溫度自補償式光纖光柵應變傳感器的製作方法

2023-12-11 04:49:47 2

專利名稱：溫度自補償式光纖光柵應變傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於應力測量及光纖光柵傳感領域，具體的說是一種用於 滑坡管道應力監測的溫度自補償式光纖光柵應變傳感器。 技術背景
滑坡是指構成斜坡的巖土體在重力作用下伴隨其下部軟弱面上的剪切 作用過程而產生整體運動現象。滑坡災害是造成人類生命財產損失的地質 災害的主要形式之一。長距離輸油或輸氣管道輸送距離可達數千公裡，穿 越眾多地質地貌單元，常不可避免地要穿過地質條件複雜的地區，如山區、 凍土區等。因為選線的不充分或管道建設誘發滑坡或地震誘發滑坡等原因， 在山區敷設的管道有可能在活動滑坡體內通過，管道的安全運營遭受這些 活動滑坡的嚴重威脅。這些有可能要威脅管道安全的滑坡稱之為管道滑坡。
在過去四十年的管道運輸歷史中，以滑坡為主的地質災害曾多次造成
管道事故。歐洲天然氣管道事故數據小組(EGIG)調査的1970年到2001 年的西歐管道事故中，7%是由地質災害導致的；美國交通部統計的1984 年到2001天然氣輸送數據表明，8.5%的事故是由地質災害引起的；加拿 大國家能源委員會調査顯示影響加拿大運營的管道事故的12%是地質災害 導致的。1987年3月由地震導致的巨型滑坡使橫貫厄瓜多管道發生40km 長的斷裂，停輸兩個星期，經濟損失達7億美元。1995年及1996年冬天， 由於華盛頓西部的特強降雨誘發滑坡，導致美國西北輸氣管線三處管道發 生斷裂。
我國的管道工業正處在蓬勃發展之中，這些管道大多將我國西部豐富 的石油天然氣輸送到我國的東部，而我國的西部、西南部集中了我國大多 數山地，管道就不可避免地要穿越地質災害嚴重地區。忠武輸氣管道忠縣-宜昌409公裡段處於渝東鄂西山區，山峰層巒疊嶂、高差顯著，地形、地 質條件複雜，發育有多組地質災害易發巖層，是滑坡、危巖崩塌的頻發地 段。2003年建成投產的蘭成渝成品油管道蘭州至廣元段，構造活躍，巖性 破碎，地形切割發育，投產後投入巨資用於地質災害防治，但2007年的調查顯示威脅管道安全的地質災害仍有530處之多。西氣東輸工程幹線總長 約4000公裡，遭受各種地質災害嚴重威脅，其中査明的滑坡災害達39處 之多。
面對眾多的管道滑坡災害，我國的管道運營公司經常採取積極的工程 治理措施，但這些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防治工 程也並非"一勞永逸"，設計施工的不確定因素較多，再者治理的周期長。 而監測則是一種高效、低成本的防治措施。義大利SNAM公司將監測管道作 為防治滑坡災害的主要方式，他們對管道進行了長達三十年的監測，成功 避免了大量的管道事故。我國的西氣東輸、忠武線等管道投產後對滑坡也 進行有效的監測。
傳統的管道應變監測以電阻式應變計、振弦式應變計為主，在耐腐蝕、 抗幹擾方面較差，穩定性也難以滿足要求。光纖光柵傳感技術是近幾十年 來迅速發展起來的一門新型科學技術。光纖光柵傳感器不但具有抗電磁幹 擾、靈敏度高、尺寸小、重量輕、成本低，適於在高溫、腐蝕性等環境中 使用的優點，還具有本徵自相干能力強和在一根光纖上利用復用技術實現 多點復用、多參量分布式區分測量的獨特優勢。故光纖光柵傳感器已成為 當前傳感器的研究熱點。將光纖光柵傳感器用於管道應力監測是必然的發 展趨勢。 發明內容
本實用新型的目的是提供一種測量精度高、方便現場安裝、溫度自補償、 排除粘貼對傳感性能影響的用於管道應力監測的溫度自補償式光纖光柵應 變傳感器。
本實用新型的目的是這樣實現的，溫度自補償式光纖光柵應變傳感器， 其特徵是包括殼體、隔震支撐架、補償光柵傳感器、光柵傳感器和金屬 薄片，在殼體的底部的金屬薄片上有光柵傳感器，在殼體的腔體內通過隔 震支撐架上的補償金屬薄片固定有補償光柵傳感器；光柵傳感器和補償光 柵傳感器的光纖引出端通過殼體的兩側孔引出。
所述的金屬薄片上刻有定位線，光柵傳感器光柵與定位線對準，給予 適當拉力，使用黏合劑將與金屬薄片粘為一體。
所述的補償光柵傳感器通過黏合劑將補償金屬薄片固定在隔震支撐架上，補償金屬薄片和金屬薄片材料相同。
所述的隔震支撐架兩端為隔震支架，中間是橫架在兩端隔震支架的支 撐體，補償光柵傳感器固定在支撐體上。
所述的光纖引出端有光纖引出左端和光纖引出左端，通過殼體的兩側 孔出孔有密封體，密封體將光纖引出左端和光纖引出左端與兩側孔密封。
所述的金屬薄片和補償金屬薄片的長度為80腿，厚度為lmm。 本實用新型的優點有1、測量精度高，避免粘貼引起的本體噪聲；2、
將光纖光柵懸浮，保證了光柵的線性變化；3、實現了溫度補償，可同時測
量溫度；4、結構簡單，便於加工生產。


下面結合實施例附圖對本實用新型作進一步說明。 圖1是本實用新型實施例結構示意圖。
圖中1、殼體；2、隔震支撐架；3、補償光柵傳感器；4、金屬薄片； 5、光柵傳感器、6、光纖引出左端；7、光纖引出右端；8、隔震支架；9、 橫架；10、補償金屬薄片。
具體實施方式
如圖1所示，溫度自補償式光纖光柵應變傳感器包括殼體1、隔震支
撐架2、補償光柵傳感器3、光柵傳感器5和金屬薄片4，殼體l兩側有側 孔，隔震支撐架2橫架在殼體1中間，在殼體1的底部粘合金屬薄片4， 金屬薄片4上刻有定位線，光柵傳感器5光柵與定位線對準，給予適當拉 力，使用黏合劑將與金屬薄片4粘為一體。隔震支撐架2兩端為隔震支架 8，中間是橫架9，橫架9與兩端隔震支架8固定，橫架9粘合補償金屬薄 片10，補償金屬薄片10和金屬薄片4材料相同，補償金屬薄片10通過黏 合劑將補償光柵傳感器3和補償金屬薄片10粘合固定。光柵傳感器5和補 償光柵傳感器3的光纖引出左端6和光纖引出右端7通過殼體1的兩側孔 引出。光纖引出左端6和光纖引出右端7通過殼體1的兩側孔出孔有密封 體，密封體將光纖引出左端6和光纖引出右端7與兩側孔密封。金屬薄片 4和補償金屬薄片10的長度為80,，厚度為l,。
本實用新型利用金屬薄片將被測對象應變傳遞給光纖光柵，引起光纖 光柵的線性變形。光纖光柵是一種在由光纖刻制而成的波長選擇反射器，其背向反射光中心波長&與光柵周期a和纖芯折射率％有關，即
&=2"￡#a 公式(1)
FBG光纖光柵傳感的基本原理是，當光柵周圍的溫度、應變、應力或 其它待測物理量發生變化時，將導致光柵周期或纖芯折射率的變化，從而 使光纖光柵的中心波長產生位移a;is，通過檢測光柵波長的位移情況，即可 獲得待測物理量的變化情況。即
△4《'a"^ .Ar 公式(2)
式中^為應變傳感靈敏度係數，^為光纖光柵溫度傳感靈敏度係數。
根據上述特性，首先使用光纖光柵解調儀測量出光纖光柵的波長變化， 而後根據標定的應變-波長對應關係即可得到應變值。同時，本實用新型自 動實現了溫度補償，將溫度補償光柵和測力光柵置於了相同的狀態，即可 作溫度補償，也可以測量溫度。
與傳統的電阻式應變傳感器相比，本實用新型的優點非常明顯
1. 抗電磁幹擾 一般電磁輻射的頻率比光波低很多，所以在光纖中傳 輸的光信號不受電磁幹擾的影響。
2. 電絕緣性能好，安全可靠光纖本身是由電介質構成的，而且無需 電源驅動，因此適宜於在易燃易爆的油、氣、化工生產中使用。
3. 難腐蝕，化學性能穩定由於製作光纖的材料一石英具有極高的化 學穩定性，因此光纖傳感器適宜於在較惡劣環境中使用。
4. 體積小、重量輕，幾何形狀可塑。
5. 傳輸損耗小可實現遠距離遙控監測。
6. 傳輸容量大可實現多點分布式測量。
7. 測量範圍廣可測量溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、 電壓、液位、液體濃度、成分等。
8. 光柵的長度小，只有毫米級，測量值空間解析度高。
9. 輸出線性範圍寬，在10000微應變範圍內波長移動與應變有良好的
線性關係，頻帶寬，信噪比高。
權利要求1、溫度自補償式光纖光柵應變傳感器，其特徵是包括殼體(1)、隔震支撐架(2)、補償光柵傳感器(3)、光柵傳感器(5)和金屬薄片(4)，在殼體(1)的底部的金屬薄片(4)上有光柵傳感器(5)，在殼體(1)的腔體內通過隔震支撐架(2)上的補償金屬薄片(10)固定有補償光柵傳感器(3)；光柵傳感器(5)和補償光柵傳感器(3)的光纖引出端通過殼體(1)的兩側孔引出。
2、 根據權利要求l所述的溫度自補償式光纖光柵應變傳感器，其特徵 是所述的金屬薄片(4)上刻有定位線，光柵傳感器(5)光柵與定位線 對準，給予適當拉力，使用黏合劑將與金屬薄片(4)粘為一體。
3、 根據權利要求l所述的溫度自補償式光纖光柵應變傳感器，其特徵 是所述的補償光柵傳感器(3)通過黏合劑將補償金屬薄片(10)固定在 隔震支撐架(2)上，補償金屬薄片(10)和金屬薄片(4)材料相同。
4、 根據權利要求l所述的溫度自補償式光纖光柵應變傳感器，其特徵 是所述的隔震支撐架(2)兩端為隔震支架(8)，中間是橫架在兩端隔震 支架(8)的支撐體，補償光柵傳感器(3)固定在支撐體上。
5、 根據權利要求l所述的溫度自補償式光纖光柵應變傳感器，其特徵 是所述的光纖引出端有光纖引出左端(6)和光纖引出左端(7)，通過殼 體(1)的兩側孔出孔有密封體，密封體將光纖引出左端(6)和光纖引出 左端(7)與兩側孔密封。
6、 根據權利要求l所述的溫度自補償式光纖光柵應變傳感器，其特徵 是所述的金屬薄片(4)和補償金屬薄片(10)的長度為80ram，厚度為 l匿o
專利摘要本實用新型屬於應力測量及光纖光柵傳感領域，具體的說是一種用於滑坡管道應力監測的溫度自補償式光纖光柵應變傳感器，其特徵是包括殼體(1)、隔震支撐架(2)、補償光柵傳感器(3)、光柵傳感器(5)和金屬薄片(4)，在殼體(1)的底部的金屬薄片(4)上有光柵傳感器(5)，在殼體(1)的腔體內通過隔震支撐架(2)上的補償金屬薄片(10)固定有補償光柵傳感器(3)；光柵傳感器(5)和補償光柵傳感器(3)的光纖引出端通過殼體(1)的兩側孔引出。它用於管道應力監測的測量精度高，方便現場安裝，溫度可自補償，能夠排除粘貼對傳感性能影響。
文檔編號G01B11/16GK201322605SQ20082022264
公開日2009年10月7日 申請日期2008年11月26日 優先權日2008年11月26日
發明者異 孫, 俊 李, 寧 李, 胡志新, 陳朋超, 馬雲賓 申請人:長安大學