一種高靈敏度金屬基帶鎧裝振動(dòng)傳感光纜的制作方法

本發(fā)明涉及分布式光纖振動(dòng)傳感測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可進(jìn)一步提高振動(dòng)響應(yīng)靈敏度的傳感光纜。

背景技術(shù)：

基于相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，用光纖作為傳感單元實(shí)現(xiàn)全分布式振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在三個(gè)層面上極具創(chuàng)新應(yīng)用價(jià)值。首先，利用普通通信光纖作為振動(dòng)傳感單元，其具有體積小、重量輕、絕緣、耐高溫、耐腐蝕、可超長(zhǎng)距離傳輸、抗電磁干擾能力強(qiáng)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，具備隱秘性和保密性，可廣泛應(yīng)用于各種危險(xiǎn)場(chǎng)合，并且便于接入光纖通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而在應(yīng)用層面上還可實(shí)現(xiàn)面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高性能光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。

其次，由于注入的是光脈沖信號(hào)，根據(jù)散射光相對(duì)于注入光脈沖的時(shí)間差，即可實(shí)現(xiàn)空間定位，全分布式光纖傳感技術(shù)充分利用光纖一維空間連續(xù)分布的特點(diǎn)，可準(zhǔn)確測(cè)出光纖沿線上任一點(diǎn)被測(cè)量場(chǎng)（如變形、振動(dòng)、沖擊等）在時(shí)間和空間上的信息分布，整個(gè)光纖鏈路既是連續(xù)感知元件，又是低損耗傳輸通道，可實(shí)現(xiàn)對(duì)防區(qū)范圍每個(gè)部位遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

最后，利用高相干激光器作為傳感光源（一般要求激光源線寬<10kHz），從光纖一端注入高相干激光脈沖，脈沖光在光纖沿線激發(fā)高相干后向瑞利散射光，由于注入的脈沖光有一定的時(shí)間脈寬（幾十ns量級(jí)），光纖中保持時(shí)空同步的后向瑞利散射光將發(fā)生多光束干涉現(xiàn)象，當(dāng)光纖線路由于振動(dòng)、沖擊、入侵或者聲波等發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，相應(yīng)位置處光纖的折射率及長(zhǎng)度將會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致該位置處瑞利散射光的干涉譜發(fā)生相應(yīng)變化，通過對(duì)瑞利散射光干涉譜的幅度及相位信息進(jìn)行解調(diào)，即可獲得振動(dòng)擾動(dòng)的全部信息。

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)屬于傳感領(lǐng)域的前沿技術(shù)，單通道振動(dòng)傳感距離可以實(shí)現(xiàn)50公里以上，振動(dòng)監(jiān)測(cè)頻率范圍可實(shí)現(xiàn)1kHz以上，空間定位精度可以達(dá)到5米以內(nèi)，目前大部分研究工作基本還處于實(shí)驗(yàn)室，但一些工程應(yīng)用也在逐步開展之中，在實(shí)際應(yīng)用工程中，光纖是以光纜的形式得到應(yīng)用的，不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)光纜及其使用布置均有苛刻的要求。

目前已有的長(zhǎng)距離分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)技術(shù)，在應(yīng)用方面主要存在兩個(gè)問題，一、部分場(chǎng)合振動(dòng)傳感靈敏度不夠，目前該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的探測(cè)靈敏度基本可達(dá)到100nε量級(jí)，但在一些高靈敏度振動(dòng)監(jiān)測(cè)場(chǎng)合，如微弱振動(dòng)、聲波偵聽等領(lǐng)域，靈敏度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；二、在惡劣的室外應(yīng)用環(huán)境中，光纖如何被有效保護(hù)起來，但又可以充分發(fā)揮其作為振動(dòng)傳感單元的效果，這是一個(gè)非常值得研究的工程應(yīng)用問題。而目前長(zhǎng)距離（>10公里）的傳感光纜主要釆用各類常規(guī)的光通信光纜，護(hù)套多為塑料等高分子材料。用于振動(dòng)傳感時(shí)，具有塑料外護(hù)套的光纜有振動(dòng)緩沖作用，減弱了振動(dòng)信號(hào)和降低了傳感靈敏度，且外形為圓型的光纜與振動(dòng)波是線接觸，因而振動(dòng)信息傳遞效率極低；即使外形為扁平狀的光纜，塑料外護(hù)套的機(jī)械性能和可響應(yīng)的振動(dòng)頻率均較低。在一些要求較高的場(chǎng)合，這些光纜完全都不能滿足應(yīng)用要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服目前分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)所用傳感光纜的缺點(diǎn)，更好地滿足在保持長(zhǎng)距離、高振動(dòng)響應(yīng)頻率的性能參數(shù)同時(shí)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)響應(yīng)靈敏度的進(jìn)一步提升優(yōu)化和傳感光纜的保護(hù)加強(qiáng)，本發(fā)明提供一種金屬基帶鎧裝加強(qiáng)的傳感光纜設(shè)計(jì)，以及在應(yīng)用中的具體布置方法。

一種高靈敏度金屬基帶鎧裝振動(dòng)傳感光纜，其包括光纖、金屬基帶、金屬通孔和粘合劑；它可以實(shí)現(xiàn)為光纖提供一種加工簡(jiǎn)易且低成本的鎧裝增強(qiáng)保護(hù)方式，提高振動(dòng)傳感光纜使用壽命；能實(shí)現(xiàn)將振動(dòng)擾動(dòng)更多的轉(zhuǎn)換到光纖形變上，提高振動(dòng)傳感靈敏度；它可以焊接到待監(jiān)測(cè)區(qū)域，長(zhǎng)期保持處于高靈敏度振動(dòng)待接收狀態(tài)。金屬基帶由兩片互對(duì)稱的帶凹槽的金屬片構(gòu)成，光纖通過涂覆層或粘合劑固定在兩片互對(duì)稱的帶凹槽的金屬片之間且位于由所述凹槽中，光纖和兩片所述金屬片通過粘合劑粘結(jié)固化成整體。

進(jìn)一步地，所述凹槽為半橢圓形槽。

進(jìn)一步地，光纖為一根或多根，纖芯為圓形，纖芯直徑為3~15μm；光纖包層為圓形，包層直徑為80~440μm。

進(jìn)一步地，光纖為帶涂覆層的普通單?；蚨嗄９饫w，光纖尺寸為250μm。

進(jìn)一步地，金屬基帶的材料為銅、鋁或不銹鋼，基帶的厚度為0.1~0.6mm，寬度為30~100mm，長(zhǎng)度根據(jù)傳感距離確定。

進(jìn)一步地，所述的金屬通孔為金屬基帶上的鏤空序列，通孔為圓孔、方孔或者長(zhǎng)方形孔，其孔徑或邊長(zhǎng)為2~10mm，便于實(shí)現(xiàn)通過金屬通孔將振動(dòng)傳感光纜焊接到金屬結(jié)構(gòu)件上。

進(jìn)一步地，所述的粘合劑選用高強(qiáng)度高穩(wěn)定性的適用于金屬與玻璃的粘合劑。

本發(fā)明基本原理如下：使用常規(guī)通信單模光纖作為傳感光纜可以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，由于光纖芯徑非常細(xì)（帶涂覆層直徑250微米），無法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行良好接收及傳遞，因而振動(dòng)導(dǎo)致光纖形變太微小，相應(yīng)位置處光纖的折射率及長(zhǎng)度發(fā)生相應(yīng)變化也極其微弱，最終導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)無法被監(jiān)測(cè)到。另外，這種裸光纖沒有采取保護(hù)增強(qiáng)，在實(shí)際的工程環(huán)境中極易被弄斷而導(dǎo)致無法使用。而普通有保護(hù)增強(qiáng)的常規(guī)傳感光纜，護(hù)套多為塑料等高分子材料，振動(dòng)傳感時(shí)塑料外護(hù)套具有振動(dòng)緩沖作用，減弱了振動(dòng)信號(hào)，且外形為圓型的光纜其振動(dòng)信息傳遞效率極低；即使外形為扁平狀的光纜，塑料外護(hù)套的機(jī)械性能和可響應(yīng)的振動(dòng)頻率均較低。

為了解決實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種金屬基帶扁平式復(fù)合振動(dòng)傳感光纜，包括光纖和金屬基帶，金屬基帶有對(duì)稱兩片，均加工有半橢圓形槽，通過對(duì)貼方式將光纖固定在橢圓槽中，再通過涂覆層或者粘合劑，將光纖和兩片金屬基帶粘結(jié)固化成整體。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

（1）該金屬基帶鎧裝加強(qiáng)傳感光纜設(shè)計(jì)為光纖提供一種加工簡(jiǎn)易且低成本的鎧裝增強(qiáng)保護(hù)方式，極大提高傳感光纜使用壽命，且傳感光纜可焊接到待監(jiān)測(cè)區(qū)域，長(zhǎng)期保持處于高靈敏度振動(dòng)待接收狀態(tài)；

（2）該金屬基帶鎧裝加強(qiáng)傳感光纜設(shè)計(jì)能將振動(dòng)擾動(dòng)更多的轉(zhuǎn)換到光纖的形變上，極大提高振動(dòng)監(jiān)測(cè)的靈敏度，可實(shí)現(xiàn)超微弱振動(dòng)信號(hào)如聲波的長(zhǎng)距離分布式實(shí)時(shí)監(jiān)聽。

附圖說明

圖1為實(shí)例中基于光纖與金屬基帶復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)提高振動(dòng)傳感靈敏度的原理圖；

圖2 為實(shí)例中高靈敏度金屬基帶鎧裝加強(qiáng)傳感光纜的結(jié)構(gòu)正視圖；

圖3 為實(shí)例中高靈敏度金屬基帶鎧裝加強(qiáng)傳感光纜的側(cè)視圖；

圖4為實(shí)例中高靈敏度金屬基帶鎧裝加強(qiáng)傳感光纜的應(yīng)用安裝示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)不限于此，需指出的是，以下若有未特別詳細(xì)說明之處，均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明提出高靈敏度金屬基帶鎧裝加強(qiáng)傳感光纜為扁平式復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1所示，首先，該扁平式復(fù)合結(jié)構(gòu)為光纖提供了一種極其簡(jiǎn)便的鎧裝增強(qiáng)保護(hù)，使得光纖不易被折斷或壓碎，提高其使用壽命；其次，該扁平式復(fù)合結(jié)構(gòu)提供一個(gè)較為良好的振動(dòng)接收面，振動(dòng)波傳導(dǎo)至金屬薄片，引起金屬薄片發(fā)生形變，由于金屬薄片與光纖固定成一個(gè)整體，金屬薄片的形變將帶動(dòng)光纖形變，這種結(jié)構(gòu)能將振動(dòng)擾動(dòng)更多的轉(zhuǎn)換到光纖的形變上，使得相應(yīng)位置處光纖的折射率及長(zhǎng)度變化更劇烈，導(dǎo)致該位置處瑞利散射光的干涉譜發(fā)生變化更明顯，通過對(duì)瑞利散射光干涉譜的幅度及相位信息進(jìn)行解調(diào)，即可獲得高靈敏度的振動(dòng)信息監(jiān)測(cè)；最后，金屬薄片扁平式復(fù)合傳感光纜有利于具體工程應(yīng)用布置，可以將金屬薄片繃緊后直接焊接在金屬固定桿上，使得復(fù)合傳感光纜一直處于高靈敏度的振動(dòng)待接收狀態(tài)。

圖2是本實(shí)例高靈敏度金屬基帶鎧裝傳感光纜結(jié)構(gòu)正視示意圖，該高靈敏度金屬基帶鎧裝振動(dòng)傳感光纜包括光纖1、金屬基帶2、金屬通孔3和粘合劑4；它可以實(shí)現(xiàn)為光纖提供一種加工簡(jiǎn)易且低成本的鎧裝增強(qiáng)保護(hù)方式，提高振動(dòng)傳感光纜使用壽命；能實(shí)現(xiàn)將振動(dòng)擾動(dòng)更多的轉(zhuǎn)換到光纖形變上，提高振動(dòng)傳感靈敏度；它可以焊接到待監(jiān)測(cè)區(qū)域，長(zhǎng)期保持處于高靈敏度振動(dòng)待接收狀態(tài)。金屬基帶2由兩片互對(duì)稱的帶凹槽的金屬片構(gòu)成，光纖1通過涂覆層或粘合劑4固定在兩片互對(duì)稱的帶凹槽的金屬片之間且位于由所述凹槽中，光纖和兩片所述金屬片通過粘合劑4粘結(jié)固化成整體。所述凹槽為半橢圓形槽。

圖3是傳感光纜設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖，該實(shí)例中包括三根光纖（11、12、13）、兩片帶半橢圓形槽的基帶（21、22），金屬通孔序列3，用于光纖與金屬基帶之間的粘合劑4；三根光纖1分別置于半橢圓形槽金屬帶的槽中，兩片帶有半橢圓形槽的基帶2，通過對(duì)貼方式將光纖固定在橢圓槽中，再通過粘合劑4將光纖1和兩片金屬基帶2粘結(jié)固化成整體。其中光纖1為帶涂覆層的普通單?；蚨嗄９饫w，其尺寸為0.25mm；金屬基帶2為金屬薄片，其材料可以為銅、鋁、不銹鋼等，基帶的厚度為0.1~0.6mm，寬度為30~100mm，長(zhǎng)度與傳感距離相關(guān)，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況確定；金屬通孔3為將金屬基帶2上的鏤空孔序列，可以為圓孔、方孔或者長(zhǎng)方形孔等，其孔徑為2~10mm，鏤空孔的設(shè)計(jì)有兩點(diǎn)用途，一是降低金屬基帶鎧裝傳感光纜的重量，且便于長(zhǎng)距離傳感光纜的卷曲保存及運(yùn)輸，二是在實(shí)際工程施工中，可以通過金屬通孔將傳感光纜焊接到金屬結(jié)構(gòu)件上。

圖4為本實(shí)例的高靈敏度金屬基帶鎧裝加強(qiáng)傳感光纜應(yīng)用示意圖，多根支撐金屬柱6固定在所需測(cè)量的工程環(huán)境中，將振動(dòng)傳感光纜5沿垂直于支撐金屬柱6豎立的方向布置過去，通過金屬通孔3將振動(dòng)傳感光纜5焊接到支撐金屬柱6上，焊接時(shí)可以將振動(dòng)傳感光纜5預(yù)繃緊，進(jìn)而使得焊接后可長(zhǎng)期保持處于高靈敏度振動(dòng)待接收狀態(tài)。其中金屬基帶鎧裝加強(qiáng)振動(dòng)傳感光纜5上的三根復(fù)合光纖均可用于振動(dòng)傳感，中間光纖的振動(dòng)傳感靈敏度最高，邊上光纖的振動(dòng)傳感靈敏度稍弱。支撐金屬柱6為金屬支撐結(jié)構(gòu)件，其材料可以為銅、鋁、不銹鋼等，金屬柱的尺寸為10~100mm。