CN2664005Y - 栅网式光纤微弯传感器 - Google Patents

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袁树忠
张伟刚
开桂云
董孝义
孙磊
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Abstract

本实用新型涉及一种光纤传感器，特别是栅网式光纤微弯的传感器。本新型将光纤对称穿插进一个网状结构中，形成周期性微弯结构，通过光纤的伸长和收缩对微弯结构进行调制，根据检测光纤中光功率损耗情况可感知光纤的伸长和收缩，即可感知外界参量的变化。其具体结构是：它包括光纤和栅网，栅网是平面长条形，光纤从栅网的一端穿入栅网，在网丝之间上下翻转、成正弦状周期性微弯穿过栅网，从栅网的另一端穿出栅网，在栅网两端用环氧树脂粘在要测量的管道上。光纤可以是通信用单模、多模玻璃光纤，也可以是塑料光纤。本新型结构简单、成本低廉，灵敏度高，重复性好，可用于拉伸、压缩应变和弯曲形变测量，特别适用于长距离管线的连续实时监测。

Description

栅网式光纤微弯传感器
技术领域
本实用新型涉及一种光纤传感器，特别是适用于长距离管线的连续实时监测的光纤微弯的栅网式传感器。
背景技术
栅网式光纤微弯传感器是根据光纤的微弯损耗现象而设计的，其原理是根据光纤受被测参量调制而发生弯曲产生微弯损耗，通过探测光纤中传输光的损耗而检测被测参量。光纤编织于一个条形网状结构中，光纤两端固定在待测管道上，当光纤受被测参量调制而长度变化时，光纤受网的侧压力而产生弯曲，并且弯曲振幅发生变化，这时光纤中通过的光信号损耗就会发生变，由此可检测被测参量的变化。由于该种光纤传感器具有结构简单、易于实用化的特点而受到广泛关注。该传感器的设计关键是要寻求有效的方法和途径将被测参量的变化转换为光纤微弯量的变化。目前该原理已被研究开发用于位移、压力、加速度、应变、声波等参量的检测中，而在对应变检测问题上虽已有文献研究，但至今未能有效解决管道弯曲形变的检测问题。
本实用新型的目的在于提供一种能够检测管道弯曲形变、拉伸、压缩应变的光纤微弯传感器。本实用新型的技术方案：它包括光纤和栅网：栅网3是平面长条形，长不限，网丝2的间距(厘米级)和网丝直径(毫米级)根据具体情况定。光纤1从栅网的一端中间穿入栅网，在网丝之间上下翻转、呈正弦状周期性微弯穿过栅网，从栅网的另一端中点穿出栅网，在栅网两端用环氧树脂4粘在要测量的管道5上。不同结构尺寸的光纤传感器，要单独定标。栅网3沿着被测量的管道5的方向放置，每隔一段距离用捆绑丝6固定在要测量的管道5上。
本实用新型的有益效果：不仅拥有一般光纤传感器的优点，例如柔软可弯，抗电磁干扰等。与传统的光纤微弯传感器相比，结构大大简化，体积缩小，成本降低；消除了活动部件，增加了可靠性；对应于测量应变的弧形弹性片式光纤微弯传感器，本实用新型不仅可测应变，而且传感器长度可任意长，特别适合检测管道形变。综上所述，本实用新型结构简单、成本低廉，灵敏度高，重复性好，可用于拉伸、压缩应变和弯曲形变测量，其中特别适用于长距离管线的连续实时监测，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本实用新型的截面剖视图
图2是本实用新型的传感器和管道的捆绑示意图
图3是本实用新型的俯视图
图4是本实用新型测管道弯曲形变时，管道凸起示意图
图5是本发明测管道弯曲形变时，管道凹下示意图.
图6是图4的试验曲线图.
图7是图5的实验曲线图
其中：1.光纤  2.网丝  3.栅网  4.环氧树脂  5.管道  6.捆绑丝
具体实施方式
图1-3中给出的是栅网式光纤微弯传感器结构示意图。
栅网式光纤微弯传感器，它包括光纤1和栅网3，栅网是平面长条形，长不限，网丝2的间距和网丝直径根据具体情况决定，光纤1从栅网的一端中间穿入栅网，在网丝之间上下翻转、成正弦状周期性微弯穿过栅网，从栅网的另一端中点穿出栅网，在栅网两端用环氧树脂4粘在要测量的管道5上。
平面长条形栅网3是沿要测量的管道5的方向放置，每隔一段距离用捆绑丝6固定在要测量的管道5上。
光纤可以是普通通信用单模、多模玻璃光纤，也可以是塑料光纤。
实施例
实验用6米长不锈钢管作为待测管道，用铁丝网作为传感器主体结构。实验中使用的普通多模通信光纤具有下列参数：
光纤芯直径               62.5μm
包层直径                 125μm
由图1的剖视图可看出，光纤呈正弦形穿插在铁丝网的铁丝之间，形成周期性微弯结构。网格长(即铁丝间距)1cm，铁丝直径2mm.由图3的俯视图可看出，光纤在传感器中沿条状方向呈直线放置，而传感器也沿管道方向放置。由图2的侧视图可看出，传感器封装后沿管道方向贴在管道上，每隔一段距离由铁丝固定。
当光纤完全松弛时，微弯结构产生的损耗很小，甚至可以忽略。当光纤中存在纵向拉伸张力时，由于光纤与铁丝网的穿插结构，铁丝网中的铁丝阻碍了光纤的拉直趋势，对光纤产生侧向压力，使光纤与铁丝的接触点上光纤的弯曲半径变小，产生损耗。光纤的拉力越大，损耗也越大。当给光纤一个预加拉力时，这种传感器即可根据光纤拉伸测拉力，又可根据光纤收缩测压力。同时，预加拉力不同，传感器的灵敏度也不同。拉力较小时，灵敏度小；拉力太大，虽然可得到大的灵敏度，但光纤易拉断。因此实用中要根据实际需要选择预拉力。
由图1-3可看出，本实用新型的一个重要特点在于条形网状结构的长度，即传感器的长度可以是任意长，因此特别适合于管道的监测。图4给出了测管道弯曲形变时，管道凸起情况示意图。由图中可看出，光纤固定在管道上(实验中以环氧树脂固定)。因此当传感器处于凸起的一边时，光纤被拉长，纵向拉力变大，导致传感器中光纤弯曲变径变小，损耗变大。图6是图4的实验数据图，图中可看出，管道弯曲位移越大，相对光功率越小，二者呈线性关系，线性拟合度大于99％。图5是管道凹下情况示意图，当传感器处于凹下的一边时，光纤收缩，纵向拉力变小，导致损耗变小。图7是图5的实验数据图，管道弯曲位移越大，相对光功率越大，二者呈线性关系，线性拟合度大于99％。图4和图5使用的是两个传感器，由于预加拉力不同，分辨率也不同。图5的预拉力较大，分辨率也较高，达到了74.7μm，完全可满足一般的管道形变监测。因为栅网式光纤微弯传感器具有双向传感特性，实用中可用两个传感器配置在管道截面的x，y方向上，即可监测管道任意方向的形变。
利用本实用新型还可组成连续分布检测系统，即将多个传感器沿着光纤串接起来，每个传感器可覆盖一定距离，传感光纤可达数十公里长，通过光时域反射技术可检测光纤上各点的形变状态，此方法特别适用于长距离管线的实时监测。

Claims (3)

1.一种栅网式光纤微弯传感器，它包括光纤和栅网，其特征在于：栅网(3)是平面长条形网格，光纤(1)从栅网的一端中点穿入栅网，在网丝之间上下翻转、成正弦状周期性微弯穿过栅网，从栅网的另一端中点穿出栅网，在栅网两端用环氧树脂(4)粘在要测量的管道(5)上。
2.根据权利要求1所述的栅网式光纤微弯传感器，其特征在于：平面长条形栅网(3)要沿着被测量的管道(5)的方向放置，用捆绑丝(6)固定在被测量的管道(5)上。
3.根据权利要求1所述的栅网式光纤微弯传感器，其特征在于：光纤可以是普通通信用单模、多模光纤，既可以是石英光纤，也可以是塑料光纤。
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