CN111486799A - 一种光纤光栅形状感知传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光纤光栅形状感知传感器，包括镍钛超弹性金属丝基体以及其上设置的一号光纤、二号光纤、三号光纤、四号光纤与包裹在最外层的热缩管，一号光纤、二号光纤、三号光纤、四号光纤上均设置有阵列光栅，其特征在于：在所述镍钛超弹性金属丝基体的四周刻制一号凹槽、二号凹槽、三号凹槽、四号凹槽；一号光纤放置在一号凹槽中，并用环氧树脂胶固定栅区；二号光纤放置在二号凹槽中用环氧胶固定栅区；三号光纤放置在三号凹槽中用环氧树脂胶固定栅区；四号光纤放置在三四号凹槽中用环氧树脂胶固定栅区。

Description

一种光纤光栅形状感知传感器

技术领域

本发明涉及形状复现领域，特别涉及一种光纤光栅形状感知传感器。

背景技术

地下盐穴储气库通过水溶解盐而形成空穴，用来存储天然气。地下盐穴的温度变化大、压力高、强电磁干扰等环境因素复杂。在造腔过程中，造腔管柱极易产生变形，岩层塌陷，卤水结晶，流速等诸多因素都会导致管道发生变形。由于管柱内外直径差距很小，弯曲的管柱会导致出现负荷过大，甚至发生脱段。一旦发生管道断裂、脱落就会对地下盐穴储气库的溶腔过程造成很大的破坏，带来巨大经济损失。因此对造腔管柱的变形监测就显得十分有必要。

光纤光栅形状感知传感器是通过内部敏感元件——光纤光栅所反射的光信号中心波长移动量来检测管道变形的传感器。由于光纤光栅形状感知传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地实现监测，具有很高的可靠性和稳定性。另外光纤光栅形状感知传感器测量结果具有良好的重复性，便于构成各种形式的光纤传感网络，可用于外界参量的绝对测量。也可在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，实现准分布式测量。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种光纤光栅形状感知传感器，包括镍钛超弹性金属丝基体以及其上设置的一号光纤、二号光纤、三号光纤、四号光纤与包裹在最外层的热缩管，一号光纤、二号光纤、三号光纤、四号光纤上均设置有阵列光栅，其特征在于：在所述镍钛超弹性金属丝基体的四周刻制一号凹槽、二号凹槽、三号凹槽、四号凹槽；一号光纤放置在一号凹槽中，并用环氧树脂胶固定栅区；二号光纤放置在二号凹槽中用环氧胶固定栅区；三号光纤放置在三号凹槽中用环氧树脂胶固定栅区；四号光纤放置在三四号凹槽中用环氧树脂胶固定栅区。

于一个或多个实施例中，一号光纤、二号光纤、三号光纤、四号光纤(6)均为预拉伸后状态。

于一个或多个实施例中，一号凹槽、二号凹槽、三号凹槽、四号凹槽分布在弹性金属丝的表面，互成90°分布。

于一个或多个实施例中，单根光纤上设置有阵列光栅，光栅数量根据监测需要提前制备。

于一个或多个实施例中，互成180°的光纤栅区间隔半个栅距排列。

于一个或多个实施例中，一号光纤、二号光纤、三号光纤、四号光纤与金属丝基体截面距离为h，光纤光栅的弹光系数为Pe；光纤的初始波长为λ_B，波长变化为Δλ_B，则本传感器各栅点的曲率为：

ρ＝1/h×(Δλ_B)/(λ_B(1-P_e))。

本发明的有益效果：本发明提供了一种光纤光栅形状感知传感器，在金属丝的周围设置有四个凹槽，凹槽的宽度与光纤直径等宽，凹槽互成90°分布，光栅放置在凹槽内用树脂胶固定。这样的凹槽有利让光纤方便粘接，同时保持很好的直线性，保持直线性可以使测到的波长变化更加准确的推导出金属丝的形状变化。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是本发明光纤光栅的纤芯结构示意图；

图3是本发明光栅分布详细方案图；

具体实施方式

如下结合附图，对本申请方案作进一步描述：

图中：1、热缩管；2、镍钛超弹性金属丝；3、一号光纤；4、二号光纤；5、三号光纤；6、四号光纤；7、一号光纤阵列光栅；8、三号光纤阵列光栅；9、环氧树脂胶；10、一号凹槽；11、二号凹槽；12、三号凹槽；13、四号凹槽。

参见附图1-3为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

本发明提供了一种如图1所示的光纤光栅形状感知传感器，该器件包括热缩管1，镍钛超弹性金属丝2，在镍钛超弹性金属丝2的四周刻制一号凹槽10，二号凹槽11，三号凹槽12，四号凹槽13，四个凹槽互成90°刻制。将一号光纤3放置在一号凹槽10中，并用环氧树脂胶9固定栅区；二号光纤4放置在二号凹槽11中用环氧胶9固定栅区；三号光纤5放置在三号凹槽12中用环氧树脂胶9固定栅区；四号光纤6放置在三四号凹槽13中用环氧树脂胶9固定栅区。最后再用热缩管1封装。在应用时，本发明光纤光栅传感器粘接在地下盐穴的管道上,当管道变形时，镍钛超弹性金属丝2也会发生同样的变化，光纤的中心波长会发生变化，由此可推出曲率和波长变化的线性关系如下：ρ＝1/r＝1/h×(Δλ_B)/(λ_B(1-P_e))。在求出被测点曲率的基础上，利用曲率积分递推的方法便可以推导出管道其他点的位置坐标，从而得到管道的时时变形情况。

实施例2

在实施例1的基础上，一号光纤3和三号光纤5放置放置的位置如图3所示。各光纤上阵列光栅栅距为D，一号光纤3和三号光纤5的栅区交错排列，栅距为D/2，二号光纤4和四号光纤6也是如此，以此来提高对监测的精度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本

发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述优选实施方式应视为本申请方案实施方式的举例说明，凡与本申请方案雷同、近似或以此为基础作出的技术推演、替换、改进等，均应视为本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种光纤光栅形状感知传感器，包括镍钛超弹性金属丝基体(2)以及其上设置的一号光纤(3)、二号光纤(4)、三号光纤(5)、四号光纤(6)与包裹在最外层的热缩管(1)，一号光纤(3)、二号光纤(4)、三号光纤(5)、四号光纤(6)上均设置有阵列光栅，其特征在于：在所述镍钛超弹性金属丝基体(2)的四周刻制一号凹槽(10)、二号凹槽(11)、三号凹槽(12)、四号凹槽(13)；一号光纤(3)放置在一号凹槽(10)中，并用环氧树脂胶(9)固定栅区；二号光纤(4)放置在二号凹槽(11)中用环氧胶(9)固定栅区；三号光纤(5)放置在三号凹槽(12)中用环氧树脂胶(9)固定栅区；四号光纤(6)放置在三四号凹槽(13)中用环氧树脂胶(9)固定栅区。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅形状感知传感器，其特征在于：一号光纤(3)、二号光纤(4)、三号光纤(5)、四号光纤(6)均为预拉伸后状态。

3.如权利要求1所述的光纤光栅形状感知传感器，其特征在于：一号凹槽(10)、二号凹槽(11)、三号凹槽(12)、四号凹槽(13)分布在弹性金属丝的表面，互成90°分布。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅形状感知传感器，其特征在于：单根光纤上设置有阵列光栅，光栅数量根据监测需要提前制备。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅形状感知传感器，其特征在于：互成180°的光纤栅区间隔半个栅距排列。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅形状感知传感器，其特征在于：一号光纤(3)、二号光纤(4)、三号光纤(5)、四号光纤(6)与金属丝基体(2)截面距离为h，光纤光栅的弹光系数为Pe；光纤的初始波长为λ_B，波长变化为Δλ_B，则本传感器各栅点的曲率为：

ρ＝1/h×(Δλ_B)/(λ_B(1-P_e))。

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