CN102478410A - 一种竹节型准分布式光纤传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竹节型准分布式光纤传感装置，包括信号光纤，还包括由硬壳节段和柔性节段交替固定连接而成的管体，信号光纤位于管体内部，柔性节段由外护套和设置在外护套内部的光纤保护管组成，信号光纤位于光纤保护管内部，硬壳节段包括外壳，外壳内侧相对的两个面上分别设置有变形齿一和变形齿二，变形齿一与变形齿二之间呈交错对应布设，变形齿一与变形齿二之间至少夹持一个信号光纤，信号光纤两端中至少有一端连接测试单元，测试单元还连接用于处理测试单元测试数据的处理单元。本发明结构简单、设计合理且加工制作方便，同时使用灵活，灵敏度高，使用效果好，成本低，具有广阔的应用前景。

Description

一种竹节型准分布式光纤传感装置

技术领域

本发明涉及一种光纤传感装置，尤其是涉及一种基于光纤微弯损耗传感技术的竹节型准分布式光纤传感装置。

背景技术

在光纤传感技术中，微弯型光纤传感技术及结构是重要的一个研究方向，微弯型光纤传感器属于光强度调制传感器之一，也是相对于光波长调制、光相位调制等传感器来说成本最低的传感装置。最典型的微弯传感装置的结构是两块互相平行的锯齿板的变形齿之间夹持有信号光纤，外界物理量的变化使上下两块锯齿板上的变形齿之间的距离改变，使信号光纤的弯曲曲率变化，从而影响信号光纤中传输光信号功率的变化，通过与信号光纤连接的光源-光探测器可以获得该变化的信息，从而获知物理量的变化。但这样的微弯传感装置并不适合长距离使用，即使使用柔性锯齿板也存在问题，主要是在锯齿板弯曲时，布设于上下两个锯齿板上的变形齿之间的距离就会改变，从而影响到信号光纤的弯曲曲率，而这无法与待测物理量对信号光纤的弯曲曲率造成变化进行区分。在中国专利申请号200410073021.2中介绍了两种较长距离使用的微弯光纤传感结构，一种是缠绕式微弯光纤传感器，其采用多模光纤缠绕在一根钢丝绳索上，光纤传感区域的两端分别用特种胶粘贴在钢丝绳索上，当钢丝绳索受轴向应力作用而被拉伸时，光纤也被拉紧，光纤在钢丝绳索的沟谷中形成微弯曲，由于光纤表面只有约120微米厚的高分子保护层，这样的保护是没有办法在实际工程环境下使用的，并且钢丝绳还有扭转等其它的作用力，使测试结果具有很大的不确定性。第二种结构是套管微弯式光纤传感器，其整个结构分为三部分，外护套和外护套内的光纤，以及螺旋缠绕在光纤上的聚酯纤维丝，当外护套受到挤压时，使光纤形成周期型的微弯，该结构对光纤的保护仍不足以支持其在恶劣的实际环境条件下的使用，所以也未见推广使用。

微弯型光纤传感装置目前主要的问题是光纤的传感灵敏度与光纤的保护之间的矛盾，灵敏度高了，光纤的保护不足，严重影响光纤以及传感装置的使用寿命；对光纤保护合适时，光纤及传感装置的灵敏度有较大的丧失，因此急需一种新的光纤传感装置，即该装置结构能有效保护光纤，抵御实际工程环境下的各种伤害，又能保持微弯光纤传感装置的高精度和高灵敏度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种竹节型准分布式光纤传感装置，其结构简单、设计合理且加工制作方便，同时使用灵活，灵敏度高，使用效果好，成本低，具有广阔的应用前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种竹节型准分布式光纤传感装置，包括信号光纤，其特征在于：还包括由硬壳节段和柔性节段交替固定连接而成的管体，所述信号光纤位于所述管体内部，所述柔性节段由外护套和设置在外护套内部的光纤保护管组成，所述信号光纤位于光纤保护管内部，所述硬壳节段包括外壳，所述外壳内侧相对的两个面上分别设置有变形齿一和变形齿二，所述变形齿一与变形齿二之间呈交错对应布设，所述变形齿一与变形齿二之间至少夹持一个信号光纤，所述信号光纤两端中至少有一端连接测试单元，所述测试单元还连接用于处理测试单元测试数据的处理单元。

上述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述光纤保护管内部填充有阻水油膏。

上述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述外护套与光纤保护管之间设置有铠装层。

上述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述外护套为高分子波纹管或金属波纹管。

上述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述硬壳节段和柔性节段的横截面形状均为圆形。

上述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述硬壳节段的横截面形状为方形，所述变形齿一和变形齿二均呈直角形状。

上述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述硬壳节段与柔性节段之间的连接方式为焊接、胶黏剂粘接、凹凸槽扣接、卡簧连接或螺纹连接。

上述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述硬壳节段或柔性节段上设置有光反射装置，所述信号光纤上设置有光反射装置。

上述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述硬壳节段或柔性节段上设置有分支结构。

上述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述信号光纤通过延伸光纤与测试单元相接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单、设计合理、加工制作简便、使用灵活且灵敏度高，该传感装置通过柔性节段来达到使整个传感结构弯曲的目的，通过硬壳节段进行物理量的探测，因此不会因整个传感结构的弯曲影响测试结果。

2、通过将多个硬壳节段分布做成用于探测不同的物理量，以达到同时监测多个参数的目的。

3、该传感装置的柔性节段预留出一定的余长，使整个传感结构弯曲不会对光纤造成拉伸应力，同时该余长也可以作为硬壳节段中信号光纤弯曲时长度不够的补偿，防止硬壳节段信号光纤在弯曲时受到较大的拉伸应力，延长了信号光纤的使用寿命。

4、该传感装置可以同时对湿度、温度、甲烷、氧气等多个参数进行测试，且可根据需要选择合适的功能材料制作变形齿，或在变形齿上镀覆一层或多层功能材料，以便进行更多参数的监测。

5、通过采用光时域反射计，实现了准分布的监测以及准分布的多参数监测。

6、可以在比较重要的区域设置一个或多个光反射装置，通过监测光反射装置的反射光峰值光功率推算测试结果，可以进一步增加测试的动态范围和探测距离。

综上所述，本发明具有结构简单、设计合理且加工制作方便，使用灵活，灵敏度高，使用效果好，成本低，可实现远距离及准分布的监测，具有广阔的应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为图1中硬壳节段的纵剖面结构示意图。

图3为图1中硬壳节段的横剖面结构示意图。

图4为图1中柔性节段的横剖面结构示意图。

图5为本发明实施例2中硬壳节段的横剖面结构示意图。

图6为本发明实施例3中硬壳节段的横剖面结构示意图。

图7为本发明实施例3中柔性节段的横剖面结构示意图。

图8为本发明实施例4的结构示意图。

附图标记说明：

1-延伸光纤； 2-外壳；       3-变形齿一；

4-变形齿二； 5-测试单元；   6-信号光纤；

7-处理单元； 8-外护套；     9-铠装层；

10-硬壳节段；11-光反射装置；12-柔性节段；

13-分支结构；14-阻水油膏；  15-光纤保护管。

具体实施方式

实施例1

如图1、2、3和4所示的一种竹节型准分布式光纤传感装置，包括信号光纤6，还包括由硬壳节段10和柔性节段12交替固定连接而成的管体，所述信号光纤6位于所述管体内部，所述柔性节段12由外护套8和设置在外护套8内部的光纤保护管15组成，所述信号光纤6位于光纤保护管15内部，所述硬壳节段10包括外壳2，所述外壳2内侧相对的两个面上分别设置有变形齿一3和变形齿二4，所述变形齿一3与变形齿二4之间呈交错对应布设，所述变形齿一3与变形齿二4之间至少夹持一个信号光纤6，所述信号光纤6两端中至少有一端连接测试单元5，所述测试单元5还连接用于处理测试单元5测试数据的处理单元7。

本实施例中，所述外护套8为高分子波纹管或金属波纹管，所述信号光纤6通过延伸光纤1与测试单元5相接，所述硬壳节段10和柔性节段12的横截面形状均为圆形。所述硬壳节段10表面上布设有透气孔，所述变形齿一3与变形齿二4由功能材料制成，或变形齿一3与变形齿二4表面上镀覆有功能材料，且所述变形齿一3和变形齿二4的数量均多个。所述光纤保护管15内部填充有阻水油膏14，所述外护套8与光纤保护管15之间设置有铠装层9，硬壳节段10与柔性节段12之间通过焊接方式固定连接在一起，也可以根据实际情况选择胶黏剂粘接、凹凸槽扣接、卡簧连接或螺纹连接等方式连接。所述信号光纤6为外部包有多层保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等。所述硬壳节段10的外壳2由低膨胀系数材料制成，变形齿一3和变形齿二4均采用高膨胀系数材料制成，这样可以构成温度传感单元；在温度变化时，变形齿一3和变形齿二4的高度变化，使得夹持在变形齿一3与变形齿二4之间的信号光纤6的弯曲曲率发生变化，信号光纤6弯曲曲率的变化使信号光纤6内部产生的光信号功率变化，测试单元5测得该变化信息并传递给处理单元7，处理单元7经计算得出温度的变化值。

本发明的工作原理为：当有作用力施加在一节或多节硬壳节段10上时，硬壳节段10变形使得位于其内部的变形齿一3与变形齿二4的高度发生变化，变形齿一3与变形齿二4的高度变化使得夹持在两者之间的信号光纤6的弯曲曲率发生变化，信号光纤6弯曲曲率的变化使信号光纤6内部产生的光信号功率变化，测试单元5测得该变化信息并传递给处理单元7，由处理单元7经计算得出硬壳节段10受到的作用力的大小，在有时间相关参数时，可确定受作用力影响的硬壳节段10的位置，如测试单元5采用光时域反射计，就可以确定作用力的位置。

本传感装置也可以用于对液体或气体参数的测试，这时硬壳节段10的表面须有供液体或气体流动的孔。如采用本装置探测空气中的氢气浓度时，则变形齿一3和变形齿二4均由能吸收氢气并相应发生伸缩变形的金属钯或钯合金材料制成，也可以在变形齿一3和变形齿二4的外侧均涂覆一层或多层由能吸收氢气并相应发生伸缩变形的金属钯或钯合金材料制成的伸缩变形层。实际使用过程中，氢气通过硬壳节段10上分布的透气孔进入到其内部，当氢气浓度发生改变时，金属钯或钯合金材料吸收氢气并随着氢气浓度的变化体积变大或变小，使得变形齿一3和变形齿二4之间的距离拉大或缩小，从而就可以改变了夹在信号光纤6的弯曲半径，即改变了信号光纤6的弯曲损耗系数，进而改变了信号光纤6内传输的光信号的衰减大小，通过测试单元5检测到该光信号功率的变化并将该变化传递给处理单元7，由处理单元7进行分析处理，即可得到空气中氢气的浓度变化量。

同理，信号光纤6外侧镀覆一层或多层由能吸收氢气并相应发生伸缩变形的金属钯或钯合金材料制成的伸缩变形层时，在氢气浓度变化时导致该伸缩变形层的体积变化时，也能得到使变形齿一3与变形齿二4之间的距离发生改变的同等效果，从而达到监测物理量的目的。

为了达到提升检测多个物理量的目的，硬壳节段是由多个分别探测不同物理量的硬壳节段构成，如需要测试温度、湿度、应力等参数，可以将多个硬壳节段10分别制作为针对温度、湿度、应力测试的硬壳节段10，达到同时监测多参数的目的。

实施例2

如图5所示，本实施例中，与实施例1不同的是：硬壳节段10的横截面形状为方形，变形齿一3和变形齿二4均呈直角形状，信号光纤6位于变形齿一3与变形齿二4之间。由于变形齿一3与变形齿二4为直角形状，可以监测作用于硬壳节段10上的两个正交方法的作用力。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例3

如图6和图7所示，本实施例中，与实施例1不同的是：柔性节段12和硬壳节段10中包含有两个信号光纤6，两个信号光纤6分别接两测试单元5，两个测试单元5均与处理单元7相接；或者是两个信号光纤6先接光开关，光开关接测试单元5，测试单元5接处理单元7。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例4

如图8所示，本实施例中，与实施例1不同的是：柔性节段上设置有光反射装置11，硬壳节段10上设置有Y型的分支结构13，信号光纤6末端也安置有光反射装置11，这样可以使光信号两次通过传感区域，传感精度提高一倍，分支结构13可以使传感区域扩展到更大的范围。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种竹节型准分布式光纤传感装置，包括信号光纤(6)，其特征在于：还包括由硬壳节段(10)和柔性节段(12)交替固定连接而成的管体，所述信号光纤(6)位于所述管体内部，所述柔性节段(12)由外护套(8)和设置在外护套(8)内部的光纤保护管(15)组成，所述信号光纤(6)位于光纤保护管(15)内部，所述硬壳节段(10)包括外壳(2)，所述外壳(2)内侧相对的两个面上分别设置有变形齿一(3)和变形齿二(4)，所述变形齿一(3)与变形齿二(4)之间呈交错对应布设，所述变形齿一(3)与变形齿二(4)之间至少夹持一个信号光纤(6)，所述信号光纤(6)两端中至少有一端连接测试单元(5)，所述测试单元(5)还连接用于处理测试单元(5)测试数据的处理单元(7)。

2.按照权利要求1所述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述光纤保护管(15)内部填充有阻水油膏(14)。

3.按照权利要求1所述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述外护套(8)与光纤保护管(15)之间设置有铠装层(9)。

4.按照权利要求3所述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述外护套(8)为高分子波纹管或金属波纹管。

5.按照权利要求1所述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述硬壳节段(10)和柔性节段(12)的横截面形状均为圆形。

6.按照权利要求1所述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述硬壳节段(10)的横截面形状为方形，所述变形齿一(3)和变形齿二(4)均呈直角形状。

7.按照权利要求1所述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述硬壳节段(10)与柔性节段(12)之间的连接方式为焊接、胶黏剂粘接、凹凸槽扣接、卡簧连接或螺纹连接。

8.按照权利要求1所述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述硬壳节段(10)或柔性节段(12)上设置有光反射装置(11)，所述信号光纤(6)上设置有光反射装置(11)。

9.按照权利要求1所述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述硬壳节段(10)或柔性节段(12)上设置有分支结构(13)。

10.按照权利要求1所述的一种竹节型准分布式光纤传感装置，其特征在于：所述信号光纤(6)通过延伸光纤(1)与测试单元(5)相接。

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