CN214276966U - 一种光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种光纤光栅传感器，包括一光纤接头，由光纤接头探出的带有光纤光栅的光纤；所述光纤的另一端为封闭端，或延伸进另一光纤接头；所述光纤的外侧套接有弹性较好的无缝管，该无缝管一端与光纤接头相连接，另一端为封闭端或与所述的另一光纤接头相连接，且与光纤在长度方向上同步形变。通过采用弹性较好的无缝管对光纤光栅传感器上体部分进行封装并给传感器加上光纤接头，使得光纤光栅传感器在无缝管保护下不仅具备了高抗拉、高抗压，总体高强度、耐酸、碱、盐等腐蚀的特性，而且在进行应变测量时具有大量程的特点，同时便于施工时的连接。

Description

一种光纤光栅传感器

技术领域

本申请涉及光纤传感器技术领域，更具体地说，涉及一种光纤光栅传感器。

背景技术

光纤光栅是位于光纤内部的光栅，利用其能够使光纤的反射或折射率发生周期性改变的特性，常常被用于做传感使用；由于光纤光栅本身就是光纤的一部分，因此在本申请说明书中称之为“带有光纤光栅的光纤”。配合相应的测量设备，光纤光栅可被用于测量一些自然界的基本物理量，如应变、应力、温度等外界信息。

由于带有光纤光栅的光纤具有天然的脆弱性，因此并不适用于大部分的实际工程应用，仅能应用于实验室研究阶段，为解决此问题，需要在光纤光栅外面加上保护，这个过程我们也可以称之为光纤光栅传感器的封装。完成以上工作后，其产品我们可以称之为光纤光栅传感器，也可以根据其测试的物理量称之为光纤光栅应变传感器、光纤光栅应力传感器、光纤光栅温度传感器等。

由于光纤材料本身的特性，光纤光栅传感器内测试主体的脆弱性是困扰业界多年的问题，尤其限制了光纤光栅在一些特殊环境甚至极端环境下的应用，比如高拉力、高压力及酸碱盐等带有腐蚀性的环境，使得光纤光栅传感器在实际工业应用中受到极大制约。

传统上光纤光栅管式封装材料多为不锈钢，而不锈钢这种材料的弹性形变较小，一般来说超出2000微应变时就无法完全回弹，因此这样封装出来的光纤光栅传感器被用于应变测量时，其有效量程也不会超出2000微应变，这使得光纤光栅传感器无法被用于大应变量的测量环境。

除了少数的产品(如本公司ZL201821345883.X和ZL201920748913.X专利所涉及产品)，传统管式封装的光纤光栅传感器大多数比较粗，封装主体直径常常有6毫米，10毫米，甚至12毫米，在很多空间受限的位置无法放置，这也限制了光纤光栅传感器的使用范围。

申请内容

本申请的目的在于提供一种光纤光栅传感器，以解决光纤光栅传感器内的测试主体脆弱、传统封装材料弹性形变较小因此导致传感器用于应变测量时量程小、传统封装直径较大不符合传感器小型化趋势且无法放置在空间受限的位置因此应用范围窄等问题。

本申请的目的是通过以下技术方案实现的：

本申请提出一种光纤光栅传感器，包括一光纤接头，由光纤接头探出的带有光纤光栅的光纤；所述光纤的另一端为封闭端，或延伸进另一光纤接头；所述光纤的外侧套接有无缝管，无缝管一端与光纤接头相连接，另一端同样为封闭端或与所述的另一光纤接头相连接且该无缝管与所述光纤在光纤长度方向同步形变。

通过采用带有足够强度且与在光纤长度方向上与光纤同步形变的无缝管对光纤光栅传感器主体部分进行封装，使得光纤光栅传感器在无缝管保护下具备了高抗拉、高抗压，总体高强度以及耐酸、碱、盐等腐蚀的特性。

由于采用在光纤长度方向上高弹性的无缝管材料对光纤光栅进行封装的缘故，使得光纤光栅传感器具备了弹性形变大的特性，因此能够被用于量程更大的测量需求。

由于采用较细的无缝管材料对光纤光栅进行封装的缘故，使得光纤光栅传感器主体部分直径降至3.2毫米及以下，使得光纤光栅传感器能够被用于更多空间受限的应用环境。

这样，本申请的技术方案不仅解决了带有光纤光栅的光纤的脆弱性问题，由于传统金属管或合金管封装形变小因此被用于应变测量时传感器量程小的问题，同时传统光纤光栅传感器直径较大在某些时候空间受限的问题也一同解决。

一、本申请所述光纤光栅传感器由以下四部分组成：

1、光纤接头：本光纤光栅传感器的光纤接头为传感器的一部分，光纤接头类型为市面常用接头，附图中所显示光纤接头仅为示意。光纤接头作用为密封保护和固定光纤，同时把光纤光栅传感器连接至光传输网络或各种光纤光栅传感设备(光纤光栅传感器本身只有探测和传输作用，并不能直接显示温度、应变、应力等信息，这些信息都由光纤光栅传感设备给出)。

2、光纤光栅传感器主体内带有光纤光栅的光纤：光纤光栅传感器的主要感应部分，也是后续封装的主要对象，可以是一根也可以是多根，光纤上的光纤光栅为单点光纤光栅或多点光纤光栅，而由于可用于刻写光纤光栅的光纤种类非常多，光纤光栅的种类也非常多，因此这里所述光纤/光纤光栅并无限制，光纤所包含光纤光栅的数量也没有限制，光纤光栅的长度目前没有限制，总长度可以从几厘米到几百米范围。

3、光纤光栅传感器主体封装：光纤光栅传感器主体封装结构为单层，采用与光纤同步应变的无缝管进行封装，其中玻璃纤维管和碳纤维管是比较常用的，依据使用环境不同，也可以是各种橡胶管或树脂管。封装后的传感器主体部分的外径一般为0.6mm、0.9mm、2.0mm、3.0mm(这四种尺寸为典型尺寸)，目前来看，无缝管的外径一般不大于3.2mm，不小于0.2mm。

4、光纤光栅传感器封闭端封装；对于单端光纤光栅传感器来说，光纤光栅传感器封闭端不仅具有密封保护光纤的作用，而且具有固定光纤的作用。本申请涉及的传感器光纤与封闭端多为一体结构，如采用胶水密封，焊接密封，端帽密封(如端帽中置入胶水或有机无机焊料，端帽和无缝管也可同时辅以内外螺纹)等；当然，也可以是非一体结构，如通过夹具进行夹持封闭等。以上所述多种封闭形式也可组合使用。

]对于双端光纤光栅传感器的结构来说，光纤光栅传感器的两端均为光纤接头，光纤接头类型可以相同，也可以不同，双端的光纤光栅传感器可以串联使用。

另外，本申请涉及的光纤光栅传感器也同样适用于应力、应变或弹性形变之外的参数测试，比如温度测试、角度测试等。

当然，本申请在具体实施中有很多优选的实施例或实施方式：

优选地，所述无缝管为玻璃纤维管。

优选地，所述无缝管为碳纤维管。

优选地，所述无缝管为橡胶管。

优选地，所述无缝管为树脂管。

优选地，所述光纤延伸进封闭端。

优选地，所述光纤上的光纤光栅为单点光纤光栅或多点光纤光栅。

优选地，包覆所述光纤后的无缝管外径为02～3.2毫米。

二、内部的整体连接

光纤光栅传感器的传感和通信功能都由内部光纤和光纤光栅完成，因此通常包含了光纤光栅的光纤从光纤接头头部一直延伸至封闭端或另一光纤接头。

在光纤光栅传感器光纤接头部分，光纤插入光纤接头，通过专用设备磨接、卡接或压接形成接头，可以直接连接至光传输网络或与各种接头匹配的设备。

在光纤光栅传感器主体部分，带有光纤光栅的光纤为直接置入，也可以在此处给带有光纤光栅的光纤包裹各种缓冲和增强材料，如尼龙纤维、凯夫拉纤维等(非必须)，主体内部可以是空气，也可以填充氮气或惰性气体用以保护光纤(非必须)，还可以是液体如导热油等(非必须)。

目前现有比较好的光纤光栅传感器的封装可能是金属管封装或金属片表贴，但是金属的弹性形变或应变是非常小的，其弹性形变、应变范围基本不大于2000微应变，而目前常用的光纤光栅应变范围为10000微应变，最大已能达到50000微应变，因此金属管封装光纤光栅传感器无法在一些大量程情况下、需要封装结构与光纤同步应变或形变的情况下使用。本申请采用高弹性玻璃纤维管/碳纤维管/橡胶管/树脂管等材料对光纤光栅做密封保护，封装结构在具有足够的强度的同时与光纤在长度方向上同步形变，增加传感器强度的同时也扩大了传感器的形变、应变量程，扩大了光纤光栅传感器的应用范围。

目前现有比较好的耐酸、碱、盐等腐蚀的光纤光栅传感器的封装可能是金属管封装，但是能够抵御酸、碱、盐等腐蚀的金属造价昂贵，本申请采用玻璃纤维管/碳纤维管/橡胶管/树脂管等材料对光纤光栅做密封保护，用较低的成本实现了光纤光栅传感器耐酸、碱、盐等腐蚀的封装特性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请的单端光纤光栅传感器结构示意图；

图2为本申请的双端光纤光栅传感器结构示意图；

其中：1-带有光纤光栅的光纤，2-无缝管，3-光纤接头，4-密封端

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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方式，都属于本申请所保护的范围。

以下，参照附图对实施例进行说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的申请内容起任何限定作用。

请参考图1～2，本具体实施方式提供了一种光纤光栅传感器，包括带有光纤光栅的光纤1，在本申请的技术方案中，光纤1主要指在光纤接头3与密封端4之间(如图1)或光纤接头与光纤接头之间(如图2)的一段带有光纤光栅的光纤，其中光纤1可以为一根也可为多根；光纤1上的光纤光栅可以是单点也可以是多点。光纤光栅传感器还包括套接在带有光纤光栅的光纤1外侧的无缝管2。参考图2，无缝管2的两端分别与光纤接头相连接，或者，参考图1，无缝管2的一端与光纤接头3相连接、另一端为密封端4，带有光纤光栅的光纤1从光纤接头3一直延伸至密封端4，或者从光纤接头3一直延伸至另一光纤接头。无缝管2在光纤1的长度方向上与光纤同步形变。光纤接头3用于连接光传输网络或各种光纤光栅传感设备，光纤光栅传感器本身只有探测和传输作用，并不能直接显示温度、应变、应力等信息，这些信息都由光纤光栅传感设备给出。通过采用较高强度及较高弹性的无缝管对带有光纤光栅的光纤进行封装后的光纤光栅传感器具有应变量程大、高抗拉、高抗压、耐磨、耐腐蚀的特性，使光纤光栅传感器的适用范围极广，可地埋，可表贴，可插入，可布放于油、水、腐蚀性气体液体、辐射等环境，扩大了光纤光栅传感行业的行业应用。

本实施例的其中一个方案中，采用玻璃纤维管封装最大应变值为10000微应变的光纤光栅，封装后的传感器测试至10000微应变后未发生损坏回弹正常，该方案传感器量程明显优于金属管封装的光纤光栅传感器。

本实施例的其中一个方案中，采用碳纤维管封装最大应变值为10000微应变的光纤光栅，封装后的传感器测试至10000微应变后未发生损坏回弹正常，该方案传感器量程明显优于金属管封装的光纤光栅传感器。

本实施例的其中一个方案中，采用丁腈橡胶管封装最大应变值为50000微应变的光纤光栅，由于丁腈橡胶具有非常良好的弹性，封装后的传感器测试至50000微应变后仍末发生损坏回弹正常，该方案传感器量程远远优于金属管封装的光纤光栅传感器，也使得丁腈橡胶成为目前形变量最大的封装材料。

本实施例的其中一个方案中，采用环氧树脂管(又称玻璃钢)封装最大应变值为10000微应变的光纤光栅，封装后的传感器测试至10000微应变后未发生损坏回弹正常，该方案传感器量程明显优于金属管封装的光纤光栅传感器。

基于本实施例的光纤光栅传感器，也可用于应力测量，此时又可被称为光纤光栅应力传感器，如采用直径3毫米壁厚0.3毫米的玻璃纤维管封装普通光纤光栅，拉力测试至2500牛传感器未发生损坏；采用直径2毫米壁厚0.5毫米的碳纤维管封装普通光纤光栅，拉力测试至5000牛传感器未发生损坏。如果此时改变玻璃纤维管和碳纤维管的直径和壁厚，则光纤光栅传感器的最大应力量程和最小可测应力均会随之发生变化，这有助于扩大传感器的可用范围。

基于本实施例的光纤光栅传感器，在不受外力或除去外力影响的情况下，也可用于温度测量，此时又可被称为光纤光栅温度传感器。如采用直径3毫米的玻璃纤维管和直径2毫米的碳纤维管分别封装普通光纤光栅，温度测试从室温至120摄氏度传感器均未发生损坏。

基于本实施例的光纤光栅传感器，有时也具有良好的弯曲形变回弹能力，可应用于角度测量。如采用直径3毫米的玻璃纤维管和直径2毫米的碳纤维管分别封装普通光纤光栅后对其进行弯曲，弯曲半径约20厘米，传感器总弯曲角度超过90度，保持半小时后松开，传感器未发生损坏且回弹正常。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光纤光栅传感器，包括一光纤接头(3)，由光纤接头探出的带有光纤光栅的光纤(1)；所述光纤的另一端为封闭端(4)，或延伸进另一光纤接头；所述光纤(1)的外侧套接有无缝管(2)，其特征在于该无缝管(2)一端与光纤接头(3)相连接，另一端同样为封闭端(4)或与所述的另一光纤接头相连接，且无缝管(2)在光纤长度方向上与所述光纤(1)同步形变。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述无缝管(2)为玻璃纤维管。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述无缝管(2)为碳纤维管。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述无缝管(2)为橡胶管。

5.根据权利要求4所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述无缝管(2)为丁腈橡胶管。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述无缝管(2)为树脂管。

7.根据权利要求6所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述无缝管(2)为环氧树脂管。

8.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤(1)上的光纤光栅为单点光纤光栅或多点光纤光栅。

9.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤(1)延伸进封闭端(4)。

10.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，包覆所述光纤后的无缝管(2)外径为0 2～3 2毫米。

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