CN103344272A - 用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法，属于光纤传感网的技术领域。所述方法通过理论分析与数值计算，分别得到恒温条件下光纤结构相关参数对布里渊频移量与应力灵敏度响应关系的影响特性，恒定应变条件下光纤结构相关参数对布里渊散射频移与温度灵敏度响应关系的影响特性，以及不同内护套封装结构属性：材料热膨胀系数、内护套与裸光纤间隙，对光纤布里渊频移量应变/温度灵敏度调制的效果。

Description

用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法

技术领域

本发明公开了用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法，属于光纤传感网的技术领域。

背景技术

海底光缆在跨洋洲际通信和国防通信中占有极其重要的地位，而海底复杂的自然环境和海面频繁渔业活动，使得海缆故障频发。基于布里渊散射分布传感技术在温度、应变测量上所达到的测量精度、范围以及空间分辨率均高于光纤分布传感技术，近来受到人们广泛的关注。大量的理论和实验研究证明：随着布里渊散射分布传感技术研究不断深入和应用需求的发展，灵敏度要求越来越高。由于某些特定的场合需要对光纤进行增敏处理，有些场合需要减敏处理。因而要实现不同光纤传感器的实用化，就必须采用各种封装技术，以此来实现增敏减敏目的。

T.Kurashima等人提出了基于自发布里渊散射的分布式光纤传感技术，该技术通过检测布里渊频移的变化来获得光纤沿线温度与应变的分布情况。罗切斯特大学Brown等人为了优化布里渊光谱对不同光纤进行了测试，发现提高光纤固有布里渊中心频率可以增大光纤的温度系数和应变系数。M.D.Jones指出利用简单的码型可以提高光时域反射技术的探测灵敏度。A.Yeniay等人研究了不同光纤的布里渊增益谱、线宽和阈值等，指出自发布里渊散射谱的特性反映了波导的结构，特别是光纤的折射率。

以上工作大都集中于对应变/温度与布里渊散射频移量的关系进行研究，而本发明则提出了一种用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法。此方法是采用基于内护套封装形式设计和光纤结构参数优化配置，来实现对光纤布里渊频移量应变/温度灵敏度调节的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提出了用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法，包括如下步骤：

步骤1，在恒温条件下对光纤布里渊散射频移特性进行数值计算，得到布里渊散射频移与应变之间的变化曲线；

步骤2，根据传输光纤中自然散射光频移变化量与光纤所受的轴向应变之间的关系，得到最大初始余长应变随裸光纤与内护套之间间隙变化而改变的曲线；

步骤3，在恒定应变条件下对光纤布里渊散射频移特性进行数值计算，得到布里渊散射频移与温度之间的变化曲线；

步骤4，根据传输光纤中自然散射光频移变化量与光纤所受温度变化之间的关系，得到基于不同热膨胀系数的光纤基座材料对应的应变随温度变化曲线；

步骤5，结合步骤1、步骤3、步骤4得到的相关变化曲线特征，分别选择适合的光纤类型和内护套材质；根据步骤2所述的最大初始余长应变随裸光纤与内护套间隙变化的曲线关系，选择内护套与裸光纤的相应最佳间隙。

所述用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法，步骤1中所述的布里渊散射频移与应变之间的变化关系曲线，其关系曲线特征为：在相同应变下，纤芯折射率越大，布里渊散射频移量越小；纤芯泊松比应变系数越大，布里渊散射频移量越大。

所述用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法，步骤3中所述的布里渊散射频移与温度之间的变化曲线，其关系曲线特征为：在相同温度下，纤芯折射率越大，布里渊散射频移量越小；纤芯弹性模量温度系数越大，布里渊散射频移量越小。

所述用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法，步骤5中为了实现光纤传感封装的应变减敏、温度增敏调制效果，则内护套在封装时与光纤的间隙应根据实际情况取较大值，同时还应采用热膨胀系数较高的材质作为内护套。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明通过理论分析与数值计算可以得到：光纤结构中相关参数对布里渊频移量与应力或温度灵敏度响应关系的影响特性以及不同内护套封装结构属性对光纤布里渊频移量应变/温度灵敏度调制的效果。

附图说明

图1为光纤传感封装结构图。图中标号说明：1为外护套，2为内护套，3为裸光纤。

图2为恒温时不同纤芯折射率下，布里渊散射频移与应变之间的变化曲线图。

图3为恒温时不同纤芯泊松比应变系数下，布里渊散射频移与应变之间的变化曲线图。

图4为裸光纤在不同内护套弯曲半径下，间隙与应变之间的变化关系曲线。

图5为恒定应变时不同纤芯折射率下，布里渊散射频移与温度之间的变化曲线。

图6为恒定应变时不同纤芯弹性模量温度系数下，布里渊散射频移与温度之间的变化曲线。

图7为基于不同热膨胀系数材质的内护套条件下应变与温度变化关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，裸光纤3外套有内护套2，内护套2与裸光纤3之间留有间隙，内护套2外贴合有外护套1。本发明旨在根据光纤布里渊频移灵敏度调制的要求，选择合适材质的内护套以及内护套与裸光纤之间适当间隙。

用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法，包括如下步骤：

步骤1，在恒温条件下对光纤布里渊散射频移特性进行数值计算，得到布里渊散射频移与应变之间的变化曲线。

假设室温(T₀=20℃)恒定，因为光纤的应变属于微应变，则纤芯折射率n、纤芯弹性模量E、纤芯泊松比κ和纤芯密度ρ随应变的变化可在ε=0时做泰勒展开，只保留一次项得到布里渊频移与应变的关系为：

$v_B\left(\mathrm{\ϵ}\right)\≈v_B\left({\mathrm{\ϵ}}_0\right)(1+\frac{{\mathrm{dv}}_B\left(\mathrm{\ϵ}\right)}{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ\ϵ})=v_B\left({\mathrm{\ϵ}}_0\right)[1+({\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{\ϵ}}+{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{\ϵ}}+{\mathrm{\Δk}}_{\mathrm{\ϵ}}+{\mathrm{\Δ\ρ}}_{\mathrm{\ϵ}}){\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ϵ}}]---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{\ϵ}}=-\frac{{n_{\mathrm{\ϵ}}}^2\left(0\right)}{2}[p_{12}-k(p_{11}-p_{12})]\mathrm{\ϵ}\\ {\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{\ϵ}}=\frac{30-{\left(\mathrm{\Θ}{r}_0\right)}^2}{2(\mathrm{\Θ}{r}_0-5)}\\ {\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}=\frac{1}{\mathrm{\β}+{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\β\ϵ}+{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ϵ}}\\ {\mathrm{\Δ\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}\left(0\right)[2-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}\left(0\right)]}{[1-{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}}^2\left(0\right)][1-{2\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}\left(0\right)]}\\ {\mathrm{\Δ\ρ}}_{\mathrm{\ϵ}}=-\frac{M}{{2\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ϵ}}\left(0\right){\mathrm{\πR}}_{0}L{(1-\mathrm{k\ϵ})}^2(1+\mathrm{\ϵ})}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式（1）、式（2）中：ν_B（ε）为在当前应变时入射光频移，ν_B（ε₀）为在应变初始值时入射光频移，ε为光纤受载荷时的应变，ε₀为光纤无应变时初始值，

为光纤应变频移系数，△ε为应变变化量，k为横向与纵向应变比，△n_ε、△E_ε、△k_ε、△ρ_ε分别为光纤受载荷时，纤芯折射率的变换量，纤芯弹性模量变化量，纤芯泊松比变化量，纤芯密度变化量，p₁₁、p₁₂为弹光系数，r₀为SiO₄四面体尺寸，Θ为待定参数，由表达式

确定，κ_ε为在当前应变时纤芯泊松比，β为光纤受力时横、纵向对应比例常数之比，n_ε(0)、κ_ε(0)、ρ_ε(0)分别为应变为0时，纤芯折射率的取值，纤芯泊松比的取值，纤芯密度的取值，M为试验段光纤质量，R₀、L分别为光纤无应变时的半径和长度。

当应变变化时，如果保持△E_ε、△k_ε、△ρ_ε等参数不变，则纤芯折射率变化将使得光纤布里渊频移量应变灵敏度发生改变。如图2所示，在不同纤芯折射率下布里渊频移量-应变曲线呈抛物线关系。在相同应变下布里渊频移量随纤芯折射率增加而减小。如果保持△E_ε、△n_ε、△ρ_ε等参数不变，则纤芯泊松比应变系数变化将使得光纤布里渊频移量应变灵敏度发生改变。如图3所示，在不同纤芯泊松比应变系数下布里渊频移量-应变曲线呈线性关系，布里渊频移量随应变增加而增大。

在应变变化下，也可得到不同纤芯弹性模量应变系数和不同纤芯密度应变系数条件下，布里渊散射频移量与应变的变化曲线。由于在实际应用中，纤芯弹性模量应变系数和纤芯密度应变系数属于材质固有性质，不便选择和调整，因此本发明在封装光纤时暂不考虑两者对布里渊频移灵敏度的影响。

步骤2，根据传输光纤中自然散射光频移变化量与光纤所受的轴向应变之间的关系，得到最大初始余长应变随裸光纤与内护套之间间隙变化而改变的曲线。

假设裸光纤在内护套中以正弦曲线形状弯曲布置，则裸光纤的最大初始余长应变ζ用式（3）计算：

ζ=c/(8×r_e)                    (3)

式（3）中：c为裸光纤与内护套间的间隙，r_e为裸光纤允许的最小弯曲半径；

图4表明在不同裸光纤弯曲半径下，最大初始余长应变绝对值随裸光纤和松套管之间间隙增加而增大，且呈线性关系。

步骤3，在恒定应变条件下对光纤布里渊散射频移特性进行数值计算，得到布里渊散射频移与温度之间的变化曲线。

假设应变恒定为0，且真空中入射光波长λ₀=1550nm，则n、E、κ和ρ随温度的变化可用泰勒级数展开，只保留一次项得到布里渊频移与温度的关系为：

$v_B\left(T\right)\≈v_B\left(T_0\right)(1+\frac{{\mathrm{dv}}_B\left(T\right)}{T}\mathrm{\ΔT})=v_B\left(T_0\right)[1+({\mathrm{\Δn}}_T+{\mathrm{\ΔE}}_T+{\mathrm{\Δk}}_T+{\mathrm{\Δ\ρ}}_T)\mathrm{\ΔT}]---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δn}}_T=\frac{\mathrm{\Δx}}{n(T-T_0){\mathrm{Ln}}_T\left(0\right)}-\frac{{\mathrm{\α}}_T}{n_T\left(0\right)}\\ {\mathrm{\ΔE}}_T=\frac{e^{{m\∫\mathrm{\α}}_T\mathrm{dT}}-1}{{\mathrm{TE}}_T\left(0\right)},\end{array}\right.---\left(5\right)$

式（4）、式（5）中：ν_B（T）为当前温度下入射光频移，ν_B(T₀)为温度初始值时入射光频移，

为光纤温度频移系数，△T为温度变化量，△n_T、△E_T、△k_T、△ρ_T分别为当前温度下，纤芯折射率变化量，纤芯弹性模量变化量，纤芯泊松比变化量，纤芯密度变化量，△x为光程变化量，n_T(0)、E_T(0)分别为在温度为0时，纤芯折射率的取值，纤芯弹性模量的取值，α_T为热膨胀系数，m=-25。

当温度变化时，如果保持△E_T、△k_T、△ρ_T等参数不变，则纤芯折射率变化将使得光纤布里渊频移量的温度灵敏度发生改变。如图5所示，在不同纤芯折射率下布里渊频移量-温度曲线呈线性关系，布里渊频移量随温度增加而增大。如果保持△n_T、△k_T、△ρ_T等参数不变，则纤芯弹性模量温度系数变化也将使得光纤布里渊频移量的温度灵敏度发生改变。如图6所示，在不同纤芯弹性模量温度系数下布里渊频移量-温度曲线呈线性关系，布里渊频移量随温度增加而增大。

在温度变化下，也可得到不同纤芯泊松比温度系数和不同纤芯密度温度系数条件下，布里渊散射频移量与温度的变化曲线。由于在实际应用中，纤芯泊松比温度系数和纤芯密度温度系数属于材质固有性质，不便选择和调整，因此本发明在封装光纤时暂不考虑两者对布里渊频移灵敏度的影响。

步骤4，根据传输光纤中自然散射光频移变化量与光纤所受温度变化之间的关系，得到基于不同热膨胀系数的光纤基座材料对应的应变随温度变化曲线。

光纤封装结构基座材料的热膨胀系数为α_基，裸光纤热膨胀系数α，当温度变化△T时，光纤轴向应变ε_y可用式（6）计算：

ε_y=(α_基-α)△T                  (6)

图7表明在不同内护套热膨胀系数下，光纤轴向应变-温度曲线呈线性关系，光纤轴向应变随温度增加而增大。

步骤5，结合步骤1、步骤3、步骤4得到的相关变化曲线特征，分别选择适合的光纤类型和内护套材质；根据步骤2所述的最大初始余长应变随裸光纤与内护套间隙变化的曲线关系，选择内护套与裸光纤的相应最佳。

根据上述相关变化曲线特征分析，若要实现对光纤布里渊散射应变灵敏度的减敏调制效果，一方面，可以选用纤芯折射率相对较大和纤芯泊松比应变系数相对较小的光纤。另一方面，由于内护套与护套内光纤间的间隙范围一般为0-20mm，则内护套在封装时与光纤的间隙应根据实际情况尽量取较大值。反之，若要使应变灵敏度增敏，则一方面，可以选用纤芯折射率相对较小和纤芯泊松比应变系数相对较大的光纤。另一方面，内护套在封装时与光纤的间隙应根据实际情况尽量取较小值。

同样，若要实现对光纤布里渊散射温度灵敏度增敏调制效果，一方面，可以选用纤芯折射率和纤芯弹性模量温度系数都相对较小的光纤。另一方面，可以选用热膨胀系数较高材质作为内护套封装如有机聚合物。反之，若要使温度灵敏度减敏，则一方面，可以选用纤芯折射率和纤芯弹性模量温度系数都相对较大光纤。另一方面，可以选用热膨胀系数较低材质作为内护套。

综上所述，本发明提出了一种集温度灵敏度增敏与应变灵敏度减敏效果于一体的光纤布里渊散射内护套封装方法。通过理论分析与数值计算可以得到光纤结构中相关参数对布里渊频移量与应力或温度灵敏度响应关系的影响特性以及不同内护套封装结构属性对光纤布里渊频移量应变/温度灵敏度调制的效果。

Claims (4)

1.用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在恒温条件下对光纤布里渊散射频移特性进行数值计算，得到布里渊散射频移与应变之间的变化曲线；

步骤2，根据传输光纤中自然散射光频移变化量与光纤所受的轴向应变之间的关系，得到最大初始余长应变随裸光纤与内护套之间间隙变化而改变的曲线；

步骤3，在恒定应变条件下对光纤布里渊散射频移特性进行数值计算，得到布里渊散射频移与温度之间的变化曲线；

步骤4，根据传输光纤中自然散射光频移变化量与光纤所受温度变化之间的关系，得到基于不同热膨胀系数的光纤基座材料对应的应变随温度变化曲线；

步骤5，结合步骤1、步骤3、步骤4得到的相关变化曲线特征，分别选择适合的光纤类型和内护套材质；根据步骤2所述的最大初始余长应变随裸光纤与内护套间隙变化的曲线关系，选择内护套与裸光纤的相应最佳间隙。

2.根据权利要求1所述的用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法，其特征在于，所述步骤1中所述的布里渊散射频移与应变之间的变化关系曲线，其关系曲线特征为：在相同应变下，纤芯折射率越大，布里渊散射频移量越小；纤芯泊松比应变系数越大，布里渊散射频移量越大。

3.根据权利要求2所述的用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法，其特征在于，所述步骤3中所述的布里渊散射频移与温度之间的变化曲线，其关系曲线特征为：在相同温度下，纤芯折射率越大，布里渊散射频移量越小；纤芯弹性模量温度系数越大，布里渊散射频移量越小。

4.根据权利要求3所述的用于布里渊散射应变/温度灵敏度调制的光纤传感封装方法，其特征在于，所述步骤5中为了实现光纤传感封装的应变减敏、温度增敏调制效果，则内护套在封装时与光纤的间隙应根据实际情况取较大值，同时还应采用热膨胀系数较高的材质作为内护套。

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