CN116018507A - 光纤压力传感器及其感测方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量压力的光纤(10),包括用于沿纤芯(12)的长度引导光信号纤芯(12)和包覆层(14),包覆层包括围绕纤芯(12)设置的多个应力施加部件(16)。多个应力施加部件(16)平行于纤芯(12)并围绕纤芯(12)对称地设置以在施加外部压力时引起增强的对称剪切应力,同时防止双折射。与标准单模光纤相比,该光纤(10)提供了改进的应变灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤的压力传感器以及一种沿光纤长度感测压力的感测方法。
背景技术
已经开发出了使用光纤来测量温度、压力、力、应变和其它参数的多种传感器。光纤传感器的优点是尺寸小、成本低、灵活以及嵌入其它结构中的能力。然而,大多数现有的光纤压力传感器需要复杂的制造和测量方法并且不便于在诸如油和气管道或地下油井的恶劣的环境中使用。
典型的光纤压力传感器包括通过用诸如锗的材料掺杂光纤并且然后将光纤的侧面暴露于干涉图案以产生纤芯的折射率的正弦变化而在光纤的纤芯中形成纤维Bragg光栅。由纤维Bragg光栅反射的频谱包络的中心波长随温度和应变线性变化。因此,可以测量这种变化以得出传感器的环境中的应变。然而,这种纤维Bragg光栅压力传感器很难制造和操作并且在诸如地下井的恶劣环境中沿着光纤的长度需要大量这些离散传感器来进行高灵敏度压力感测。
另一种类型的光纤压力传感器包括保偏光纤,也称为双折射光纤。这种光纤包括应力施加部件,该应力施加部件设置在具有椭圆形截面的纤芯或圆形纤芯的一侧或任一侧上,使得包覆应力施加到纤芯以引起双折射。然而,在大多数需要高压力灵敏度的应用中使用这种传感器非常困难。额外装置需要与这些传感器装置一起安装以增加其压力灵敏度,然而,这也使得其难以制造并产生稳定性和可重复性问题。
因此,本发明的目的是提供一种在恶劣环境中使用的具有高压力灵敏度的光纤压力传感器。
发明内容
在本发明的一个方面中,提供了一种用于测量压力的光纤,包括:
纤芯,其用于沿着所述纤芯的长度引导光信号;以及
包覆层,其包括围绕纤芯设置的多个应力施加部件;
其特征在于,多个应力施加部件平行于纤芯设置并且围绕所述纤芯对称地设置以在施加外部压力时引起增强的对称剪切应力,同时防止双折射。
在一个实施例中,包覆层由二氧化硅制成并且应力施加部件由硼硅酸盐(B2O3+SiO2),Al2O3+La2O3+SiO2或F+SiO2棒中的至少一种或空气孔制成。基于二氧化硅的包覆层和应力施加部件的机械性能差异在施加外力时产生增强的对称剪切应力。有利地,这有助于提高光纤的应变和压力灵敏度。
在一个实施例中,应力施加部件沿光纤的长度平行于纤芯并围绕纤芯对称地设置。有利地,这有助于沿着整个光纤的长度进行压力测量。
在一个实施例中,光纤是具有应力施加部件的单模光纤,这些应力施加部件设置在包覆层中所提供的孔内。有利地,这有助于提供具有改进的应变和压力敏感性但具有标准尺寸和标准操作要求的光纤。
有利地,围绕纤芯的应力施加部件的对称设置有助于防止通过光纤传输的光信号的双折射、不同模态偏振灵敏度和偏振模色散。
在一个实施例中,光纤可用于多种应用,包括测量地下区域、油井、其他恶劣环境中的外部压力以及民用和机械结构的健康监测。
在本发明的另一方面中,提供了一种沿光纤的长度测量压力的方法,该方法包括:
提供光纤,该光纤具有纤芯、围绕纤芯的包覆层以及平行于纤芯并围绕纤芯对称地放置在包覆层中的多个应力施加部件;
经由光纤在第一端接收光信号;
经由光纤通过纤芯传输光信号而不引起双折射;
在光纤的第一端接收散射光信号;以及
使用散射测量单元分析散射光信号以确定光纤中的应变。
在一个实施例中,多个应力施加部件包括由硼硅酸盐(B2O3+SiO2),Al2O3+La2O3+SiO2或F+SiO2的至少一种制成的一对棒或一对空气孔并且被放置于包覆层中以在施加外部压力时产生增强的对称剪切应力。有利地,这有助于提高光纤的应变和压力灵敏度。
有利地,应力施加部件围绕纤芯的对称设置有助于防止通过光纤传输的光信号的双折射、不同模态偏振灵敏度和偏振模色散。
有利地,与标准单模光纤相比,该光纤提供了改进的应变灵敏度。
附图说明
参照说明本发明的可能设置的附图进一步描述本发明将是方便的。本发明的其他设置也是可能的并且因此附图的特殊性不应理解为代替前面对本发明的描述的一般性。
图1示出了根据本发明的实施例的具有对称应力施加部件的光纤的示意性截面图。
图2是示出在施加变化的外部压力时通过图1中的光纤的散射光信号的频率偏移的曲线图。
图3示出了流程图,其显示了根据本发明的实施例的沿着图1所示的光纤的长度测量压力的方法中所涉及的步骤。
具体实施方式
参照图1,示出了根据本发明实施例的具有多个对称应力施加部件16的光纤10。光纤10包括用于沿纤芯12的长度引导光信号的纤芯12以及包括围绕纤芯12设置的多个应力施加部件16的包覆层14。所述多个应力施加部件16平行于纤芯12并围绕纤芯12对称地纵向设置在包覆层14内以在向光纤10上施加外部压力或外力时引起增强的对称剪切应力。
在一个实施例中,光纤10用于沿着光纤10的长度测量压力或力。光纤10的纤芯12由折射率为n1的锗掺杂二氧化硅(GeO2+SiO2)制成。纤芯12被包覆层14围绕,包覆层14由折射率为n2(n1>n2)的二氧化硅(SiO2)制成,在一个实施例中,设置在包覆层14内的应力施加部件16由硼硅酸盐(B2O3+SiO2)棒制造。在可选实施例中,应力施加部件16由Al2O3+La2O3+SiO2或F+SiO2棒制造。在另一实施例中,空气孔被设置为应力施加部件16。基于二氧化硅的包覆层14和应力施加部件16的机械性能差异在对光纤10施加均匀外部压力或外力时产生增强的对称剪切应力。有利地,这有助于提高基于光纤10的压力传感器的应变和压力灵敏度。
在一个实施例中,光纤10可用于测量地下油井和其他恶劣环境中的外部压力或外力。在实施例中,光纤10可用于民用结构的结构健康监测。在又一实施例中,光纤10可用于诸如铁路轨道的机械结构的结构健康监测。当纤维暴露于静压力时,力转化为应变并且由于泊松效应而使缆线伸长。在现有技术中,应力施加部件具有不同的机械性能,使得可以利用双折射效应来测量压力。然而,根据本发明,围绕纤芯12的应力施加部件16的对称设置有助于产生对称的剪切应力并在使光信号通过纤芯12的同时防止双折射的发生。通过分析应变对通过纤芯12传输的光信号的散射的影响来测量光纤10上的压力或力。没有双折射防止通过光纤10传输的光信号的不同模态偏振灵敏度和偏振模色散,从而与先前已知的方法相比,提高了针对给定应变的测量精度。
在一个实施例中,公开了一种制造用于压力测量的光纤10的制造方法。该方法包括以下步骤:形成包括纤芯12的预制件,纤芯12由折射率为n1的锗掺杂二氧化硅(GeO2+SiO2)制成。纤芯12由包覆层14包围,包覆层14由折射率为n2(n1>n2)的二氧化硅(SiO2)制成。平行且对称于纤芯12的两个孔正交对穿过包覆层14钻孔以引入应力施加部件16。应力施加部件16可以是任何所期望的形状,诸如圆柱形或多边形。如此形成的预制件被拉伸或挤压以形成单模光纤10,该单模光纤10具有位于中心的纤芯12以及包括围绕纤芯12的应力施加部件16的包覆层14。
在另一个实施例中,光纤10的制造包括以下步骤:通过围绕大硅石管内围绕锗掺杂二氧化硅棒堆叠二氧化硅棒来形成光纤10的预制件。锗掺杂二氧化硅棒的这种设置形成纤芯12并且二氧化硅棒14的设置形成包覆层14。围绕锗掺杂二氧化硅棒对称地堆叠的硼硅酸盐(B2O3+SiO2),Al2O3+La2O3+SiO2或F+SiO2棒或气孔的正交对形成应力施加部件16。然后熔融和拉伸硅石管中的堆叠棒以形成中间预制件。因此形成的中间预制件被拉伸或挤压以形成单模光纤10,该单模光纤具有位于中心的纤芯12以及包括围绕纤芯12的应力施加部件16的包覆层14。
通常,因此形成的光纤10具有约125μm的尺寸,其中纤芯12具有约8.2μm的尺寸,并且每个应力施加部件16具有36μm的尺寸。
关于图2,示出了在施加变化的外部压力时通过光纤10的散射光信号中的频率偏移的曲线图。基于二氧化硅的包覆层14以及放置为平行于纤芯12的任一侧并位于纤芯12的任一侧上且位于穿过纤芯12的平面中的应力施加部件16的机械性能差异在对光纤10施加外部压力或外力时引起增强的对称剪切应力。光纤10上增强的对称剪切应力在施加外力时提供了所施加的力到应变转换的放大,与标准单模光纤(SMF)相比,这有助于将基于光纤10的压力传感器的应变和压力灵敏度提高至少21%。此外,与标准单模光纤相比,具有施加应力部分16的基于光纤10的压力传感器在施加外力时提供了可以忽略不计的迟滞。
参照图3,示出了流程图,其示出了根据本发明实施例的使用本光纤10测量压力的测量方法中所涉及的步骤。沿着光纤10的长度测量压力或力的测量方法包括以下步骤:如框100所示,提供具有纤芯12、围绕纤芯12的包覆层14以及平行于纤芯12并围绕纤芯12对称地放置在包覆层14中的多个应力施加部件16的光纤10。如框102所示,在光纤10的第一端接收光信号。如框104所示,光纤10通过纤芯12传输所接收的光信号,而不引起双折射。在没有双折射,不同模态偏振灵敏度和偏振模色散的情况下,光信号通过光纤10传输。通过光纤10传输的光信号被散射,其幅值受光纤10上的应变影响。如框106所示,散射光信号在光纤10的第一端被接收。如框108所示,散射测量单元用于分析散射光信号以确定光纤10中的应变。在一个实施例中,散射测量单元识别散射光信号的唯一散射光谱或强度并随后确定光纤10中的应变。放置在包覆层14中的应力施加部件16(诸如硼硅酸盐棒16)的正交对在施加外部压力时引起增强的对称剪切应力,这又提供了与标准单模光纤相比的改进应变灵敏度。
本领域技术人员将认识到,本发明的基于光纤的压力传感器还可以包括围绕纤芯的附加的对称应力施加部件,以进一步改善应变灵敏度。
本领域技术人员还将认识到,本发明还可以包括对纤维或方法进行的不影响纤维或方法的整体功能的进一步的修改。
Claims (10)
1.一种用于测量压力的光纤(10),包括:
纤芯(12),其用于沿所述纤芯(12)的长度引导光信号;以及
包覆层(14),其包括围绕所述纤芯(12)设置的多个应力施加部件(16),
其特征在于,所述多个应力施加部件(16)平行于所述纤芯(12)并围绕所述纤芯对称地设置以在施加外部压力时引起增强的对称剪切应力,同时防止双折射。
2.根据权利要求1所述的光纤(10),其中,所述应力施加部件(16)由硼硅酸盐(B2O3+SiO2)、Al2O3+La2O3+SiO2或F+SiO2棒中的至少一种或空空气孔制成。
3.根据权利要求1所述的光纤(10),其中,所述包覆层(14)包括对称地围绕所述纤芯(12)的至少两个孔正交对以放置所述应力施加部件(16)。
4.根据权利要求1所述的光纤(10),其中,所述包覆层(14)和所述应力施加部件(16)的机械性能差异在施加外部压力时引起增强的对称剪切应力。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光纤(10),其中,所述光纤(10)是单模光纤。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光纤(10),其中,所述光纤(10)用于多种应用,包括测量地下井中的外部压力以及民用和机械结构的健康监测。
7.一种沿着光纤(10)的长度测量压力的方法,包括:
提供具有纤芯(12)、围绕所述纤芯(12)的包覆层(14)以及多个应力施加部件(16)的光纤(10),所述多个应力施加部件(16)平行于所述纤芯(12)并围绕所述纤芯(12)对称地设置在所述包覆层(14)中;
经由所述光纤(10)在第一端接收光信号;
经由所述光纤(10)通过所述纤芯(12)传输所述光信号而不引起双折射;
在所述光纤(10)的所述第一端接收散射光信号;以及
使用散射测量单元分析所述散射光信号以确定所述光纤(10)中的应变。
8.根据权利要求7所述的方法,其中,所述多个应力施加部件(16)包括一对由硼硅酸盐(B2O3+SiO2),Al2O3+La2O3+SiO2或F+SiO2中的至少一种制成的棒或空气孔并被放置于所述包覆层(14)中以在施加外部压力时产生增强的对称剪切应力。
9.根据权利要求7所述的方法,其中,所述光信号在没有双折射、不同模态偏振灵敏度和偏振模色散的情况下通过所述光纤(10)传输。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,与标准单模光纤相比,所述光纤(10)提供改进的应变灵敏度。
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PB01 | Publication | ||
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