CN110632719A - 一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆 - Google Patents
一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110632719A CN110632719A CN201910955423.1A CN201910955423A CN110632719A CN 110632719 A CN110632719 A CN 110632719A CN 201910955423 A CN201910955423 A CN 201910955423A CN 110632719 A CN110632719 A CN 110632719A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ultra
- weak
- fiber grating
- strain
- metal spiral
- 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.)
- Pending
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 48
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 38
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 21
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 11
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 10
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 5
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 4
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 3
- 229920006351 engineering plastic Polymers 0.000 claims description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 10
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 abstract description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229920000271 Kevlar® Polymers 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000004761 kevlar Substances 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000012791 sliding layer Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000004078 waterproofing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
- G01B11/165—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by means of a grating deformed by the object
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
- G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
- G01L1/246—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using integrated gratings, e.g. Bragg gratings
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/44—Mechanical structures for providing tensile strength and external protection for fibres, e.g. optical transmission cables
- G02B6/4401—Optical cables
- G02B6/4429—Means specially adapted for strengthening or protecting the cables
- G02B6/443—Protective covering
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
Abstract
一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，包括位于中心的、内部刻有多个超弱布拉格光栅传感单元的超弱光纤光栅阵列；所述超弱光纤光栅阵列螺旋套接有金属螺旋铠，所述超弱光纤光栅阵列与所述金属螺旋铠内壁之间注入有粘接剂，固化形成粘接点；沿金属螺旋铠轴向交叉编织的金属网；紧密包覆在金属螺旋铠和所述金属网***的护套；在超弱布拉格光栅传感单元对应位置的护套上涂覆有传感器标记。本发明通过预先在选定点上对光栅阵列和金属螺旋铠进行内部粘接，再加工成线性的光缆，利用金属螺旋铠的弹性变形特性实现分布式传感，确保应力应变从被测对象到传感光纤的可靠传递，完全避免了成缆过程中的啁啾问题，成缆工艺简单，工程铺设方便，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及应变光缆技术领域，具体涉及一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆。
背景技术
对于诸如桥梁、隧道、路基路面等大型结构和基础设施进行监测时，传统的点式光纤光栅(FBG)传感器很难实现对整个结构的状态进行监测，且随着布设传感器数量的增加，FBG***的复杂度和成本将会急剧增加。基于布里渊散射的光纤传感器可以实现长距离的分布式传感，在工程结构监测领域广受欢迎，但受激布里渊散射效应的限制，单点上的应变监测精度只有几十个微应变，且***复杂，实时性差，很难满足高要求监测场合的需要。超弱光纤光栅具有极低的反射率，通过时分/波分复用，极大地提高传感单元的复用数量和空间分辨率，可以实现密集的点式大应变传感，但这种方式仍无法彻底克服准分布式传感存在的问题。如何将超弱光纤光栅传感技术进行改进，在长距离上实现全分布式应变感测，是超弱光纤光栅传感技术面临的一大难题。
超弱光纤光栅阵列(以下简称“光栅阵列”)为了方便运输和施工，往往需要增加多层保护，如对光缆进行螺旋铠装、金属丝编织、纵向铺设凯芙拉纤维、加装外护套等。上述加工提升了光栅阵列的存活能力，但包覆材料越多，传感单元越是无法与被测物体直接接触，容易产生直接或间接的应变传递失真。此外，光栅阵列成缆时对加工应力和微弯非常敏感，传统应变光缆的成缆工艺移植到超弱光栅上会出现明显的问题。例如，中国专利“金属基索状分布式光纤传感器”(专利号：ZL：201110212087.5)提出采用外部钢丝束是以螺旋形式加捻包围缠绕在中心位置的传感光纤光栅串上，在实际成缆过程中，光栅区因涂覆不均、栅区过长以及局部加捻的应力不均等，都会导致严重的光谱啁啾或畸变。
中国专利“一种基于超短弱光栅阵列的应力应变光缆”(申请号：201811184852.5)提出通过缩短光栅长度，有效降低成缆啁啾或畸变的概率，但这对光栅制备及成缆工艺提出了很高的要求，也无法完全避免光栅啁啾的问题。
发明内容
针对现有超弱光栅光缆准分布式感测、光栅啁啾等问题，本发明提出了一种制作工艺简单、应变传递效果好、铺设方便的内定点式超弱光纤光栅应变光缆，通过预先在选定点上对光栅阵列和金属螺旋铠进行内部粘接，再加工成线性的光缆，利用金属螺旋铠的弹性变形特性，实现应力应变从被测对象到光纤的可靠传递，完全避免了成缆过程中的啁啾问题；且成缆工艺简单，工程铺设方便，具有良好的应用前景。
本发明采取的技术方案为：
一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，包括：
位于中心的、内部刻有多个超弱布拉格光栅传感单元的超弱光纤光栅阵列；
所述超弱光纤光栅阵列螺旋套接有金属螺旋铠，所述超弱光纤光栅阵列与所述金属螺旋铠内壁之间注入有粘接剂，固化形成粘接点；
沿金属螺旋铠轴向交叉编织的金属网；
紧密包覆在金属螺旋铠和所述金属网***的护套；
在超弱布拉格光栅传感单元对应位置的护套上涂覆有传感器标记。
所述超弱光纤光栅阵列还包括纤芯、包层、第一紧包涂覆层、第二紧包涂覆层；
纤芯刻写有反射率在0.001％～0.1％的超弱布拉格光栅传感单元，纤芯、包层由G.657类的光纤预制棒拉制而成，第一紧包涂覆层涂覆并包裹包层，第二紧包涂覆层涂覆并包裹第一紧包涂覆层。所述第一紧包涂覆层的光纤直径0.17～0.20mm，所述第二紧包涂覆层的光纤直径为0.90mm。
所述金属螺旋铠为内径大于2.0mm的、宽1mm、厚0.3mm的不锈钢带卷绕成型。
所述粘接点是通过扩大选定位置处金属螺旋铠的螺旋间隙，向金属螺旋铠的内孔中注入粘接剂后固化形成，用于将所述金属螺旋铠的应力传递到超弱光纤光栅阵列。
所述护套为PE等工程塑料，厚度大于0.5mm。
根据施工现场的要求，铺设内定点式超弱光纤光栅应变光缆，确保整条光缆处于预拉状态，且光缆与被测对象之间紧密贴合；将应变光缆的一端接入超弱光纤光栅应变分析仪，读出光缆上的所有超弱布拉格光栅传感单元的位置和初始波长，作为初始应变状态值予以保存；根据现场的监测要求设置采样的时间间隔，读取不同时刻的超弱布拉格光栅传感单元的波长变化，根据标定的波长-应变系数，计算出各个超弱布拉格光栅传感单元相对于初始状态的应变变化，显示光缆布设位置上的应力分布。
本发明一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，具有以下有益效果：
1)实现了分布式应力/应变的监测：
通过结构创新，利用护套和螺旋铠进行应力/应变传递，将被测对象的应力/应变分段传递给光栅阵列，通过多段衔接，构成长度方向上的全分布式传感，解决了传统超弱光栅只能点式传感的问题。
2)加工简单，性能稳定：
该光缆针对超弱光栅应力/应变监测的需要，通过对传统野战光缆进行改进获得。光缆铠装、编织以及加护套均为自动化，期间辅助少量的人工点胶，即可达到设计目的，加工工艺简单。外护套和金属螺旋铠紧密结合，应力/应变传递效率高，蠕变小，光缆的性能稳定。
3)铺设方便：
整根光缆和普通光缆的外形相同，可以直接沿用普通光缆的铺设工艺，现场施工简单。通过对光栅位置的标记，可有效避免局部弯折对传感点的影响，有效规避盲点。
附图说明
图1为本发明的超弱光栅光缆的截面结构示意图；
其中：1为超弱光纤光栅阵列；2为金属螺旋铠；3为粘接点；4为金属丝网；5为护套；6为传感器标记。
图2为本发明的应变超弱光纤光栅阵列的结构示意图；
其中：11为超弱光纤光栅；12为纤芯；13位光纤包层；14为第一紧包涂覆层，15为第二紧包涂覆层。
图3为内定点式超弱光纤光栅应变光缆传感***应用于山地滑坡监测示意图。
具体实施方式
一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，包括：
位于中心的、内部刻有多个超弱布拉格光栅传感单元11的超弱光纤光栅阵列1；
所述超弱光纤光栅阵列1螺旋松散套接有金属螺旋铠2，所述超弱光纤光栅阵列1与所述金属螺旋铠2内壁之间注入有粘接剂，固化形成粘接点3；
沿金属螺旋铠2轴向交叉编织的金属网4；
紧密包覆在金属螺旋铠2和所述金属网4***的护套5；
在超弱布拉格光栅传感单元11对应位置的护套5上涂覆有传感器标记6。
所述超弱光纤光栅阵列1还包括纤芯12、包层13、第一紧包涂覆层14、第二紧包涂覆层15；纤芯12刻写有反射率在0.001％～0.1％的超弱布拉格光栅传感单元，纤芯12、包层13由由G.657类的光纤预制棒拉制而成，第一紧包涂覆层14涂覆并包裹包层13，第二紧包涂覆层15涂覆并包裹第一紧包涂覆层14。
所述第一紧包涂覆层14的光纤直径0.17～0.20mm，所述第二紧包涂覆层15的光纤直径为0.90mm。为了保证应力/应变的有效传递，取消了传统光纤的滑移层设计，通过双层紧包，可以使超弱光栅阵列的应变量程达到50000με以上，充分发挥超弱光栅大应变的优势，更好的满足不同应变量程监测的需要。
所述多个超弱布拉格光栅传感单元11中心波长可以相同，也可以不同，传感单元之间的间距可以定制。超弱光栅在单光纤可复用上万个传感单元，这种设计充分发挥超弱光栅大容量的优势，通过波分/时分复用，可以进一步提高光栅阵列的空间分辨率和容量。
所述金属螺旋铠2为内径大于2.0mm的、宽1mm、厚0.3mm的不锈钢带卷绕成型。这种设计保证了金属螺旋铠2与直径0.9mm光栅阵列之间的间隙配合，避免因弯曲或挤压产生附加损耗；不锈钢带的宽度和厚度选择，使光缆具备一定的回复功能，可以监测应力/应变的双向变化。
所述粘接点3是通过扩大选定位置处金属螺旋铠2的螺旋间隙，向金属螺旋铠2的内孔中注入粘接剂后固化形成，用于将所述金属螺旋铠2的应力传递到超弱光纤光栅阵列1。
所述金属网4编织密度根据光缆的抗拉强度进行调节，抗拉强度越高，编织密度越高。
所述护套5为PE等工程塑料，厚度大于0.5mm。护套5具有一定的厚度，既能提升了对内部光纤的保护能力，也能有效避免因摩擦等外因导致的破损，防水防潮。
根据施工现场的要求铺设内定点式超弱光纤光栅应变光缆，确保整条光缆处于预拉状态，且光缆与被测对象之间紧密贴合。将应变光缆的一端接入超弱光纤光栅应变分析仪(型号：RS-HFBGA-04,生产厂家：宜昌睿传光电技术有限公司)，读出光缆上的所有超弱布拉格光栅传感单元的位置和初始波长，作为初始应变状态值予以保存。根据现场的监测要求设置采样的时间间隔，读取不同时刻的超弱布拉格光栅传感单元的波长变化，根据标定的波长-应变系数，计算出各个超弱布拉格光栅传感单元相对于初始状态的应变变化。显示光缆布设位置上的应力分布。
本发明提出了一种制作工艺简单、应变传递效果好、铺设方便的内定点式超弱光纤光栅应变光缆，通过预先在选定点上对光栅阵列和金属螺旋铠进行内部粘接，再加工成线性的光缆，利用金属螺旋铠的弹性变形特性实现分布式传感，确保应力应变从被测对象到传感光纤的可靠传递，完全避免了成缆过程中的啁啾问题，成缆工艺简单，工程铺设方便，具有良好的应用前景。
Claims (8)
1.一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于包括：
位于中心的、内部刻有多个超弱布拉格光栅传感单元(11)的超弱光纤光栅阵列(1)；
所述超弱光纤光栅阵列(1)螺旋套接有金属螺旋铠(2)，所述超弱光纤光栅阵列(1)与所述金属螺旋铠(2)内壁之间注入有粘接剂，固化形成粘接点(3)；
沿金属螺旋铠(2)轴向交叉编织的金属网(4)；
紧密包覆在金属螺旋铠(2)和所述金属网(4)***的护套(5)；
在超弱布拉格光栅传感单元(11)对应位置的护套(5)上涂覆有传感器标记(6)。
2.根据权利要求1所述一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：所述超弱光纤光栅阵列(1)还包括纤芯(12)、包层(13)、第一紧包涂覆层(14)、第二紧包涂覆层(15)；
纤芯(12)刻写有反射率在0.001％～0.1％的超弱布拉格光栅传感单元，纤芯(12)、包层(13)由G.657类的光纤预制棒拉制而成，第一紧包涂覆层(14)涂覆并包裹包层(13)，第二紧包涂覆层(15)涂覆并包裹第一紧包涂覆层(14)。
3.根据权利要求2所述一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：所述第一紧包涂覆层(14)的直径0.17～0.20mm，所述第二紧包涂覆层(14)的直径为0.90mm。
4.根据权利要求1所述一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：所述金属螺旋铠(2)为内径大于2.0mm的、宽1mm、厚0.3mm的不锈钢带卷绕成型。
5.根据权利要求1所述一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：所述粘接点(3)是通过扩大选定位置处金属螺旋铠(2)的螺旋间隙，向金属螺旋铠(2)的内孔中注入粘接剂后固化形成，用于将所述金属螺旋铠(2)的应力传递到超弱光纤光栅阵列(1)。
6.根据权利要求1所述一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：所述护套(5)为PE等工程塑料，厚度大于0.5mm。
7.如权利要求1-6所述任意一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：根据施工现场的要求，铺设所述内定点式超弱光纤光栅应变光缆，确保整条光缆处于预拉状态，且光缆与被测对象之间紧密贴合；
将应变光缆的一端接入超弱光纤光栅应变分析仪，读出光缆上的所有超弱布拉格光栅传感单元(11)的位置和初始波长，作为初始应变状态值予以保存；
根据现场的监测要求设置采样的时间间隔，读取不同时刻的超弱布拉格光栅传感单元(11)的波长变化，根据标定的波长-应变系数，计算出各个超弱布拉格光栅传感单元(11)相对于初始状态的应变变化，显示光缆布设位置上的应力分布。
8.如权利要求1-6所述任意一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：应用于山地滑坡监测。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910955423.1A CN110632719A (zh) | 2019-10-09 | 2019-10-09 | 一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910955423.1A CN110632719A (zh) | 2019-10-09 | 2019-10-09 | 一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110632719A true CN110632719A (zh) | 2019-12-31 |
Family
ID=68976226
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910955423.1A Pending CN110632719A (zh) | 2019-10-09 | 2019-10-09 | 一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110632719A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112325786A (zh) * | 2020-10-28 | 2021-02-05 | 山东电力工程咨询院有限公司 | 基于密集分布式的海上钢管桩运营期在线监测方法 |
| CN117213389A (zh) * | 2023-11-07 | 2023-12-12 | 北京交通大学 | 既有二次衬砌结构应力应变监测方法 |
-
2019
- 2019-10-09 CN CN201910955423.1A patent/CN110632719A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112325786A (zh) * | 2020-10-28 | 2021-02-05 | 山东电力工程咨询院有限公司 | 基于密集分布式的海上钢管桩运营期在线监测方法 |
| CN117213389A (zh) * | 2023-11-07 | 2023-12-12 | 北京交通大学 | 既有二次衬砌结构应力应变监测方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20040258373A1 (en) | Monitoring cable | |
| CA2819122C (en) | Method for measuring the length of an electric cable that uses an optical fibre element as a sensor | |
| US10170219B2 (en) | Load carrying bundle intended for use in a power cable or a power umbilical | |
| JP4626535B2 (ja) | テープ状光ファイバケーブル | |
| US11042000B2 (en) | Optical cable for terrestrial networks | |
| CN210514734U (zh) | 一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆 | |
| CN201081769Y (zh) | 分布式应变测量光缆 | |
| CN109239877B (zh) | 一种基于超短弱光栅阵列的应力应变光缆 | |
| CN105300305A (zh) | 耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝及其制作方法 | |
| CN110632719A (zh) | 一种内定点式超弱光纤光栅应变光缆 | |
| EP3023823B1 (en) | Multitube seismic cable | |
| US20190250346A1 (en) | Predefined cylindrical enclosure for optical waveguide cable | |
| CN110632720A (zh) | 一种用于水温监测的超弱光纤光栅光缆 | |
| US11187866B2 (en) | Fiber multitube optical fiber cable | |
| US6442316B1 (en) | Stress sensor based on periodically inserted color-changing tactile films to detect mishandling of fiber optic cables | |
| CN103969773A (zh) | 光缆 | |
| CN111624716A (zh) | 集通信及环境监测于一体的复合海底光缆 | |
| CN102681114A (zh) | 一种铠装感测光缆 | |
| CN210514735U (zh) | 一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆 | |
| CN210572929U (zh) | 一种用于水温监测的超弱光纤光栅光缆 | |
| CN213398986U (zh) | 一种通信和传感全能光缆 | |
| CN109239876A (zh) | 一种弱光纤光栅感温光缆 | |
| CN110780400A (zh) | 一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆及其使用方法 | |
| CN202693879U (zh) | 一种掩埋于物体内部的分布式应变和温度监测光缆 | |
| CN107861211A (zh) | 一种热力管道监测传感光缆 |
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 |