一種分布式光纖傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及光纖傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種分布式光纖傳感器。該分布式光纖傳感器包括光纖芯；光纖芯繞成螺旋管結(jié)構(gòu)。螺旋管結(jié)構(gòu)的半徑略大于、等于或略小于光纖芯的臨界彎曲半徑。螺旋管結(jié)構(gòu)的螺距與光時域反射儀的測量壓力范圍及精度匹配。當(dāng)螺線管結(jié)構(gòu)受外力后發(fā)生變形直接造成光纖彎曲損耗，用光時域反射儀打入一連串的脈沖進(jìn)入光纖芯來檢驗(yàn)背向散射電平，反射回來的光訊號強(qiáng)度會被量測到，并且測量的光訊號是時間的函數(shù)，因此可以將該函數(shù)轉(zhuǎn)算成光纖的長度，對比分析受力前后的信號就可以準(zhǔn)確測量出本實(shí)施例的分布式光纖傳感器任意位置所受到外力的大小。而且有效提高距離的分辨率，成本低廉。
【專利說明】一種分布式光纖傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光纖傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種分布式光纖傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感器具有無輻射干擾、抗電磁干擾性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，其中分布式光纖傳感器不僅具有一般光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，而且可以在沿光纖的路徑上同時得到被測量場在時間和空間上的連續(xù)分布信息，能做到對大型基礎(chǔ)工程設(shè)施的每一個部位都像人的神經(jīng)系統(tǒng)一樣進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，因此具有廣范的應(yīng)用前景，在民用和國防諸如城市煤氣管道、城市輸電/通信纜線、海底輸油氣管道、海底電纜、水庫水壩、橋梁、隧道、高速公路、大型設(shè)施等建筑物的應(yīng)力檢測方面有獨(dú)特的優(yōu)勢。
[0003]現(xiàn)有分布式光纖傳感器采用光纖微彎結(jié)構(gòu)，微彎通過相應(yīng)的成對模具形成，光纖敷設(shè)在微彎模具之間，模具上壓力變化，微彎模具的間距變化，引起通過光纖的光強(qiáng)損耗變化，通過測量光強(qiáng)度、或光損耗實(shí)現(xiàn)壓力測量。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，由于光纖在模具內(nèi)幾乎是直線敷設(shè)，判斷受力點(diǎn)是利用光纖中的光速判斷的，判斷受力點(diǎn)的分辨率低。而且，微彎的形成需要模具，加工制造困難。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種分布式光纖傳感器，以解決上述技術(shù)問題。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種分布式光纖傳感器，包括光纖芯；光纖芯繞成螺旋管結(jié)構(gòu)。
[0008]優(yōu)選地，螺旋管結(jié)構(gòu)的半徑略大于、等于或略小于光纖芯的臨界彎曲半徑。
[0009]優(yōu)選地，螺旋管結(jié)構(gòu)的螺距與光時域反射儀的測量壓力范圍及精度匹配。
[0010]優(yōu)選地，光纖芯外包裹有彈性塑料包層。
[0011]優(yōu)選地，螺旋管結(jié)構(gòu)外套有硅膠保護(hù)套。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:在彎曲光纖中傳輸光信號時，總會發(fā)生沿光纖彎曲半徑方向的能量輻射，原有光波導(dǎo)中的傳導(dǎo)模將變?yōu)檩椛淠?，從而引起彎曲損耗，這種損耗可以分為微彎曲損耗和宏觀彎曲損耗。本實(shí)用新型的分布式光纖傳感器是利用微彎曲損耗現(xiàn)象中光纖彎曲損耗隨彎曲半徑的增加呈下降趨勢的物理現(xiàn)象，將光纖制作成螺線管結(jié)構(gòu)。當(dāng)螺線管結(jié)構(gòu)受外力后發(fā)生變形直接造成光纖彎曲損耗，用光時域反射儀(OTDR)打入一連串的脈沖進(jìn)入光纖芯來檢驗(yàn)背向散射電平，反射回來的光訊號強(qiáng)度會被量測到，并且測量的光訊號是時間的函數(shù)，因此可以將該函數(shù)換算成光纖的長度，對比分析受力前后的信號就可以準(zhǔn)確測量出本實(shí)施例的分布式光纖傳感器任意位置所受到外力的大小。
[0013]另外，光時域反射儀(OTDR)將光脈沖送入光纖芯，由于光纖芯的特性、彎曲、接頭等造成光的反射、散射，形成后向散射光，OTDR利用瑞利散射的后向散射光光功率和時間，獲取光纖沿途的損耗情況。OTDR測量發(fā)出光脈沖與接牧后向散射光的功率和時間差，利用折射率η值將這一時域信息轉(zhuǎn)換成距離:
Γ ? C Ct
[0014]S =-
2η
[0015]其中:S為距離，c為光速，t為返回時間，η為光纖芯折射率。
[0016]1nS大約相當(dāng)于lm，采用提高時間分辨率的方法，成本昂貴，采用螺線管方式，可以有效提高距離的分辨率，成本低廉。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為了更清楚地說明本實(shí)用新型【具體實(shí)施方式】或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對【具體實(shí)施方式】或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的分布式光纖傳感器的受力示意圖；
[0019]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的分布式光纖傳感器使用光時域反射儀的受力圖示示意圖；
[0020]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的分布式光纖傳感器的截面圖；
[0021]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的分布式光纖傳感器的完整結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]以下將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型各實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所得到的所有其它實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型所保護(hù)的范圍。
[0023]實(shí)施例1
[0024]如圖1所不為本實(shí)施例提供的一種分布式光纖傳感器，包括光纖芯101 ;光纖芯101繞成螺旋管結(jié)構(gòu)。
[0025]在彎曲光纖中傳輸光信號時，總會發(fā)生沿光纖彎曲半徑方向的能量輻射，原有光波導(dǎo)中的傳導(dǎo)模將變?yōu)檩椛淠?，從而引起彎曲損耗，這種損耗可以分為微彎曲損耗和宏觀彎曲損耗。本實(shí)用新型的分布式光纖傳感器是利用微彎曲損耗現(xiàn)象中光纖彎曲損耗隨彎曲半徑的增加呈下降趨勢的物理現(xiàn)象，將光纖制作成螺線管結(jié)構(gòu)。當(dāng)螺線管結(jié)構(gòu)受外力后發(fā)生變形直接造成光纖彎曲損耗，用光時域反射儀OTDR打入一連串的脈沖進(jìn)入光纖芯來檢驗(yàn)背向散射電于，反射回來的光訊號強(qiáng)度會被量測到，并且測量的光訊號是時間的函數(shù)，因此可以將該函數(shù)換算成光纖的長度，對比分析受力前后的信號就可以準(zhǔn)確測量出本實(shí)施例的分布式光纖傳感器任意位置所受到外力的大小。
[0026]在此需要對光時域反射儀OTDR進(jìn)行簡單的描述。光時域反射儀OTDR是依靠檢測光的菲涅耳反射和瑞利散射的變化進(jìn)行工作的。在不同的突發(fā)事件點(diǎn)(如熔接點(diǎn)機(jī)械接續(xù)斷裂或光纖終結(jié)處)的反射特征存在著明顯差異。這非常有利于對事件點(diǎn)的精確捕捉和判定。但傳統(tǒng)光時域反射儀OTDR的采樣精度大約Im左右，即后向散射光功率點(diǎn)光功率采樣點(diǎn)的距離大于lm，而G.652光纖的彎曲損耗半徑必須小于15mm，即產(chǎn)生損耗的該段光纖長度一般小于10cm。因此在每次光時域反射儀OTDR采樣過程中都可能出現(xiàn)相鄰采樣點(diǎn)落在該彎曲事件內(nèi)的情況，從而影響測量的結(jié)果。
[0027]光時域反射儀OTDR將光脈沖送入光纖芯，由于光纖芯的特性、彎曲、接頭等造成光的反射、散射，形成后向散射光，光時域反射儀OTDR利用瑞利散射的后向散射光光功率和時間，獲取光纖沿途的損耗情況。光時域反射儀OTDR測量發(fā)出光脈沖與接收后向散射光的功率和時間差，利用折射率η值將這一時域信息轉(zhuǎn)換成距離:
0 Ct
[0028]S =-
2η
[0029]其中:S為距離，c為光速，t為返回時間，η為光纖芯折射率。
[0030]1nS大約相當(dāng)于lm，采用提高時間分辨率的方法，成本昂貴，采用螺線管方式，可以有效提高距離的分辨率，成本低廉。
[0031]另外，彎曲損耗是光纖的另一特性，當(dāng)曲率半徑較大時，曲率半徑變化引起的彎曲損耗變化較小，而當(dāng)曲率半徑較小時，曲率半徑變化引起的彎曲損耗變化很大，研究表明，在曲率半徑小于光纖的臨界半徑時，彎曲損耗隨曲率半徑的變化成指數(shù)規(guī)律變化。優(yōu)選地，螺旋管結(jié)構(gòu)的半徑略大于、等于或略小于光纖芯101的臨界彎曲半徑。即螺旋管結(jié)構(gòu)在無外力作用時，螺旋管結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎半徑均勻，各處光損耗一致，故在光時域反射儀OTDR上反映為一條斜率一致的直線；當(dāng)螺旋管結(jié)構(gòu)受外力壓縮作用，使螺旋管結(jié)構(gòu)的部分轉(zhuǎn)彎半徑變小，光損耗變大，在光時域反射儀OTDR上該處反映更陡的直線，其斜率與螺旋管結(jié)構(gòu)受力大小有關(guān)。具體的OTDR圖示如圖2所示,斜率變化的大小表示受力的大小,斜率變化的位置表示受力的位置。
[0032]優(yōu)選地，光纖芯101外包裹有彈性塑料包層102。如圖3所示，彈性塑料包層102包裹該光纖芯，即光纖芯101構(gòu)成螺旋管結(jié)構(gòu)，彈性塑料包層102也構(gòu)成螺旋管結(jié)構(gòu)。其中彈性塑料包層102可以采用I3U或PVC塑料。
[0033]優(yōu)選地，螺旋管結(jié)構(gòu)外套有硅膠保護(hù)套103，如圖4所示。增加有硅膠保護(hù)套103以避免本實(shí)施例的分布式光纖傳感器受到損傷。
[0034]本實(shí)施例的螺旋管結(jié)構(gòu)的半徑由光纖芯的臨界彎曲半徑確定，螺距由測量壓力范圍和精度確定。即螺旋管結(jié)構(gòu)的螺距與光時域反射儀的測量壓力范圍及精度匹配。當(dāng)光時域反射儀的測量壓力范圍及精度確定后，本實(shí)施例的螺旋管結(jié)構(gòu)的螺距也可以確定。螺距不同，光時域反射儀能測量的測量壓力范圍及精度也不同。
[0035]實(shí)施例2
[0036]本實(shí)施例提供的分布式光纖傳感器除了具有上述實(shí)施例的結(jié)構(gòu)外，在硅膠保護(hù)套的內(nèi)壁還可以設(shè)置有螺旋形凹槽。將由光纖芯繞成的螺旋管結(jié)構(gòu)與螺旋形凹槽配合，使每一處的光纖芯嵌入到硅膠保護(hù)套內(nèi)。這樣硅膠保護(hù)套對光纖芯的保護(hù)更全面，而且對分布式光纖傳感器的靈敏度影響最小。
[0037]實(shí)施例3
[0038]本實(shí)施例還提供一種分布式光纖傳感器，該分布式光纖傳感器的螺旋管結(jié)構(gòu)的半徑為15mm,螺距為5mm。
[0039]螺旋管結(jié)構(gòu)在無外力作用時，螺旋管結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎半徑均勻，各處光損耗一致，故在OTDR上反映為一條斜率一致的直線；當(dāng)螺旋管結(jié)構(gòu)受外力壓縮作用，使螺旋彈簧的部分轉(zhuǎn)彎半徑變小，光損耗變大，在OTDR上該處反映更陡的直線，其斜率與螺線管受力大小有關(guān)。如圖2所示，在OTDR的圖線上，斜率變化的大小表示受力的大小，斜率變化的位置表示受力的位置。
[0040]傳統(tǒng)的分布式光纖傳感器使用OTDR時，采樣精度大約是I米左右，而采用本實(shí)施例的分布式光纖傳感器，采樣精度可以小于10cm，這樣每次OTDR采用過程中，采樣點(diǎn)落在同一區(qū)域的情況較少，測量精度高。
[0041]以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對本實(shí)用新型作任何形式上的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種分布式光纖傳感器，其特征在于，包括光纖芯；所述光纖芯繞成螺旋管結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的分布式光纖傳感器，其特征在于，所述螺旋管結(jié)構(gòu)的半徑略大于、等于或略小于所述光纖芯的臨界彎曲半徑。
3.如權(quán)利要求1所述的分布式光纖傳感器，其特征在于，所述螺旋管結(jié)構(gòu)的螺距與光時域反射儀的測量壓力范圍及精度匹配。
4.如權(quán)利要求1所述的分布式光纖傳感器，其特征在于，所述光纖芯外包裹有彈性塑料包層。
5.如權(quán)利要求1所述的分布式光纖傳感器，其特征在于，所述螺旋管結(jié)構(gòu)外套有娃膠保護(hù)套。
【文檔編號】G01L1/24GK203940942SQ201420295276
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】季紅, 季圣杰, 王宗和 申請人:河北華計(jì)檢測技術(shù)有限公司