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一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆及其使用方法

阅读：1010发布：2020-05-25

专利汇可以提供一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆及其使用方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆及其使用方法，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；沿所述金属螺旋铠轴向交叉设有丝网层；紧密包覆在所述金属螺旋铠和丝网层外围的护套；用于将超弱光纤光栅阵列和金属螺旋铠固结在一起的定点受力环。本发明先将超弱光栅阵列铠装成缆，再在选定点上剥除护套，将光栅阵列、金属螺旋铠与定点受力环粘接，利用金属螺旋铠的弹性变形特性将应力应变从被测对象传递到光纤光栅上，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。，下面是一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆及其使用方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种外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)；
沿所述金属螺旋铠(2)轴向交叉设有丝网层(3)；
紧密包覆在所述金属螺旋铠(2)和丝网层(3)外围的护套(4)；
用于将超弱光纤光栅阵列(1)和金属螺旋铠(2)固结在一起的定点受力环(5)。
2.根据权利要求1所述一种外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所述一种外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2所述一种外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所述一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：所述护套(4)为PE等工程塑料，厚度大于0.5mm。
6.根据权利要求1所述一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：所述定点受力环(5)包括密封管、热缩套管；金属螺旋铠(2)和超弱光纤光栅阵列(1)通过粘接剂粘接固定，所述密封管注入粘接剂，与所述护套(4)固定。
7.根据权利要求6所述一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆，其特征在于：所述密封管是高强度的金属或塑料套管。
8.如权利要求1-7所述任意一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆的使用方法，其特征在于：将定点受力环(5)锚固在被测物体上，或者嵌入被测物中，确保两个定点受力环(5)之间的光缆处于预拉状态；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，显示光缆上各个传感段的应变分布情况。

说明书全文

一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及应变光缆技术领域，具体涉及一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆及其使用方法。

背景技术

[0002] 岩土工程的安全度在时间和空间上作出准确的判断比较困难，需要采用相应的技术手段进行监测。光纤传感具有无源、抗干扰、易于长距离监测等特点，在岩土体监测中具有广泛的应用。传统的点式光纤光栅(FBG)传感器往往需要根据经验选择监测点，具有一定的盲目性，导致后期容易出现某局部漏测或者过载失效，给工程安全带来隐患。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，但受激布里渊散射效应的限制，应变监测精度只有几十个微应变，且系统复杂，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，在岩土体监测中具有广泛的需求。

[0003] 由于岩土体的工况相对复杂，在超弱光栅成缆时，需要增加螺旋铠装、金属丝编织、加装外护套等来提升光缆的适应性，但这些附加材料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)通过缩短栅区长度的方法，有效降低成缆啁啾或畸变的概率，但给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

[0004] 针对现有超弱光栅光缆准分布式感测、光栅啁啾等问题，本发明提出了一种应变传递效果好、铺设方便的外定点式超弱光纤光栅应变光缆及其使用方法，先将超弱光栅阵列铠装成缆，再在选定点上剥除护套，将光栅阵列、金属螺旋铠与定点受力环粘接，利用金属螺旋铠的弹性变形特性将应力应变从被测对象传递到光纤光栅上，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。

[0005] 本发明采取的技术方案为：

[0006] 一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆，包括：

[0007] 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；

[0008] 所述超弱光纤光栅阵列螺旋套接有金属螺旋铠；

[0009] 沿所述金属螺旋铠轴向交叉设有丝网层；

[0010] 紧密包覆在所述金属螺旋铠和丝网层外围的护套；

[0011] 用于将超弱光纤光栅阵列和金属螺旋铠固结在一起的定点受力环。

[0012] 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；

[0013] 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。

[0014] 所述第一紧包涂覆层的直径0.17～0.20mm，所述第二紧包涂覆层的直径为0.90mm。

[0015] 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。

[0016] 所述护套为PE等工程塑料，厚度大于0.5mm。

[0017] 所述定点受力环包括密封管、热缩套管；切开护套后，向金属螺旋铠的内孔中注入粘接剂，将金属螺旋铠和所述的超弱光纤光栅阵列粘接固定，再向所述密封管注入粘接剂，将所述密封管和护套固定。

[0018] 所述密封管是高强度的金属或塑料套管。

[0019] 根据施工现场的要求，采用专用夹具将定点受力环锚固在被测物体上，或者嵌入被测物中，确保两个定点受力环之间的光缆处于预拉状态；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，显示光缆上各个传感段的应变分布情况。

[0020] 本发明一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆及其使用方法，具有以下有益效果：

[0021] 1)克服传感器的选点问题，实现分布式传感：

[0022] 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，构成长度方向上的大尺度分布式传感，解决了传统超弱光栅监测时的选点难题，测量距离长，应用范围广，可以取代传统的BOTDR监测。

[0023] 2)加工简单，性能稳定：

[0024] 该光缆是传统铠装光缆的结构改进，手工或半自动增加定点受力环，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。

[0025] 3)铺设方便：

[0026] 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。通过锁紧定点受力环，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

[0027] 图1为本发明的超弱光栅光缆的截面示意图；

[0028] 其中：1为超弱光纤光栅阵列；2为金属螺旋铠；3为金属丝网；4为护套；5为定点受力环。

[0029] 图2为本发明的应变超弱光纤光栅阵列的示意图；

[0030] 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。

[0031] 图3为外定点式超弱光纤光栅应变光缆传感系统监测示意图。

具体实施方式

[0032] 一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆，包括：

[0033] 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；

[0034] 所述超弱光纤光栅阵列1螺旋套接有金属螺旋铠2；

[0035] 沿所述金属螺旋铠2轴向交叉编织或铺设丝网层3；

[0036] 紧密包覆在所述金属螺旋铠2和丝网层3外围的护套4；

[0037] 用于将超弱光纤光栅阵列1和金属螺旋铠2固结在一起的定点受力环5。

[0038] 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。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。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。

[0039] 所述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。

[0040] 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。

[0041] 所述丝网层3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。

[0042] 所述护套4为PE等工程塑料，厚度大于0.5mm。护套4具有一定的厚度，及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。

[0043] 所述定点受力环5包括密封管、热缩套管；切开护套4后，向金属螺旋铠2的内孔中注入粘接剂，将金属螺旋铠2和所述的超弱光纤光栅阵列1粘接固定，再向所述密封管注入粘接剂，将所述密封管和护套固定。

[0044] 所述密封管是高强度的金属或塑料套管。由于在外地定点位置的光缆护套被破切，光缆在该处的强度下降，水汽容易渗入光缆，密封管既可以增强该处的机械强度，和粘接剂结合，也能起到密封的效果，防止水汽的渗入。此外，考虑光缆的长期工作时粘接剂老化等问题，为了加强密封的效果，延长光缆的使用寿命，通常在密封管外增加热缩套管，这种套管只需要加热收缩，能密实包覆在密封管和护套4上，使两者之间圆滑过渡，强化密封效果，避免阳光、紫外线或低温等环境因素对密封管的直接影响。

[0045] 一种外定点式超弱光纤光栅应变光缆的使用方法，根据施工现场的要求，采用专用夹具将定点受力环锚固在被测物体上，或者嵌入被测物中，确保两个定点受力环之间的光缆处于预拉状态；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，显示光缆上各个传感段的应变分布情况。

[0046] 该发明先将超弱光栅阵列铠装成缆，再在选定点上剥除护套，将光栅阵列、金属螺旋铠与定点受力环粘接，利用金属螺旋铠的弹性变形特性将应力应变从被测对象传递到光纤光栅上，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。

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