本發(fā)明涉及光纖傳感器及其制作封裝領(lǐng)域，提出了一種可運(yùn)用于地質(zhì)巖土體、農(nóng)業(yè)土壤、工業(yè)垃圾填埋場(chǎng)等多種場(chǎng)地水分場(chǎng)(含水率ω、滲流速率ν)監(jiān)測(cè)的內(nèi)加熱剛玉管fbg傳感器(insideheatedalundumtube，以下簡(jiǎn)稱ihat-fbg)。

背景技術(shù)：

含水率ω和滲流速率ν是水分場(chǎng)的最主要指標(biāo)，也是地質(zhì)巖土體、農(nóng)業(yè)土壤、工業(yè)垃圾填埋場(chǎng)等場(chǎng)地最為基礎(chǔ)的物理參數(shù)。如涉及潰堤塌壩、地面沉降、失穩(wěn)滑坡、農(nóng)作物生長(zhǎng)健康分析，垃圾填埋場(chǎng)污染物運(yùn)移調(diào)查等各種環(huán)境巖土工程問(wèn)題分析時(shí)，常常需要與事發(fā)場(chǎng)地的水分場(chǎng)進(jìn)行聯(lián)系。目前通過(guò)研究已經(jīng)證實(shí)，包括密度、連續(xù)性、耦合性、龜裂、脹縮性等多種巖土體的力學(xué)特征，均與其內(nèi)部水分場(chǎng)存在密不可分的聯(lián)系。因此，對(duì)地質(zhì)巖土體、農(nóng)業(yè)土壤、工業(yè)垃圾填埋場(chǎng)等場(chǎng)地中的水分場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是預(yù)測(cè)和預(yù)防可能發(fā)生的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的重要途徑。

本發(fā)明基于fbg傳感器高精度的溫度響應(yīng)特點(diǎn)：在剔除應(yīng)變的條件下，波長(zhǎng)變化與溫度變化呈線性關(guān)系，將fbg傳感器應(yīng)用于環(huán)境巖土體水分場(chǎng)監(jiān)測(cè)，利用不同介質(zhì)導(dǎo)熱率不同，通過(guò)溫度與水分場(chǎng)之間已證實(shí)的線性關(guān)系，進(jìn)而分析測(cè)定水分場(chǎng)的相關(guān)參數(shù)(含水率ω、滲流速率ν)。

若未經(jīng)封裝保護(hù)直接將fbg傳感器布設(shè)于待測(cè)土體中，任何對(duì)可能造成應(yīng)變的擠壓作用，都會(huì)直接影響fbg傳感器依附于溫度場(chǎng)來(lái)測(cè)量巖土體水分場(chǎng)的準(zhǔn)確性。為此現(xiàn)有技術(shù)中曾采用pvc材料對(duì)fbg傳感器進(jìn)行封裝保護(hù)，但由于巖土體中水分場(chǎng)與周圍環(huán)境之間溫度差異小，溫度分辨度低，使用pvc材料封裝的fbg進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分水分場(chǎng)與周圍環(huán)境。轉(zhuǎn)而本發(fā)明人嘗試采用空心碳纖維棒結(jié)合內(nèi)加熱技術(shù)對(duì)fbg進(jìn)行封裝保護(hù)，利用碳纖維良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電能力，在空心碳纖維棒內(nèi)部放置電阻絲，通過(guò)電阻絲接電加熱來(lái)增大水分場(chǎng)與周圍巖土介質(zhì)間的溫度差異(也稱為溫度分辨度)，從而提高了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。然而根據(jù)光纖光柵的布拉格方程知道，fbg同時(shí)對(duì)溫度、應(yīng)變因素敏感，即若不對(duì)應(yīng)變因素的干擾進(jìn)行剔除，會(huì)對(duì)fbg溫度監(jiān)測(cè)產(chǎn)生影響。碳纖維棒硬度小、剛度小，受到擠壓易發(fā)生彎曲應(yīng)變，因此用其對(duì)fbg傳感原件進(jìn)行封裝，無(wú)法真正意義上起到保護(hù)fbg不受外力作用發(fā)生應(yīng)變的作用，監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性依然沒(méi)有得到很好的保證。

為了解決以上問(wèn)題，需要一種剛度大、硬度大，絕緣耐高溫，導(dǎo)熱性能優(yōu)異的材料。較大的剛度、硬度在保護(hù)fbg不受周圍環(huán)境影響而破壞的同時(shí)，也極大程度的剔除了應(yīng)變對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的干擾；并且材料絕緣耐高溫，導(dǎo)熱性好等特性極其利于內(nèi)即熱技術(shù)的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，提供了一種可運(yùn)用于地質(zhì)巖土體、農(nóng)業(yè)土壤、工業(yè)垃圾填埋場(chǎng)等多種場(chǎng)地水分場(chǎng)(含水率ω、滲流速率ν)監(jiān)測(cè)的ihat-fbg傳感器。ihat封裝法選用剛玉管材料對(duì)fbg傳感器進(jìn)行封裝保護(hù)，最大程度使傳感器所測(cè)水分場(chǎng)數(shù)據(jù)都基于溫度場(chǎng)，從而把應(yīng)變因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾性降到最低。并且通過(guò)在雙孔剛玉管內(nèi)設(shè)加熱電阻絲，實(shí)現(xiàn)剛玉管fbg巖土體水分場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器的內(nèi)加熱功能。

本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：

一種內(nèi)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(shè)有若干孔道，所述fbg傳感器兩端設(shè)有光纖引線，且所述fbg傳感器設(shè)于其中一個(gè)所述孔道內(nèi)，所述加熱電阻絲設(shè)于其他所述孔道內(nèi)。

進(jìn)一步的，所述光纖引線外包裹有引線護(hù)套。

進(jìn)一步的，所述剛玉管管體上套設(shè)有熱縮管。

進(jìn)一步的，所述孔道的數(shù)目至少為兩個(gè)。

優(yōu)選的，所述孔道為圓柱孔道。

一種內(nèi)加熱fbg傳感器的封裝方法，包括如下步驟：s1、選材，根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)需要選擇尺寸合適的剛玉管材料；s2、開設(shè)孔道，根據(jù)需要在剛玉管管體中開設(shè)至少兩個(gè)孔道；s3、布置fbg傳感器,將fbg傳感器兩端設(shè)置光纖引線，并將fbg傳感器設(shè)于s2中開設(shè)的一個(gè)孔道內(nèi)；s4、實(shí)現(xiàn)內(nèi)加熱，在其他孔道內(nèi)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(nèi)加熱剛玉管fbg傳感器。

進(jìn)一步的，在s3中fbg傳感器需處于松弛自由狀態(tài)，用以剔除應(yīng)變對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的干擾；設(shè)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(hù)套進(jìn)行保護(hù)，并在光纖引線引出剛玉管管體后使用環(huán)氧樹脂將其固定于孔口，最后連接光纖跳線。

進(jìn)一步的，s4中內(nèi)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(dǎo)線進(jìn)行連接。其中，加熱電阻絲的加熱功率以9w/m為最佳。

進(jìn)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(huán)氧樹脂膠封死，最后制成ihat-fbg。

本發(fā)明的有益效果是：剛玉管作為fbg感測(cè)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(fā)生應(yīng)變的優(yōu)良特性，使得fbg即使在惡劣待測(cè)場(chǎng)地環(huán)境下也不會(huì)發(fā)生破壞，很好地延長(zhǎng)了水分場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器的實(shí)際使用壽命；同時(shí)也盡可能地防止了監(jiān)測(cè)過(guò)程中fbg的擠壓應(yīng)變，剔除了fbg的應(yīng)變敏感性可能造成的監(jiān)測(cè)誤差。最后，剛玉管還有著優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性，并且材料易尋價(jià)格經(jīng)濟(jì)。

對(duì)fbg采用內(nèi)置電阻絲的內(nèi)加熱封裝方式，制作成為ihat-fbg傳感器。通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)場(chǎng)地局部加熱的作用。人為施加溫度場(chǎng)可以增大場(chǎng)地水分場(chǎng)和其周圍介質(zhì)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(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

引線護(hù)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(jīng)濟(jì)易尋，同時(shí)所制作ihat-fbg水分場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器具有靈活便攜、尺寸可控、布設(shè)簡(jiǎn)單、操作便捷、精度可靠等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的主視圖示意圖；

其中，1、引線護(hù)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(shí)施方式

如圖1-2所示，實(shí)施例中以長(zhǎng)10cm、直徑4mm、孔徑1mm，孔距1mm的雙孔剛玉管為例進(jìn)行說(shuō)明。

一種內(nèi)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(shè)有兩個(gè)孔道，fbg傳感器3兩端設(shè)有光纖引線2并且fbg傳感器3設(shè)于其中一孔道內(nèi)，加熱電阻絲4設(shè)于另一孔道。光纖引線2另一端外包裹有引線護(hù)套1，對(duì)fbg傳感器3進(jìn)行保護(hù)。剛玉管管體5兩端設(shè)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(shí)施例中內(nèi)加熱fbg傳感器的封裝方法，具體為：s1、選取長(zhǎng)10cm、直徑4mm的剛玉管；s2、開設(shè)孔道，開設(shè)孔距1mm、孔徑1mm的雙孔道；s3、將fbg傳感器3兩端設(shè)置光纖引線2，并小心安放于s2中開設(shè)的一個(gè)孔道內(nèi)；s4、在另一孔道內(nèi)安裝加熱電阻絲4；s5、將剛玉管管體5兩端用電工膠帶、環(huán)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(qiáng)度3160kg/cm2，抗張強(qiáng)度23300kg/cm2，抗折強(qiáng)度2520kg/cm2，該種材料硬度大、剛度大，幾乎不發(fā)生彎曲應(yīng)變的材料，用來(lái)對(duì)fbg傳感器3進(jìn)行封裝可以大幅降低外界應(yīng)變因素對(duì)fbg傳感器3測(cè)量結(jié)果的干擾。同時(shí)剛玉絕緣耐高溫且熱導(dǎo)性優(yōu)良，在1000℃以上的極端高溫環(huán)境也不會(huì)發(fā)生斷裂，可以為內(nèi)置加熱電阻絲4的內(nèi)加熱封裝技術(shù)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(nèi)，使fbg傳感器3處于松弛狀態(tài)，用以剔除應(yīng)變對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的干擾；fbg傳感器3的另一端光纖引線2上套有光纖護(hù)套1進(jìn)行保護(hù)，套有光纖護(hù)套1的光纖引線2引出剛玉管管體5后使用環(huán)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(dá)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(dǎo)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(huán)氧樹脂膠封死進(jìn)行防水防電漏電處理，最后制成ihat-fbg。

本發(fā)明原理：由于fbg同時(shí)對(duì)溫度和應(yīng)變敏感的特性，選用剛玉管這種硬度大、剛度大、極難彎折應(yīng)變的材料作為傳感器的封裝材料，對(duì)水分場(chǎng)監(jiān)測(cè)fbg傳感器進(jìn)行封裝保護(hù)后再埋入待測(cè)場(chǎng)地，可極大程度減少場(chǎng)地環(huán)境擠壓對(duì)fbg彎曲應(yīng)變作用，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。ihat-fbg傳感器實(shí)際上是通過(guò)測(cè)定場(chǎng)地溫度場(chǎng)來(lái)間接推導(dǎo)其水分場(chǎng)的,即待測(cè)環(huán)境的水分場(chǎng)越強(qiáng)(含水率、滲流速率越大)，單位時(shí)間內(nèi)環(huán)境所耗散的熱量就會(huì)越多，相應(yīng)區(qū)域的溫度場(chǎng)就會(huì)越低。這種溫度場(chǎng)的相關(guān)信息可由fbg外接解調(diào)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，從而實(shí)現(xiàn)基于環(huán)境溫度場(chǎng)來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境水分場(chǎng)的功能。然而自然條件下，場(chǎng)地環(huán)境中水分場(chǎng)與周圍介質(zhì)的溫度區(qū)分往往并不明顯，較小的溫度分辨率會(huì)造成基于fbg傳感技術(shù)的場(chǎng)地水分場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差較大，無(wú)法反應(yīng)真實(shí)情況，所以設(shè)計(jì)了加熱電阻絲和溫度感測(cè)用的fbg傳感器一同安置于雙孔剛玉管內(nèi)的內(nèi)加熱封裝方式，通過(guò)電阻絲接電加熱，可人為對(duì)待測(cè)場(chǎng)地局部施加一個(gè)的溫度場(chǎng)，從而增加了溫度分辨率也使得測(cè)量結(jié)果更加真實(shí)精確。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。