CN212030466U - 一种用于管道的高灵敏微弯检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于管道的高灵敏微弯检测装置，包括激光器，弯曲传感探头和光强探测器，弯曲传感探头包括空芯光子晶体光纤和单模光纤，空芯光子晶体光纤与单模光纤固定连接，激光器的输出端与单模光纤连接，单模光纤的输出端与光强探测器连接。本实用新型采用了大纤芯直径的空芯光子晶体光纤作为弯曲传感探头，相较于传统的弯曲传感探头，所参与弯曲感知的两条干涉光路为分离式的两臂结构，本实用新型本采用的是套环式的干涉双臂，大纤芯的中央模场和外围环形模场构成干涉双臂，对弯曲方向没有要求，因此可以检测任意方向的弯曲变化，极大的增强了实际应用性。

Description

一种用于管道的高灵敏微弯检测装置

技术领域

本实用新型涉及光纤传感领域，尤其涉及一种用于管道的高灵敏微弯检测装置。

背景技术

随着国家用电需求量的不断增加，我国各省市的电网覆盖量不断扩大。考虑到电力资源在地域上的分布不平衡性，长距离的电力传输成为电力资源输送的必要形式，而电力传输过程中的输电线路的稳定性和可靠性成为电力保障的重要一环。输电电路在铺设过程中会经历复杂的环境，外界环境的扰动则会对电缆管道造成影响，管道外部环境的微形变作用在管道之上会造成内部电缆变形，随着时间积累会产生破损等情况，这个是需要精确探测和排查处理，从而保证线路质量和长期稳定性。目前对管道环境的微形变检测手段有限，已有手段包括电信号反馈等，在实际应用中面临诸多问题，一方面微形变造成的信号扰动太小，而该检测方式受到多种其他因素干扰，比如电路本身的噪声信号等；另一方面，该方法无法确定形变发生的位置，给实地排查带来困难。

随着通讯技术的不断发展，尤其是光纤通讯技术的发展，以光纤为载体，构建长距离的线路监控体系，成为实现电力传输线路体系的可靠性和稳定性的有效手段。现有的基于普通光纤微形变探头具有体积小、结构紧凑等优势，由于一般光纤具有较好的抗弯曲的特点，该类器件的弯曲灵敏度响应较低，可适用于形变量较大的检测环境。然而对于电缆线路环境，由于传输距离较远，线路管道弯曲量极低，因此要想实现对造成微弯的潜在不利因素的提早探测和识别，需要采用高灵敏的弯曲探测器件系统。此外，由于传统光纤弯曲传感器件仅对特定方向的弯曲有响应，因此在安装时需要向特定弯曲方向安装，且只能探测指定方向弯曲，因此在实际应用中会存在弯曲信号误报、不报等情况，限制了其使用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于管道的高灵敏微弯检测装置，以解决上述技术问题，达到探测光纤任意方向弯曲，减少弯曲信号误报、不报，提升器件响应弯曲灵敏度的效果。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种技术方案：一种用于管道的高灵敏微弯检测装置，包括激光器，弯曲传感探头和光强探测器，弯曲传感探头包括空芯光子晶体光纤和单模光纤，空芯光子晶体光纤与单模光纤固定连接，激光器的输出端与单模光纤连接，单模光纤的输出端与光强探测器连接。

进一步地，空芯光子晶体光纤截面设置有一个大通孔与若干个小通孔，其中，大通孔设置于空芯光子晶体光纤截面中心，其截面形状为圆形或正多边形，若干个小通孔周向均匀分布在大通孔周围，小通孔形状相同。

更进一步地，空芯光子晶体光纤与单模光纤偏芯熔接。

更进一步地，大通孔截面形状为正三至十边形。

更进一步地，小通孔的数量为3-10个。

更进一步地，激光器为单色激光器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、采用了大纤芯直径的空芯光子晶体光纤作为弯曲传感探头。传统的弯曲传感探头，参与弯曲感知的两条干涉光路为分离式的两臂结构，在空间上为左右或上下分开，因而对弯曲方向有要求，需要弯曲方向与两臂在一个平面内才可实现弯曲探测，在实际应用时存在诸多限制。本发明采用的是套环式的干涉双臂，大纤芯的中央模场和外围环形模场构成干涉双臂，对弯曲方向没有要求，因此可以检测任意方向的弯曲变化，极大的增强了实际应用性。

2、在弯曲传感探头与单模光纤之间引入了错位连接结构。该结构通过将单模光纤的纤芯与空芯中央错开，使得光能量得以耦合到光子晶体光纤纤芯靠近外围的环状模场中，扩大了两个干涉光路之间的空间距离，由于传感器的弯曲灵敏度直接受两个光路的空间距离的影响：空间上分开的越远，则弯曲灵敏度越大，因此该错位的结构可以有效地提高器件对弯曲的响应灵敏度，增强对微弯信号的感知效率。

3、采用单色波长输入方式进行信号反馈，通过搜集激光强度变化反应出弯曲程度，简化了信号处理方式，节省了系统成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例弯曲传感探头的结构示意图；

图3为本实用新型实施例空芯光子晶体光纤的截面图；

图4为本实用新型实施例弯曲传感探头的宽带输出光谱图；

图5为本实用新型实施例对微弯信号的光强响应图；

图中，1-激光器，2-弯曲传感探头，3-光强探测器，4-电缆管道，5-单模光纤，6-空芯光子晶体光纤，7-大通孔，8-小通孔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实用新型公开了一种用于管道的高灵敏微弯检测装置，包括激光器1，弯曲传感探头2和光强探测器3，弯曲传感探头2包括空芯光子晶体光纤6和单模光纤5，空芯光子晶体光纤6与单模光纤5固定连接，激光器1的输出端与单模光纤5连接，单模光纤5的输出端与光强探测器3连接。

进一步地，空芯光子晶体光纤6截面设置有一个大通孔7与若干个小通孔8，其中，大通孔7设置于空芯光子晶体光纤6截面中心，其截面形状为圆形或正多边形，若干个小通孔8周向均匀分布在大通孔7周围，小通孔8形状相同。

更进一步地，空芯光子晶体光纤6与单模光纤5偏芯熔接。

更进一步地，大通孔7截面形状为正三至十边形。

更进一步地，小通孔8的数量为3-10个。

更进一步地，激光器1为单色激光器。

实施例：所述检测装置采用空心光子晶体光纤6为弯曲传感探头2，去除弯曲方向的不可预测性造成的信号误差，通过将在空芯光子晶体光纤6与单模光纤5之间引入错位，增加了光信号的耦合强度，实现对弯曲灵敏度的大幅提升。

本实用新型的核心部件为基于空芯光子晶体光纤6的弯曲传感探头2，所采用的空芯光子晶体光纤6结构图如图3所示，为九孔光子晶体光纤，其结构特征为：外径140微米，中央为八边形空芯大通孔7，直径35微米；八边形大通孔7周围为八个形状相同，环绕排列的小通孔8。九孔光子晶体光纤与信号传输的单模光纤5的连接方式如图2所示，空芯光子晶体光纤6与单模光纤5直径尺寸存在差异，采用偏芯熔接的方式实现连接。将两端的单模光纤5的纤芯与空芯光子晶体光纤6的大通孔7中心沿着光纤横向错开10微米的距离，从而获得高的模式能量耦合效率，提高光谱对比度。然后采用优化的熔接参数连接，实现弯曲传感探头2的构建。

如图1所示，弯曲传感探头2安装在目标管道区域时，将空芯光子晶体光纤6两端沿着管道延伸方向固定在探测管道两点。安装不需考虑弯曲传感探头2旋转方向。两侧的单模光纤5根据现场实际情况铺设光路，分别与输入激光器1和光强检测器3连接。图4为宽带输入下弯曲传感探头2的光谱曲线图，激光器1为单色激光器，波段处于1530nm到1555nm波段，根据弯曲传感探头2的光谱曲线图，选取透射峰斜边中央处对应的波长为激光器1的波长。光强探测器3的工作波段对应激光器1波段。弯曲传感探头2安装处的管道发生微小弯曲时，光强检测器3测得的光强会发生相应的变化，如图5所示，随着微弯量的增加，光强探测器3所收集的光强信号会逐渐的变大，呈现图5曲线的规律，该变化规律将作为判断微弯程度的标准。

本实用新型还公开了本实用新型装置的制作及使用方法，包括以下步骤：

步骤1：将图3的空芯光子晶体光纤6按照特定要求以图2的方式进行连接，构成弯曲传感探头2。图3的空芯光子晶体光纤6选取长度为2cm长度，与单模光纤5的熔点处有10微米的错位量。将弯曲传感探头2两侧的单模光纤5将设备参照图3所展示的方式与激光器1和光强检测器3连接。

步骤2：选取管道路线弯曲监测点，按照要求安装弯曲传感探头2。

步骤3：将弯曲传感探头2两侧单模光纤5连接激光器1和光强检测器3，铺设光纤光路。根据器件的光谱特征，如图4所示，选取干涉条纹的斜边中间波长为输入激光单色波长，该波长选择为1530nm。

步骤4：通过将激光波长为1530nm的激光输入到该弯曲传感探头2，然后在探头的地方引入微弯量，弯曲的曲率值从0增加到1m-1，同时检测光强探测器3的光功率值，可以获得每个曲率所对应的光功率大小。曲率与光功率的对应关系如图5所示。在实际应用时，观测人员通过监测接收端光功率变化情况，依照图5的对应关系，可以获得弯曲传感探头2对应的弯曲程度(曲率大小)。

以上所述为本实用新型的一种实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于管道的高灵敏微弯检测装置，其特征在于，包括激光器，弯曲传感探头和光强探测器，所述弯曲传感探头包括空芯光子晶体光纤和单模光纤，所述空芯光子晶体光纤与单模光纤固定连接，所述激光器的输出端与单模光纤连接，所述单模光纤的输出端与光强探测器连接。

2.根据权利要求1所述的用于管道的高灵敏微弯检测装置，其特征在于，所述空芯光子晶体光纤截面设置有一个大通孔与若干个小通孔，其中，所述大通孔设置于空芯光子晶体光纤截面中心，其截面形状为圆形或正多边形，若干个所述小通孔周向均匀分布在大通孔周围，所述小通孔形状相同。

3.根据权利要求2所述的用于管道的高灵敏微弯检测装置，其特征在于，所述空芯光子晶体光纤与单模光纤偏芯熔接。

4.根据权利要求2所述的用于管道的高灵敏微弯检测装置，其特征在于，所述大通孔截面形状为正三至十边形。

5.根据权利要求2所述的用于管道的高灵敏微弯检测装置，其特征在于，所述小通孔的数量为3-10个。

6.根据权利要求1-5任一项所述的用于管道的高灵敏微弯检测装置，其特征在于，所述激光器为单色激光器。

Images