一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法

《一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法》属于传感技术领域，涉及到一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法。

光纤光栅是近几年发展最为迅速的新一代光无源器件，在光纤通信和光纤传感等相关领域发挥着愈来愈重要的作用。以光纤光栅为传感元件研制的应变传感器，具有如灵敏度高、体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射等优点；克服了传统电类传感器易受电磁辐射干扰，精度低、长期稳定性差以及信号传输距离短的缺点；能够满足在土木工程、航天、石油工业等恶劣工作环境中的测量需要。多个光纤光栅还可以组成准分布式传感系统，采用一根光缆，可实现准分布式测量。

截止2007年之前，光纤光栅应变传感器封装方式主要有基片式、嵌入式和管式封装等。这些封装方式具有结构简单、易于安装等优点。但容易产生应变传递损耗，使得测量精度有所降低；而且由于胶粘剂直接接触光纤光栅区域，容易产生反射波长多峰值的现象。

对于光纤光栅应变传感器的增减敏问题，特别是光纤光栅的应变增敏技术，国内外已有较多的研究，而且取得了较大进展。但是目前已有的增敏技术结构较为复杂，增减敏方式单一，实际增敏系数与理论值相差比较大，难以实现工程应用。

附图1是光纤光栅增敏型应变传感器封装结构的示意图。

附图2是光纤光栅减敏型应变传感器封装结构的示意图。

图中：1光纤，2封装部件，3夹持部件，4光纤光栅，5固定支点。

2017年12月，《一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法》获得第十九届中国专利优秀奖。 2100433B

以下结合技术方案和附图详细叙述该发明的最佳实施例。

《一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法》提出的光纤光栅增减敏应变传感器封装结构的示意图如附图1和附图2所示。封装的具体做法是，首先剥离光纤光栅4其中一端的光纤1表面的涂敷层，将光纤1置于封装部件2中，使用精密光纤调整架调整其位置，使光纤1的剥离区域处于中央部位，接着灌入胶粘剂粘接光纤1于封装部件2内，待胶粘剂固化后，采用同样的方式处理另一端的光纤1和封装部件2；然后将两个夹持部件3分别套入光纤光栅两端的封装部件2内，灌入胶粘剂粘接夹持部件3与封装部件

2，待胶固化后即完成封装过程。

一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法专利目的

《一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法》的目的是提供一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法。该方法不仅有效的保护了裸光纤光栅，而且可以改变光纤光栅的应变灵敏度，其增减敏系数可以根据封装材料的尺寸制定，满足实际工程的测量需求。增敏型应变传感器提高了光纤光栅的应变灵敏度，可以应用于应变量程小、测量精度要求高的应变测试中；而减敏型应变传感器相对降低了光纤光栅的应变灵敏度，适合于应变量程大、测量精度相对低的测量需求。基于这种封装方法的光纤光栅应变传感器，为大型工程结构的表面及内部应变测量提供了大应变量程和高测量精度的监测手段。

一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法技术方案

《一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法》所采用的技术方案是这样实现的：传感器由光纤光栅、两个封装部件、两个夹持部件以及两个固定支点组成。其中封装部件与夹持部件均为钢管。采用胶接的方法将光纤光栅两端固定于两个封装部件内，由于胶粘剂没有直接封装光纤光栅区域，消除了胶粘剂对光纤光栅应变传递的影响；然后将两个封装部件分别置于两个夹持部件内，并使用胶粘剂粘接封装部件和夹持部件；最后使用铆固、焊接或胶接的方式将夹持部件与固定支点连接。

封装部件材料为钢管；设两个固定支点的距离为L，两个封装部件之间的光纤的长度为

其中

钢的弹性模量约为光纤的3倍，当封装钢管的截面积

L定义传感器的增减敏系数，代入式(5)可得

由式(6)可以看出，通过调整增减敏系数K的值，即

一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法有益效果

《一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法》的效果和益处是，基于这种封装技术的光纤光栅应变传感器具有结构简单、受力明确、造价低廉的优点；由于胶粘剂没有直接接触光纤光栅区域，不仅消除了胶粘剂对光纤光栅应变传递的影响，而且避免了光纤光栅区域粘接不均匀带来的反射波长多峰值的现象；传感器的增减敏系数可以根据实际需要通过改变固定支点的位置来确定；通过一些辅助构件，传感器不仅可以采用铆固、焊接或胶接的方式安装于被测结构的表面，也可以埋入结构内部进行应变测量。基于这种封装方法的光纤光栅应变传感器，为大型工程结构的表面及内部应变测量提供了大应变量程和高测量精度的监测手段。

《一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法》其特征在于：该传感器是由光纤光栅(4)、两个封装部件(2)、两个夹持部件(3)及两个固定支点(5)组成；其中封装部件(2)和夹持部件(3)均为钢管；采用胶接的方法将光纤光栅(4)两端固定于两个封装部件(2)内，然后将两个封装部件(2)分别置于两个夹持部件(3)内，并使用胶粘剂粘接封装部件(2)和夹持部件(3)，最后使用铆固、焊接或胶接的方式将夹持部件与固定支点连接，该传感器的增减敏系数

研究腐蚀缺陷对埋地管道安全输送的影响和管道泄漏监测和定位已成为埋地管道安全运行所关注的课题之一。本项目首次提出采用光纤光栅应变箍传感器沿管道环向安装在管道外壁，可以监测到由管道内部压力导致的管道外壁环向变形情况。通过长期监测环向应变变化情况可以得到埋地管道的壁厚变化状况和管道内部的压力变化情况，从而获得埋地管道的内外腐蚀程度和管道泄漏信息。本项目将研究光纤光栅应变箍传感器的增敏技术和长期可靠性问题、详细分析管道内部压力、腐蚀程度和环向应变三者的耦合关系、建立埋地管道腐蚀发展和剩余强度的力学模型、研究光纤光栅应变箍传感器所测得压力信号的降噪问题和管道泄露位置定位算法问题。本项目的完成对于提高管道安全性，降低安全隐患和运行风险，提高总体经济效益，将产生积极的推动作用。

近年来，管道事故频发，因此管道健康监测技术对于及时了解管道安全运营状态，确保国民经济和人民生命财产安全具有重要意义。随着新型材料、新型传感器的不断发展，各种管道检测及监测技术应运而生。本课题提出一种利用环向应变进行管道腐蚀监测以及管道泄漏定位的方法，同时，为了测量管道环向平均应变，开发了一种光纤光栅应变箍传感器。围绕上述监测理论及传感技术，主要进行了以下几方面的研究工作： 管道腐蚀引起的壁厚减小和管道泄漏引起的压力突降均会使管道环向应变发生变化。通过有限元软件分析了管道环向平均应变对于局部腐蚀的敏感性，表明环向平均应变测量相比于单点测量对于管道腐蚀评价更有优势。本文通过钢管道模型和PVC管道模型分别进行了腐蚀和泄漏模拟试验，验证了文中提出方法的有效性。而基于环向应变的管道泄漏监测方法中，包括用于常规泄漏量的负压波时间差定位法，以及用于泄漏量较小情况的负压波能量衰减定位法。 为满足管道环向应变监测要求，开发了一种光纤光栅应变箍传感器，可用于监测管道的环向平均应变进而评价管道腐蚀程度，且具有监测泄漏过程所引起的环向应变动态变化的能力。对自行研制封装的光纤光栅应变箍传感器进行了灵敏度、稳定性等方面的测试，测试结果表明这种传感器性能良好，适合用于管道的安全测量。设计中还包括一种应变箍传感器夹持系统，通过这种系统安装固定应变箍传感器，可使其与管道结构保持一致变形，提高测量灵敏度。 利用特征线法，分析了管道泄漏后达到稳定状态时，管道沿线的环向应变分布。结合BP神经网络，提出了一种基于管道沿线稳态环向应变分布的管道泄漏定位方法。分析比较了不同环向应变测点数量、隐含层节点数量时，该定位方法对于管道泄漏位置判断的准确率，获得了最优化的神经网络预测结构。同时，还通过叠加干扰信号证明了该方法对噪声干扰具有较好的抑制能力。 由于环向应变测点布置灵活，通过布设一定数量的环向应变测点，可使管道的目标检测泄漏量的限值大幅降低。本文利用数学模型分析了管道泄漏发生后的负压波能量衰减规律，并提出基于环向应变的管道泄漏定位方法中，使用环向应变可检半径来确定环向应变测点间距的方法，以满足对于不同目标检测泄漏量的要求。 2100433B

由于布拉格光纤光栅的中心波长同时受到温度和应变的影响，所以传感具体参量的时候必须通过相应的方法把这两个效应区分开。布拉格光纤光栅的温度和应变灵敏度如表经过研究,已经提出了许多方案来实现温度和应变的同时检测,主要包括以下方法:

(1)参考FBG法

这种方法的原理是引入一个参考FGB,使其不受应变影响而只受温度影响,同时这个参考FGB和传感FGB处于相同的环境,这样就可以通过这个参考FGB来检测出温度,再从传感FGB总的波长偏移量中除去参考FGB的温度影响,就可以把温度和应变区分开。

(2)蚀刻FBG法

这种方法通过蚀刻FGB,刻有FGB的那段光纤的芯径尺寸呈线性递减关系,这样当对其轴向施加均匀应力时,沿轴向的应变也是呈线性关系,这样就导致了惆啾,即反射带宽的变化,而温度对其影响只是使其中心波长偏移,而不改变带宽,也就是带宽是温度不敏感的,通过检测带宽的变化就可以把温度效应导致的误差除去。但是这种方法的缺点是减小了光纤的强度,也即减小了传感的范围。

(3)双波长FBG法

这种方法的原理是通过在光纤的同一个位置写入两个波长不同的FGB,然后检测这两个不同波长的偏移量来分辨温度和应变。因为温度和应变导致的布拉格波长的偏移量由式

(4)FBG谐波法

FGB谐波法和上面的双波长FGB法原理是一样的,只是这里用的是FGB的二次谐波而不是两个波长不同的FGB,当FGB的反射率很高时,折射率的调制有可能不是很好的正弦调制,从而导致了二次谐波的产生,而这两个谐波的温度和应变灵敏度不同,通过矩阵法就可以同时检测温度和应变。

(5)FBG和长周期光纤光栅(LpG)混合检测

通过实验发现,长周期光纤光栅(LpG)的温度和应变灵敏度和FGB有着较大的差异,因此如果精确知道FGB和LGP的温度和应变灵敏度的话,就可以通过结合FBG和LGP实现温度和应变的分辨。这种方法的缺点是:长周期光栅的带宽大容易影响测量精度和复用能力;而且长周期光栅的长度较长,埋设进材料后受非均匀应变场的影响很大,从而降低测量精度。

除了以上凡种典型的应变温度分辨方法外,还有采用取样布拉格光纤光栅等方法,但是真正能实用的分辨技术还有待进一步研究。