CN102288125A - 金属基索状分布式光纤传感器 - Google Patents

Abstract

金属基索状分布式光纤传感器，带有护套的中心传感光纤被周围的6根金属丝加捻包围绕在芯部，构成金属基索分布式光纤传感器。尤其是带有护套的传感光纤与金属丝的直径相同，与周围6根金属丝紧包接触。外部钢丝束是以螺旋形式包围缠绕中心传感光纤，中心传感光纤保持直线不缠绕。位于索中心的光纤（缆）被6根直径相匹配的钢丝螺旋状紧密缠绕，形成具有对应变和温度能直接感知的金属索体。该结构的传感光缆，不仅感测光纤与***加筋钢丝及待测物紧密接触，实现了对钢丝索及周围待监测物的应力应变的分布式监测，同时利用高强度的钢丝来保护纤细脆弱的感测光纤，使其抗拉强度、抗冲击破坏及抗弯曲性能均得到显著提高。

Description

金属基索状分布式光纤传感器

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术，属于传感器技术领域。

背景技术

分布式光纤传感技术是近年来国际上发展起来的新型监测技术和方法，它在实际监测应用中不仅具有光纤所固有的抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好、体积小、重量轻等优势，还具有分布式、长距离等众多优点，备受工程监测领域的科技人员日益青睐。分布式光纤传感技术凭借其能够实现大范围测量场中相关信息的提取而受到广泛应用，实现了目前测量领域众多测量难题的突破，比如：分布式应变传感器目前可用于桥梁、堤坝、边坡、构筑物桩基础、隧道等设施的安全检测，在航天、航空领域、智能材料制备等领域也有相关应用；分布式温度传感器目前可用于水电发电机组、油井的温度分布测量，大型仓库、油库、高层建筑、隧道和矿井的火灾防护及报警***等领域。

光纤自身纤细脆弱，且接续繁琐，在工程铺设施工和后期监测过程中，极易遭受破坏，使其在工程监测领域应用受到很大限制。目前监测领域中使用的传感光缆大都采用现成的通讯光缆和电缆光缆，其特征是通过松套结构使其与外界变形及热量形成了很好隔离，再加上坚硬的外套，使得内部纤芯得到了很到有效保护，可是此类光纤无法对应变和温度进行有效传导测试。部分皮线光缆、自承式光缆及GFRP光缆等紧包光缆也被用于传感，但其自身强度脆弱，还无法在实际工程规模应用。因此随着监测需求的不断扩大，研制出出抗破坏能力强、施工简单、传感性能优越的紧包传感光缆具有极大的意义。

另外，各类由金属丝绞合成的缆索在工程中得到了广泛应用，缆索体的内力、腐蚀及损伤监测一直是个难点问题，将传感器植入到缆索中进行测试监测为一种先进的方法技术，如专利200910145153.4发明的智能型缆索光纤光栅应变传感器，把光纤光栅植入缆索中，进行多点式温度/应变监测。若将分布传感光纤在成缆过程同步植入到缆索中，形成智能缆索，实现对缆索体温度/应变的分布式测试，对缆索的安全监测是一项极大的创新性技术突破。

本发明基于分布式光纤传感器技术的基础，将分布式传感光纤在缆索制造过程中同步植入其中，通过***钢丝束紧包保护，发明出不仅可对自身内力及温度有效分布式监测的智能缆索，而且还可用于众多工程体分布式安全监测的传感光缆。

发明内容

本发明目的是：（1）解决光纤传感器在工程监测领域应用受到很大限制的问题，克服现有技术在应用中的众多不足，对普通光纤进行特殊封装保护，形成一种安装便捷、抗拉强度高的紧套分布式传感光缆，大幅提高分布式光纤传感技术在工程检测领域应用时的实效性、敏感性和便捷性。（2）通过将光纤植入缆索体，实现对缆索自身内力和温度分布的监测，解决了缆索体监测难的问题。

本发明的技术方案是：一种分布式光纤传感器，带有护套的中心传感光纤被周围的6根金属丝加捻包围绕在芯部，构成金属基索分布式光纤传感器。

本发明的改进是：带有护套的传感光纤与金属丝的直径相同，与周围6根金属丝紧包接触。外部钢丝束是以螺旋形式包围缠绕中心传感光纤，中心传感光纤保持直线不缠绕。

中心传感光纤设有弹性和延展性护套。

传感光纤是多模或者单模的光纤，结构是单芯或多芯结构。

传感光纤是紧套光纤或在温度传感单独目标监测时用松套光缆。

本发明吸收钢绞线和钢绳生产技术，将带有护套且直径与绞线相匹配单模或多模光纤替换原有中心金属钢线（丝），利用***6根金属丝加捻缠绕在保护，形成如图1所示的金属基索分布式光纤传感缆索。通过布里渊光时域反射技术（BOTDR）、受激布里渊光时域分析技术（BOTDA）及拉曼光时域发射技术（ROTDR）等分布式光纤传感技术进行解调测试，达到分布式监测的目的。

本发明金属基索状分布式光纤传感不仅可对缆索自身应变进行测试，而且可埋设浇筑于混凝土及岩土体中进行工程体内部应力应变监测，或通过夹具安装被测物表面进行分布式的应变、温度监测。    

本发明具有如下传感特征，

1、分布式传感特征：传感器解调采用分布式传感技术，即索状传感器上个点均为传感点。2、多目标监测：护套中的传感光纤可采用紧套单模光纤、松套单模光纤、多模光纤等以满足不同的解调技术和传感目的，亦可同时放入多种类型纤芯实现变形与温度的同时监测。

本发明的有益效果是： 

1、金属钢丝索状的螺旋形状可以将内部纤芯紧紧包围，提升其与被测物体的耦合性，提高应变的传递性；

2、可根据实际需求绞合成各种适应直径的传感绞线，适合不同目的需求；

3、外包的金属钢丝束具有很大的抗拉和抗折强度，在尺寸上完全覆盖保护中心的传感光纤，可以更好的保护中心的传感光纤；金属钢丝索状的特殊封装保护可以大幅度提高光纤传感器在工程检测领域应用时的成活率和灵敏度。

4、加快了内芯光纤对外界温度的反应时间，提升温度监测的时效性。

总之，本发明实现了在一些条件恶劣的环境中应用；另外利用导热快的金属加筋外套包裹，热传导性能特到提升，响应时间得到有效缩短，提升了分布式测温***的有效性。该结构的分布式传感光缆可配套BOTDR、BOTDA、ROTDR以及OTDR等分布式光纤传感技术进行使用，具有变形耦合性好、灵敏度高、强度高、安装便利、分布式监测等特点。可用于隧道、桥梁、大坝及等工程体的表面应变、内部变形及温度等内容的分布式监测；可用于边坡锚索、混凝土预应力索、提升缆索及桥梁拉索等钢索体内力监测；也可作为光纤光栅、白光干涉等其他光纤传感***的信号传输线缆。

附图说明

图1   本发明的实物结构图。

图2   本发明的截面结构示意图。

具体实施方式

   金属索状的材料具备一定的强度，满足一定的延展性、可变形性、可机械加工性以及抗腐蚀性等要求。所述金属丝为钢丝，也可以铜、铝、不锈钢等金属制备的金属丝。如图所示：1 钢丝束 、2 带护套光纤、 3 涂敷层、4 包层 、5 光纤纤芯。其实施过程为：

（1）    制备传感纤芯

本发明中所用的传感纤芯为普通单模或多模纤芯，紧包结构，其直径为所要成缆直径的1/3，或略大，以便能够保证在绞制过后内部纤芯和外层金属钢丝紧密接触，同步变形。光纤的外包层具有一定弹性，能够起到缓冲外界压力的作用，防止纤芯在绞制过程中挤压损伤。根据测试目的不同，纤芯还可采用多芯结构。

（2）光纤绞合植入

带有护套的传感光纤放置于7芯绞线的中心，6根金属丝在其***按照统一方向和一定角度绞合，紧紧绕在直的带有护套的传感光纤上，形成一绳状或索状。此实施过程中，传感光纤一直保持是直线，保证了其光路的畅通性。本过程实施可利用通用绞线机实现，亦可利用已呈现的金属缆索通过拆合的方式将传感纤芯植入到绞线中。绞合后其断面结构如图2 所示，6根直径与带有护套的传感光纤相同的钢丝束1紧密的包围在光纤护套2的周围，使得他们取得协调的变形。绞合好光纤的缆索也可作为内部中心传感光缆，再次绞合成直径更粗的缆索。

（3）安装

传感光缆加工后，可通过直接绑扎在钢筋笼上，浇筑如混凝土中，亦可采用夹具固定方式，安装在待测物表面。

Claims (6)

1.一种分布式光纤传感器，其特征是带有护套的中心传感光纤被周围的6根金属丝加捻包围绕在芯部，构成金属基索分布式光纤传感器。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感器，其特征是带有护套的传感光纤与金属丝的直径相同，与周围6根金属丝紧包接触。

3.根据权利要求1所述的分布式传感器，其特征是外部钢丝束是以螺旋形式包围缠绕中心传感光纤，中心传感光纤保持直线不缠绕。

4.根据权利要求1 所述的分布式传感器，其特征是中心传感光纤设有弹性和延展性护套。

5.根据权利要求书1或3所述的分布式传感器，其特征是传感光纤是多模或者单模的光纤，结构是单芯或多芯结构。

6.根据权利要求书1或3所述的分布式传感器，其特征是传感光纤是紧套光纤，或松套光缆。

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