CN109631964A - 一种无胶化双参数多组测量段的单模光纤传感测头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量的单模光纤传感测头，其特征在于：氧化铝陶瓷管内通单模光纤裸芯，采用低温封接熔点玻璃焊料分别在氧化铝陶瓷管两端口和加工的缺口处将光纤焊接固定，缺口焊接位置为温度应变传感段，未焊接位置为温度传感段。低温封接熔点玻璃配合氧化铝陶瓷管使用能够产生很强的粘结力，不会出现老化蠕变现象，耐久性好，鲁棒性强；氧化铝陶瓷管封装外壳的独特加工实现了应变的传导、光纤的保护和单根光纤多组传感段双参量测量，实现了单根光纤温度应变交叉敏感的解耦，空间分辨率高，能够进行长距离检测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感仪器测量技术领域，具体涉及一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量段的单模光纤传感测头。
背景技术
随着经济持续高速的发展，我国对能源的需求越来越大，为了保证煤矿的开采安全，必须对煤矿立井进行检测。目前煤矿立井监测采用激光垂准仪、摄影检测技术、光纤光栅应力检测等，前两者检测***复杂，干扰因素众多，主要针对井壁变形，裂痕等现象，无法检测其内部应变；
后者采用粘贴式表面应变检测或串接入传输主光缆埋入井壁，其在实际应用中存在以下问题：
1、表面应变检测无法检测井壁内部应变，且固定光纤所采用环氧树脂在长期应力作用下的蠕变特性，最终导致粘接结构失去原有形态而丧失功能，尤其在煤矿井下的热湿环境中蠕变现象更加明显；
2、串接入传输主光缆埋入井壁会由于光缆材料和内部光纤保护结构的缓冲作用，导致无法准确传导井壁应力变化。若不串接入主光缆会由于裸光纤本身直径小(125μm)，质脆，抗剪能力非常差，导致直接应用于工程测量中存活率极低；
3、使用单模光纤进行长距离测量时，一段传感段，一段参考段为一组，单组测量会导致参考段无法实现精确补偿，空间分辨率低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量段的单模光纤传感测头。
本发明实现发明目的采用如下技术方案：
一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量段的单模光纤传感测头，包括左热缩套管、右热缩套管、光纤、氧化铝陶瓷管、低温封接熔点玻璃(Ⅰ)、低温封接熔点玻璃(Ⅱ)、低温封接熔点玻璃(Ⅲ)及低温封接熔点玻璃(Ⅳ)。单模光纤裸芯穿过氧化铝陶瓷管，氧化铝陶瓷管两端用低温封接熔点玻璃(Ⅰ)，(Ⅱ)将光纤和氧化铝陶瓷管焊接固定；在陶瓷管加工的缺口处用低温封接熔点玻璃(Ⅲ)，(Ⅳ)将单模光纤焊接固定在陶瓷管内孔中；将热缩管套在陶瓷管两端。
作为优选，本发明提供的一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量段的单模光纤传感测头，在氧化铝陶瓷管上加工一段缺口，留下一段不加工，以此重复,重复次数根据所需测量长度而定。
作为优选，本发明提供的一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量段的单模光纤传感测头，内通单根单模光纤，测头直接埋入立井两侧井壁，通过底部单模光纤相连。
作为优选，本发明提供的基于光频域反射一种无胶化双参量多组测量段的单模光纤传感测头，采用低温封接熔点玻璃作为粘结剂，氧化铝陶瓷管作为封装外壳。
作为优选，本发明提供的一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量段的单模光纤传感测头，在氧化铝陶瓷管两端采用热缩管套，防止应力集中，保护单模光纤与陶瓷管焊接部位。
作为优选，本发明提供的一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量段的单模光纤传感测头，可通过光纤参考段温度应变解耦装置得到互相关峰移动量ΔλT，Δλε。
有益效果：
本发明提供的一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量段的单模光纤传感测头与现有技术相比，其有益效果体现在：
1，所用粘结剂不会出现老化蠕变现象，耐久性好；
2，低温封接熔点玻璃配合氧化铝陶瓷管使用能够产生很强的粘结力，更好的为光纤传递应变，鲁棒性强；
3，热缩管防止应力集中，保护光纤与陶瓷管焊接部位，结构稳定。
4，无需利用主光缆传输，也避免了直接埋入单模光纤存活率低的情况，采用氧化铝陶瓷管进行封装，有效实现了应力的传导和光纤的保护。
5，氧化铝陶瓷管封装外壳的加工实现了单根光纤多组传感段双参量测量，避免使用双光纤进行温度补偿，实现单根光纤应力及温度扰动信号的接收、传输及温度应变交叉敏感的解耦，简化检测***结构，空间分辨率高，能够进行长距离检测。
6，光纤参考段温度应变解耦装置得到互相关峰移动量与光纤温度及应变系数αT1，αT2，αε1，αε2与激光器发出光对应的温度和应力灵敏度βT1，βT2，βε1，βε2之间建立联系即可得出立井井壁应变和温度值及变化位置。
附图说明
图1为本发明的组合结构图；
图2为本发明的***结构图；
图3为本发明中氧化铝陶瓷管的结构图；
图4为本发明中光纤的结构图；
图5为本发明中低温封接熔点玻璃在缺口位置焊接后的结构图；
图6为本发明中低温封接熔点玻璃在端口位置焊接后的结构图；
图7为本发明中热缩管套的结构图；
图8为本发明中传感测头井筒分布示意图；
组合图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-温度传感段，2-温度应变同时传感段，3-低温封接熔点玻璃(Ⅰ)，4-左热缩管套，5-氧化铝陶瓷管，6-低温封接熔点玻璃(Ⅲ)，7-低温封接熔点玻璃(Ⅳ)，8-右热缩管套，9-低温封接熔点玻璃(Ⅱ)，10-单模光纤，11-单模光纤传感测头，12-立井井筒，13-光纤保护管。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步解释说明。
本发明提供一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量段的单模光纤传感测头，如图1所示,方便起见，图为仅两组测量段的光纤传感测头。其包括氧化铝陶瓷管5套在单模光纤裸芯10上，在氧化铝陶瓷管5两端用低温封接熔点玻璃(Ⅰ)3，低温封接熔点玻璃(Ⅱ)9将单模光纤10和氧化铝陶瓷管5焊接固定；在氧化铝陶瓷管5所开缺口处用低温封接熔点玻璃(Ⅲ)6，低温封接熔点玻璃(Ⅳ)7将单模光纤10焊接固定在氧化铝陶瓷管5内孔中，构成温度应变同时测量段2，将左热缩管4和右热缩管8套在氧化铝陶瓷管5左右两端，防止应力集中损坏光纤，将单模光纤10的其中一端接入光纤参考段温度应变解耦装置中。温度传感段1与温度应变同时传感段2在受温度及应力扰动前的参考信号和扰动后的测量信号的波长域信号分别为S1,S2,S3,S4；
S1,S2互相关运算得到仅在温度作用下的移动量ΔλT；
S3,S4互相关运算得到在温度和应力作用下移动量Δλε,T；
则仅由应变引起的互相关峰移动量为：
Δλε＝Δλ-ΔλT (1)
光纤温度应变灵敏度测量装置测得激光器发出的光对应的温度和应力灵敏度为βT1，βT2，βε1，βε2。
由上式得出可调谐激光器发出相应波长光感知的应变及温度变化量。
光纤温度应变系数标定装置标定出光纤温度及应变系数αT1，αT2，αε1，αε2。
由上式得出光纤测量的井筒筒壁的应变和温度。互相关运算所用光频域信息是通过参考信号和测量信号的波长域拍频信号通过傅立叶变换转换到距离域，参考信号和测量信号都利用移动窗选取温度应变传感光纤与温度测量段的参考光纤的距离域信息，分别对距离域信息利用复数傅里叶反变换再转换到光频域得到的，移动窗宽度Δx是关键参量，也就是本地瑞利散射光谱信号宽度，其决定了瑞利散射光谱移动分布式传感的空间分辨率。
Δz为每个数据点的空间分辨率，即
Δz＝c/2nΔF (4)
ΔF是激光器调谐范围。则瑞利散射光谱移动分布式传感的空间分辨率Δx(移动窗宽度)为
Δx＝NΔz (5)
所测应变及温度变化的位置可由空间分辨率Δx得到。通过以上(1)、(2)、(3)、(4)及(5)式可得出基于光频域反射无胶化双参量多组测量的单模光纤传感测头所测煤矿立井井筒的应变和温度值以及所测位置。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量的单模光纤传感测头，其特征在于：氧化铝陶瓷管内通单模光纤裸芯，两端用低温封接熔点玻璃焊料Ⅰ，Ⅱ将光纤和氧化铝陶瓷管两端口焊接固定，将热缩管套在陶瓷管两端，在陶瓷管所开缺口处用低温封接熔点玻璃Ⅲ，Ⅳ将单模光纤焊接固定在陶瓷管内孔中，该焊接位置为温度应变传感段，未焊接位置为温度传感段，单模光纤接入光纤参考段温度应变解耦装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量的单模光纤传感测头，其特征在于：在氧化铝陶瓷管上加工一段缺口，留下一段不加工，以此重复，重复次数根据所需测量长度而定。
3.根据权利要求1所述的一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量的单模光纤传感测头，其特征在于：内通单根单模光纤，测头直接埋入立井两侧井壁。
4.根据权利要求1所述的一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量的单模光纤传感测头，其特征在于：采用低温封接熔点玻璃作为粘结剂，氧化铝陶瓷管作为封装外壳。
5.根据权利要求1所述的一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量的单模光纤传感测头，其特征在于：在氧化铝陶瓷管两端采用热缩管套，防止应力集中，保护单模光纤与陶瓷管焊接部位。
6.根据权利要求1所述的一种基于光频域反射无胶化双参量多组测量的单模光纤传感测头，其特征在于：可通过光纤参考段温度应变解耦装置得到互相关峰移动量ΔλT，Δλε。
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