一种基于超短弱光栅阵列的应力应变光缆的制作方法

本实用新型涉及光纤光栅应力应变传感领域，具体涉及一种基于超短弱光栅阵列的应力应变光缆。

背景技术：

随着弱反射光纤光栅阵列(以下简称“弱光栅”)的量产和普及，基于弱光栅阵列的传感器应用于分布式应力或应变传感的场合越来越多。在诸多应力或应变监测场合，弱光栅阵列可以在满足分布式应力或应变监测的同时，具备更高的抗拉强度、更好的抗冲击与抗弯曲性能。基于弱光栅阵列的制备应力应变光缆，在岩土工程、桥梁、隧道、周界等领域具有广泛的需求和良好的应用前景。

已有的大量研究往往只考虑单个光栅的应力应变传感器的封装，对光纤光栅串的封装及成缆涉及的不多。光纤光栅串或弱光栅非常脆弱，在工程应用前，需要和加强件绞合来提高强度和抗冲击性能，制作成机械性能良好的光缆。中国专利“金属基索状分布式光纤传感器”(专利号：ZL：201110212087.5)提出采用外部钢丝束是以螺旋形式包围缠绕中心传感光纤光栅串，在实际成缆过程中，由于光栅区的涂覆不均或栅区过长，局部加捻的应力不均导致严重的光谱啁啾或畸变。基于拉丝塔在线刻写的弱光纤光栅消除光栅区涂覆层厚度不均匀问题，但由于该技术是对传统掩膜版光栅刻写工艺的改进，单脉冲制备弱光栅的长度仍然在10mm左右。当拉丝塔光栅阵列成缆时，受不均匀应力的影响，弱光栅反射谱啁啾或畸变的情况也十分普遍。自从2013年武汉理工大学拉丝塔在线刻写的弱光纤光栅量产后，诸多科研机构开展了针对性成缆工艺研究，但进展有限。弱光栅成缆是横亘在光纤光栅应力传感领域的一大难题。

技术实现要素：

针对现有弱光栅成缆存在啁啾或畸变的问题，本实用新型提出了一种基于超短弱光栅阵列的应力应变光缆，该光缆采用超短弱光纤光栅作为传感单元，通过缩短弱光栅的长度，减小或消除成缆时的光谱啁啾或畸变，同时，围绕中心弱光栅阵列加捻包围加强件，通过浸胶工艺形成护套，降低了成缆时不均匀应力的分布，在提升了光缆的抗拉强度、抗冲击与抗弯曲性能的同时，保证应力应变的有效传递，光缆结构简单，易于批量制备，在光纤光栅应力应变传感领域具有广泛的应用前景。

本实用新型采取的技术方案为：

一种基于超短弱光栅阵列的应力应变光缆，包括：

位于中心的超短弱光纤光栅阵列；

围绕所述超短弱光纤光栅阵列加捻包围的加强件；

浸胶填充超短弱光纤光栅阵列与加强件间隙后形成的护套；

所述超短弱光纤光栅阵列写有多个全同或波分复用的超短弱光纤光栅；

所述加强件的直径与所述超短弱光纤光栅阵列相同，围绕所述超短弱光纤光栅阵列以螺旋形式加捻包围形成。

所述护套采用高分子浸胶工艺形成，与所述超短弱光纤光栅阵列和所述加强件紧密结合。

所述超短弱光纤光栅阵列上采用飞秒激光刻写，反射率小于0.1％，栅区长度小于2mm。

所述超短弱光纤光栅阵列直径为0.9mm。

所述的超短弱光纤光栅阵列包括刻写纤芯上的超短弱光纤光栅，纤芯外的包层和涂覆层。

所述加强件为金属丝或纤维增强复合丝GFRP。

所述护套外围还设有定点模压成型的受力环，用于实现分段均一化分布式传感。

两个受力环之间包含一个光栅传感点，光栅传感点通过感应分段的受力环上的应变，检测这一段距离上的应变，由点到线。

本实用新型一种基于超短弱光栅阵列的应力应变光缆，具有以下有益效果：

1)、光栅光谱畸变小：

采用飞秒激光刻写，将光栅的栅区长度从10mm降低到2mm，大幅提升光栅阵列的抗畸变性能，降低了对成缆工艺的要求，确保成缆后光栅光谱的质量。

2)、光缆局部应力分布均匀：

护套采用高分子浸胶工艺形成，降低了对加强件的以螺旋形式加捻包围时的加力要求，极大地减缓了局部应力分布的不均匀性，有效减小成缆造成的光栅光谱畸变。

3)、光缆结构简单，制备容易，性价比高：

基于成熟的光缆工艺进行设计，结构简单，方便大批量生产，成本低廉，性价比高。

附图说明

图1为本实用新型应力应变光缆的截面示意图。

其中：1为超短弱光纤光栅阵列；2为加强件；3为受力环；4为护套。

图2为本实用新型的超短弱光纤光栅阵列的示意图。

其中：5为超短弱光纤光栅；6为光纤包层；7为光纤涂覆层。

图3为光纤光栅应变-波长曲线图。

具体实施方式

一种基于超短弱光栅阵列的应力应变光缆，其截面示意图如图1所示，包括：

位于中心的超短弱光纤光栅阵列1。

围绕所述超短弱光纤光栅阵列1加捻包围的加强件2。

浸胶填充超短弱光纤光栅阵列1与加强件2间隙后形成的护套4。

所述超短弱光纤光栅阵列1写有多个全同或波分复用的超短弱光纤光栅5。例如所有弱光栅阵列的波长为1550nm，相关理论和实验已经证明，当光栅的反射下降到0.01％左右时，一个阵列上允许1000个相同波长的光栅。当然，如果光栅阵列数量大于1000个，或者空间分辨率小于3米时，可以在相同波长的光栅之间插入不同的波长，简称波分复用。具体组合形式可以是时分/波分复用，或者波分/时分复用；单个光栅传感单元的长度小于2mm，光谱半高宽小于0.4nm，超短弱光纤光栅阵列1直径为0.9mm。

所述加强件2的直径与所述超短弱光纤光栅阵列1相同，围绕所述超短弱光纤光栅阵列1以螺旋形式加捻包围形成。

所述护套4采用高分子浸胶工艺形成，与所述超短弱光纤光栅阵列1和所述加强件2紧密结合。浸胶厚度约0.5毫米，形成的光缆直径5毫米。浸胶的结合方式极大的改善了局部应力分布不均匀的情况，减少了成缆过程中的光栅由于受力不均匀而导致的畸变。

所述超短弱光纤光栅阵列1上采用飞秒激光刻写，反射率小于0.1％，栅区长度小于2mm。

所述超短弱光纤光栅阵列1直径为0.9mm。

所述的弱光纤光栅阵列包括刻写在纤芯上的超短光纤光栅5，纤芯外的包层7和涂覆层6。

所述加强件2为金属丝或纤维增强复合丝GFRP。通过加强件绞合来提高光缆的强度和抗冲击性能，制作成机械性能良好的光缆。

所述护套4外围还设有定点模压成型的受力环3，用于实现分段均一化分布式传感。受力环3的直径8毫米，长度10毫米，用于感受轴向拉力，实现分段感应传感。通常两个受力环3之间包含一个光栅传感点，光栅传感点通过感应分段的受力环3上的应变，可以检测这一段距离上的应变，由点到线，实现了真正的无盲区分布式监测。

单个超短弱光纤光栅的应变波长曲线图如图3所示，横坐标为施加在光纤光栅上的应变(με)，纵坐标为应变对应的光纤光栅的中心波长(nm)。由图可知，应变与波长呈线性关系，且线性相关度优于0.999。该光纤光栅的应变灵敏度为1.1pm/με,能够满足目前工程上的应力应变监测。

本实用新型一种基于超短弱光栅阵列的应力应变光缆，采用通过飞秒激光刻写的超短弱光纤光栅阵列1，提高了成缆过程中光栅的抗畸变能力，提高了成缆后传感光缆的质量。通过在900um的超短弱光纤光栅5上加捻包围加强件2，并通过浸胶工艺填充间隙，克服了成缆过程中的因受力不均而产生畸变的情况。同过在护套4上采用定点模压成型的受力环3，实现了由点到线的无盲区分布式应力应变监测，在光纤光栅应力应变监测领域具有重要的应用价值。