CN202693879U - 一种掩埋于物体内部的分布式应变和温度监测光缆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种掩埋于物体内部的分布式应变和温度监测光缆，包括一根用于测量应变的应变光纤纤芯、至少五根轴对称加固件、至少一根用于测量温度的、与应变光纤纤芯型号相同的温度光纤纤芯；所述的应变光纤纤芯外紧包有应变光纤护套，所述的轴对称加固件与应变光纤护套等径，且与应变光纤护套以光缆中心为轴呈轴对称；该光缆中心上设有温度光纤纤芯，该温度光纤纤芯和温度光纤护套加入抗拉填充物；该应变光纤纤芯、轴对称加固件及温度光纤纤芯分布于工程防护层内。本实用新型有益的效果：利用本实用新型，解决了应变纤的应变感知能力增强，物体内部掩埋，温度和应变同时、分布式测量的问题。

Description

一种掩埋于物体内部的分布式应变和温度监测光缆

技术领域

本实用新型涉及光缆领域，主要是一种掩埋于物体内部的分布式应变和温度监测光缆，能掩埋进物体内部作为传感器使用。

背景技术

近年来，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术（BOTDA）得到广泛的应用。当超过布里渊功率阈值的激光脉冲打入光纤中，激光脉冲的能量将从高频向低频发生迁移，频率偏移量f满足下式给出：

f=2nv/λ

其中n为光纤的折射率，v为光纤中的声速，λ为激光脉冲的波长。

由于声速v与光纤的应变和温度有关，故可以将光纤做成光缆与被测物粘接，利用光纤中的布里渊频移量间接测量被测物所受的形变和温度。因此能够实现应变或温度测量的传感光缆是基于布里渊散射的分布式光纤传感器的一项核心组件。另一方面，由于在建筑学、地球物理、桥梁建造、地质勘探等领域，要求对钢筋结构、岩石材料、混凝土结构、楼宇等物体内部的应变分布和演变情况进行监测，所以应用于物体内部应力监测的分布式应变温度传感光缆在桥梁安全、大坝冲击、楼宇建筑、隧道施工等方面具有广泛的应用前景。

传统的光缆成缆工艺要求光缆具有抗拉抗压特性，因此多采用加固件进行结构支撑，但由于应变反映的是光缆的拉伸或压缩能力，增强抗拉抗压特性可能使光缆的拉伸或压缩能力降低，故进行加固后的光缆对于应变的感知能力下降。故应研究一种加固光缆的应变增敏方案。

目前国外对于应变或温度传感光缆进行了大量的研究工作。如日本Neubrex公司就设计实现了FN-SIL-1型光缆，该光缆虽然可用于对物体的内应变进行监测，但该光缆的抗拉能力有限，在4000N的拉力下易发生断裂。该公司设计的FN-SSL-3系列，采用的是两根相同的带状光纤，只能测试应变信息，无法给出温度特性，而且它采用泡沫粘合材料进行粘接，不利于恶劣环境和长时间监测，并且工程上难以实施。

国内在此方面也有相关的研究，部分实用新型也形成了专利，但都存在不同的缺陷和不足。如实用新型201020686743.6公开了一种温度应变感测光缆，其技术方案是在护套底部附着胶黏层以解决光缆与被测结构的粘接工艺问题。该技术方案没有解决光缆的工程防护，以及光缆除胶黏层以外部分与被测结构的粘接工艺问题。实用新型201020650002.2公开了一种铠装保护的全紧结构分布式应变传感光缆，其技术方案是对于紧套光纤进行铠装，以增强光缆强度，但由于光缆强度增强的同时，应变感知能力也随之降低，此外该技术方案无法对温度和应变量同时测量。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种掩埋于物体内部的分布式应变和温度监测光缆，以解决物体内部每个位置点温度和应变同时测量、应变增敏、抗拉抗压特性增强、工程易实现和防护的问题。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的，它包括一根用于测量应变的应变光纤纤芯、至少五根轴对称加固件、至少一根用于测量温度的、与应变光纤纤芯型号相同的温度光纤纤芯；所述的应变光纤纤芯外紧包有应变光纤护套，所述的轴对称加固件与应变光纤护套等径，且与应变光纤护套以光缆中心为轴呈轴对称；该光缆中心上设有温度光纤纤芯，该温度光纤纤芯和温度光纤护套加入抗拉填充物；该应变光纤纤芯、轴对称加固件及温度光纤纤芯分布于工程防护层内。

作为优选，所述的应变光纤纤芯和温度光纤纤芯是同种、单模光纤。

作为优选，所述的温度光纤护套是金属圆管。

作为优选，所述的工程防护层采用无卤阻燃材料制成。

本实用新型的有益效果为：1、通过引入应变纤和温度纤，解决了物体内部每个位置点的温度和应变信息同时测量的问题；2、将应变纤和温度纤绞结，增强了应变纤的应变感知能力；3、采用抗拉填充物，增强了温度纤的抗拉强度；4、采用轴对称式的加固件，在增强光缆的抗拉和抗压强度的同时，也保证了方案的可实施性；5、通过引入保护套，解决了光缆水密、油密、耐酸碱、抗老化、无烟阻燃等工程防护问题。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

附图中的标号分别为：1、应变光纤纤芯；2、应变光纤护套；3、轴对称加固件；4、温度光纤纤芯；5、抗拉填充物；6、温度光纤护套；7、工程防护层。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做详细的介绍：如附图1所示，本实用新型包括一根用于测量应变的应变光纤纤芯1、至少五根轴对称加固件3、至少一根用于测量温度的、与应变光纤纤芯1型号相同的温度光纤纤芯4；所述的应变光纤纤芯1外紧包有应变光纤护套2，所述的轴对称加固件3与应变光纤护套2等径，且与应变光纤护套2以光缆中心为轴呈轴对称；该光缆中心上设有温度光纤纤芯4，该温度光纤纤芯4和温度光纤护套6加入抗拉填充物5；该应变光纤纤芯1、轴对称加固件3及温度光纤纤芯4分布于工程防护层7内；工程防护层7采用无卤阻燃材料，以进行工程防护。

所述的应变光纤纤芯1和温度光纤纤芯4是同种、单模光纤。温度纤护套6采用直径1.35mm，厚度0.25mm的不锈钢管，以保证温度光纤4不受被测物的应变影响。

其中应变光纤1可采用直径0.25mm的G657A1型抗弯曲光纤，以增强光缆的抗弯曲特性；温度光纤4可采用直径0.25mm的G657A1型抗弯曲紧包光纤，它应与应变光纤1采用同种光纤。

保护套2采用直径0.9mm的聚烯烃紧包护套；轴对称加固件3采用芳纶纱，加固件3的直径与保护套2应保持相同，以方便层绞法的实施；抗拉填充物5采用芳纶纱以增强光缆的拉伸强度，并减少温度光纤4和温度纤护套6之间的摩擦力，从而有效隔离应变；

该技术方案的理论依据和工作原理如下：

为解决应变和温度的同时、分布式测量，引入应变光纤和温度光纤，其中温度光纤不受应变影响。被测结构的应变和温度被光缆感知，当泵浦光和探测光输入到光缆中，且探测光频率落在泵浦光的布里渊增益谱范围内时，根据光纤中的受激布里渊散射原理，光缆内的探测光将得到放大。探测光扫描布里渊增益谱，即可得到光缆中每个位置点处的布里渊频谱分布。布里渊频谱峰值频移f与光缆所受应变ε和温度T满足下列关系：

f=aε+bT

其中，a，b分别为该光缆的频移应变系数和频移温度系数。

故应变纤引起的频移f1满足：

f1=aε+bT

由于温度光纤不受应变影响，故温度光纤引起的布里渊频移f2只与光缆的温度有关，具体为：

f2=bT

由f1和f2可推出，光缆（被测物）所受应变ε和温度T为：

ε=(f1-f2)/a

T=f2/b

其中，光缆的频移应变系数和频移温度系数可以通过实验进行标定，温度光纤和应变光纤的频移量可以由实验测得，且由于光缆的应变和温度信息与被测物的应变和温度信息相对应，故被测物内部每个位置点的应变和温度信息即可同时得到。

为解决光缆的抗拉和抗压问题，引入轴对称加固件3。为了增强温度光纤的抗拉特性，在温度光纤纤芯4和温度光纤保护套6间加入抗拉填充物5，如芳纶纱等；

为了对光缆进行应变增敏，将温度光纤纤芯4与温度光纤护套6绞在一起，由于温度光纤护套6具有一定刚性以隔离温度光纤纤芯4免受应变影响（如采用不锈钢护套），故包裹在温度光纤护套6上的温度光纤纤芯4对于相同应变的感知能力增强。

在工程实现上，采用轴对称的加固件结构，可以采用光缆拉制工艺上常用的层绞式成缆方法。

为解决光缆的工程防护问题，加入工程防护层7。工程防护层7可以采用无卤阻燃材料，由于该材料具有优良的水密、油密、耐酸碱、抗老化、无烟阻燃等性能，有利于光缆的工程防护。

本实用新型不局限于上述实施方式，不论在其形状或材料构成上作任何变化，凡是采用本实用新型所提供的结构设计，都是本实用新型的一种变形，均应认为在本实用新型保护范围之内。

Claims (4)

1.一种掩埋于物体内部的分布式应变和温度监测光缆，其特征在于：包括一根用于测量应变的应变光纤纤芯（1）、至少五根轴对称加固件（3）、至少一根用于测量温度的、与应变光纤纤芯（1）型号相同的温度光纤纤芯（4）；所述的应变光纤纤芯（1）外紧包有应变光纤护套（2），所述的轴对称加固件（3）与应变光纤护套（2）等径，且与应变光纤护套（2）以光缆中心为轴呈轴对称；该光缆中心上设有温度光纤纤芯（4），该温度光纤纤芯（4）和温度光纤护套（6）加入抗拉填充物（5）；该应变光纤纤芯（1）、轴对称加固件（3）及温度光纤纤芯（4）分布于工程防护层（7）内。

2.根据权利要求1所述的掩埋于物体内部的分布式应变和温度监测光缆，其特征在于：所述的应变光纤纤芯（1）和温度光纤纤芯（4）是同种、单模光纤。

3.根据权利要求1所述的掩埋于物体内部的分布式应变和温度监测光缆，其特征在于：所述的温度光纤护套（6）是金属圆管。

4.根据权利要求1所述的掩埋于物体内部的分布式应变和温度监测光缆，其特征在于：所述的工程防护层（7）采用无卤阻燃材料制成。

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