CN114739434B - 一种分布式光纤传感器件的柔性封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分布式光纤传感器件的柔性封装方法，属于工程化光纤传感器件研发领域。根据长距离管线全尺度变形监测需求及其几何物理性质，结合界面作用机理设计分布式光纤封装保护层与基体的界面接触面积，确定封装几何构造；通过将分布式光纤贴壁布置在细塑料套管、磁铁固定光纤两端引线，考虑SYLGARD 184Silicone Elastomer混合液需与空气充分接触才能固化形成优良硅胶弹性体特征，分次量浇注构建分布式光纤偏心或居中封装在柔性硅胶弹性体，从而实现分布式光纤传感器件的精准保护设计和有效测试。本发明的分布式光纤柔性封装方法，为分布式光纤封装层的精确调控和设计实现提供一种易批量化实施技术，同时避免分布式光纤分段浇注带来的局部光纤移位偏转缺陷。
Description
技术领域
本发明属于结构健康监测和工程化传感器件研发领域，涉及到的是一种分布式光纤传感元件的柔性封装保护技术及相应的结构参数测量方法。
背景技术
随着我国经济的高速发展，对于油气资源的需求量逐步攀升，深海资源开发与西气东输等重大能源工程推动了油气管道的大量建设，尤其是在我国海洋资源的开发中，大量海洋平台和海底输油管道被修建。然而，海洋管道也有一些明显的缺点：管道处于海底，多数又需要埋设于海底土中一定深度，检查和维修困难；某些处于潮差或波浪破碎带的管段(尤其是立管)受风浪、潮流、冰凌等影响较大，有时可能受到海中漂浮物和船舶撞击或抛锚撞击从而遭受破坏引发各种原油泄漏和爆炸事故，严重危害海洋生物和污染海洋环境。由于浸没在海洋中的管道结构变形、裂纹或孔洞等损伤通常较隐蔽、不易通过表观成像或超声探测技术发觉，因此，需要考虑建立管道结构服役过程跟踪的健康监测系统，对海管服役状态进行监测、识别海管结构损伤，并及时进行维护。光纤传感元件以其防火防爆、耐腐蚀、绝对测试、灵敏度高、体积小、质量轻、易集成组网实现长距离分布式测试等优势成为长距离管线结构健康监测系统的主要测量器件。当前，光纤传感技术在管道结构健康监测系统应用中主要面临两个问题：(1)分布式光纤的耐久性封装保护设计；(2)封装光纤传感信号与管道结构参数和损伤状态评估之间的定量表征关系。其中，问题(2)又与问题(1)紧密关联。
由于光纤的组成材料为二氧化硅且纤细(直径只有250μm)，抗剪能力较弱，在实际工程应用中需要对其进行封装保护设计，该论点已经在国内外同行中达成共识。针对长距离海洋管线结构的测试，如何设计光纤的封装层，以确保传感器能在海洋高腐蚀环境中耐久稳定有效地工作是面临的主要挑战。
对于单点或局部测量的光纤传感器，可以采用环氧树脂胶或纤维增强复合树脂胶等刚性材料封装光纤传感元件。对于长距离测量的分布式光纤传感器，为确保封装光纤和被测管材结构之间界面粘结稳定、无界面局部剥离损伤，且在长期连续的结构变形测量过程中，封装传感器自身变形处于超弹性状态、无局部开裂或断联损伤，需要采用柔性材料做封装保护层。结合前期研发基础，为使柔性胶体封装层与光纤之间粘结紧密和协同变形，柔性封装层内不能有气泡或孔洞等初始缺陷。根据应变传递理论分析可知：封装层的形变质量或初始缺陷会影响基体变形传递到感知光纤。对于分布式光纤，如果柔性封装层内存在随机分布的初始缺陷，会影响测量的准确性和有效性。因此，最适合分布式光纤的柔性封装材料是由SYLGARD 184 Silicone Elastomer Base和SYLGARD 184 Silicone ElastomerCuring Agent按10:1混合固化形成的硅胶弹性体。
由于SYLGARD 184 Silicone Elastomer在固化成型前的流动性和相融特征，无法利用其他常用快干胶(如502、爱必达)或胶带等对光纤引出线位置处的微小空洞进行密封。SYLGARD 184 Silicone Elastomer混合液充分固化形成优良硅胶弹性体的前提条件是固化过程中混合液需要充分接触空气。对于呈细长条状的分布式光纤，如果直接在圆柱状磨具中一次浇筑满混合液，会导致无空气接触的底部段混合液无法固化或固化形成的胶体较粘软，无法达到预期强度。如果分段浇筑，则会影响分布式光纤封装效率，且分布式光纤受浇筑和未浇筑段影响在封装层中的位置易偏离预设位置，局部偏位会使分布式光纤内部存在扭转作用，影响测量结果，因此，如何采用该种胶体做出标准的柔性封装分布式光纤传感器一直是难点问题。
为此，本文在前述研究基础上，经过多种方案的探索和尝试，提出了一种结合套管法和二次成型工艺的技术封装分布式光纤，其主要核心是采用透明塑料管初次贴壁定位光纤，并浇筑SYLGARD 184 Silicone Elastomer混合液，待其固化脱模后，将内嵌光纤的硅胶弹性体旋转特定角度贴壁放置在粗塑料管中进行二次浇筑定位分布式光纤。这种结合不同直径套管贴壁固定光纤和二次成型的工艺技术能高效精准地使封装成型后的分布式光纤在预设位置，不会发生因硅胶混合液固化过程中导致局部光纤偏心或移位问题。利用该封装技术可同时较高标准地制作圆柱型和半圆柱型封装分布式光纤传感器，用于工程结构中长距离、大跨度钢结构或复合材料结构的长期有效监测。
发明内容
本发明目的是提供一种用于长距离管线结构全尺度变形监测的分布式光纤传感器件的柔性封装方法，解决分布式光纤在封装过程中易偏转、分布式光纤不易精确定位在柔性封装层预设位置、分布式光纤传感器封装保护层不易精准设计和调控、多维分布式变形参量精确测量较难、分布式光纤传感器与被测基体界面易发生局部剥离而导致分布式测试局部失效等分布式光纤传感技术在工程应用测试的问题。
本发明的技术方案是：
一种分布式光纤传感器件的柔性封装方法，其实现步骤：根据被测管线结构变形特征和几何物理性质，初步设计分布式光纤传感元件的封装保护层几何构造和布设方式；进一步结合界面作用机理分析设计分布式光纤封装保护层与基体之间的界面接触面积，同时由应变传递理论或标定试验确定光纤在封装层中的最优位置；在分布式光纤的封装几何构造确定之后，采用套管法和二次成型工艺分步完成光纤的精确定位和封装过程。这里，以附图1、附图2和附图3三种情况为例，说明如何精确定位分布式光纤位置，从而有效避免分布式光纤封装过程中出现的光纤局部偏转、不易精准固定在封装层中预设位置的问题。
(1)对于分布式光纤居中封装在柔性圆柱体成品，如附图1，分布式光纤精准定位步骤：当成品内半径为r1时，定制内半径为
的细透明塑料套管，将光纤沿细透明塑料套管壁放置并固定光纤两端部，初次浇筑柔性SYLGARD 184 Silicone Elastomer混合液；常温固化形成硅胶弹性体后进行脱模，将半径为/>
的硅胶弹性体放置在内半径为r1的透明塑料套管中，使光纤处于透明塑料套管内圆中心位置后进行二次浇筑可得到成品。
(2)对于分布式光纤偏心封装柔性圆柱体成品及多根分布式光纤偏心封装柔性圆柱体成品，如附图2，分布式光纤精准定位步骤：当成品内半径为r2、偏心光纤距圆边缘位置为r1时，定制内半径为
的细透明塑料套管，采用与情况(1)类似的工艺初次浇筑SYLGARD184 Silicone Elastomer混合液，待常温固化后脱模，将半径为/>
的硅胶弹性体放置在内半径为r2的粗透明塑料套管中，旋转硅胶弹性体使光纤处于粗透明塑料套管内预设偏心位置后进行二次浇筑可得到成品。采用相似思路，预先制作4根硅胶弹性体放置在粗透明塑料套管中预设位置后进行二次浇筑可得多根分布式光纤偏心封装柔性圆柱体成品。
(3)对于分布式光纤偏心封装柔性半圆柱体成品，如附图3，分布式光纤精准定位步骤：当成品的内半径为r2、偏心光纤距离圆边缘位置为r1时，定制内半径为
的细透明塑料套管和内半径为r2的半圆形透明塑料磨具，采用与情况(1)类似的工艺分批次浇筑混合液后可以获得半圆形成品。
在定位设计基础上，采用SYLGARD 184 Silicone Elastomer混合液封装分布式光纤的过程如下：由于SYLGARD 184 Silicone Elastomer混合液固化形成优良硅胶弹性体的先决条件是充分接触空气，因此，实施过程采用附图4的装置，即以长方形钢板为作业台面，将分布式光纤贴壁放置在细透明塑料套管中，光纤两端部通过圆形磁铁固定；将长方形钢板一端通过钢块垫高，如附图5，在透明塑料套管端部插入底部带微小圆孔的塑料垫片，然后从另一端灌入少量SYLGARD 184 Silicone Elastomer混合液，使分布式光纤贴壁处充满胶液并放置约48小时固化，从而实现分布式光纤位置的一次性精确固定；然后，继续垫高长方形钢板一端，增加其倾斜角度，浇注部分SYLGARD 184 Silicone Elastomer混合液封住透明塑料套管与塑料垫片之间的微间隙，克服了由于混合液相融特征、无法使用快干胶(如502、爱必达)或胶带密封拼接模具之间微间隙的缺陷；最后，调整长方形钢板的倾斜角度，分批次在套管中灌入大量SYLGARD 184 Silicone Elastomer混合液，使套管中液面与空气接触面积最大从而充分固化，形成细长圆柱状硅胶弹性体偏心封装分布式光纤传感器件。采用同样的思路通过调整细圆柱状硅胶弹性体的角度在粗塑料套管中进行二次封装，可得附图1-3中硅胶弹性体3封装分布式光纤的系列成品。
所述的SYLGARD 184 Silicone Elastomer混合液是指由SYLGARD 184 SiliconeElastomer Base和SYLGARD 184 Silicone Elastomer Curing Agent按10:1混合搅拌30分钟并静置约30分钟的混合液，避免浇注完成的分布式光纤传感器件的柔性封装层中存在初始微汽包缺陷影响变形传递效果。
所述的界面接触面积是指封装后的分布式光纤与被测基体结构的实际接触面积，主要用于确定柔性封装层的几何构造和分布式光纤的最优位置。界面接触面积的确定是综合考虑基体可能承受的最不利变形由基体和封装层之间的界面临界剪应力换算得到。
本发明的效果和益处是：为长距离管线结构的长期连续变形监测提供一种分布式光纤传感器件的柔性封装方法，解决了刚体结构测试中分布式柔性封装光纤传感器件的精准设计与研发问题，为分布式光纤传感器的定位设计和封装工艺提供了改进的技术和方法，克服了分布式光纤分段浇注带来的局部光纤移位偏转、形成初始扭转应力、影响测量结果的问题，同时为SYLGARD 184 Silicone Elastomer混合液形成内嵌分布式光纤传感元件的优良硅胶弹性体提供了可靠的实现方法，推进了分布式光纤传感技术在大型工程结构变形测试过程中封装保护技术的发展。
附图说明
附图1是分布式光纤居中封装在柔性圆柱体的定位方法。
附图2是分布式光纤偏心封装在柔性圆柱体的定位方法。
附图3是分布式光纤偏心封装在柔性半圆柱体的定位方法。
附图4是分布式光纤贴壁放置在细透明塑料套管中的固定装置示意图附图5是分布式光纤贴壁放置在细透明塑料套管中的浇注装置示意图附图6是分布式光纤偏心封装在柔性半圆柱体的成品示意图
图中：1.细透明塑料套管；2.分布式光纤；3.硅胶弹性体；4.透明塑料套管；5.分布式光纤居中封装柔性圆柱体成品；6.粗透明塑料套管；7.单根分布式光纤偏心封装柔性圆柱体成品；8.多根分布式光纤偏心封装柔性圆柱体成品；9.半圆形透明塑料磨具；10.分布式光纤偏心封装柔性半圆柱体成品；11.长方形钢板；12.白套管；13.圆形磁铁；14.塑料垫片；15.钢块；16.SYLGARD 184 Silicone Elastomer混合液。
具体实施方式
以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。
一种分布式光纤传感器件的柔性封装方法，分布式光纤定位方法分别如附图1-3所示，分布式光纤浇注方法如附图4-5所示，分布式光纤偏心封装在柔性半圆柱体成品如附图6。
一种分布式光纤传感器件的柔性封装方法，其实施方式如下：
根据长距离管线结构测试需求和结构力学分析，确定分布式光纤封装层的几何构造，如圆形或半圆形柱体，及分布式光纤2在封装层的最佳位置；对于居中(如附图1)或偏心(如附图2-3)封装可以分别根据技术方案中(1)-(3)种情况设计分布式光纤2的定位步骤；然后，如附图4，将分布式光纤2贴壁放置在细透明塑料套管1中，两端套白套管12用作过渡层保护引线，并分别采用圆形磁铁13将光纤引线固定在长方形钢板11上；然后，将带微小圆孔(微小圆孔尺寸稍大于白套管12外径)的塑料垫片14插入细透明塑料套管1一端，采用钢块15垫高长方形钢板11的另一端，并将SYLGARD 184 Silicone Elastomer混合液16少量灌入套管中浸没分布式光纤即可，实现光纤贴壁胶结定位；其次，考虑混合液固化需充分接触空气，调整长方形钢板11的倾斜角度，分次量在套管中灌入混合液，初次量实现细透明塑料套管1端部和塑料垫片14间隙的胶结，而后加大灌入量实现分布式光纤2的整体封装；最后，根据附图1-3分别在透明塑料套管4、粗透明塑料套管6及半圆形透明塑料磨9中具重复前述步骤进行二次成型浇筑，可以分别获得分布式光纤居中封装柔性圆柱体成品5、单根分布式光纤偏心封装柔性圆柱体成品7、多根分布式光纤偏心封装柔性圆柱体成品8及分布式光纤偏心封装柔性半圆柱体成品10(如附图6)。即根据设计的分布式光纤2定位方法和如附图4-5所示的浇注工艺，可获得多种型号的硅胶弹性体3封装分布式光纤传感器件，用于工程结构变形的长期稳定有效测试。
Claims (1)
1.一种分布式光纤传感器件的柔性封装方法，其特征在于：根据基体结构变形特征和几何物理性质，初步设计分布式光纤(2)的封装保护层几何构造；根据基体和封装层之间的界面临界剪应力确定界面接触面积，从而确定柔性封装层的几何构造和分布式光纤(2)在封装层中的最优位置；采用套管法和二次成型工艺分步实现分布式光纤的精确定位和封装，即将分布式光纤(2)贴壁放置在细透明塑料套管(1)中，采用圆形磁铁(13)将光纤两端引线固定在长方形钢板(11)上，在细透明塑料套管(1)一端部插入带微小圆孔的塑料垫片(14)，用钢块(15)垫高长方形钢板(11)一端，从细透明塑料套管(1)开口端灌入SYLGARD184Silicone Elastomer混合液(16)，使分布式光纤(2)贴壁处充满胶液并放置48小时固化，从而实现分布式光纤(2)位置的一次性精确固定；继续增加长方形钢板(11)的倾斜角度，浇注部分SYLGARD 184Silicone Elastomer混合液(16)封住透明塑料套管(4)与塑料垫片(14)之间的微间隙；进一步调整长方形钢板(11)的倾斜角度，分批次在套管中灌入大量SYLGARD 184Silicone Elastomer混合液(16)，使套管中液面与空气接触面积最大从而充分固化，形成细长圆柱状硅胶弹性体(3)偏心封装的分布式光纤传感器件；采用同样的思路通过调整圆柱状硅胶弹性体(3)的角度在粗透明塑料套管(6)中进行二次浇筑封装，可得硅胶弹性体(3)封装分布式光纤(2)的系列成品。
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