CN201322605Y - 温度自补偿式光纤光栅应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于应力测量及光纤光栅传感领域，具体的说是一种用于滑坡管道应力监测的温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征是：包括壳体(1)、隔震支撑架(2)、补偿光栅传感器(3)、光栅传感器(5)和金属薄片(4)，在壳体(1)的底部的金属薄片(4)上有光栅传感器(5)，在壳体(1)的腔体内通过隔震支撑架(2)上的补偿金属薄片(10)固定有补偿光栅传感器(3)；光栅传感器(5)和补偿光栅传感器(3)的光纤引出端通过壳体(1)的两侧孔引出。它用于管道应力监测的测量精度高，方便现场安装，温度可自补偿，能够排除粘贴对传感性能影响。
Description
技术领域
本实用新型属于应力测量及光纤光栅传感领域，具体的说是一种用于滑坡管道应力监测的温度自补偿式光纤光栅应变传感器。
技术背景
滑坡是指构成斜坡的岩土体在重力作用下伴随其下部软弱面上的剪切作用过程而产生整体运动现象。滑坡灾害是造成人类生命财产损失的地质灾害的主要形式之一。长距离输油或输气管道输送距离可达数千公里，穿越众多地质地貌单元，常不可避免地要穿过地质条件复杂的地区，如山区、冻土区等。因为选线的不充分或管道建设诱发滑坡或地震诱发滑坡等原因，在山区敷设的管道有可能在活动滑坡体内通过，管道的安全运营遭受这些活动滑坡的严重威胁。这些有可能要威胁管道安全的滑坡称之为管道滑坡。
在过去四十年的管道运输历史中，以滑坡为主的地质灾害曾多次造成管道事故。欧洲天然气管道事故数据小组(EGIG)调查的1970年到2001年的西欧管道事故中，7％是由地质灾害导致的；美国交通部统计的1984年到2001天然气输送数据表明，8.5％的事故是由地质灾害引起的；加拿大国家能源委员会调查显示影响加拿大运营的管道事故的12％是地质灾害导致的。1987年3月由地震导致的巨型滑坡使横贯厄瓜多尔管道发生40km长的断裂，停输两个星期，经济损失达7亿美元。1995年及1996年冬天，由于华盛顿西部的特强降雨诱发滑坡，导致美国西北输气管线三处管道发生断裂。
我国的管道工业正处在蓬勃发展之中，这些管道大多将我国西部丰富的石油天然气输送到我国的东部，而我国的西部、西南部集中了我国大多数山地，管道就不可避免地要穿越地质灾害严重地区。忠武输气管道忠县-宜昌409公里段处于渝东鄂西山区，山峰层峦叠嶂、高差显著，地形、地质条件复杂，发育有多组地质灾害易发岩层，是滑坡、危岩崩塌的频发地段。2003年建成投产的兰成渝成品油管道兰州至广元段，构造活跃，岩性破碎，地形切割发育，投产后投入巨资用于地质灾害防治，但2007年的调查显示威胁管道安全的地质灾害仍有530处之多。西气东输工程干线总长约4000公里，遭受各种地质灾害严重威胁，其中查明的滑坡灾害达39处之多。
面对众多的管道滑坡灾害，我国的管道运营公司经常采取积极的工程治理措施，但这些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防治工程也并非“一劳永逸”，设计施工的不确定因素较多，再者治理的周期长。而监测则是一种高效、低成本的防治措施。意大利SNAM公司将监测管道作为防治滑坡灾害的主要方式，他们对管道进行了长达三十年的监测，成功避免了大量的管道事故。我国的西气东输、忠武线等管道投产后对滑坡也进行有效的监测。
传统的管道应变监测以电阻式应变计、振弦式应变计为主，在耐腐蚀、抗干扰方面较差，稳定性也难以满足要求。光纤光栅传感技术是近几十年来迅速发展起来的一门新型科学技术。光纤光栅传感器不但具有抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。将光纤光栅传感器用于管道应力监测是必然的发展趋势。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种测量精度高、方便现场安装、温度自补偿、排除粘贴对传感性能影响的用于管道应力监测的温度自补偿式光纤光栅应变传感器。
本实用新型的目的是这样实现的，温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征是：包括壳体、隔震支撑架、补偿光栅传感器、光栅传感器和金属薄片，在壳体的底部的金属薄片上有光栅传感器，在壳体的腔体内通过隔震支撑架上的补偿金属薄片固定有补偿光栅传感器；光栅传感器和补偿光栅传感器的光纤引出端通过壳体的两侧孔引出。
所述的金属薄片上刻有定位线，光栅传感器光栅与定位线对准，给予适当拉力，使用黏合剂将与金属薄片粘为一体。
所述的补偿光栅传感器通过黏合剂将补偿金属薄片固定在隔震支撑架上，补偿金属薄片和金属薄片材料相同。
所述的隔震支撑架两端为隔震支架，中间是横架在两端隔震支架的支撑体，补偿光栅传感器固定在支撑体上。
所述的光纤引出端有光纤引出左端和光纤引出左端，通过壳体的两侧孔出孔有密封体，密封体将光纤引出左端和光纤引出左端与两侧孔密封。
所述的金属薄片和补偿金属薄片的长度为80mm，厚度为1mm。
本实用新型的优点有：1、测量精度高，避免粘贴引起的本体噪声；2、将光纤光栅悬浮，保证了光栅的线性变化；3、实现了温度补偿，可同时测量温度；4、结构简单，便于加工生产。
附图说明
下面结合实施例附图对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型实施例结构示意图。
图中：1、壳体；2、隔震支撑架；3、补偿光栅传感器；4、金属薄片；5、光栅传感器、6、光纤引出左端；7、光纤引出右端；8、隔震支架；9、横架；10、补偿金属薄片。
具体实施方式
如图1所示，温度自补偿式光纤光栅应变传感器包括壳体1、隔震支撑架2、补偿光栅传感器3、光栅传感器5和金属薄片4，壳体1两侧有侧孔，隔震支撑架2横架在壳体1中间，在壳体1的底部粘合金属薄片4，金属薄片4上刻有定位线，光栅传感器5光栅与定位线对准，给予适当拉力，使用黏合剂将与金属薄片4粘为一体。隔震支撑架2两端为隔震支架8，中间是横架9，横架9与两端隔震支架8固定，横架9粘合补偿金属薄片10，补偿金属薄片10和金属薄片4材料相同，补偿金属薄片10通过黏合剂将补偿光栅传感器3和补偿金属薄片10粘合固定。光栅传感器5和补偿光栅传感器3的光纤引出左端6和光纤引出右端7通过壳体1的两侧孔引出。光纤引出左端6和光纤引出右端7通过壳体1的两侧孔出孔有密封体，密封体将光纤引出左端6和光纤引出右端7与两侧孔密封。金属薄片4和补偿金属薄片10的长度为80mm，厚度为1mm。
本实用新型利用金属薄片将被测对象应变传递给光纤光栅，引起光纤光栅的线性变形。光纤光栅是一种在由光纤刻制而成的波长选择反射器，其背向反射光中心波长λB与光栅周期Λ和纤芯折射率neff有关，即
λB＝2neffΛ 公式(1)
FBG光纤光栅传感的基本原理是，当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而使光纤光栅的中心波长产生位移ΔλB，通过检测光栅波长的位移情况，即可获得待测物理量的变化情况。即
ΔλB＝Kε·Δε+KT·ΔT 公式(2)
式中Kε为应变传感灵敏度系数，KT为光纤光栅温度传感灵敏度系数。
根据上述特性，首先使用光纤光栅解调仪测量出光纤光栅的波长变化，而后根据标定的应变-波长对应关系即可得到应变值。同时，本实用新型自动实现了温度补偿，将温度补偿光栅和测力光栅置于了相同的状态，即可作温度补偿，也可以测量温度。
与传统的电阻式应变传感器相比，本实用新型的优点非常明显：
1.抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比光波低很多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。
2.电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。
3.难腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料-石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。
4.体积小、重量轻，几何形状可塑。
5.传输损耗小：可实现远距离遥控监测。
6.传输容量大：可实现多点分布式测量。
7.测量范围广：可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、液位、液体浓度、成分等。
8.光栅的长度小，只有毫米级，测量值空间分辨率高。
9.输出线性范围宽，在10000微应变范围内波长移动与应变有良好的线性关系，频带宽，信噪比高。
Claims (6)
1、温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征是：包括壳体(1)、隔震支撑架(2)、补偿光栅传感器(3)、光栅传感器(5)和金属薄片(4)，在壳体(1)的底部的金属薄片(4)上有光栅传感器(5)，在壳体(1)的腔体内通过隔震支撑架(2)上的补偿金属薄片(10)固定有补偿光栅传感器(3)；光栅传感器(5)和补偿光栅传感器(3)的光纤引出端通过壳体(1)的两侧孔引出。
2、根据权利要求1所述的温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征是：所述的金属薄片(4)上刻有定位线，光栅传感器(5)光栅与定位线对准，给予适当拉力，使用黏合剂将与金属薄片(4)粘为一体。
3、根据权利要求1所述的温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征是：所述的补偿光栅传感器(3)通过黏合剂将补偿金属薄片(10)固定在隔震支撑架(2)上，补偿金属薄片(10)和金属薄片(4)材料相同。
4、根据权利要求1所述的温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征是：所述的隔震支撑架(2)两端为隔震支架(8)，中间是横架在两端隔震支架(8)的支撑体，补偿光栅传感器(3)固定在支撑体上。
5、根据权利要求1所述的温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征是：所述的光纤引出端有光纤引出左端(6)和光纤引出左端(7)，通过壳体(1)的两侧孔出孔有密封体，密封体将光纤引出左端(6)和光纤引出左端(7)与两侧孔密封。
6、根据权利要求1所述的温度自补偿式光纤光栅应变传感器，其特征是：所述的金属薄片(4)和补偿金属薄片(10)的长度为80mm，厚度为1mm。
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