CN112419651A - 一种耐航空环境的分布式光纤火警探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐航空环境的分布式光纤火警探测器，探测器由光纤接头、三层铠装管、传感光纤线体组成；传感光纤线体由普通光纤和光栅光纤组成，光栅光纤与普通光纤之间始终保持松弛；光栅光纤上分布有若干用于测温的光栅；三层铠装管由第一耐高温金属管、管套、第二耐高温金属管组成，管套套装在第二耐高温金属管外围，第二耐高温金属管装入第一耐高温金属管内；传感光纤线体置于三层铠装管内，两端密封；其中一端设置有光纤接头。本发明解决了目前光栅光纤在裸露情况下极脆，易折断，不耐高温导致无法在航空火警探测领域应用的问题。

Description

一种耐航空环境的分布式光纤火警探测器
技术领域
本发明涉及航空防火系统，属于防火系统、温度探测领域。具体涉及一种应用于航空火警探测的光栅光纤温度探测器。
背景技术
飞机防火系统中探测器原理较多，如双金属原理、热电偶原理、离子原理、热敏电阻原理、气动原理等，这些均为传统的电类探测器，这些探测器布局数量多，自身重量与导线重量大，并且由于飞机复杂恶劣的应用环境，以及只能实现阈值报警，不能实时在线监测温度及变化趋势，导致这些探测器虚警率高，其故障原因也是复杂多样，如双金属原理探测器易受湿热影响、离子原理探测器易受湿热和油污影响、热电偶原理探测系统易受电磁脉冲影响、热敏电阻与气动式探测器耐振动能力差等，另外只要是电类探测器，均在不同程度存在电磁干扰的问题。
基于光栅光纤技术的火警探测器应用于航空火警探测领域，一方面通过在一条光纤上刻制数个光栅，实现分布式温度测量，并且能实时在线监控温度变化趋势，另一方面，由于是光信号传输，避免了电类传感器固有的电磁干扰问题，同时对油、气体等不敏感，能够避免绝缘问题造成的虚警。
由于光栅光纤本身很细(约0.25mm)，并且是SiO2材料为主体，结构强度差，容易折断，因此该光栅光纤火警探测器，采用三层金属铠装保护结构、光纤松弛结构设计及接口焊接工艺，既提高了光栅光纤耐航空环境能力，同时光纤的松弛结构也保证了温度升高时，光纤不受外界应力影响，避免了光栅光纤存在的温度-应力交叉敏感的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种应用于航空防火领域的火警探测器，在航空防火系统中引入光栅光纤温度传感技术，并采用三层铠装管对光纤本身保护，传感光纤长度略大于补偿光纤长度，保持光纤的松弛，两端采用焊接工艺，保证结构强度和密封性。解决了目前光栅光纤在裸露情况下极脆，易折断，不耐高温导致无法在航空火警探测领域应用的问题。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种耐航空环境的分布式光纤火警探测器，所述探测器由光纤接头、三层铠装管、传感光纤线体组成；所述传感光纤线体由普通光纤和光栅光纤组成，所述光栅光纤与普通光纤之间始终保持松弛；所述光栅光纤上分布有若干用于测温的光栅；所述三层铠装管由第一耐高温金属管、管套、第二耐高温金属管组成，所述管套套装在第二耐高温金属管外围，第二耐高温金属管装入第一耐高温金属管内；所述传感光纤线体置于三层铠装管内，两端密封；其中一端设置有光纤接头。
优选的，所述三层铠装管由内至外依次为不锈钢管、绕包钢带、合金管；绕包钢带与合金管之间有间隙设计。
优选的，所述光栅光纤通过深紫外辐照或飞秒刻制在纤芯上制备出折射率周期性变化的用于测温的光栅结构。
优选的，所述传感光纤线体由两根同材质的聚酰亚胺涂覆层光栅光纤与普通光纤组成。
优选的，所述光栅光纤通过耐高温胶点胶粘贴于普通光纤上，光栅光纤在温度变化时始终能处于松弛状态。
优选的，所述光栅光纤与普通光纤采用松弛度设计，补偿光纤长度为L1,传感光纤为L2，为了让光栅光纤始终在温度变化时始终能处于松弛状态，进行松弛度设计，根据热膨胀计算公式：
ΔL＝α*L*ΔT
其中为α热膨胀系数，L为光纤总长度，ΔT为温度变化，ΔL为两光纤之间的长度差值。
优选的，所述光栅光纤长度不小于普通光纤长度的102％。
优选的，所述三层铠装管两端通过激光焊接密封，所述光纤接头采用激光焊接三层铠装管一端。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明在航空防火系统中引入光栅光纤温度传感技术，提出的结构中三层保护结构极大的提高了光栅光纤的环境适应性如抗振性、机械强度，使其能应用与航空领域，无缝不锈钢管的设计使其在高温下涂覆层损坏的情况下也能提供较好的保护，使其能应用于火警探测领域，引入旋锻技术得到不同管径的探测器方便各种场合进行敷设。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明光栅光纤温度探测原理图；
图2为本发明光栅光纤温度探测器结构示意图；
图3为本发明三层封装管结构示意图；
图4为本发明传感本体结构示意图。
图中：1、传感本体；2、合金管；3、绕包钢管；4、无缝不锈钢管。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种耐航空环境的分布式光纤火警探测器，探测器由光纤接头、三层铠装管、传感光纤线体组成；传感光纤线体由普通光纤和光栅光纤组成，光栅光纤与普通光纤之间始终保持松弛；光栅光纤上分布有若干用于测温的光栅；三层铠装管由第一耐高温金属管、管套、第二耐高温金属管组成，管套套装在第二耐高温金属管外围，第二耐高温金属管装入第一耐高温金属管内；传感光纤线体置于三层铠装管内，两端密封；其中一端设置有光纤接头。
三层铠装管由内至外依次为不锈钢管、绕包钢带、合金管；绕包钢带与合金管之间有间隙设计。
光栅光纤通过深紫外辐照或飞秒刻制在纤芯上制备出折射率周期性变化的用于测温的光栅结构。
传感光纤线体由两根同材质的聚酰亚胺涂覆层光栅光纤与普通光纤组成。
光栅光纤通过耐高温胶点胶粘贴于普通光纤上，光栅光纤在温度变化时始终能处于松弛状态。
光栅光纤与普通光纤采用松弛度设计，补偿光纤长度为L1,传感光纤为L2，为了让光栅光纤始终在温度变化时始终能处于松弛状态，进行松弛度设计，根据热膨胀计算公式：
ΔL＝α*L*ΔT
其中为α热膨胀系数，L为光纤总长度，ΔT为温度变化，ΔL为两光纤之间的长度差值。
光栅光纤长度不小于普通光纤长度的102％。
三层铠装管两端通过激光焊接密封，光纤接头采用激光焊接三层铠装管一端。
本发明提供光栅光纤是利用光纤光敏性，通过深紫外辐照或者飞秒刻制等方式在纤芯上制备出折射率周期性变化的光栅结构。入射光在通过这些光栅后，特定波长的光会在每个光栅位置反射回来，反射光的波长漂移量跟光栅所处温度场的温度变化成一定的线性关系，从而实现了温度探测。
当满足相位匹配条件时，由模式耦合理论可以推导出光纤布拉格光栅反射波中心波长为:
γ＝2neffΛ (1)
式中:neff为光栅光纤的有效折射率，为光栅周期。外界环境温度的变化会使和发生变化，从而导致光栅光纤反射波的中心波长发生漂移。通过检测光栅光纤中心反射波长的变化，可以获知外界温度的变化。光栅光纤传感原理图如图1所示。
如图2所示；本发明光栅光纤温度探测器包括：三层保护的封装管结构，全金属的密封加固型光纤连接器以及双芯的传感本体组成。
三层铠装管结构如图3，包括合金管，绕包钢带，毛细无缝钢管；其中，毛细无缝钢管与光纤线体近乎无缝连接,可有效防止光纤传感线体抗振动能力。
三层铠装之间采用火焰钎焊焊接而成，对一端进行密封，之后置入光纤线体，光纤传感线体两端使用Fireplace Sealant ST-1260型耐高温胶点胶粘贴固定，完成后铠装管另一端与全金属密封加固型光纤连接器激光焊接；采用激光焊接进行连接器的装配以及密封三层管，使光纤隔绝空气，免受潮气侵蚀，保证探测器寿命。
在具体实施过程中，上述所设计的探测器中，所述光栅光纤与普通光纤采用松弛度设计，考虑到航空火警探测器需耐受1100℃高温，经计算，传感光栅光纤长度不小于补偿光纤长度的102％，保证传感光纤始终处于松弛状态，使探测器在整个温度探测区间均能满足松弛要求。
光纤传感线体由同材质的聚酰亚胺光栅光纤(传感)和普通(补偿)光纤组成，并使用Fireplace Sealant ST-1260胶点胶粘贴而成，如附图2，以同材质聚酰亚胺光纤作为受力光纤，使刻有光栅光纤的传感光纤作为免应力光纤，在受力光纤上设有固定点，补偿光纤和光栅光纤在固定点固定，相邻固定点之间的免应力光纤的长度大于受力光纤长度，预留冗余后固定，当有应力作用时，普通光纤被拉直而光栅光纤处于不受力状态，消除应力对测温的影响。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种耐航空环境的分布式光纤火警探测器，其特征在于，所述探测器由光纤接头、三层铠装管、传感光纤线体组成；所述传感光纤线体由普通光纤和光栅光纤组成，所述光栅光纤与普通光纤之间始终保持松弛；所述光栅光纤上分布有若干用于测温的光栅；所述三层铠装管由第一耐高温金属管、管套、第二耐高温金属管组成，所述管套套装在第二耐高温金属管外围，第二耐高温金属管装入第一耐高温金属管内；所述传感光纤线体置于三层铠装管内，两端密封，其中一端设置有光纤接头。
2.根据权利要求1所述的耐航空环境的分布式光纤火警探测器，其特征在于，所述三层铠装管由内至外依次为不锈钢管、绕包钢带、合金管；绕包钢带与合金管之间有间隙设计。
3.根据权利要求1所述的耐航空环境的分布式光纤火警探测器，其特征在于，所述光栅光纤通过深紫外辐照或飞秒刻制在纤芯上制备出折射率周期性变化的用于测温的光栅结构。
4.根据权利要求1所述的耐航空环境的分布式光纤火警探测器，其特征在于，所述传感光纤线体由两根同材质的聚酰亚胺涂覆层光栅光纤与普通光纤组成。
5.根据权利要求1或4所述的耐航空环境的分布式光纤火警探测器，其特征在于，所述光栅光纤通过耐高温胶点胶粘贴于普通光纤上，光栅光纤在温度变化时始终能处于松弛状态。
6.根据权利要求5所述的耐航空环境的分布式光纤火警探测器，其特征在于，所述光栅光纤与普通光纤采用松弛度设计，补偿光纤长度为L1,传感光纤为L2，为了让光栅光纤始终在温度变化时始终能处于松弛状态，进行松弛度设计，根据热膨胀计算公式：
ΔL＝α*L*ΔT
其中为α热膨胀系数，L为光纤总长度，ΔT为温度变化，ΔL为补偿光纤与传感光纤之间的长度差值。
7.根据权利要求6所述的耐航空环境的分布式光纤火警探测器，其特征在于，所述光栅光纤长度不小于普通光纤长度的102％。
8.根据权利要求1所述的耐航空环境的分布式光纤火警探测器，其特征在于，所述三层铠装管两端通过激光焊接密封，所述光纤接头采用激光焊接三层铠装管一端。
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