CN105301695A - 一种光纤光栅阵列传感光缆及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤光栅阵列传感光缆及其使用方法。光缆包括外护套和传感光纤，传感光纤敷设在外护套内，其特征在于所述的传感光纤为拉丝时直接在线刻入光栅的全同光栅阵列光纤，所述的外护套为一次挤塑成型的整体型外护套。本发明的传感光缆强度高，传输损耗小，光栅的一致性好，所制备的光纤光栅阵列可以直接一次成缆；本发明的传感光缆结构设置简单合理，抗压抗拉的机械性能强；采用基于时分/波分混合复用信号解调技术进行传感信号解调，突破了现有传感光缆的局限性，定位快速精确，测量结果重复性好，易于进行长距离多点分布测量，可多路复用并构成传感网络。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅阵列传感光缆及其使用方法，属于光纤传感技术领域。
背景技术
目前，温度传感器广泛应用于航空航天、能源基站、油气管道、堤坝、道路桥梁、电缆等设备和设施，用于施工质量监测、长期健康监测和火灾报警等。
电子温度传感器在实际应用中表现出易受电磁干扰、稳定性差、测量范围小和信号传输距离短等缺点，尤其在多点探测时，大量的信号传输线路给现场施工造成极大不便。而温度传感光缆具有监测灵敏度高、体积小、重量轻、安全防爆等优点。
温度传感光缆，如基于强度调制的温度传感光缆虽然突破了传统的电子类温度传感器的某些局限性，但其本身仍然具有以下缺陷，比如受环境影响较大、定位困难及测量结果重复性差等。从结构而论，现有的光纤光栅类传感光缆需要熔接光纤光栅，即在光纤静止状态单个地制备光栅，再采用光纤熔接机将多个光栅逐个熔接，制作光缆时也需要相应制作多节护套。这就存在光栅制备效率低，光纤上的熔接点多、损耗大，光栅串接数量受到限制并且最终的光栅阵列机械性能差等缺点，不能完全满足实际应用对光纤光栅传感光缆的要求。
另外，光栅对于应力和温度都很敏感，在实际应用中必须减弱或消除应力的影响。而在成缆和光缆布设过程中，光纤光缆会经常受到拉伸、弯曲、踩踏等，如果处理不好，会引起温度测量不准确，甚至使传感光缆失效。
综上所述，用于传感的光纤光栅光缆需要解决的是光栅阵列中的光栅制备效率低、光栅数量少、光纤强度低、损耗大、光缆可靠性差、光栅易受应力影响、光缆结构复杂等问题。
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存在的不足提供一种结构设置合理，光纤强度高、损耗小，测量与传输距离长，传感性能可靠，易于制作的光纤光栅阵列传感光缆及其使用方法。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括外护套和传感光纤，传感光纤敷设在外护套内，其特征在于所述的传感光纤为拉丝时直接在线刻入光栅的全同光栅阵列光纤，所述的外护套为一次挤塑成型的整体型外护套。
按上述方案，所述的传感光纤为一条连续的无熔接点的全同光栅阵列光纤；所述传感光纤上连续刻写光栅的数量为5～10000个，两个相邻光栅之间的间距为0.5m～200m。
按上述方案，所述传感光纤上的光栅为弱反射布喇格光栅，反射率为1％～0.0001％。
按上述方案，所述的传感光纤由刻入光栅的裸光纤表面涂覆树脂涂覆层或碳涂覆层或金属涂覆层构成。
按上述方案，所述传感光纤的静态抗拉强度大于或等于55N，且光纤的整体经过100kpsi张力的动态筛选。
按上述方案，所述的传感光纤在涂覆层外包覆紧套层或松套层，分别构成紧套传感光纤和松套传感光纤。
按上述方案，在外护套内设置有金属铠装层，所述的传感光纤松弛敷设在金属铠装层内。
按上述方案，在外护套和金属铠装层之间设置有非金属加强层。
按上述方案，所述的外护套径向截面为圆形或蝶形。
按上述方案，所述的外护套中沿周向间隔或在两侧设置有加强件。
本发明提供的光纤光栅阵列传感光缆是一种光纤布喇格光栅准分布式传感器，其中的布喇格光栅可以是等距离排列，也可以是不等距离排列。使用单脉冲紫外激光束曝光，采用相位掩模板法刻写光栅，制备出弱反射布喇格光栅，对裸光纤连续曝光，制备出全同弱光栅阵列。刻写光栅装置为准分子激光器结合相位掩模板，设置在光纤拉丝塔出丝口下方，准分子激光器输出的单脉冲紫外激光束经光阑整形，经过透镜聚焦，照射到掩模板上，从而在近乎紧贴掩模板的裸光纤上写入光栅。刻写光栅过程中受到电脑控制，相邻光栅之间的间距和激光强度均可按要求设置，整套装置在匀速下拉的裸光纤上连续自动刻写光栅。刻写光栅后对光纤进行涂敷。然后对光栅阵列进行力学检测和解调检测合格后制成传感光缆，最后通过光纤光栅阵列信号解调技术还原测试信号。
光栅阵列波分复用技术由于波长调制的特性，每个光纤布喇格光栅都会占用一定的带宽，同时彼此之间不允许重叠。因此，光纤光栅的波分复用技术受到光源带宽以及光栅波长幅宽的限制，一根光纤上复用30个光栅基本已经达到极限。本发明提供的光纤光栅阵列传感光缆其中的光栅数目至少有5个，可以多至10000个或更多，根据需要确定。然而一根光纤上光栅复用的数量超过30个时，单独用波分复用技术难以进行信号解调。
本发明的光纤光栅传感器使用方法为：采用波分复用技术和时分复用技术复合使用的方法，这是一种基于传感脉冲信号随时间和波长二元变化关系的分布式光纤光栅传感信号解调技术，光源输出的一窄带脉冲信号耦合进入光栅阵列，该窄带脉冲信号以固定频率重复，且信号的波长周期性连续调谐变化，入射到与脉冲波长一致的光栅上时，脉冲信号部分被光栅反射回到解调仪，剩余部分继续向前传输；如果入射脉冲波长与光栅中心波长不一致，脉冲信号直接透射过去直至遇到中心波长一致的光栅；根据脉冲信号返回时间、光栅反射信号波长和反射光强，分析计算出光栅的空间位置和传感参数值的大小。
本发明的有益效果是：1、在线制备的全同光栅阵列光纤上无熔接点，强度高，传输损耗小，光栅的一致性好，所制备的光纤光栅阵列可以直接一次成缆；2、本发明的传感光缆结构设置简单合理，抗压抗拉的机械性能强，在光缆受到张力时光纤能一直处于松弛状态，保证其中光栅不受力，能够稳定精确地测量；3、采用基于时分/波分混合复用信号解调技术进行传感，突破了现有传感光缆的局限性，定位快速精确，测量结果重复性好，易于进行长距离多点分布测量，可多路复用并构成传感网络。
附图说明
图1为本发明第一个实施例的径向剖面结构图。
图2为本发明第二个实施例的径向剖面结构图。
图3为本发明第三个实施例的径向剖面结构图。
图4为本发明第四个实施例的径向剖面结构图。
图5为本发明第五个实施例的径向剖面结构图。
图6为本发明一个实施例中一组全同弱光栅阵列解调图谱。
图7为本发明一个实施例中连续6个位置处的光栅的谱形图。
图8、图9分别为本发明一个实施例中光栅阵列上不同位置处的两个光栅的中心波长随时间的变化曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明第一个实施例如图1所示，为一种圆形光纤光栅阵列传感光缆，包括有圆形截面的外护套3，在外护套内设置有金属铠装2，在金属铠装层内松弛敷设传感光纤1；其中，所述外护套可由聚氯乙烯护套料、阻燃护套料或耐电痕护套料制成；所述的金属铠装层可由铝塑复合带、钢塑复合带、螺旋钢铠、钢绞线或不锈钢管构成，金属铠装层的孔径为0.8～6mm；所述的传感光纤为拉丝时直接在线刻入光栅的全同光栅阵列光纤，刻写光栅的数量为5～10000个，两个相邻光栅之间的间距为0.5m～200m，可为等距或不等距，所述传感光纤上的光栅为弱反射布喇格光栅，反射率为1％～0.0001％。所述的传感光纤由刻入光栅的裸光纤表面涂覆树脂涂覆层构成，涂覆层为1～2层。所述的外护套为一次挤塑成型的整体型外护套。本实施例中光缆直径2mm，螺旋钢铠直径1mm，光缆长度1964m，其中的光栅之间的间距为2m。
第二个实施例如图2所示，与第一个实施例的不同之处在于在外护套中两侧设置有加强件4，所述的加强件为钢丝。其他结构与第一个实施例相同。
第三个实施例如图3所示，与第一个实施例的不同之处在于在外护套中沿周向间隔90°设置1根加强件4，所述的加强件为钢丝。其他结构与第一个实施例相同。
第四个实施例如图4所示，与第一个实施例的不同之处在于在外护套和金属铠装层之间设置有非金属加强层5，非金属加强层为芳纶纱。其他结构与第一个实施例相同。
第五个实施例如图5所示，为一种蝶形光纤光栅阵列传感光缆，包括有蝶形截面的外护套3，在外护套内设置有金属铠装层2，金属铠装层为螺旋钢铠，在金属铠装层内松弛敷设传感光纤1；在外护套中两侧设置有加强件4，所述的加强件为钢丝。本实施例光缆截面4.5mm×6.6mm，螺旋钢铠直径3mm，光缆长度1099m，其中光栅之间的间距为20m。
本发明的光纤光栅阵列传感光缆成缆过程（以实施例3为例）如下：
成缆过程中光纤都以小张力主动放线方式放出，首先在光纤周围纵包加强件，直径优选2～5mm，再放出钢丝，按实施例2中加强件位置放置，经过挤塑机头挤制聚氯乙烯形成护套，接着通过选择合适的牵引轮速度，使护套在冷水槽中受力拉伸，此时纵包加强件一起拉伸，而其中光纤处于松套结构中不受牵引轮影响，在护套中积聚更长光纤。然后等护套通过牵引轮，纵包加强件和护套弹性恢复，长度缩短，从而使松套结构内的光纤得到所需要的余长值，最后上盘，成缆结束。
本发明传感光纤的弱光栅的反射率、中心波长和带宽等光学参数相同，称为全同弱光栅。使用LG1-100B型解调仪检测，可对所制备的全同弱光栅阵列进行解调，解调的数据保存为FBG和RAW文件，通过对应的分析软件可以观察到某个光栅（通过距离来定位光栅，即以某个光栅到解调仪的距离来标定）在某个时刻的中心波长及其光栅谱型图。图6所示为一组全同弱光栅阵列的解调图谱，该全同弱光栅阵列之中的光栅之间的间距为2m，光栅阵列的总长度1965m。根据图6可知某个时刻光栅阵列上不同位置上的光栅的中心波长，即某个时刻光栅阵列的中心波长随距离的变化。图7所示为连续6个位置处的光栅的谱形图。图8、9所示为在某一温度升温制度下，在光栅阵列上的20.89m和50.25m位置处的两个光栅的中心波长随时间的变化。其中20.89m位置处的光栅属于温度实验组，见图8；50.25m位置处的光栅属于温度实验对比组，见图9。由图8可见，通过解调仪可以确定光栅的位置并能测定该位置上光栅的中心波长随温度的变化。
由图6至图9可知混合使用了时分/波分技术的LG1-100B型解调仪可以实现对全同弱光栅阵列的解调，能采集、保存并显示全同弱光栅阵列整体在某个时刻的所有光栅的中心波长分布情况，可以看出光栅阵列中每个光栅都被成功写入，没有漏刻的，光栅之间2m的间距误差很小，光栅的反射强度基本一致，光栅阵列上的光栅的反射强度波动很小，光栅的对称性较好，消光比较大，光栅谱形的一致性较好。由图6至图9可知解调仪可以做到光栅的精确寻址定位，并实时记录和保存每一个光栅的中心波长随时间的变化情况，在常温状态下光栅中心波长基本不变，升温实验结果显示光栅阵列上的光栅能很好地做到温度传感。
本发明的全同光栅阵列光纤的静态抗拉强度大于或等于55N，且长度达到5000m的光纤的整体经过100kpsi张力的动态筛选之后能保持完好，具体的实施方式为将含有光栅阵列的光纤经导引轮牵引到放线主动轮和收线主动轮上，主动轮压带防止光纤在轮上打滑但对光纤没有附加应力不损伤光纤涂层，在两个主动轮之间配置有带传感器的张力座施加与光纤规格相应的固定重量，从而将张力传递给光纤实现对光纤的张力检验。在实际操作中，逐渐线性地把应力加到光纤上，稳定之后对光纤整体进行筛选，检验完毕再从满负荷线性地下降到零应力即松绕状态。而现有的带有熔接点的2m以上的光栅无法承受同等强度的整体筛选。容易理解，因为光纤熔接导致强度受损，发生断裂的概率高，尤其是较长的，比如在100m长度的光纤上，即使只有10个熔接点，只要有一个断裂，那么整个传感光缆都会失效。所以本发明这种整体的光纤光栅的高强度是所有带有熔接点的光栅所不能比拟的。本发明通过整体加载张力筛选的高强度光纤光栅大幅度提高了成缆的可靠性，对延长传感光缆的寿命有重要意义。
Claims (10)
1.一种光纤光栅阵列传感光缆，包括有外护套和传感光纤，传感光纤敷设在外护套内，其特征在于所述的传感光纤为拉丝时直接在线刻入光栅的全同光栅阵列光纤，所述的外护套为一次挤塑成型的整体型外护套。
2.按权利要求1所述的光纤光栅阵列传感光缆，其特征在于所述传感光纤上连续刻写光栅的数量为5～10000个，两个相邻光栅之间的间距为0.5m～200m。
3.按权利要求1或2所述的光纤光栅阵列传感光缆，其特征在于所述传感光纤上的光栅为弱反射布喇格光栅，反射率为1％～0.0001％。
4.按权利要求1或2所述的光纤光栅阵列传感光缆，其特征在于所述的传感光纤由刻入光栅的裸光纤表面涂覆树脂涂覆层或碳涂覆层或金属涂覆层构成。
5.按权利要求4所述的光纤光栅阵列传感光缆，其特征在于所述传感光纤的静态抗拉强度大于或等于55N，且光纤的整体经过100kpsi张力的动态筛选。
6.按权利要求4所述的光纤光栅阵列传感光缆，其特征在于所述的传感光纤在涂覆层外包覆紧套层或松套层，分别构成紧套传感光纤和松套传感光纤。
7.按权利要求1或2所述的光纤光栅阵列传感光缆，其特征在于在外护套内设置有金属铠装层，所述的传感光纤松弛敷设在金属铠装层内。
8.按权利要求7所述的光纤光栅阵列传感光缆，其特征在于在外护套和金属铠装层之间设置有非金属加强层。
9.按权利要求7所述的光纤光栅阵列传感光缆，其特征在于所述的外护套径向截面为圆形或蝶形。
10.一种按权利要求1至9中任一项所述的光纤光栅阵列传感光缆的使用方法，其特征在于采用波分复用技术和时分复用技术复合使用的方法，这是一种基于传感脉冲信号随时间和波长二元变化关系的分布式光纤光栅传感信号解调技术，光源输出的一窄带脉冲信号耦合进入光栅阵列，该窄带脉冲信号以固定频率重复，且信号的波长周期性连续调谐变化，入射到与脉冲波长一致的光栅上时，脉冲信号部分被光栅反射回到解调仪，剩余部分继续向前传输；如果入射脉冲波长与光栅中心波长不一致，脉冲信号直接透射过去直至遇到中心波长一致的光栅；根据脉冲信号返回时间、光栅反射信号波长和反射光强，分析计算出光栅的空间位置和传感参数值的大小。
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