CN106908087B - 一种降低温度变化对光纤传感器测量信号影响的方法 - Google Patents
一种降低温度变化对光纤传感器测量信号影响的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106908087B CN106908087B CN201710228361.5A CN201710228361A CN106908087B CN 106908087 B CN106908087 B CN 106908087B CN 201710228361 A CN201710228361 A CN 201710228361A CN 106908087 B CN106908087 B CN 106908087B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- temperature
- fiber sensor
- sensor
- temperature change
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 91
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 230000008859 change Effects 0.000 title claims abstract description 30
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 19
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 11
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 7
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 4
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 claims description 4
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 13
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 9
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 7
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 3
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 description 2
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M acrylate group Chemical group C(C=C)(=O)[O-] NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000010420 art technique Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 231100000673 dose–response relationship Toxicity 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000007380 fibre production Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000000935 solvent evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
- G01D3/028—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
为满足光纤传感器在变温环境中的使用需求，本发明提出一种降低温度变化对光纤传感器测量信号影响的方法。本方法通过对光纤传感区域进行循环升温与降温处理，显著降低光纤传感区域的残余应力，使得该传感器基本不受温度的干扰或者影响。此方法具有简单易行、低成本的特点，在光纤传感与监测技术领域具有广阔的市场价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感与监测技术领域，具体地说是一种降低温度变化对光纤传感器测量信号影响的方法。
背景技术
光纤传感器具有极高的灵敏度和精度、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐腐蚀、集传感与传输于一体、能与数字通信***兼容等优点，在传感与监测领域得到了广泛的应用。在传感器的制造和使用过程中，传感区域会不可避免的产生大量残余应力，使得光纤传感区域产生大量的应力双折射，引起被测物理信号随时间的漂移。当温度发生变化时，内应力在传感区域的分布也随温度发生变化，使得光纤传感器在测量被测物理信号的过程中受到温度变化的影响。温度的波动会造成严重的测量误差，可能导致测量***的误报警引发不可估量的严重后果，甚至使得该传感器测量无效。因此，需要提出一种有效的方法，降低温度变化对光纤传感器测量信号的影响。
在现有的科学研究中，降低温度变化对光纤传感器测量信号的影响方法有两种。第一种方法是基于温度补偿原理。由于该方法难于保证测量传感器和参考传感器具有完全相同的光学性能，所以补偿精度低。另外参考传感器的引入和封装增加了***的复杂度。第二种方法是设计特殊的光纤传感区结构。该方法只能保证个别被测物理信号不受温度的影响，具有较大的局限性。
发明人经过悉心实验和理论研究，提出一种降低温度变化对光纤传感器测量信号影响的方法。通过循环升温与降温处理，打破光纤传感区内部的残余应力平衡状态，利用温度的变化使得光纤传感区的几何不断产生微变形，在微变形过程中逐渐释放残余应力。低应力状态的光纤传感区域保证了其几何上和光学上的稳定性，这样可以显著降低温度变化对光纤传感器测量信号的影响。
发明人已有实验案例表面：利用此方法处理的光纤拉锥传感器在20~200℃范围内的温度扰动信号可以降低90%，温度所致的光强信号扰动可以控制在0.03 dB以内。发明人同时对光纤在一定温度下进行保温的热处理工艺进行实验研究，研究结果表明，保温式的热处理工艺无法显著降低光纤内部的残余应力。当光纤在保温过程中，内部的残余应力通过微变形达到了一种平衡状态，使得残余应力不能得到有效的释放。当其处于变温的环境中时，大量残余应力引起传感区域的几何和光学性能发生变化，光纤传感器在使用过程中测量信号受温度的影响仍很显著。相比于已公开报道的两种方法，本专利提出的方法从根本上解决了光纤拉锥结构的温度敏感性难题，具有简单易行，且低成本的特点，具有很好的应用前景和商业价值。
发明内容
本发明的目的是针对目前光纤传感器在测量过程中受温度的交叉影响而使得测量准确度低或者测量无效的问题，提出一种降低温度变化对光纤传感器测量信号影响的方法。
本发明的技术方案是：
一种降低温度变化影响光纤传感器测量信号的方法，其特征在于通过循环升温与降温处理光纤传感器的传感区域，以减小光纤传感区的残余应力，降低光纤传感器在测量被测物理量时测量信号受温度变化的干扰。该方法通过温度的变化使得光纤传感区的几何发生微变形，利用不断变化的几何微变形使得残余应力得到释放。
循环升温与降温的温度变化范围为：-20~500℃。
本发明主要是针对不做改变外形与改变外形处理的光纤结构进行处理，改变外形的处理方法主要包括：拉锥、腐蚀、弯曲、压缩与刻蚀。
用本发明的方法一次处理多根光纤传感器时，处理过程需保证不同传感器的最大温差小于20℃。
所述的升温与降温处理是指从室温以设定的速度升到设定的温度后再降温至室温，最大降温速率不超过15℃/min。
当光纤传感器在高温环境中使用时，由于聚合物涂覆层和光纤石英包层的热膨胀系数差异，光纤内部会产生大量不均匀的残余应力。针对此问题本发明提出将循环升温和降温的最高温度升高至聚合物涂覆层的玻璃化转变温度以上，通过聚合物内部分子链段在橡胶态的显著运动来释放涂覆层与光纤石英包层之间以及涂覆层内部的残余应力，降低光纤传感器受温度信号的影响。
通过测量被测物理信号在一定的升温范围内的变化量可以检验光纤传感器被测物理信号是否受温度变化干扰或影响。如果变化量在可使用要求的范围以内，则可以认为其不再受温度变化干扰。
本发明的有益效果：
本发明能简单有效的降低温度变化对光纤传感器测量信号的影响，具有广阔的应用前景。
本发明提供了一种新的解决光纤传感器温度交叉敏感问题的新方法，并且该方法适用范围广。该方法可以推进光纤传感器在变温环境下的测量使用，具有广阔的市场价值。
本发明提出的方法可以减小光纤生产以及光纤在改变外形的过程中所引起的不均匀残余应力，改善光纤的衰减损耗、翘曲特性以及光纤脆性。
附图说明：
图1光纤拉锥传感器循环升温与降温处理装置示意图
图2无涂覆层拉锥光纤传感器光学响应随温度的变化曲线
图3 光纤锥区在热处理之前（a）和热处理之后（b）的应力显微图
图4相对光强随蔗糖浓度的变化曲线
图5有涂覆层的拉锥光纤传感器光学响应随温度的变化曲线
图中：1-激光源、2-光纤、3-加热平台、4-光功率计、5-石英毛细管、6-纤芯、7-光纤包层、8-涂覆层。
具体实施方式：
下面结构附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1-5所示。
一种降低温度变化对光纤传感器测量信号影响的方法，通过循环升温与降温处理光纤传感器的传感区域，以减小光纤传感区的残余应力，降低光纤传感器在测量被测物理量时测量信号受温度变化的干扰。循环升温与降温的温度变化范围为：-20~500℃。用本发明的方法一次处理多根光纤传感器时，处理过程需保证不同传感器的最大温差小于20℃。
实例一。
本实例的拉锥光纤传感器是通过光纤的纵向熔融拉伸制得的，该过程会在光纤锥区内产生大量的残余应力，使得该类传感器对温度极其敏感。以下结合附图和降低温度变化对拉锥光纤传感器测量信号的影响为例来说明本发明的具体实施方法，本发明不限于该实施例。本发明的具体步骤包括：
实例1：
1. 剪取单模石英光纤2（康宁单模光纤）1.5m，将直径为0.3mm的石英毛细管套入光纤2。然后使用光纤切割刀切平两光纤2端面，并在两光纤端面熔接标准接头。为了监测光纤2拉锥过程，在光纤2一端通过标准接头接入1550 nm的激光源1，在另一端接入光功率计4，如图1上半部分所示。
2. 将光纤中间部位去掉长为 1.5cm的光纤涂覆层8，采用酒精对该区域进行清洗。然后夹持在光纤拉锥仪上进行拉锥。设定拉锥速度为0.5 mm/s，火焰温度1000℃，锥区直径为35μm。拉锥后检查光功率计4光强的变化，判断光纤拉锥质量。
3. 若光纤拉锥传感器的质量满足使用需求，取下该光纤2，然后将石英毛细管5移动到光纤拉锥区域。
4. 光纤拉锥传感器循环升温与降温处理装置示意图如图1下半部分所示，将该传感器移置加热平台3，并把石英毛细管5固定在加热平台3上对光纤拉锥区域进行循环升温与降温处理。在实验中对石英毛细管5进行固定而非光纤2的目的是保证光纤2在加热或者冷却过程中不受约束，可以自由变形，并且使用石英毛细管5封装光纤拉锥结构可以避免产生微小弯曲。受热区域的光纤涂覆层8可以去除也可以不去除。当涂覆层8温度超过玻璃化转变温度时，通过聚合物分子链段在橡胶态的运动消除残余应力。本实验中采用的单模光纤涂覆层8材料为丙烯酸脂，该材料的玻璃化转变温度为105℃，当热处理温度超过该温度时，聚合物分子链段的运动使得涂覆层8与包层7之间的相对运动变得更加容易，残余应力可以得到显著的释放。
5. 对加热平台3进行工艺设定：从室温20℃以10℃/min升温至200℃，然后自然降温至室温。反复循环该工艺，直到降温过程中光功率计4的光强变化在可接受的范围内。有研究表明：当大气压力维持稳定时，空气的折射率基本保持不变。在本实验中光纤拉锥传感器裸露在空气中，可以认为大气压力在短时间内变化很小。通过光强在降温过程中变化范围的大小来判断光纤拉锥传感器对温度的敏感程度。实验过程中该传感器的光学响应随温度的变化曲线和循环升温与降温处理工艺如图2所示。当该锥区直径为35μm的光纤拉锥传感器经过循环升温与降温处理，光强随温度的变化为0.03 dB。相比于未处理的光纤拉锥结构，温度所致的信号扰动可以降低90%。
6. 将热处理过的光纤2锥区结构置于应力显微镜下测量残余应力的大小，与未处理的光纤拉锥传感器（图 3（a））相比，从图3（b）可以看出热处理后的锥区基本不存在残余应力。
7. 本实例中将该传感器用于折射率的测量，进一步测量蔗糖溶液浓度在不同温度下的响应曲线（实验结果如图4所示）。由图4可以看出，该传感器在不同温度下浓度响应曲线具有很好的一致性，说明该传感器基本不受温度的影响。曲线之间的偏差主要是高温下溶液本身的折射率差异和溶剂挥发产生的。对于有包层8的光纤进行热处理，实验结果如图5所示，热处理后光强信号基本不随温度发生变化。
实例二。
本实例与实例一的区别是同时处理多根光纤传感器，但同时处理多根光纤传感器时要保证相邻光纤之间的最大温差小于20摄氏度，其余与上述实例一相同。
实例三。
本实例与实例一、二的区别是对光纤传感器处理方式的区别，除了进行拉锥处理外还可进行腐蚀、弯曲、压缩与刻蚀处理后再参照上述方法进行升温与降温处理。
实例四。
本实例与实施一的区别是升温范围和速度的调整。根据具体使用情况和要求，既可进行升温处理，最大升至500℃，也可降至-20℃，升温和降温速度可通过有限的试验加以确定，可在2-30℃/min范围内加以选择。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (1)
1.一种降低温度变化对光纤传感器测量信号影响的方法，其特征在于：针对改变外形处理的光纤结构，所述改变外形处理主要包括拉锥、腐蚀、弯曲、压缩与刻蚀，循环升温与降温处理光纤传感器的传感区域，通过温度的变化使得光纤传感区发生微变形，利用不断变化的几何微变形使得残余应力得到释放，降低光纤传感器在测量被测物理量时测量信号受温度变化的干扰；循环升温与降温是从室温以设定的速度升到设定的温度后再降温至室温，温度变化范围在-20~500℃，升温速度在2-30℃/min，最大降温速率不超过15℃/min；一次处理多根光纤传感器时，处理过程需保证不同传感器的最大温差小于20℃；当光纤传感器在高温环境中使用时，将循环升温和降温的最高温度升高至聚合物涂覆层的玻璃化转变温度以上；反复循环升温与降温，通过测量被测物理信号在一定的升温范围内的变化量可以检验光纤传感器被测物理信号是否受温度变化干扰。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710228361.5A CN106908087B (zh) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | 一种降低温度变化对光纤传感器测量信号影响的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710228361.5A CN106908087B (zh) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | 一种降低温度变化对光纤传感器测量信号影响的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106908087A CN106908087A (zh) | 2017-06-30 |
| CN106908087B true CN106908087B (zh) | 2020-07-07 |
Family
ID=59194647
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710228361.5A Active CN106908087B (zh) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | 一种降低温度变化对光纤传感器测量信号影响的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106908087B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107144923B (zh) * | 2017-07-05 | 2019-05-17 | 成都奥捷通信技术有限公司 | 一种光纤制造工艺 |
| CN113008407B (zh) * | 2021-02-26 | 2024-04-09 | 中煤科工集团重庆研究院有限公司 | 多参数分布式光纤信号解调仪 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102010123B (zh) * | 2010-10-13 | 2014-04-09 | 长飞光纤光缆股份有限公司 | 一种光纤的热处理方法及装置 |
| CN102303951A (zh) * | 2011-10-10 | 2012-01-04 | 中天科技光纤有限公司 | 光纤生产退火装置 |
| CN103217814B (zh) * | 2013-04-22 | 2015-09-30 | 哈尔滨工程大学 | 一种光纤电光强度调制器及其制备方法 |
| CN203269782U (zh) * | 2013-05-09 | 2013-11-06 | 江苏亨通光纤科技有限公司 | 一种用于改善光纤性能的保温退火装置 |
| CN104150761B (zh) * | 2014-07-18 | 2016-05-04 | 山西长城微光器材股份有限公司 | 直径150mm光纤锥锥体成型装置及方法 |
| CN205528427U (zh) * | 2016-01-27 | 2016-08-31 | 山东太平洋光纤光缆有限公司 | 一种光纤拉丝退火保温装置 |
| CN106116138A (zh) * | 2016-05-18 | 2016-11-16 | 中天科技光纤有限公司 | 一种小直径低损耗弯曲不敏感单模光纤的拉丝涂覆工艺 |
-
2017
- 2017-04-10 CN CN201710228361.5A patent/CN106908087B/zh active Active
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 基于光纤光栅的气体绝缘开关母线温度在线监测***;吴晓文 等;《电力自动化设备》;20130430;第33卷(第4期);第156页右栏第2段、附图2-3 * |
| 退火工艺对光纤性能的影响;张良 等;《光学与光电技术》;20160228;第14卷(第1期);第47页右栏倒数第2-3段 * |
| 铝电解槽热场仿真与槽壳温度在线检测***研究;孟玲;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20120715;第27-30页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106908087A (zh) | 2017-06-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | High-temperature sensing using miniaturized fiber in-line Mach–Zehnder interferometer | |
| CN104266777B (zh) | 一种基于纤芯失配衰减器的全光纤温度传感器 | |
| CN103018821B (zh) | 一种小弯曲半径保偏光纤及其制造方法 | |
| CN106908087B (zh) | 一种降低温度变化对光纤传感器测量信号影响的方法 | |
| EP3516435B1 (en) | Optical fibers having a varying clad index and methods of forming same | |
| CN207020079U (zh) | 长周期光纤光栅折射率传感器及折射率检测装置 | |
| CN110987229A (zh) | 一种光纤端面型法珀腔温度传感器 | |
| Liu et al. | Sensing characteristics of femtosecond laser-induced long period gratings by filling cladding holes in photonic crystal fiber | |
| KR101483169B1 (ko) | 마이크로구조의 광섬유 제조방법과 마이크로구조의 광섬유의 온라인 제어 방법 및 시스템 | |
| CN109632133A (zh) | 一种基于光纤的温度测量装置及方法 | |
| CN110579288A (zh) | 一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器 | |
| JP2014222353A (ja) | アルミニウムドープト光ファイバ | |
| Musa et al. | Investigating the effect of taper length on sensitivity of the tapered-fiber based temperature sensor | |
| US11971310B2 (en) | Method for producing an optical fibre for a distributed measurement of temperature or deformation in a harsh environment using the Rayleigh backscattered signal | |
| Yang et al. | Thermal regeneration in etched-core fiber Bragg grating | |
| Bulot et al. | OFDR distributed temperature sensing at 800 C on a fiber with enhanced Rayleigh scattering profile by doping | |
| Yasin et al. | Design of multimode tapered fibre sensor for glucose detection | |
| CN103090990A (zh) | 一种耐高温光纤宏弯损耗温度传感器的制造方法 | |
| Zhou et al. | Temperature-insensitive fiber Bragg grating strain sensor | |
| CN109668652B (zh) | 一种玻璃管填充的光纤温度测量装置 | |
| CN211401476U (zh) | 一种用于全光纤高温传感器的空芯光纤 | |
| CN207936923U (zh) | 一种基于定向耦合的乙醇填充光子晶体光纤弯曲传感器 | |
| CN115307567A (zh) | 一种基于多芯光纤拉锥的曲率传感器及其制备方法 | |
| Chen et al. | Femtosecond laser-inscribed fiber-optic sensor for simultaneous temperature and relative humidity measurements | |
| Pedersen et al. | Effects of pre-strain on the intrinsic pressure sensitivity of polymer optical fiber Bragg-gratings |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |