CN203940942U - 一种分布式光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤传感器领域，尤其涉及一种分布式光纤传感器。该分布式光纤传感器包括光纤芯；光纤芯绕成螺旋管结构。螺旋管结构的半径略大于、等于或略小于光纤芯的临界弯曲半径。螺旋管结构的螺距与光时域反射仪的测量压力范围及精度匹配。当螺线管结构受外力后发生变形直接造成光纤弯曲损耗，用光时域反射仪打入一连串的脉冲进入光纤芯来检验背向散射电平，反射回来的光讯号强度会被量测到，并且测量的光讯号是时间的函数，因此可以将该函数转算成光纤的长度，对比分析受力前后的信号就可以准确测量出本实施例的分布式光纤传感器任意位置所受到外力的大小。而且有效提高距离的分辨率，成本低廉。

Description

一种分布式光纤传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感器领域，尤其涉及一种分布式光纤传感器。

背景技术

光纤传感器具有无辐射干扰、抗电磁干扰性好、化学稳定性好等优点，其中分布式光纤传感器不仅具有一般光纤传感器的优点，而且可以在沿光纤的路径上同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息，能做到对大型基础工程设施的每一个部位都像人的神经系统一样进行远程监控，因此具有广范的应用前景，在民用和国防诸如城市煤气管道、城市输电/通信缆线、海底输油气管道、海底电缆、水库水坝、桥梁、隧道、高速公路、大型设施等建筑物的应力检测方面有独特的优势。

现有分布式光纤传感器采用光纤微弯结构，微弯通过相应的成对模具形成，光纤敷设在微弯模具之间，模具上压力变化，微弯模具的间距变化，引起通过光纤的光强损耗变化，通过测量光强度、或光损耗实现压力测量。

现有技术中，由于光纤在模具内几乎是直线敷设，判断受力点是利用光纤中的光速判断的，判断受力点的分辨率低。而且，微弯的形成需要模具，加工制造困难。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种分布式光纤传感器，以解决上述技术问题。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种分布式光纤传感器，包括光纤芯；光纤芯绕成螺旋管结构。

优选地，螺旋管结构的半径略大于、等于或略小于光纤芯的临界弯曲半径。

优选地，螺旋管结构的螺距与光时域反射仪的测量压力范围及精度匹配。

优选地，光纤芯外包裹有弹性塑料包层。

优选地，螺旋管结构外套有硅胶保护套。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：在弯曲光纤中传输光信号时，总会发生沿光纤弯曲半径方向的能量辐射，原有光波导中的传导模将变为辐射模，从而引起弯曲损耗，这种损耗可以分为微弯曲损耗和宏观弯曲损耗。本实用新型的分布式光纤传感器是利用微弯曲损耗现象中光纤弯曲损耗随弯曲半径的增加呈下降趋势的物理现象，将光纤制作成螺线管结构。当螺线管结构受外力后发生变形直接造成光纤弯曲损耗，用光时域反射仪(OTDR)打入一连串的脉冲进入光纤芯来检验背向散射电平，反射回来的光讯号强度会被量测到，并且测量的光讯号是时间的函数，因此可以将该函数换算成光纤的长度，对比分析受力前后的信号就可以准确测量出本实施例的分布式光纤传感器任意位置所受到外力的大小。

另外，光时域反射仪(OTDR)将光脉冲送入光纤芯，由于光纤芯的特性、弯曲、接头等造成光的反射、散射，形成后向散射光，OTDR利用瑞利散射的后向散射光光功率和时间，获取光纤沿途的损耗情况。OTDR测量发出光脉冲与接牧后向散射光的功率和时间差，利用折射率n值将这一时域信息转换成距离：

$S=\frac{\mathrm{ct}}{2n}$

其中：S为距离，c为光速，t为返回时间，n为光纤芯折射率。

10nS大约相当于1m，采用提高时间分辨率的方法，成本昂贵，采用螺线管方式，可以有效提高距离的分辨率，成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的分布式光纤传感器的受力示意图；

图2为本实用新型实施例提供的分布式光纤传感器使用光时域反射仪的受力图示示意图；

图3为本实用新型实施例提供的分布式光纤传感器的截面图；

图4为本实用新型实施例提供的分布式光纤传感器的完整结构图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本实用新型所保护的范围。

实施例1

如图1所示为本实施例提供的一种分布式光纤传感器，包括光纤芯101；光纤芯101绕成螺旋管结构。

在弯曲光纤中传输光信号时，总会发生沿光纤弯曲半径方向的能量辐射，原有光波导中的传导模将变为辐射模，从而引起弯曲损耗，这种损耗可以分为微弯曲损耗和宏观弯曲损耗。本实用新型的分布式光纤传感器是利用微弯曲损耗现象中光纤弯曲损耗随弯曲半径的增加呈下降趋势的物理现象，将光纤制作成螺线管结构。当螺线管结构受外力后发生变形直接造成光纤弯曲损耗，用光时域反射仪OTDR打入一连串的脉冲进入光纤芯来检验背向散射电于，反射回来的光讯号强度会被量测到，并且测量的光讯号是时间的函数，因此可以将该函数换算成光纤的长度，对比分析受力前后的信号就可以准确测量出本实施例的分布式光纤传感器任意位置所受到外力的大小。

在此需要对光时域反射仪OTDR进行简单的描述。光时域反射仪OTDR是依靠检测光的菲涅耳反射和瑞利散射的变化进行工作的。在不同的突发事件点(如熔接点机械接续断裂或光纤终结处)的反射特征存在着明显差异。这非常有利于对事件点的精确捕捉和判定。但传统光时域反射仪OTDR的采样精度大约1m左右，即后向散射光功率点光功率采样点的距离大于1m，而G.652光纤的弯曲损耗半径必须小于15mm，即产生损耗的该段光纤长度一般小于10cm。因此在每次光时域反射仪OTDR采样过程中都可能出现相邻采样点落在该弯曲事件内的情况，从而影响测量的结果。

光时域反射仪OTDR将光脉冲送入光纤芯，由于光纤芯的特性、弯曲、接头等造成光的反射、散射，形成后向散射光，光时域反射仪OTDR利用瑞利散射的后向散射光光功率和时间，获取光纤沿途的损耗情况。光时域反射仪OTDR测量发出光脉冲与接收后向散射光的功率和时间差，利用折射率n值将这一时域信息转换成距离：

$S=\frac{\mathrm{ct}}{2n}$

其中：S为距离，c为光速，t为返回时间，n为光纤芯折射率。

10nS大约相当于1m，采用提高时间分辨率的方法，成本昂贵，采用螺线管方式，可以有效提高距离的分辨率，成本低廉。

另外，弯曲损耗是光纤的另一特性，当曲率半径较大时，曲率半径变化引起的弯曲损耗变化较小，而当曲率半径较小时，曲率半径变化引起的弯曲损耗变化很大，研究表明，在曲率半径小于光纤的临界半径时，弯曲损耗随曲率半径的变化成指数规律变化。优选地，螺旋管结构的半径略大于、等于或略小于光纤芯101的临界弯曲半径。即螺旋管结构在无外力作用时，螺旋管结构的转弯半径均匀，各处光损耗一致，故在光时域反射仪OTDR上反映为一条斜率一致的直线；当螺旋管结构受外力压缩作用，使螺旋管结构的部分转弯半径变小，光损耗变大，在光时域反射仪OTDR上该处反映更陡的直线，其斜率与螺旋管结构受力大小有关。具体的OTDR图示如图2所示，斜率变化的大小表示受力的大小，斜率变化的位置表示受力的位置。

优选地，光纤芯101外包裹有弹性塑料包层102。如图3所示，弹性塑料包层102包裹该光纤芯，即光纤芯101构成螺旋管结构，弹性塑料包层102也构成螺旋管结构。其中弹性塑料包层102可以采用PU或PVC塑料。

优选地，螺旋管结构外套有硅胶保护套103，如图4所示。增加有硅胶保护套103以避免本实施例的分布式光纤传感器受到损伤。

本实施例的螺旋管结构的半径由光纤芯的临界弯曲半径确定，螺距由测量压力范围和精度确定。即螺旋管结构的螺距与光时域反射仪的测量压力范围及精度匹配。当光时域反射仪的测量压力范围及精度确定后，本实施例的螺旋管结构的螺距也可以确定。螺距不同，光时域反射仪能测量的测量压力范围及精度也不同。

实施例2

本实施例提供的分布式光纤传感器除了具有上述实施例的结构外，在硅胶保护套的内壁还可以设置有螺旋形凹槽。将由光纤芯绕成的螺旋管结构与螺旋形凹槽配合，使每一处的光纤芯嵌入到硅胶保护套内。这样硅胶保护套对光纤芯的保护更全面，而且对分布式光纤传感器的灵敏度影响最小。

实施例3

本实施例还提供一种分布式光纤传感器，该分布式光纤传感器的螺旋管结构的半径为15mm，螺距为5mm。

螺旋管结构在无外力作用时，螺旋管结构的转弯半径均匀，各处光损耗一致，故在OTDR上反映为一条斜率一致的直线；当螺旋管结构受外力压缩作用，使螺旋弹簧的部分转弯半径变小，光损耗变大，在OTDR上该处反映更陡的直线，其斜率与螺线管受力大小有关。如图2所示，在OTDR的图线上，斜率变化的大小表示受力的大小，斜率变化的位置表示受力的位置。

传统的分布式光纤传感器使用OTDR时，采样精度大约是1米左右，而采用本实施例的分布式光纤传感器，采样精度可以小于10cm，这样每次OTDR采用过程中，采样点落在同一区域的情况较少，测量精度高。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种分布式光纤传感器，其特征在于，包括光纤芯；所述光纤芯绕成螺旋管结构。

2.如权利要求1所述的分布式光纤传感器，其特征在于，所述螺旋管结构的半径略大于、等于或略小于所述光纤芯的临界弯曲半径。

3.如权利要求1所述的分布式光纤传感器，其特征在于，所述螺旋管结构的螺距与光时域反射仪的测量压力范围及精度匹配。

4.如权利要求1所述的分布式光纤传感器，其特征在于，所述光纤芯外包裹有弹性塑料包层。

5.如权利要求1所述的分布式光纤传感器，其特征在于，所述螺旋管结构外套有硅胶保护套。