[发明专利]一种连续制造光纤传感器的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器制备领域，涉及光纤拉制过程中同时在线连续加工多种不同种类的分布式光纤传感器。

背景技术

分布式光纤传感器具有良好的应用前景，其核心制备技术要求在一根长距离光纤上的不同位置以尽可能低的损耗加工光纤传感器，使这跟光纤兼具传感与信号传输的功能。传统分布式光纤传感器的制备方法是使用已拉制好的光纤制备单个的光纤传感器，再将这些传感器串联熔接成一根长距离分布式的光传感线路。在制造单个光纤传感器时，必须先采用化学溶剂或机械方法除去光纤原有的树脂保护层，在光纤的石英包层结构上直接进行加工。加工完成后还要使用专用的二次涂覆装置重建树脂保护层结构。使用二次涂覆装置重建的紫外光硬化树脂其材质、结构、厚度、形状均与光纤原有保护层不同。因此会不可避免的影响传感器的光学性能稳定性并降低光纤传感器的机械强度。此外将传感器串联熔接的工艺会因为调芯装置的精度限制导致不可避免的附加损耗并影响到光信号的品质。同时熔接部分还要使用热收缩护套固定，这会降低光纤的可绕性，以及系统的可靠性。在光纤从预制棒拉制成丝后，随即在线制造光纤传感器，并进行保护层涂覆及固化工艺，可以有效的解决上述问题，并大幅提高生产效率，降低成本。

然而，传统光纤传感器例如采用光纤光栅结构的光纤传感器的制造要求在静止状态下进行，而无法实现动态在线制备。英国南安普顿大学的L. Dong等人提出了采用单脉冲全息干涉法实现在光敏光纤的拉制过程中动态在线写入光栅的方法[1]。虽然上述文献资料实现了动态条件下光栅的在线写入，但此成栅方法存在几大难点，造成此方法很难形成成熟的光栅制备技术。光纤始终处于运动状态时，光纤的径向位置随着时间变化，总是不可避免的产生一定量的偏移；光纤轴向的运动速度也会因为为了保持光纤直径在设计误差范围内，不间断的进行调整。这些都会直接影响光栅制作的精度。同时因为光纤始终处于运动状态，对光栅制作设备的光学系统设计与控制精度要求高，导致设备复杂化，高价化并影响设备的稳定性。另外因为光纤处于运动状态，无法使用接触式以及所需加工时间较长的加工方式。所以这种方法只适用于拉制对光非常敏感的例如载氢增敏的特种光纤。

武汉理工大学的姜德生等人提出了先拉制裸光纤再在以恒定速度运动的光纤上动态在线写入光栅并完成保护层涂覆及固化工艺[2]。进一步拓展此方法可以在光栅写入时将光纤移动速度设定为零，完成光栅刻写后，重新移动光纤进行涂覆工艺。这种方法可以解决光纤拉丝速度不稳定状态下以及动态过程中写光栅时存在的问题。但是使用这种先拉制裸光纤再写光栅的方法存在以下问题。将光纤拉制与保护层涂覆分开的工艺不可避免的使裸露的光纤长时间与空气接触。而在普通的光纤拉丝工艺中，裸光纤与空气接触的时间一般不会超过十数秒。因为裸露的光纤直径仅为125微米，其表面极易吸附水蒸汽与细小的悬浮颗粒，产生细小的裂痕与缺陷，这将会影响到光纤的机械强度与光学性能的长期稳定性。严重时光纤还会断裂。另外将拉丝与保护层涂覆这两项工艺都是耗时的工艺。将两者分开不可避免的降低生产效率。虽然拉丝工艺可以在一个相对较快的速度下进行，但因为裸光纤强度有限，拉丝速度会受到很大制约。

[1] L Dong et al., “Single pulse Bragg gratings written during fiber drawing”,Electron Lett., 29, 1577-1578 (1993)。

[2] 发明专利申请 CN102590929，发明人 姜德生 武汉理工大学。

发明内容

本发明的目的是针对传统在线光纤传感器的制造方法存在的诸多技术难点和自身难以克服的技术不足，以及以传统在线方法制造的光纤传感器存在可靠性差等问题提出一种在线连续制造光纤传感器的装置及其方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种连续制造光纤传感器的装置，其特征在于：该装置依次包括光纤拉丝机构、储线与裸光纤线速度调节机构、光纤传感器加工机构、光纤保护层涂覆及固化机构和收线机构；

所述光纤拉丝机构用于将光纤预制棒连续拉制成裸光纤，并传送至储线与裸光纤线速度调节机构；

所述储线与裸光纤线速度调节机构用于暂存光纤拉丝机构传送的裸光纤，调节输出的裸光纤线速度为0至V’，并传送至光纤传感器加工机构；

所述光纤传感器加工机构用于在静止的裸光纤上加工光纤传感器；

所述光纤保护层涂覆及固化机构用于在加工了光纤传感器的裸光纤上涂覆保护层并固化，形成带保护层光纤；