內加熱FBG傳感器及其封裝方法與流程

本發明涉及光纖傳感器及其制作封裝領域，提出了一種可運用于地質巖土體、農業土壤、工業垃圾填埋場等多種場地水分場(含水率ω、滲流速率ν)監測的內加熱剛玉管fbg傳感器(insideheatedalundumtube，以下簡稱ihat-fbg)。

背景技術：

含水率ω和滲流速率ν是水分場的最主要指標，也是地質巖土體、農業土壤、工業垃圾填埋場等場地最為基礎的物理參數。如涉及潰堤塌壩、地面沉降、失穩滑坡、農作物生長健康分析，垃圾填埋場污染物運移調查等各種環境巖土工程問題分析時，常常需要與事發場地的水分場進行聯系。目前通過研究已經證實，包括密度、連續性、耦合性、龜裂、脹縮性等多種巖土體的力學特征，均與其內部水分場存在密不可分的聯系。因此，對地質巖土體、農業土壤、工業垃圾填埋場等場地中的水分場進行監測，是預測和預防可能發生的環境地質災害的重要途徑。

本發明基于fbg傳感器高精度的溫度響應特點：在剔除應變的條件下，波長變化與溫度變化呈線性關系，將fbg傳感器應用于環境巖土體水分場監測，利用不同介質導熱率不同，通過溫度與水分場之間已證實的線性關系，進而分析測定水分場的相關參數(含水率ω、滲流速率ν)。

若未經封裝保護直接將fbg傳感器布設于待測土體中，任何對可能造成應變的擠壓作用，都會直接影響fbg傳感器依附于溫度場來測量巖土體水分場的準確性。為此現有技術中曾采用pvc材料對fbg傳感器進行封裝保護，但由于巖土體中水分場與周圍環境之間溫度差異小，溫度分辨度低，使用pvc材料封裝的fbg進行監測時無法準確區分水分場與周圍環境。轉而本發明人嘗試采用空心碳纖維棒結合內加熱技術對fbg進行封裝保護，利用碳纖維良好的導熱導電能力，在空心碳纖維棒內部放置電阻絲，通過電阻絲接電加熱來增大水分場與周圍巖土介質間的溫度差異(也稱為溫度分辨度)，從而提高了監測結果的準確性。然而根據光纖光柵的布拉格方程知道，fbg同時對溫度、應變因素敏感，即若不對應變因素的干擾進行剔除，會對fbg溫度監測產生影響。碳纖維棒硬度小、剛度小，受到擠壓易發生彎曲應變，因此用其對fbg傳感原件進行封裝，無法真正意義上起到保護fbg不受外力作用發生應變的作用，監測結果的準確性依然沒有得到很好的保證。

為了解決以上問題，需要一種剛度大、硬度大，絕緣耐高溫，導熱性能優異的材料。較大的剛度、硬度在保護fbg不受周圍環境影響而破壞的同時，也極大程度的剔除了應變對監測結果的干擾；并且材料絕緣耐高溫，導熱性好等特性極其利于內即熱技術的應用。

技術實現要素：

本發明的目的是，提供了一種可運用于地質巖土體、農業土壤、工業垃圾填埋場等多種場地水分場(含水率ω、滲流速率ν)監測的ihat-fbg傳感器。ihat封裝法選用剛玉管材料對fbg傳感器進行封裝保護，最大程度使傳感器所測水分場數據都基于溫度場，從而把應變因素對測量結果的干擾性降到最低。并且通過在雙孔剛玉管內設加熱電阻絲，實現剛玉管fbg巖土體水分場監測傳感器的內加熱功能。

本發明提供了如下的技術方案：

一種內加熱剛玉管fbg傳感器及其封裝方法，包括剛玉管管體、光纖引線、加熱電阻絲和fbg傳感器，所述剛玉管管體上設有若干孔道，所述fbg傳感器兩端設有光纖引線，且所述fbg傳感器設于其中一個所述孔道內，所述加熱電阻絲設于其他所述孔道內。

進一步的，所述光纖引線外包裹有引線護套。

進一步的，所述剛玉管管體上套設有熱縮管。

進一步的，所述孔道的數目至少為兩個。

優選的，所述孔道為圓柱孔道。

一種內加熱fbg傳感器的封裝方法，包括如下步驟：s1、選材，根據實際場地的監測需要選擇尺寸合適的剛玉管材料；s2、開設孔道，根據需要在剛玉管管體中開設至少兩個孔道；s3、布置fbg傳感器,將fbg傳感器兩端設置光纖引線，并將fbg傳感器設于s2中開設的一個孔道內；s4、實現內加熱，在其他孔道內安裝加熱電阻絲；s5、防水防漏電處理，將剛玉管管體兩端做防水防漏電處理，制成內加熱剛玉管fbg傳感器。

進一步的，在s3中fbg傳感器需處于松弛自由狀態，用以剔除應變對監測結果的干擾；設在fbg傳感器兩端的光纖引線露于孔道外的部分套有光纖護套進行保護，并在光纖引線引出剛玉管管體后使用環氧樹脂將其固定于孔口，最后連接光纖跳線。

進一步的，s4中內置的加熱電阻絲加熱功率，選取7-11w/m；加熱電阻絲置放于臨近fbg傳感器的孔道，兩端與導線進行連接。其中，加熱電阻絲的加熱功率以9w/m為最佳。

進一步的，s5中防水防漏電處理，具體為采用熱縮管包裹剛玉管管體接線端，并在包裹后遺留的孔中注滿環氧樹脂膠封死，最后制成ihat-fbg。

本發明的有益效果是：剛玉管作為fbg感測元件的封裝材料，極大程度利用了剛玉材料硬度大、剛度大、幾乎不發生應變的優良特性，使得fbg即使在惡劣待測場地環境下也不會發生破壞，很好地延長了水分場監測傳感器的實際使用壽命；同時也盡可能地防止了監測過程中fbg的擠壓應變，剔除了fbg的應變敏感性可能造成的監測誤差。最后，剛玉管還有著優異的熱穩定性和導熱性，并且材料易尋價格經濟。

對fbg采用內置電阻絲的內加熱封裝方式，制作成為ihat-fbg傳感器。通過在雙孔道剛玉管的其中一孔道安置電阻絲并接入直流電源，實現對待測場地局部加熱的作用。人為施加溫度場可以增大場地水分場和其周圍介質的溫度差異性，較大的溫度分辨率可以最大程度提升fbg傳感元件監測數據的準確性和可靠性。

引線護套、光纖引線、fbg傳感器、加熱電阻絲、管體、熱縮管等制作材料經濟易尋，同時所制作ihat-fbg水分場監測傳感器具有靈活便攜、尺寸可控、布設簡單、操作便捷、精度可靠等優點。

附圖說明

附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1是本發明結構示意圖；

圖2是圖1的主視圖示意圖；

其中，1、引線護套；2、光纖引線；3、fbg傳感器；4、加熱電阻絲；5、剛玉管管體；6、熱縮管。

具體實施方式

如圖1-2所示，實施例中以長10cm、直徑4mm、孔徑1mm，孔距1mm的雙孔剛玉管為例進行說明。

一種內加熱fbg傳感器，包括剛玉管管體5、光纖引線2、加熱電阻絲4和fbg傳感器3，剛玉管管體5上設有兩個孔道，fbg傳感器3兩端設有光纖引線2并且fbg傳感器3設于其中一孔道內，加熱電阻絲4設于另一孔道。光纖引線2另一端外包裹有引線護套1，對fbg傳感器3進行保護。剛玉管管體5兩端設有熱縮管6。用于防漏電防水。

其中，兩孔道都為圓柱孔道。

本實施例中內加熱fbg傳感器的封裝方法，具體為：s1、選取長10cm、直徑4mm的剛玉管；s2、開設孔道，開設孔距1mm、孔徑1mm的雙孔道；s3、將fbg傳感器3兩端設置光纖引線2，并小心安放于s2中開設的一個孔道內；s4、在另一孔道內安裝加熱電阻絲4；s5、將剛玉管管體5兩端用電工膠帶、環氧樹脂和熱縮管6做防水防漏電處理。

s1中剛玉管管體5材料莫氏硬度9，抗拉強度3160kg/cm2，抗張強度23300kg/cm2，抗折強度2520kg/cm2，該種材料硬度大、剛度大，幾乎不發生彎曲應變的材料，用來對fbg傳感器3進行封裝可以大幅降低外界應變因素對fbg傳感器3測量結果的干擾。同時剛玉絕緣耐高溫且熱導性優良，在1000℃以上的極端高溫環境也不會發生斷裂，可以為內置加熱電阻絲4的內加熱封裝技術提供支持。

s3中雙孔剛玉管管體5中合理安裝固定fbg傳感器3：將fbg傳感器3小心放置于雙孔剛玉管管體5的其中一孔之中，fbg傳感器3一端的光纖引線2自由放置于剛玉管5孔內，使fbg傳感器3處于松弛狀態，用以剔除應變對監測結果的干擾；fbg傳感器3的另一端光纖引線2上套有光纖護套1進行保護，套有光纖護套1的光纖引線2引出剛玉管管體5后使用環氧樹脂固定于雙孔剛玉管管體5的孔口，最后連接光纖跳線。

s4中的加熱電阻4，加熱功率達到9w/m為最佳。將阻值合適的電阻絲放置于步驟一所述雙孔剛玉管5的剩余一孔之中，兩端連接導線。

s4中的防水防漏電電處理，具體指的是采用熱縮管6包裹剛玉管管體5的接線端并熱縮，然后在熱縮后的遺留孔中注滿環氧樹脂膠封死進行防水防電漏電處理，最后制成ihat-fbg。

本發明原理：由于fbg同時對溫度和應變敏感的特性，選用剛玉管這種硬度大、剛度大、極難彎折應變的材料作為傳感器的封裝材料，對水分場監測fbg傳感器進行封裝保護后再埋入待測場地，可極大程度減少場地環境擠壓對fbg彎曲應變作用，確保監測結果的準確性。ihat-fbg傳感器實際上是通過測定場地溫度場來間接推導其水分場的,即待測環境的水分場越強(含水率、滲流速率越大)，單位時間內環境所耗散的熱量就會越多，相應區域的溫度場就會越低。這種溫度場的相關信息可由fbg外接解調設備進行數據記錄，從而實現基于環境溫度場來監測環境水分場的功能。然而自然條件下，場地環境中水分場與周圍介質的溫度區分往往并不明顯，較小的溫度分辨率會造成基于fbg傳感技術的場地水分場監測結果誤差較大，無法反應真實情況，所以設計了加熱電阻絲和溫度感測用的fbg傳感器一同安置于雙孔剛玉管內的內加熱封裝方式，通過電阻絲接電加熱，可人為對待測場地局部施加一個的溫度場，從而增加了溫度分辨率也使得測量結果更加真實精確。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。