[發明專利]分布式光纖大變形測量傳感器

有效

• 申請號: 200910032860.2
• 申請日: 2009-06-01
• 公開（公告）號: CN101625230A
• 公開（公告）日: 2010-01-13
• 發明（設計）人: 施斌;魏廣慶;李科;張丹;張魏;張勇;盧毅;王可;樸春德;胡盛;王寶軍
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B11/16;G01B5/02;G01B5/30
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司
• 代理人: 陳建和

一、技術領域：

本發明涉及分布式光纖傳感技術，通過特殊的封裝工藝實現光纖小應變量向大變形量的轉化，該傳感器適用于具有較大變形的各類工程的變形或位移的監測，屬于傳感器技術領域。

二、背景技術：

BOTDR(Brillouin?optical?time-domain?reflectometer)，中文名稱為布里淵散射光時域反射測量計，是一種分布式的光纖技術，可以連續測量幾十公里范圍內光纖的應變和溫度分布。其基本原理是：脈沖激光注入光纖后，與聲學聲子作用發生布里淵散射，布里淵散射光的頻率漂移量與光纖的應變或溫度變化線性相關，依據該線性關系，通過測量光纖中的布里淵頻移量就可以實現光纖應變和溫度的測量。

目前，該技術已被成功地應用于建筑、隧道、堤壩等構筑物的安全監測中。國內外已有的成功案例表明，該技術有著廣闊的發展前景。但在實際工程中，特別是諸如巖土工程等工程監測應用中，需要測量的變形或位移量往往都較大，超出一般傳感器的量程，難以滿足工程要求。同時，由于光纖中的布里淵散射光對應變和溫度交叉敏感，因此，有必要研發在滿足精度要求的前提下，能實現具有溫度補償功能的大量程變形傳感器。

本發明正是基于上述的光纖傳感技術，針對大變形的量測而研發的特殊傳感器。

三、發明內容：

本發明的目的是：提出一種分布式光纖大變形測量傳感器和測量方法，將能精確測量微小應變的光纖經過特殊的封裝，實現對工程中出現的較大變形或位移的測量，并且實現光纖傳感器的溫度自補償。

本發明的目的是這樣實現的：分布式光纖大變形測量傳感器，將應變傳感光纖通過一定方式植入到大變形彈簧簧桿的內外兩側上，并使彈簧一端固定，一端自由。當自由端發生位移時，彈簧將沿軸向產生伸縮變形，彈簧簧桿將也發生影響的彈性扭曲小變形，內外兩側產生對應的拉壓附加應變，粘貼在其上的傳感光纖隨之協調變形，利用此換能模型就實現了彈簧大變形按固定倍數向光纖小應變轉換。通過測量光纖應變即可得到彈簧變形量，按照彈簧變形量與彈簧簧桿變形量轉換倍數關系，即可得到彈簧的拉伸變形了，實現大變形或位移的傳感測量。

光纖的應變可通過基于布里淵背向散射技術進行測量，即通過儀器測得封裝入彈簧中的光纖段中背向布里淵背向散射光中心頻率的漂移量，利用光纖中散射光的頻移與光纖的應變間的線性關系，獲取該段光纖的應變值。光纖以內置方式封裝到彈簧簧桿中，提高傳感的耐久性，將貼有傳感光纖的彈簧通過底座、頂板及套筒等封裝成一個成型位移傳感器，將其安裝到被測物上即可進行位移及變形測量。彈簧簧桿內外側對稱布設光纖，當有溫度變化時，測得的應變呈現共軛關系，可利用此關系對傳感器進行溫度自補償。

本發明的上述方案也構成分布式光纖大變形測量傳感測量方法。

與傳統的變形傳感器相比，本發明有益效果如下：

1、本發明是一種大量程變形傳感器，本傳感器采用的核心傳感元件是普通的單模光纖，與普通的電式、電磁式或者機械式傳感器件相比，抗電磁干擾、耐腐蝕、精度高、耐久性和長期穩定性好，適合惡劣環境下的變形監測。而且光纖本身不會對外界環境產生電磁干擾，本質上安全。在應用中可以保證較高的成活率。

2、通過改變彈簧的幾何尺寸和彈簧的材料，可以輕松實現不同量程范圍的傳感器，滿足不同工程需要。

3、通過在簧桿內外側布設對稱的兩根光纖，可以實現傳感器的溫度自補償，解決了溫度變化對變形測量的干擾問題。

4、可以將多個傳感器串聯，建立準分布式的大變形監測網絡，大大簡化傳統傳感器線路布設問題。由于BOTDR技術具有長距離傳感的(最大可達80km)特點，可以輕松組建大型的傳感網絡，滿足大型工程的需要，并且傳感網絡中的連接各變形傳感器的光纖既可以傳輸信號，又可以作為應變傳感器對工程結構進行分布式應變監測，極大的提高線路利用率，這是傳統的監測技術所不能企及的。

5、本發明的制作和加工方法適合機械操作，容易實現機械化批量生產，且采用普通單模通訊光纖作為核心傳感元件，成本較低，適合工業化生產。

6、可以根據被測對象，選擇不同的固定裝置，安裝方便。

本發明傳感器具有大量程且量程可變、穩定可靠、耐腐蝕、溫度自補償、可實現多個串聯、易于工業生產和安裝方便等一系列優點，適用于邊坡、隧道、基坑等巖土(地質)工程中變形及位移的監測。

四、附圖說明

圖1是彈簧簧桿光纖布設示意圖

圖2是基于分布式光纖應變傳感的大量程變形傳感器結構示意圖

圖3是本發明一實施例的彈簧變形與光纖應變關系圖