CN117433587B - 对称结构多参数弱光栅传感光缆、传感系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对称结构多参数弱光栅传感光缆、传感系统和测量方法，对称结构多参数弱光栅传感光缆包括外护套和缆芯，缆芯包括位于正中心的弱光栅应变传感单元、以及布置在所述弱光栅应变传感单元外周的弱光栅温度传感单元、DAS光单元、加强件和塑料填充件，弱光栅应变传感单元和弱光栅温度传感单元连接弱光栅波长解调仪，DAS光单元连接弱光栅相位解调仪连接，实现微应变、温度和振动的监测。通过上述方式，本发明采用弱光栅串应变光纤、弱光栅串温度光纤和DAS光纤作为载体，可同时监测微应变、温度和振动，灵敏度高，能够实时感应到外部的微应变、温度和振动，在大型建筑建康情况监测、地质沉降、管道变形等监测上有广泛的应用。

Description

对称结构多参数弱光栅传感光缆、传感系统和测量方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种对称结构多参数弱光栅传感光缆、传感系统和测量方法。

背景技术

光纤传感技术以其具有高可靠性、高采集密度、高空间分辨率、低成本、耐高温等优势，已在实际场景中得到了大量的应用，为油气、电力、化工、建筑、交通等领域的高性能传感监测提供了新的解决方案。在周界安防、管道健康监测、海底地震监测等领域需具有超长传感距离的光纤传感器，其无需额外有源中继，成本低廉且易于组网，具有巨大的潜在应用价值。

超弱光纤光栅是对反射率低于0.1%光纤光栅传感器的统称，它继承了传统光纤布拉格光栅（FBG）传感器特点，还具有复用容量大、机械性能好、易于成缆等优势，其单光纤上可容纳高达上万个传感单元，有效缓解了传感网络对容量的需求，在结构监测领域备受青睐。

弱光栅阵列技术采用波分复用和时分复用相结合的方式，实现了单通道多个光纤光栅传感器同时监测。在应用过程中，弱光栅阵列光纤可制备成光缆产品直接应用于实际生活中。但是目前这种传感光缆一般只能监测一种参量，如温度或应变，无法同时进行多参量的监测。

例如，在石油测井中，要求实时获取井中的温度、光缆的受力状态以及储油量等信息，现有方案是同时沿井深方向采集温度、应变及声波级振动信息，这就需要在狭小的空间内同时布设多条光缆，不仅造价昂贵，而且放置和施工很困难。因此如何提供一种能够适应多参量监测的弱光栅传感光缆显得尤为重要。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种对称结构多参数弱光栅传感光缆、传感系统和测量方法，能够可同时监测微应变、温度和振动，灵敏度高，能够实时感应到外部的微应变、温度和振动，在大型建筑建康情况监测、地质沉降、管道变形等监测上有广泛的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种对称结构多参数弱光栅传感光缆，包括：缆芯以及包裹在缆芯外周的外护套，所述缆芯包括：

位于正中心的弱光栅应变传感单元；

以轴向加捻方式布置在所述弱光栅应变传感单元外周的弱光栅温度传感单元、DAS光单元、加强件和塑料填充件；

所述弱光栅温度传感单元和DAS光单元以所述弱光栅应变传感单元为中心相互对称布置；

所述加强件和塑料填充件以所述弱光栅应变传感单元为中心相互对称布置；

所述外护套紧密包裹住缆芯。

在本发明一个较佳实施例中，所述弱光栅温度传感单元、加强件、DAS光单元和塑料填充件的外表面两两相切，且所述弱光栅温度传感单元、加强件、DAS光单元和塑料填充件的外表面与所述弱光栅应变传感单元的外表面相切。

在本发明一个较佳实施例中，所述弱光栅应变传感单元包括弱光栅串应变光纤、包围在弱光栅串应变光纤外周的紧套层、以及涂覆在紧套层外周的加强层，所述弱光栅应变传感单元设置为能够感应外部的应变。

在本发明一个较佳实施例中，所述弱光栅串应变光纤包括纤芯以及设于纤芯上的应变弱光栅串，所述应变弱光栅串中相邻光栅之间的间距相等，相邻光栅之间的间距根据所测应变的空间分辨率确定。

在本发明一个较佳实施例中，所述弱光栅温度传感单元包括弱光栅串温度光纤、包围在弱光栅串温度光纤外周的紧套层、以及涂覆在紧套层外周的加强层，所述温度光栅单元设置为能够感应外部的温度。

在本发明一个较佳实施例中，所述弱光栅串温度光纤包括纤芯以及设于纤芯上的温度弱光栅串，所述温度弱光栅串中相邻光栅之间的间距相等，相邻光栅之间的间距根据所测温度的空间分辨率确定。

在本发明一个较佳实施例中，所述紧套层为铁氟龙ETFE紧套层，所述加强层为环氧GFRP加强层。

在本发明一个较佳实施例中，所述DAS光单元包括DAS光纤、无缝钢管以及填充的光纤油膏，所述DAS光单元设置为能够感应外部的振动，所述DAS光纤为单模光纤。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种多参数弱光栅传感测量系统，包括：弱光栅波长解调仪、弱光栅相位解调仪和传感光缆，所述传感光缆为上述的对称结构多参数弱光栅传感光缆，

所述弱光栅应变传感单元和所述弱光栅温度传感单元与所述弱光栅波长解调仪连接：通过实时解调所述弱光栅应变传感单元的波长变化获取光缆上的应变变化；通过实时解调所述弱光栅温度传感单元的波长变化获取光缆上的温度变化；所述DAS光单元与所述弱光栅相位解调仪连接：通过实时解调所述DAS光单元的相位变化获取光缆上的微振动幅度及频率信息。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种多参数弱光栅传感测量方法，该测量方法基于上述的多参数弱光栅传感测量系统，具体包括如下步骤：

将所述对称结构多参数弱光栅传感光缆埋入待测场景中；

通过弱光栅波长解调仪进行波长扫描，获取应变弱光栅串上每个光栅的光谱，根据光谱得到应变弱光栅串上每个光栅的中心波长，根据每个光栅的中心波长变化获取光缆上的应变变化；

通过弱光栅波长解调仪进行波长扫描，获取温度弱光栅串上每个光栅的光谱，根据光谱得到温度弱光栅串上每个光栅的中心波长，根据每个光栅的中心波长变化获取光缆上的应变变化；

通过弱光栅相位解调仪对反射光脉冲进行相位解调，通过相位信息变化获取光缆上的微振动幅度及频率信息。

本发明的有益效果是：采用弱光栅串应变光纤、弱光栅串温度光纤和DAS光纤作为载体，形成对称结构的多参数弱光栅传感光缆，可同时监测微应变、温度和振动，灵敏度高，能够实时感应到外部的微应变、温度和振动，在大型建筑建康情况监测、地质沉降、管道变形等监测上有广泛的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明的对称结构多参数弱光栅传感光缆一较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明的弱光栅应变传感单元一较佳实施例的结构示意图；

图3是本发明的弱光栅温度传感单元一较佳实施例的结构示意图；

图4是本发明的DAS光单元一较佳实施例的结构示意图；

图5是本发明的弱光栅应变传感单元或弱光栅温度传感单元一较佳实施例的剖视图；

图6是本发明的对称结构多参数弱光栅传感光缆在测量时的连接示意图。

附图中各部件的标记如下：

1、外护套，2、弱光栅应变传感单元，2-1、弱光栅串应变光纤，2-2、铁氟龙ETFE紧套层一，2-3、环氧GFRP加强层一，

3、弱光栅温度传感单元，3-1、光栅串温度光纤，3-2、铁氟龙ETFE紧套层二，3-3、环氧GFRP加强层二，

4、DAS光单元，4-1、DAS光纤，4-2、光纤油膏，4-3、无缝钢管，

5、加强件，6、塑料填充件，7、弱光栅波长解调仪，8、弱光栅相位解调仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明涉及一种对称结构多参数弱光栅传感光缆，它是一种集专业弱光栅串和DAS光纤封装的应力应变、振动、温度多参量传感光缆，通过埋地、预埋等方式布线，在大型建筑健康情况监测、地质沉降、管道变形等监测上有广泛的应用。

所述对称结构多参数弱光栅传感光缆包括外护套1以及布置于外护套1内部的缆芯，所述缆芯包括位于正中心的弱光栅应变传感单元2、以及布置在所述弱光栅应变传感单元2外周的弱光栅温度传感单元3、DAS光单元4、加强件5和塑料填充件6。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式做进一步说明。

请参阅图1，一种对称结构多参数弱光栅传感光缆，通过埋地、预埋等方式布置在待测场景中用于同时监测温度、应变和振动，包括：外护套1，以及置于外护套1正中心的弱光栅应变传感单元2，以及一起轴向加捻在所述弱光栅应变传感单元2外围的弱光管温度传感单元3、DAS光单元4、加强件5和塑料填充件6。

所述外护套1可以选择PE材料，PE材料的外护套具有良好的机械性能、具有良好的耐磨性和耐候性，通过所述外护套能够减小外界环境应变、温度和振动的衰减，从而增强了外护套内部缆芯的感应信号。

所述加强件5可以选择金属丝加强件，能够增强所述对称结构多参数弱光栅传感光缆的抗弯折性能，适应机械强度要求更高的场合，以便光缆可以安装在更坚固的结构体里面，如安装在建筑物的钢构上，直接浇注混疑土等，防止所述对称结构多参数弱光栅传感光缆断裂或损坏，保证正常使用。

所述塑料填充件6可以选择PVC材料，PVC材料防水防潮，具有耐腐蚀性，还能提高光缆的硬度，可以延长所述对称结构多参数弱光栅传感光缆的使用寿命。

在一实施方式中，所述弱光栅温度传感单元3和DAS光单元4以所述弱光栅应变传感单元2为中心相互对称布置，所述加强件5和塑料填充件6以所述弱光栅应变传感单元2为中心相互对称布置。

进一步地，所述弱光栅温度传感单元3、加强件5、DAS光单元4和塑料填充件6的外表面两两相切，且所述弱光栅温度传感单元3、加强件5、DAS光单元4和塑料填充件6的外表面与所述弱光栅应变传感单元2的外表面相切。

更进一步地，所述弱光栅应变传感单元2与加强件5和外护套1直接紧密接触，能够实时感应到外部的微应变；所述弱光栅温度传感单元3与加强件5和外护套1直接紧密接触，能够实时感应到外部的温度。

请参阅图2和图5，在一实施方式中，所述弱光栅应变传感单元2包括弱光栅串应变光纤2-1、包围在弱光栅串应变光纤2-1外周的铁氟龙ETFE紧套层一2-2、以及涂覆在铁氟龙ETFE紧套层一2-2外周的环氧GFRP加强层一2-3，所述弱光栅应变传感单元2作为应变传感器，能够实时感应外部的微应变，有效提高弱光栅串应变光纤的应变灵敏度。

进一步地，所述弱光栅串应变光纤2-1包括纤芯以及刻写在纤芯上的应变弱光栅串。其中，应变弱光栅串的光栅反射率低于0.1%，所述应变弱光栅串中相邻光栅之间的间距相等，相邻光栅之间的间距根据所测应变的空间分辨率确定，能够实现高稳定、高分辨、分布式应变测量。

请参阅图3和图5，在一实施方式中，所述弱光栅温度传感单元3包括弱光栅串温度光纤3-1、包围在弱光栅串温度光纤3-1外周的铁氟龙ETFE紧套层二3-2、以及涂覆在铁氟龙ETFE紧套层二3-2外周的环氧GFRP加强层二3-3，所述弱光栅温度传感单元3作为温度传感器，能够实时感应外部的温度，有效提高弱光栅串温度光纤的温度灵敏度。

进一步地，所述弱光栅串温度光纤3-1包括纤芯以及刻写在纤芯上的温度弱光栅串。其中，温度弱光栅串的光栅反射率低于0.1%，所述温度弱光栅串中相邻光栅之间的间距相等，相邻光栅之间的间距根据所测温度的空间分辨率确定，能够实现高稳定、高分辨、分布式温度测量。

进一步地，所述弱光栅应变传感单元2和所述弱光栅温度传感单元3中的铁氟龙ETFE紧套层在机械性能上具有很大的改善，具有更好的拉伸强度，环氧GFRP加强层具有更好的柔韧性，能够适应复杂环境的布线。

请参阅图4，在一实施方式中，所述DAS光单元4包括DAS光纤4-1、无缝钢管4-3以及填充的光纤油膏4-2，所述DAS光单元4作为振动传感器，能够感应外部的振动。

进一步地，DAS光纤4-1采用松套或者紧套，能够满足不同灵敏度的要求。

进一步地，所述DAS光纤4-1为单模光纤。优选地，DAS光纤可以选择G657A2光纤，可以提高光纤的抗弯曲能力，保证光缆的抗拉强度和抗弯曲强度，减少光纤损耗。

实施例2

请参阅图6，一种多参数弱光栅传感测量系统，包括：弱光栅波长解调仪7、弱光栅相位解调仪8和传感光缆，所述传感光缆为上述的对称结构多参数弱光栅传感光缆，将该对称结构多参数弱光栅传感光缆与弱光栅波长解调仪和弱光栅相位解调仪连接，其中：

所述弱光栅应变传感单元2与所述弱光栅波长解调仪7连接，通过实时解调所述弱光栅应变传感单元2的波长变化获取光缆上的应变变化；

所述弱光栅温度传感单元3与所述弱光栅波长解调仪7连接：通过实时解调所述弱光栅温度传感单元3的波长变化获取光缆上的温度变化；

所述DAS光单元4与所述弱光栅相位解调仪8连接：通过实时解调所述DAS光单元4的相位变化获取光缆上的微振动幅度及频率信息。

实施例3

一种多参数弱光栅传感测量方法，基于所述的多参数弱光栅传感测量系统，具体包括如下步骤：

将所述对称结构多参数弱光栅传感光缆埋入待测场景中；

通过弱光栅波长解调仪7进行波长扫描，获取应变弱光栅串上每个光栅的光谱，根据光谱得到应变弱光栅串上每个光栅的中心波长，根据每个光栅的中心波长变化获取光缆上的应变变化；

通过弱光栅波长解调仪7进行波长扫描，获取温度弱光栅串上每个光栅的光谱，根据光谱得到温度弱光栅串上每个光栅的中心波长，根据每个光栅的中心波长变化获取光缆上的应变变化；

通过弱光栅相位解调仪8对反射光脉冲进行相位解调，通过相位信息变化获取光缆上的微振动幅度及频率信息。

实施例4

在石油测井领域中，在井内沿着井深方向布置一条所述的对称结构多参数弱光栅传感光缆，将所述弱光栅波长解调仪7连接所述弱光栅应变传感单元2和所述弱光栅温度传感单元3，将弱光栅相位解调仪8连接所述DAS光单元4，通过弱光栅波长解调仪7和弱光栅相位解调仪8感应到的信号变化采集井内的温度、应变及声波级振动信息，从而获取井中的温度、光缆的受力状态以及储油量等。

实施例5

当用于管道变形监测时，沿着管道深度方向布置一条所述的对称结构多参数弱光栅传感光缆，将所述弱光栅波长解调仪7连接所述弱光栅应变传感单元2和所述弱光栅温度传感单元3，将弱光栅相位解调仪8连接所述DAS光单元4，通过弱光栅波长解调仪7和弱光栅相位解调仪8感应到的信号变化管道不同位置的温度、应变及声波级振动信息，从而确定管道的变形程度。

本发明对称结构多参数弱光栅传感光缆、传感系统和测量方法的有益效果是：

采用弱光栅串应变光纤、弱光栅串温度光纤和DAS光纤作为载体，形成对称结构的多参数弱光栅传感光缆，可同时监测微应变、温度和振动，灵敏度高，能够实时感应到外部的微应变、温度和振动，在大型建筑建康情况监测、地质沉降、管道变形等监测上有广泛的应用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种对称结构多参数弱光栅传感光缆，包括：缆芯以及包裹在缆芯外周的外护套，其特征在于，所述缆芯包括：

位于正中心的弱光栅应变传感单元；

以轴向加捻方式布置在所述弱光栅应变传感单元外周的弱光栅温度传感单元、DAS光单元、加强件和塑料填充件；

所述弱光栅温度传感单元、加强件、DAS光单元和塑料填充件的外表面两两相切，且所述弱光栅温度传感单元、加强件、DAS光单元和塑料填充件的外表面与所述弱光栅应变传感单元的外表面相切；

所述弱光栅应变传感单元包括弱光栅串应变光纤、包围在弱光栅串应变光纤外周的紧套层、以及涂覆在紧套层外周的加强层，所述弱光栅应变传感单元设置为能够感应外部的应变；

所述弱光栅温度传感单元包括弱光栅串温度光纤、包围在弱光栅串温度光纤外周的紧套层、以及涂覆在紧套层外周的加强层，所述温度光栅单元设置为能够感应外部的温度；

所述DAS光单元包括DAS光纤、无缝钢管以及填充的光纤油膏，所述DAS光单元设置为能够感应外部的振动；

所述弱光栅温度传感单元和DAS光单元以所述弱光栅应变传感单元为中心相互对称布置；

所述加强件和塑料填充件以所述弱光栅应变传感单元为中心相互对称布置；

所述外护套紧密包裹住缆芯。

2.根据权利要求1所述的对称结构多参数弱光栅传感光缆，其特征在于，所述弱光栅串应变光纤包括纤芯以及设于纤芯上的应变弱光栅串，所述应变弱光栅串中相邻光栅之间的间距相等，相邻光栅之间的间距根据所测应变的空间分辨率确定。

3.根据权利要求1所述的对称结构多参数弱光栅传感光缆，其特征在于，所述弱光栅串温度光纤包括纤芯以及设于纤芯上的温度弱光栅串，所述温度弱光栅串中相邻光栅之间的间距相等，相邻光栅之间的间距根据所测温度的空间分辨率确定。

4.根据权利要求1所述的对称结构多参数弱光栅传感光缆，其特征在于，所述紧套层为铁氟龙ETFE紧套层，所述加强层为环氧GFRP加强层。

5.根据权利要求1所述的对称结构多参数弱光栅传感光缆，其特征在于，所述DAS光纤采用单模光纤。

6.一种多参数弱光栅传感测量系统，其特征在于，包括：弱光栅波长解调仪、弱光栅相位解调仪和传感光缆，所述传感光缆为权利要求1-5任一项所述的对称结构多参数弱光栅传感光缆，

所述弱光栅应变传感单元和所述弱光栅温度传感单元与所述弱光栅波长解调仪连接：通过实时解调所述弱光栅应变传感单元的波长变化获取光缆上的应变变化；通过实时解调所述弱光栅温度传感单元的波长变化获取光缆上的温度变化；

所述DAS光单元与所述弱光栅相位解调仪连接：通过实时解调所述DAS光单元的相位变化获取光缆上的微振动幅度及频率信息。

7.一种多参数弱光栅传感测量方法，其特征在于，该测量方法基于权利要求6所述的多参数弱光栅传感测量系统，具体包括如下步骤：

将所述对称结构多参数弱光栅传感光缆埋入待测场景中；

通过弱光栅波长解调仪进行波长扫描，获取应变弱光栅串上每个光栅的光谱，根据光谱得到应变弱光栅串上每个光栅的中心波长，根据每个光栅的中心波长变化获取光缆上的应变变化；

通过弱光栅波长解调仪进行波长扫描，获取温度弱光栅串上每个光栅的光谱，根据光谱得到温度弱光栅串上每个光栅的中心波长，根据每个光栅的中心波长变化获取光缆上的应变变化；

通过弱光栅相位解调仪对反射光脉冲进行相位解调，通过相位信息变化获取光缆上的微振动幅度及频率信息。