[发明专利]一种用于水温监测的超弱光纤光栅光缆

说明书

一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，包括：位于中心的超弱光纤光栅阵列；沿轴向均匀覆盖在超弱光纤光栅阵列上的油膏层；包裹超弱光纤光栅阵列、油膏层外围的金属管；围绕金属管以螺旋形式加捻包围的加强件；涂覆在加强件外部的传感器标记。该光栅光缆采用金属管直接封装超弱光纤光栅阵列，通过沿光栅阵列填充少量的油膏，抑制光纤余长的累积分布，在防止水汽浸润光纤的同时，减小或消除传感光纤中残余应变的影响。采用该方法制作的超弱光纤光栅感温光缆，标定的温度曲线线性相关度达到0.999以上，温度灵敏度波动小于0.3pm/℃。

技术领域

本发明涉及光纤光缆温度传感领域，具体涉及一种用于水温监测的超弱光纤光栅光缆。

背景技术

水温是水体环境表征的重要参数。监测水温的变化及其梯度分布，对水利调度、环境保护、水产捕捞、航道维管、水工建筑选址等领域具有重要的指导意义。光纤传感器具有不产生自热、抗电磁干扰、高灵敏度、轻质柔性、多参量复合传感、大空间分布式测量等显著优点，在水温监测领域具有广泛的应用前景。

目前应用于水温监测的光纤传感技术主要有基于散射(拉曼散射或布里渊散射)的分布式光纤传感DTS和基于高反射率光栅FBG的光纤传感两种。前者存在空间分辨率不高，无法点式测温，数据解调复杂等问题；后者传感器复用数目少，且传感单元多采用剥皮刻写后再涂覆，涂层均匀性差，温度线性度不好。超弱光纤光栅具有极低的反射率，通过时分/波分复用，可以实现密集的点式测温，极大地提高传感单元的复用数量和空间分辨率，此外，超弱光纤光栅多采用拉丝塔刻写，涂层材料均匀，温度线性度较好，这为水温监测的传感提供了良好的条件。

普通的超弱光纤光栅阵列相对脆弱，多采用金属管状加铠的封装结构，再绕盘标定和运输。在光缆绕盘时，位于管内的光纤绕盘半径略大于金属管内圈的绕盘半径，等长的光纤和金属管经过多圈绕盘后，光纤因长度不够会产生明显的拉长，这种拉长导致应变的存在，影响光栅的温度特性。如果在绕盘前预留光纤余长，当光缆放直时，这些余长需要释放，但光纤与管壁存在摩擦，摩擦阻力会导致余长的二次分布，影响了传感光缆的灵敏度和线性度。大量的试验研究表明，当光纤上的残余应变大于50με时，传感点测得的累积温度测量误差大于1℃。此外，水温监测光缆不仅需要较高的测温精度，还需要考虑水气浸润的问题，传统的防水油膏填充工艺限制了光栅在金属管中的移动，也容易产生应变影响。因此，在超弱光纤光栅阵列成缆时，如何从物理结构上避免应力的影响，提升光栅的防水性能，是水温监测光缆急待解决的难题。

中国专利“一种免应力光栅阵列感温光缆及其传感方法，申请号：201710457903.6”提出将受力光纤和免应力光纤预先粘接，再封装成缆，通过受力光纤承载余量变化产生的应力，保证传感光纤免应力测量，这种方法在一定程度上避免了余量的累积分布，减小了应力的分布，但受力光纤和免应力光纤预先粘接工艺复杂，余量准确控制困难，测温精度不高。

中国专利“一种骨架式光纤光栅感温光缆，申请号：201821650447.3”；“一种光纤光栅温度应变混合光缆，申请号：201811185773.6”，均提出通过将光纤与特殊结构分段粘贴来缓解应力的影响，这些方法可行但自动化生产困难，复杂的特殊结构会降低温度的响应速度，影响测温精度。此外，传感光缆在水体环境中长期使用时，水气的浸润也会对影响传感器的稳定性，上述光缆的设计，也不能满足水环境监测的需要。

发明内容

针对现有感温光缆结构复杂、测温精度不高、防水性差等问题。本发明提出了一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，该光栅光缆采用金属管直接封装超弱光纤光栅阵列，通过沿光栅阵列填充少量的油膏，抑制光纤余长的累积分布，在防止水汽浸润光纤的同时，减小或消除传感光纤中残余应变的影响。采用该方法制作的超弱光纤光栅感温光缆，标定的温度曲线线性相关度达到0.999以上，温度灵敏度波动小于0.3pm/℃，能长期可靠地测量水体中绝对温度，在水温监测领域具有良好的应用前景。

本发明采取的技术方案为：

一种应用于水温监测的超弱光纤光栅光缆，包括：