[发明专利]光纤压力传感器及其感测方法

说明书

一种用于测量压力的光纤(10)，包括用于沿纤芯(12)的长度引导光信号纤芯(12)和包覆层(14)，包覆层包括围绕纤芯(12)设置的多个应力施加部件(16)。多个应力施加部件(16)平行于纤芯(12)并围绕纤芯(12)对称地设置以在施加外部压力时引起增强的对称剪切应力，同时防止双折射。与标准单模光纤相比，该光纤(10)提供了改进的应变灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种基于光纤的压力传感器以及一种沿光纤长度感测压力的感测方法。

背景技术

已经开发出了使用光纤来测量温度、压力、力、应变和其它参数的多种传感器。光纤传感器的优点是尺寸小、成本低、灵活以及嵌入其它结构中的能力。然而，大多数现有的光纤压力传感器需要复杂的制造和测量方法并且不便于在诸如油和气管道或地下油井的恶劣的环境中使用。

典型的光纤压力传感器包括通过用诸如锗的材料掺杂光纤并且然后将光纤的侧面暴露于干涉图案以产生纤芯的折射率的正弦变化而在光纤的纤芯中形成纤维Bragg光栅。由纤维Bragg光栅反射的频谱包络的中心波长随温度和应变线性变化。因此，可以测量这种变化以得出传感器的环境中的应变。然而，这种纤维Bragg光栅压力传感器很难制造和操作并且在诸如地下井的恶劣环境中沿着光纤的长度需要大量这些离散传感器来进行高灵敏度压力感测。

另一种类型的光纤压力传感器包括保偏光纤，也称为双折射光纤。这种光纤包括应力施加部件，该应力施加部件设置在具有椭圆形截面的纤芯或圆形纤芯的一侧或任一侧上，使得包覆应力施加到纤芯以引起双折射。然而，在大多数需要高压力灵敏度的应用中使用这种传感器非常困难。额外装置需要与这些传感器装置一起安装以增加其压力灵敏度，然而，这也使得其难以制造并产生稳定性和可重复性问题。

因此，本发明的目的是提供一种在恶劣环境中使用的具有高压力灵敏度的光纤压力传感器。

发明内容

在本发明的一个方面中，提供了一种用于测量压力的光纤，包括：

纤芯，其用于沿着所述纤芯的长度引导光信号；以及

包覆层，其包括围绕纤芯设置的多个应力施加部件；

其特征在于，多个应力施加部件平行于纤芯设置并且围绕所述纤芯对称地设置以在施加外部压力时引起增强的对称剪切应力，同时防止双折射。

在一个实施例中，包覆层由二氧化硅制成并且应力施加部件由硼硅酸盐(B₂O₃+SiO₂)，Al₂O₃+La₂O₃+SiO₂或F+SiO₂棒中的至少一种或空气孔制成。基于二氧化硅的包覆层和应力施加部件的机械性能差异在施加外力时产生增强的对称剪切应力。有利地，这有助于提高光纤的应变和压力灵敏度。

在一个实施例中，应力施加部件沿光纤的长度平行于纤芯并围绕纤芯对称地设置。有利地，这有助于沿着整个光纤的长度进行压力测量。

在一个实施例中，光纤是具有应力施加部件的单模光纤，这些应力施加部件设置在包覆层中所提供的孔内。有利地，这有助于提供具有改进的应变和压力敏感性但具有标准尺寸和标准操作要求的光纤。

有利地，围绕纤芯的应力施加部件的对称设置有助于防止通过光纤传输的光信号的双折射、不同模态偏振灵敏度和偏振模色散。

在一个实施例中，光纤可用于多种应用，包括测量地下区域、油井、其他恶劣环境中的外部压力以及民用和机械结构的健康监测。

在本发明的另一方面中，提供了一种沿光纤的长度测量压力的方法，该方法包括：

提供光纤，该光纤具有纤芯、围绕纤芯的包覆层以及平行于纤芯并围绕纤芯对称地放置在包覆层中的多个应力施加部件；