CN210514734U - 一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆 - Google Patents

Abstract

一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，包括位于中心的、内部刻有多个超弱布拉格光栅传感单元的超弱光纤光栅阵列；所述超弱光纤光栅阵列螺旋套接有金属螺旋铠，所述超弱光纤光栅阵列与所述金属螺旋铠内壁之间注入有粘接剂，固化形成粘接点；沿金属螺旋铠轴向交叉编织的金属网；紧密包覆在金属螺旋铠和所述金属网外围的护套；在超弱布拉格光栅传感单元对应位置的护套上涂覆有传感器标记。本实用新型通过预先在选定点上对光栅阵列和金属螺旋铠进行内部粘接，再加工成线性的光缆，利用金属螺旋铠的弹性变形特性实现分布式传感，确保应力应变从被测对象到传感光纤的可靠传递，完全避免了成缆过程中的啁啾问题，成缆工艺简单，工程铺设方便，具有良好的应用前景。

Description

一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆

技术领域

本实用新型涉及应变光缆技术领域，具体涉及一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆。

背景技术

对于诸如桥梁、隧道、路基路面等大型结构和基础设施进行监测时，传统的点式光纤光栅(FBG)传感器很难实现对整个结构的状态进行监测，且随着布设传感器数量的增加，FBG系统的复杂度和成本将会急剧增加。基于布里渊散射的光纤传感器可以实现长距离的分布式传感，在工程结构监测领域广受欢迎，但受激布里渊散射效应的限制，单点上的应变监测精度只有几十个微应变，且系统复杂，实时性差，很难满足高要求监测场合的需要。超弱光纤光栅具有极低的反射率，通过时分/波分复用，极大地提高传感单元的复用数量和空间分辨率，可以实现密集的点式大应变传感，但这种方式仍无法彻底克服准分布式传感存在的问题。如何将超弱光纤光栅传感技术进行改进，在长距离上实现全分布式应变感测，是超弱光纤光栅传感技术面临的一大难题。

超弱光纤光栅阵列(以下简称“光栅阵列”)为了方便运输和施工，往往需要增加多层保护，如对光缆进行螺旋铠装、金属丝编织、纵向铺设凯芙拉纤维、加装外护套等。上述加工提升了光栅阵列的存活能力，但包覆材料越多，传感单元越是无法与被测物体直接接触，容易产生直接或间接的应变传递失真。此外，光栅阵列成缆时对加工应力和微弯非常敏感，传统应变光缆的成缆工艺移植到超弱光栅上会出现明显的问题。例如，中国专利“金属基索状分布式光纤传感器”(专利号：ZL：201110212087.5)提出采用外部钢丝束是以螺旋形式加捻包围缠绕在中心位置的传感光纤光栅串上，在实际成缆过程中，光栅区因涂覆不均、栅区过长以及局部加捻的应力不均等，都会导致严重的光谱啁啾或畸变。

中国专利“一种基于超短弱光栅阵列的应力应变光缆”(申请号：201811184852.5)提出通过缩短光栅长度，有效降低成缆啁啾或畸变的概率，但这对光栅制备及成缆工艺提出了很高的要求，也无法完全避免光栅啁啾的问题。

发明内容

针对现有超弱光栅光缆准分布式感测、光栅啁啾等问题，本实用新型提出了一种制作工艺简单、应变传递效果好、铺设方便的内定点式超弱光纤光栅应变光缆，通过预先在选定点上对光栅阵列和金属螺旋铠进行内部粘接，再加工成线性的光缆，利用金属螺旋铠的弹性变形特性，实现应力应变从被测对象到光纤的可靠传递，完全避免了成缆过程中的啁啾问题；且成缆工艺简单，工程铺设方便，具有良好的应用前景。

本实用新型采取的技术方案为：

一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，包括：

位于中心的、内部刻有多个超弱布拉格光栅传感单元的超弱光纤光栅阵列；

所述超弱光纤光栅阵列螺旋套接有金属螺旋铠，所述超弱光纤光栅阵列与所述金属螺旋铠内壁之间注入有粘接剂，固化形成粘接点；

沿金属螺旋铠轴向交叉编织的金属网；

紧密包覆在金属螺旋铠和所述金属网外围的护套；

在超弱布拉格光栅传感单元对应位置的护套上涂覆有传感器标记。

所述超弱光纤光栅阵列还包括纤芯、包层、第一紧包涂覆层、第二紧包涂覆层；

纤芯刻写有反射率在0.001％～0.1％的超弱布拉格光栅传感单元，纤芯、包层由G.657类的光纤预制棒拉制而成，第一紧包涂覆层涂覆并包裹包层，第二紧包涂覆层涂覆并包裹第一紧包涂覆层。所述第一紧包涂覆层的光纤直径0.17～0.20mm，所述第二紧包涂覆层的光纤直径为0.90mm。

所述金属螺旋铠为内径大于2.0mm的、宽1mm、厚0.3mm的不锈钢带卷绕成型。

所述粘接点是通过扩大选定位置处金属螺旋铠的螺旋间隙，向金属螺旋铠的内孔中注入粘接剂后固化形成，用于将所述金属螺旋铠的应力传递到超弱光纤光栅阵列。

所述护套为PE等工程塑料，厚度大于0.5mm。

根据施工现场的要求，铺设内定点式超弱光纤光栅应变光缆，确保整条光缆处于预拉状态，且光缆与被测对象之间紧密贴合；将应变光缆的一端接入超弱光纤光栅应变分析仪，读出光缆上的所有超弱布拉格光栅传感单元的位置和初始波长，作为初始应变状态值予以保存；根据现场的监测要求设置采样的时间间隔，读取不同时刻的超弱布拉格光栅传感单元的波长变化，根据标定的波长-应变系数，计算出各个超弱布拉格光栅传感单元相对于初始状态的应变变化，显示光缆布设位置上的应力分布。

本实用新型一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，具有以下有益效果：

1)实现了分布式应力/应变的监测：

通过结构创新，利用护套和螺旋铠进行应力/应变传递，将被测对象的应力/应变分段传递给光栅阵列，通过多段衔接，构成长度方向上的全分布式传感，解决了传统超弱光栅只能点式传感的问题。

2)加工简单，性能稳定：

该光缆针对超弱光栅应力/应变监测的需要，通过对传统野战光缆进行改进获得。光缆铠装、编织以及加护套均为自动化，期间辅助少量的人工点胶，即可达到设计目的，加工工艺简单。外护套和金属螺旋铠紧密结合，应力/应变传递效率高，蠕变小，光缆的性能稳定。

3)铺设方便：

整根光缆和普通光缆的外形相同，可以直接沿用普通光缆的铺设工艺，现场施工简单。通过对光栅位置的标记，可有效避免局部弯折对传感点的影响，有效规避盲点。

附图说明

图1为本实用新型的超弱光栅光缆的截面结构示意图；

其中：1为超弱光纤光栅阵列；2为金属螺旋铠；3为粘接点；4为金属丝网；5为护套；6为传感器标记。

图2为本实用新型的应变超弱光纤光栅阵列的结构示意图；

其中：11为超弱光纤光栅；12为纤芯；13位光纤包层；14为第一紧包涂覆层，15为第二紧包涂覆层。

图3为内定点式超弱光纤光栅应变光缆传感系统应用于山地滑坡监测示意图。

具体实施方式

一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，包括：

位于中心的、内部刻有多个超弱布拉格光栅传感单元11的超弱光纤光栅阵列1；

所述超弱光纤光栅阵列1螺旋松散套接有金属螺旋铠2，所述超弱光纤光栅阵列1与所述金属螺旋铠2内壁之间注入有粘接剂，固化形成粘接点3；

沿金属螺旋铠2轴向交叉编织的金属网4；

紧密包覆在金属螺旋铠2和所述金属网4外围的护套5；

在超弱布拉格光栅传感单元11对应位置的护套5上涂覆有传感器标记6。

所述超弱光纤光栅阵列1还包括纤芯12、包层13、第一紧包涂覆层14、第二紧包涂覆层15；纤芯12刻写有反射率在0.001％～0.1％的超弱布拉格光栅传感单元，纤芯12、包层13由由G.657类的光纤预制棒拉制而成，第一紧包涂覆层14涂覆并包裹包层13，第二紧包涂覆层15涂覆并包裹第一紧包涂覆层14。

所述第一紧包涂覆层14的光纤直径0.17～0.20mm，所述第二紧包涂覆层15的光纤直径为0.90mm。为了保证应力/应变的有效传递，取消了传统光纤的滑移层设计，通过双层紧包，可以使超弱光栅阵列的应变量程达到50000με以上，充分发挥超弱光栅大应变的优势，更好的满足不同应变量程监测的需要。

所述多个超弱布拉格光栅传感单元11中心波长可以相同，也可以不同，传感单元之间的间距可以定制。超弱光栅在单光纤可复用上万个传感单元，这种设计充分发挥超弱光栅大容量的优势，通过波分/时分复用，可以进一步提高光栅阵列的空间分辨率和容量。

所述金属螺旋铠2为内径大于2.0mm的、宽1mm、厚0.3mm的不锈钢带卷绕成型。这种设计保证了金属螺旋铠2与直径0.9mm光栅阵列之间的间隙配合，避免因弯曲或挤压产生附加损耗；不锈钢带的宽度和厚度选择，使光缆具备一定的回复功能，可以监测应力/应变的双向变化。

所述粘接点3是通过扩大选定位置处金属螺旋铠2的螺旋间隙，向金属螺旋铠2的内孔中注入粘接剂后固化形成，用于将所述金属螺旋铠2的应力传递到超弱光纤光栅阵列1。

所述金属网4编织密度根据光缆的抗拉强度进行调节，抗拉强度越高，编织密度越高。

所述护套5为PE等工程塑料，厚度大于0.5mm。护套5具有一定的厚度，既能提升了对内部光纤的保护能力，也能有效避免因摩擦等外因导致的破损，防水防潮。

根据施工现场的要求铺设内定点式超弱光纤光栅应变光缆，确保整条光缆处于预拉状态，且光缆与被测对象之间紧密贴合。将应变光缆的一端接入超弱光纤光栅应变分析仪(型号：RS-HFBGA-04,生产厂家：宜昌睿传光电技术有限公司)，读出光缆上的所有超弱布拉格光栅传感单元的位置和初始波长，作为初始应变状态值予以保存。根据现场的监测要求设置采样的时间间隔，读取不同时刻的超弱布拉格光栅传感单元的波长变化，根据标定的波长-应变系数，计算出各个超弱布拉格光栅传感单元相对于初始状态的应变变化。显示光缆布设位置上的应力分布。

本实用新型提出了一种制作工艺简单、应变传递效果好、铺设方便的内定点式超弱光纤光栅应变光缆，通过预先在选定点上对光栅阵列和金属螺旋铠进行内部粘接，再加工成线性的光缆，利用金属螺旋铠的弹性变形特性实现分布式传感，确保应力应变从被测对象到传感光纤的可靠传递，完全避免了成缆过程中的啁啾问题，成缆工艺简单，工程铺设方便，具有良好的应用前景。

Claims (6)

1.一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于包括：

位于中心的、内部刻有多个超弱布拉格光栅传感单元(11)的超弱光纤光栅阵列(1)；

所述超弱光纤光栅阵列(1)螺旋套接有金属螺旋铠(2)，所述超弱光纤光栅阵列(1)与所述金属螺旋铠(2)内壁之间注入有粘接剂，固化形成粘接点(3)；

沿金属螺旋铠(2)轴向交叉编织的金属网(4)；

紧密包覆在金属螺旋铠(2)和所述金属网(4)外围的护套(5)；

在超弱布拉格光栅传感单元(11)对应位置的护套(5)上涂覆有传感器标记(6)。

2.根据权利要求1所述一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：所述超弱光纤光栅阵列(1)还包括纤芯(12)、包层(13)、第一紧包涂覆层(14)、第二紧包涂覆层(15)；

纤芯(12)刻写有反射率在0.001％～0.1％的超弱布拉格光栅传感单元，纤芯(12)、包层(13)由G.657类的光纤预制棒拉制而成，第一紧包涂覆层(14)涂覆并包裹包层(13)，第二紧包涂覆层(15)涂覆并包裹第一紧包涂覆层(14)。

3.根据权利要求2所述一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：所述第一紧包涂覆层(14)的直径0.17～0.20mm，所述第二紧包涂覆层(15)的直径为0.90mm。

4.根据权利要求1所述一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：所述金属螺旋铠(2)为内径大于2.0mm的、宽1mm、厚0.3mm的不锈钢带卷绕成型。

5.根据权利要求1所述一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：所述粘接点(3)是通过扩大选定位置处金属螺旋铠(2)的螺旋间隙，向金属螺旋铠(2)的内孔中注入粘接剂后固化形成，用于将所述金属螺旋铠(2)的应力传递到超弱光纤光栅阵列(1)。

6.根据权利要求1所述一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：所述护套(5)为PE等工程塑料，厚度大于0.5mm。

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