一種光纖光柵增減敏應變傳感器的封裝方法

《一種光纖光柵增減敏應變傳感器的封裝方法》屬于傳感技術(shù)領域，涉及到一種光纖光柵增減敏應變傳感器的封裝方法。

光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的新一代光無源器件，在光纖通信和光纖傳感等相關領域發(fā)揮著愈來愈重要的作用。以光纖光柵為傳感元件研制的應變傳感器，具有如靈敏度高、體積小、耐腐蝕、抗電磁輻射等優(yōu)點；克服了傳統(tǒng)電類傳感器易受電磁輻射干擾，精度低、長期穩(wěn)定性差以及信號傳輸距離短的缺點；能夠滿足在土木工程、航天、石油工業(yè)等惡劣工作環(huán)境中的測量需要。多個光纖光柵還可以組成準分布式傳感系統(tǒng)，采用一根光纜，可實現(xiàn)準分布式測量。

截止2007年之前，光纖光柵應變傳感器封裝方式主要有基片式、嵌入式和管式封裝等。這些封裝方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝等優(yōu)點。但容易產(chǎn)生應變傳遞損耗，使得測量精度有所降低；而且由于膠粘劑直接接觸光纖光柵區(qū)域，容易產(chǎn)生反射波長多峰值的現(xiàn)象。

對于光纖光柵應變傳感器的增減敏問題，特別是光纖光柵的應變增敏技術(shù)，國內(nèi)外已有較多的研究，而且取得了較大進展。但是目前已有的增敏技術(shù)結(jié)構(gòu)較為復雜，增減敏方式單一，實際增敏系數(shù)與理論值相差比較大，難以實現(xiàn)工程應用。

附圖1是光纖光柵增敏型應變傳感器封裝結(jié)構(gòu)的示意圖。

附圖2是光纖光柵減敏型應變傳感器封裝結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖中：1光纖，2封裝部件，3夾持部件，4光纖光柵，5固定支點。

2017年12月，《一種光纖光柵增減敏應變傳感器的封裝方法》獲得第十九屆中國專利優(yōu)秀獎。 2100433B

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述該發(fā)明的最佳實施例。

《一種光纖光柵增減敏應變傳感器的封裝方法》提出的光纖光柵增減敏應變傳感器封裝結(jié)構(gòu)的示意圖如附圖1和附圖2所示。封裝的具體做法是，首先剝離光纖光柵4其中一端的光纖1表面的涂敷層，將光纖1置于封裝部件2中，使用精密光纖調(diào)整架調(diào)整其位置，使光纖1的剝離區(qū)域處于中央部位，接著灌入膠粘劑粘接光纖1于封裝部件2內(nèi)，待膠粘劑固化后，采用同樣的方式處理另一端的光纖1和封裝部件2；然后將兩個夾持部件3分別套入光纖光柵兩端的封裝部件2內(nèi)，灌入膠粘劑粘接夾持部件3與封裝部件

2，待膠固化后即完成封裝過程。

一種光纖光柵增減敏應變傳感器的封裝方法專利目的

《一種光纖光柵增減敏應變傳感器的封裝方法》的目的是提供一種光纖光柵增減敏應變傳感器的封裝方法。該方法不僅有效的保護了裸光纖光柵，而且可以改變光纖光柵的應變靈敏度，其增減敏系數(shù)可以根據(jù)封裝材料的尺寸制定，滿足實際工程的測量需求。增敏型應變傳感器提高了光纖光柵的應變靈敏度，可以應用于應變量程小、測量精度要求高的應變測試中；而減敏型應變傳感器相對降低了光纖光柵的應變靈敏度，適合于應變量程大、測量精度相對低的測量需求?；谶@種封裝方法的光纖光柵應變傳感器，為大型工程結(jié)構(gòu)的表面及內(nèi)部應變測量提供了大應變量程和高測量精度的監(jiān)測手段。

一種光纖光柵增減敏應變傳感器的封裝方法技術(shù)方案

《一種光纖光柵增減敏應變傳感器的封裝方法》所采用的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：傳感器由光纖光柵、兩個封裝部件、兩個夾持部件以及兩個固定支點組成。其中封裝部件與夾持部件均為鋼管。采用膠接的方法將光纖光柵兩端固定于兩個封裝部件內(nèi)，由于膠粘劑沒有直接封裝光纖光柵區(qū)域，消除了膠粘劑對光纖光柵應變傳遞的影響；然后將兩個封裝部件分別置于兩個夾持部件內(nèi)，并使用膠粘劑粘接封裝部件和夾持部件；最后使用鉚固、焊接或膠接的方式將夾持部件與固定支點連接。

封裝部件材料為鋼管；設兩個固定支點的距離為L，兩個封裝部件之間的光纖的長度為

其中

鋼的彈性模量約為光纖的3倍，當封裝鋼管的截面積

L定義傳感器的增減敏系數(shù)，代入式(5)可得

由式(6)可以看出，通過調(diào)整增減敏系數(shù)K的值，即

一種光纖光柵增減敏應變傳感器的封裝方法有益效果

《一種光纖光柵增減敏應變傳感器的封裝方法》的效果和益處是，基于這種封裝技術(shù)的光纖光柵應變傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、造價低廉的優(yōu)點；由于膠粘劑沒有直接接觸光纖光柵區(qū)域，不僅消除了膠粘劑對光纖光柵應變傳遞的影響，而且避免了光纖光柵區(qū)域粘接不均勻帶來的反射波長多峰值的現(xiàn)象；傳感器的增減敏系數(shù)可以根據(jù)實際需要通過改變固定支點的位置來確定；通過一些輔助構(gòu)件，傳感器不僅可以采用鉚固、焊接或膠接的方式安裝于被測結(jié)構(gòu)的表面，也可以埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行應變測量?；谶@種封裝方法的光纖光柵應變傳感器，為大型工程結(jié)構(gòu)的表面及內(nèi)部應變測量提供了大應變量程和高測量精度的監(jiān)測手段。

《一種光纖光柵增減敏應變傳感器的封裝方法》其特征在于：該傳感器是由光纖光柵(4)、兩個封裝部件(2)、兩個夾持部件(3)及兩個固定支點(5)組成；其中封裝部件(2)和夾持部件(3)均為鋼管；采用膠接的方法將光纖光柵(4)兩端固定于兩個封裝部件(2)內(nèi)，然后將兩個封裝部件(2)分別置于兩個夾持部件(3)內(nèi)，并使用膠粘劑粘接封裝部件(2)和夾持部件(3)，最后使用鉚固、焊接或膠接的方式將夾持部件與固定支點連接，該傳感器的增減敏系數(shù)

研究腐蝕缺陷對埋地管道安全輸送的影響和管道泄漏監(jiān)測和定位已成為埋地管道安全運行所關注的課題之一。本項目首次提出采用光纖光柵應變箍傳感器沿管道環(huán)向安裝在管道外壁，可以監(jiān)測到由管道內(nèi)部壓力導致的管道外壁環(huán)向變形情況。通過長期監(jiān)測環(huán)向應變變化情況可以得到埋地管道的壁厚變化狀況和管道內(nèi)部的壓力變化情況，從而獲得埋地管道的內(nèi)外腐蝕程度和管道泄漏信息。本項目將研究光纖光柵應變箍傳感器的增敏技術(shù)和長期可靠性問題、詳細分析管道內(nèi)部壓力、腐蝕程度和環(huán)向應變?nèi)叩鸟詈详P系、建立埋地管道腐蝕發(fā)展和剩余強度的力學模型、研究光纖光柵應變箍傳感器所測得壓力信號的降噪問題和管道泄露位置定位算法問題。本項目的完成對于提高管道安全性，降低安全隱患和運行風險，提高總體經(jīng)濟效益，將產(chǎn)生積極的推動作用。

近年來，管道事故頻發(fā)，因此管道健康監(jiān)測技術(shù)對于及時了解管道安全運營狀態(tài)，確保國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義。隨著新型材料、新型傳感器的不斷發(fā)展，各種管道檢測及監(jiān)測技術(shù)應運而生。本課題提出一種利用環(huán)向應變進行管道腐蝕監(jiān)測以及管道泄漏定位的方法，同時，為了測量管道環(huán)向平均應變，開發(fā)了一種光纖光柵應變箍傳感器。圍繞上述監(jiān)測理論及傳感技術(shù)，主要進行了以下幾方面的研究工作： 管道腐蝕引起的壁厚減小和管道泄漏引起的壓力突降均會使管道環(huán)向應變發(fā)生變化。通過有限元軟件分析了管道環(huán)向平均應變對于局部腐蝕的敏感性，表明環(huán)向平均應變測量相比于單點測量對于管道腐蝕評價更有優(yōu)勢。本文通過鋼管道模型和PVC管道模型分別進行了腐蝕和泄漏模擬試驗，驗證了文中提出方法的有效性。而基于環(huán)向應變的管道泄漏監(jiān)測方法中，包括用于常規(guī)泄漏量的負壓波時間差定位法，以及用于泄漏量較小情況的負壓波能量衰減定位法。 為滿足管道環(huán)向應變監(jiān)測要求，開發(fā)了一種光纖光柵應變箍傳感器，可用于監(jiān)測管道的環(huán)向平均應變進而評價管道腐蝕程度，且具有監(jiān)測泄漏過程所引起的環(huán)向應變動態(tài)變化的能力。對自行研制封裝的光纖光柵應變箍傳感器進行了靈敏度、穩(wěn)定性等方面的測試，測試結(jié)果表明這種傳感器性能良好，適合用于管道的安全測量。設計中還包括一種應變箍傳感器夾持系統(tǒng)，通過這種系統(tǒng)安裝固定應變箍傳感器，可使其與管道結(jié)構(gòu)保持一致變形，提高測量靈敏度。 利用特征線法，分析了管道泄漏后達到穩(wěn)定狀態(tài)時，管道沿線的環(huán)向應變分布。結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡，提出了一種基于管道沿線穩(wěn)態(tài)環(huán)向應變分布的管道泄漏定位方法。分析比較了不同環(huán)向應變測點數(shù)量、隱含層節(jié)點數(shù)量時，該定位方法對于管道泄漏位置判斷的準確率，獲得了最優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡預測結(jié)構(gòu)。同時，還通過疊加干擾信號證明了該方法對噪聲干擾具有較好的抑制能力。 由于環(huán)向應變測點布置靈活，通過布設一定數(shù)量的環(huán)向應變測點，可使管道的目標檢測泄漏量的限值大幅降低。本文利用數(shù)學模型分析了管道泄漏發(fā)生后的負壓波能量衰減規(guī)律，并提出基于環(huán)向應變的管道泄漏定位方法中，使用環(huán)向應變可檢半徑來確定環(huán)向應變測點間距的方法，以滿足對于不同目標檢測泄漏量的要求。 2100433B

由于布拉格光纖光柵的中心波長同時受到溫度和應變的影響，所以傳感具體參量的時候必須通過相應的方法把這兩個效應區(qū)分開。布拉格光纖光柵的溫度和應變靈敏度如表經(jīng)過研究,已經(jīng)提出了許多方案來實現(xiàn)溫度和應變的同時檢測,主要包括以下方法:

(1)參考FBG法

這種方法的原理是引入一個參考FGB,使其不受應變影響而只受溫度影響,同時這個參考FGB和傳感FGB處于相同的環(huán)境,這樣就可以通過這個參考FGB來檢測出溫度,再從傳感FGB總的波長偏移量中除去參考FGB的溫度影響,就可以把溫度和應變區(qū)分開。

(2)蝕刻FBG法

這種方法通過蝕刻FGB,刻有FGB的那段光纖的芯徑尺寸呈線性遞減關系,這樣當對其軸向施加均勻應力時,沿軸向的應變也是呈線性關系,這樣就導致了惆啾,即反射帶寬的變化,而溫度對其影響只是使其中心波長偏移,而不改變帶寬,也就是帶寬是溫度不敏感的,通過檢測帶寬的變化就可以把溫度效應導致的誤差除去。但是這種方法的缺點是減小了光纖的強度,也即減小了傳感的范圍。

(3)雙波長FBG法

這種方法的原理是通過在光纖的同一個位置寫入兩個波長不同的FGB,然后檢測這兩個不同波長的偏移量來分辨溫度和應變。因為溫度和應變導致的布拉格波長的偏移量由式

(4)FBG諧波法

FGB諧波法和上面的雙波長FGB法原理是一樣的,只是這里用的是FGB的二次諧波而不是兩個波長不同的FGB,當FGB的反射率很高時,折射率的調(diào)制有可能不是很好的正弦調(diào)制,從而導致了二次諧波的產(chǎn)生,而這兩個諧波的溫度和應變靈敏度不同,通過矩陣法就可以同時檢測溫度和應變。

(5)FBG和長周期光纖光柵(LpG)混合檢測

通過實驗發(fā)現(xiàn),長周期光纖光柵(LpG)的溫度和應變靈敏度和FGB有著較大的差異,因此如果精確知道FGB和LGP的溫度和應變靈敏度的話,就可以通過結(jié)合FBG和LGP實現(xiàn)溫度和應變的分辨。這種方法的缺點是:長周期光柵的帶寬大容易影響測量精度和復用能力;而且長周期光柵的長度較長,埋設進材料后受非均勻應變場的影響很大,從而降低測量精度。

除了以上凡種典型的應變溫度分辨方法外,還有采用取樣布拉格光纖光柵等方法,但是真正能實用的分辨技術(shù)還有待進一步研究。