正方形、长方形、多边形、蜂窝型、空心环形、D形或8字孔形。

优选的，所述光纤带有光栅、法布里-珀罗腔、径向微槽或径向微孔的光学结构。

优选的，电致发热层由电热金属材料制成，

优选的，金属材料为铂、钨、钼及其合金，镍基合金或铁铝系合金。

优选的，所述电致发热层由电热非金属材料制成，

优选的，非金属材料为石墨、二氧化钼或碳化硅。

优选的，所述电致发热层附着在所述光纤上的制备工艺为电镀、喷涂、浸润、气相沉积、蒸镀、外延生长、导电墨水打印或3D打印。

优选的，所述绝缘导热层为由耐温变、柔性良好材料制成的结构，

优选的，材料优选为聚酰亚胺、聚四氟乙烯；

优选的，所述绝缘导热层厚度为0.005mm～0.5mm，以确保优良的导热效果。

优选的，一种光纤传感器，包括：光电复合热线缆，还包括：电流控制模块、光路解调模块和信号处理与显示模块；

电流控制模块，为所述电致发热层提供设定的可控的电流激励，作为电流控制信号，并将电流控制信号发送给信号处理与显示模块；

光路解调模块，为所述光纤提供测量光，并接收由所述光纤反馈的光信号，对反馈的光信号进行光电转换、模数转换、获得并输出所述光纤温度变化数据；

信号处理与显示模块，接收所述电流控制模块电流控制信号和所述光路解调模块输出的光纤温度变化数据，根据接收的电流控制模块电流控制信号和光路解调模块输出的光纤温度变化数据，获得所述光电复合热线缆所处环境信息。

优选的，被测的所述光电复合热线缆外环境的信息为比热容、温度、流速、流向、风速、风向、介质液位、介质分层、固体凝结；

优选的，所述电流控制模块为所述电致发热层提供设定的可控的电流激励为一个激励周期包含3～10个特定占空比的方波信号、锯齿波信号、三角波信号、脉冲信号。

本发明的有益效果为：

从上述技术方案可以看出，本发明光电复合热线缆及应用其的光纤传感器具有以下有益效果：

(1)本发明通过在光纤上设计电致发热层，制成一种可利用光纤电热效应实现传感的光电复合热线缆，使得光纤电热传感器中光纤和电热结构紧密接触，进而提高两者间热偶和效率，最终提高传感器测量响应速度和测量结果准度；

(2)本发明通过将光纤电热传感器电流激励设计为一个激励周期包含3～10个特定占空比的信号，通过不小于3段热变化响应数据进行判读或分析，进而提高光纤电热传感器测量精度及抗偶发非待测量激励影响的能力；

(3)本发明提出的光纤、电致发热层、绝缘导热层一体的光电复合热线缆，一方面等同于传统光电复合缆同时支持光通信和供电传输功能，另一方面自身能够利用光纤电热效应对周围环境进行传感测量，具有多功能性。

(4)本发明解决现有应用光纤电热效应传感器因激励控制方法导致测量精度低、因判据方法导致受偶发非待测量激励影响误判率高的技术问题。

附图说明

图1为根据本发明优选的光电复合热线缆的结构示意图；

图2A为图1所示光电复合热线缆中光纤结构包含光纤光栅光学结构的示意图；

图2B为图1所示光电复合热线缆中光纤结构包含法布里-珀罗光学结构的示意图；

图2C为图1所示光电复合热线缆中光纤结构包含径向微槽光学结构的示意图；

图3为根据本发明实施例光电复合热线缆的光纤传感器组成图；

图4A为图3所示光纤传感器中光电复合热线缆应用于水流场流速测量的剖视示意图；

图4B为图3所示光纤传感器中光电复合热线缆应用于风场流向测量的剖视示意图；

图4C为图3所示光纤传感器中光电复合热线缆应用于结冰状态测量的示意图；

图4D为图3所示光纤传感器中光电复合热线缆应用于液体液位测量的示意图；

图5A为根据本发明实施例光电复合热线缆置于高比热环境中光路解调模块读取的温度数据结果；

图5B为根据本发明实施例光电复合热线缆置于高比热环境中光路解调模块读取的温度数据结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明图1～图5B中，涉及的各代号表示的部件名称为：100-光电复合热线缆；110-光纤；111-光栅；112-法布里-珀罗干涉腔；113-微槽；120-电致发热层；130-绝缘导热层；200-电流控制模块；300-光路解调模块；400-信号处理与显示模块；500-外界环境；510-水流场；520-风场；530-冰；540-液体。

本发明提供了一种光电复合热线缆，包括：光纤；电致发热层，连续附着在光纤外表面；绝缘导热层，完整包覆在电致发热层外表面。其中，电致发热层，受电激励会产生热量，使自身和光纤温度升高；光纤能够通过其中传输光信号变化反演其自身温度变化；绝缘导热层，本质绝缘，不影响电激励过程，同时具有导热能力，将电致发热层热量向光电复合热线缆外环境传递使之降温。在电致发热层所受电激励模式和参数不变的情况下，通过光纤测得的温度变化信息，能够反映光电复合热线缆外环境的特定参量信息，实现测量。应用光电复合热线缆的光纤传感器，还包括：电流控制模块，为电致发热层提供特定可控的电流激励；光路解调模块，为光纤提供测量光，并接收由光纤反馈的光信号，对反馈光信号进行光电转换、模数转换、数据处理，输出光纤温度变化数据；信号处理与显示模块，接收电流控制模块电流控制信号和光路解调模块输出的光纤温度变化数据，通过特定算法比对计算，获得光电复合热线缆所处环境特定参量信息。

本发明光电复合热线缆作为一种传感元件，是传感器的一部分，用于组成测量比热容、温度、流速、流向、风速、风向、介质液位、介质分层或固体凝结等多种参量的光纤传感器。利用本发明所述光电复合热线缆制成的光纤传感器具有柔性、纤细、可长距离连续测量的优点，能够解决传统光纤传感器测量上述参量灵敏度、精度差的问题。

所述光纤能够通过传输光信号反演其自身温度变化，就是指：将光纤实时传输的光信号作为测量信号，经过光纤，测量获得当前光纤温度，通过实时传输的光信号，实时测量光纤温度变化。

绝缘导热层，自身优选为绝缘体。

电流控制模块优选为所述电致发热层提供设定的可控的电流激励优选为一个激励周期包含3～10个特定占空比的方波信号、锯齿波信号、三角波信号、脉冲信号等。

在本发明的一个优选方案，提供了一种光电复合热线缆，如图1所示为根据本发明实施例光电复合热线缆的结构示意图。

如图1所示，本发明的光电复合热线缆100，包括：光纤110；电致发热层120，连续附着在所述光纤110外表面；绝缘导热层130，完整包覆在所述电致发热层120外表面。

本实施例光电复合热线缆100的工作原理为：所述电致发热层120，受电激励会产生热量，使自身和所述光纤110温度升高；所述光纤110能够通过其中传输光信号变化反演其自身温度变化；所述绝缘导热层130，本质绝缘，不影响电激励过程，同时具有导热能力，将电致发热层120热量向所述光电复合热线缆100外环境传递使之降温。在所述电致发热层120所受电激励模式和参数不变的情况下，通过所述光纤110测得的温度变化信息，能够反映所述光电复合热线缆100外环境的特定参量信息，实现测量。

以下分别对光电复合热线缆100的各个组成部分进行详细说明。

如图1和图2A、图2B、图2C所示，本发明中光纤110截面优选为圆形，根据具体光波导用途还可以是正方形、长方形、多边形、蜂窝型、空心环形、D形或8字孔形；所述光纤110仅包含本身光波导光学结构，根据光学传感用途优选带有光栅(如图2A所示)、法布里-珀罗腔(如图2B所示)、径向微槽(如图2C)所示或径向微孔等光学结构。

如图1所示，本发明中电致发热层120优选为由电热金属材料镍基合金制成的结构，根据环境适应性材料还可以为铂、钨、钼及其合金，铁铝系合金等电热金属，或石墨、二氧化钼、碳化硅等电热非金属。

如图1所示，本发明中电致发热层120优选通过气相沉积附着在所述光纤110上，制备工艺还可以为电镀、喷涂、浸润、蒸镀、外延生长、导电墨水打印、3D打印等。

如图1所示，，本发明中绝缘导热层130优选由聚四氟乙烯材料制成，针对不同应用环境还优选为聚酰亚胺等耐温变、柔性良好的材料；进一步的优选方案为：所述绝缘导热层130优选厚度0.005mm～0.5mm，提高导热效果，进一步厚度优选为0.01mm，进一步提高导热效果。

本发明还提供了一种应用上述光电复合热线缆的光纤传感器，如图3所示为与本发明光电复合热线缆连接的光纤传感器组成图。

如图3所示，本发明的光纤传感器，包括光电复合热线缆100；电流控制模块200，为所述电致发热层120提供特定可控的电流激励；光路解调模块300，为所述光纤110提供测量光，并接收由所述光纤110反馈的光信号，对反馈光信号进行光电转换、模数转换、数据处理，输出所述光纤110温度变化数据；信号处理与显示模块400，接收所述电流控制模块200电流控制信号和所述光路解调模块300输出的光纤温度变化数据，通过特定算法比对计算，获得所述光电复合热线缆100所处外界环境500特定参量信息。

参照图4A，本发明提供一个将光电复合热线缆置于水流场中用作流速传感器的实施例。并参照图1，其工作原理为：光电复合热线缆100垂直于水流场510流向放置。所述电致发热层120，受电激励会产生热量，使自身和所述光纤110温度升高；所述光纤110能够通过其中传输光信号变化反演其自身温度变化；所述绝缘导热层130，本质绝缘，不影响电激励过程，同时具有导热能力，将电致发热层120热量向所述光电复合热线缆100外的水流场传递。在所述电致发热层120所受电激励模式和参数不变的情况下，水流场510通过热传递带走光电复合热线缆100热量。水流场510流速越高，带走光电复合热线缆100热量越多，最终反映出所述光纤110测得的温度降低量越多，通过数据分析，实现水流场510流速测量。

参照图4B，本发明提供一个将光电复合热线缆置于风场中用作流向传感器的实施例。并参照图1，其工作原理为：4段光电复合热线缆100环向等距放置于风场520中。所述电致发热层120，受电激励会产生热量，使自身和所述光纤110温度升高；所述光纤110能够通过其中传输光信号变化反演其自身温度变化；所述绝缘导热层130，本质绝缘，不影响电激励过程，同时具有导热能力，将电致发热层120热量向所述光电复合热线缆100外的风场传递。在所述电致发热层120所受电激励模式和参数不变的情况下，风场520通过热传递带走光电复合热线缆100热量。位于风场520上游的光电复合热线缆100散热快、温度低，位于风场520下游的光电复合热线缆100散热慢温度高，通过数据分析，实现风场520风向测量。

如图4C所示，本发明提供一个将光电复合热线缆置于可能结冰环境中用作结冰识别传感器。如图1所示，其优选的工作原理为：1段光电复合热线缆100放置于可能结冰的环境中，结冰处记为530。所述电致发热层120，受电激励会产生热量，使自身和所述光纤110温度升高；所述光纤110能够通过其中传输光信号变化反演其自身温度变化；所述绝缘导热层130，本质绝缘，不影响电激励过程，同时具有导热能力，将电致发热层120热量向所述光电复合热线缆100外的环境传递。在所述电致发热层120所受电激励模式和参数不变的情况下，结冰530段的光电复合热线缆自激升温后很快降温，未结冰段则降温很慢，通过数据对比分析，实现结冰识别。

如图4D所示，本发明优选提供一个将光电复合热线缆100置于液体环境中用作液位测量传感器的实施例。并如图1所示，其优选工作方式为：1段光电复合热线缆100不完全浸入液体540中。所述电致发热层120，受电激励会产生热量，使自身和所述光纤110温度升高；所述光纤110能够通过其中传输光信号变化反演其自身温度变化；所述绝缘导热层130，本质绝缘，不影响电激励过程，同时具有导热能力，将电致发热层120热量向所述光电复合热线缆100外的环境传递。在所述电致发热层120所受电激励模式和参数不变的情况下，浸入液体540段的光电复合热线缆自激升温后很快降温，未浸入液体540段则降温很慢，通过数据对比分析，实现液位识别和测量。

根据应用领域，被测的所述光电复合热线缆外环境的特定参量信息还可以为比热容、温度、介质分层等。

本发明的光纤传感器的进一步优选工作方式如下：此处提供将光电复合热线缆用作结冰识别传感器的实测数据例。参照图3和图4C，电流控制模块200为所述电致发热层120优选提供一个激励周期包含3个占空比为10％的方波电流信号，经光路解调模块300解调最后由信号处理与显示模块400输出的温度-采样点数据曲线如图5A和图5B所示。图5A为结冰段温度响应数据，可以看出在每个方波时间内光纤温度能够恢复到电热激励前的值，因此，3个方波时间段的温度最大值相同；图5B为未结冰段温度响应数据，在每个方波时间内光纤温度不能够恢复到电热激励前的值，因此，3个方波时间段的温度最大值逐级升高。通过两者的数据结果对比分析，实现结冰识别。

为获得更高的测量精度、降低误报率，此处电流激励可以为一个激励周期包含3～10个特定占空比的锯齿波信号、三角波信号、脉冲信号等。

本发明的一种光电复合热线缆，包括：光纤；电致发热层，连续附着在所述光纤外表面；绝缘导热层，完整包覆在所述电致发热层外表面。其中，所述电致发热层，受电激励会产生热量，使自身和所述光纤温度升高；所述光纤能够通过其中传输光信号变化反演其自身温度变化；所述绝缘导热层，本质绝缘，不影响电激励过程，同时具有导热能力，将电致发热层热量向所述光电复合热线缆外环境传递使之降温。在所述电致发热层所受电激励模式和参数不变的情况下，通过所述光纤测得的温度变化信息，能够反映所述光电复合热线缆外环境的特定参量信息，实现测量。

应用所述光电复合热线缆的光纤传感器，还包括：电流控制模块，为所述电致发热层提供特定可控的电流激励；光路解调模块，为所述光纤提供测量光，并接收由所述光纤反馈的光信号，对反馈光信号进行光电转换、模数转换、数据处理，输出所述光纤温度变化数据；信号处理与显示模块，接收所述电流控制模块电流控制信号和所述光路解调模块输出的光纤温度变化数据，通过特定算法比对计算，获得所述光电复合热线缆所处环境特定参量信息。所述特定参量信息可以为比热容、温度、流速、流向、风速、风向、介质液位、介质分层、固体凝结等。所述电流控制模块为所述电致发热层提供特定可控的电流激励可以为一个激励周期包含3～10个特定占空比的方波信号、锯齿波信号、三角波信号、脉冲信号等。

本发明进一步的优选方案为：设光纤110材料导热系数为T1 W/mm·℃，光纤直径为H1 mm，电致发热层120材料导热系数为T2 W/mm·℃，壁厚为H2 mm，绝缘导热层130材料导热系数为T3 W/mm·℃，壁厚为H3 mm。取(T1×H1+T2×H2)/(T3×H3)<0.1，满足优选条件，能够实现测量时间进一步缩短和测量精度进一步提高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光电复合热线缆，其特征在于，包括：光纤、电致发热层和绝缘导热层；

电致发热层，连续附着在所述光纤外表面；所述电致发热层附着在所述光纤上的制备工艺为电镀、喷涂、浸润、气相沉积、蒸镀、外延生长、导电墨水打印或3D打印；电致发热层由电热金属材料或电热非金属材料制成；电热金属材料包括铂、钨、钼及其合金，镍基合金或铁铝系合金；电热非金属材料包括石墨、二氧化钼或碳化硅；

绝缘导热层，为由耐温变、柔性良好材料制成的结构，完整包覆在所述电致发热层外表面，材料为聚四氟乙烯；

其中，所述电致发热层，受电激励会产生热量，使自身和所述光纤温度升高；所述光纤能够通过传输光信号反演其自身温度变化；所述绝缘导热层具有导热能力，将电致发热层热量向所述光电复合热线缆外环境传递使电致发热层和所述光纤均降温，降温的速率由外环境决定；

在所述电致发热层所受电激励模式和参数不变的情况下，所述光纤测得自身降温过程温度变化，能够反映所述光电复合热线缆外环境的信息，实现测量。

2.根据权利要求1所述的一种光电复合热线缆，其特征在于：所述光纤截面为圆形、正方形、长方形、多边形、蜂窝型、空心环形、D形或8字孔形。

3.根据权利要求1所述的一种光电复合热线缆，其特征在于：所述光纤带有光栅、法布里-珀罗腔、径向微槽或径向微孔的光学结构。

4.一种光纤传感器，其特征在于包括权利要求1～3任一项所述的光电复合热线缆，还包括：电流控制模块、光路解调模块和信号处理与显示模块；

电流控制模块，为所述电致发热层提供设定的可控的电流激励，作为电流控制信号，并将电流控制信号发送给信号处理与显示模块；电流激励设计为一个激励周期包含3～10个特定占空比的信号，通过不小于3段热变化响应数据进行判读或分析，进而提高光纤电热传感器测量精度及抗偶发非待测量激励影响的能力；

光路解调模块，为所述光纤提供测量光，并接收由所述光纤反馈的光信号，对反馈的光信号进行光电转换、模数转换、获得并输出所述光纤温度变化数据；

信号处理与显示模块，接收所述电流控制模块电流控制信号和所述光路解调模块输出的光纤温度变化数据，根据接收的电流控制模块电流控制信号和光路解调模块输出的光纤温度变化数据，获得所述光电复合热线缆所处环境信息。

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