CN105136176B - 一种光纤传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，包括缆芯和光纤单元，所述光纤单元围绕在所述缆芯上，其特征在于，所述光纤单元的长度比所述缆芯的长度长，长出的部分即为光纤余长，所述光纤单元余长的长度至少是所述缆芯长度的0.3倍以上。本发明通过改变传感器的结构，即增大其中光纤的余长，在不改变监测系统固有的空间分辨率的情况下，按照本发明的方法提高定位精度，不会受到系统硬件本身空间分辨率的性能限制，也不会提高系统的技术难度和造价。因此，本发明能利用光纤传感系统现有性能大幅度提高监测温度、振动、应力应变等事件时的定位精度。本发明还提供所述光纤传感器的制作方法。

Description

一种光纤传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，特别是一种提高分布式光纤传感系统空间定位精度和空间分辨率的光纤传感器及其制作方法，本光纤传感器主要用于提高分布式光纤实时在线温度、振动、应力/应变等在线监测预警系统的空间定位精度和空间分辨率，从而实现对预警事件的精确定位。

背景技术

21世纪新近发展的分布式光纤传感技术，可连续、精确感测沿传感光纤的空间的温度、振动、应力应变等参数的实时变化，而且所采用的传感光纤具有体积小、重量轻、结构简单、使用方便、耐高压高温和抗电磁干扰等优点，为热力管道、原油、天然气管道、埋地高压电缆等的安全在线监测预警和事件的精确定位提供了一种全新的技术手段。

分布式光纤传感监测系统不仅具有普通光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点温度、振动、应变的分布式传感能力，光纤既是传输信息的导体，又是分布式测量的传感器。它能够连续测量光纤沿线温度、振动、应变的变化，根据所监测物理参数的不同，光纤传感系统的测量距离从几公里到上百公里；目前各种光纤传感系统的空间定位达到几米至几十米的高分辨率，特别适用于需要大范围、连续式测量的应用。

然而，针对一些重要设施的安全监测项目，监测系统不但要监测温度、振动、应变等数据的变化，提供安全预警，而且要精确定位，方便主管部门快速找到安全隐患点，及时排除隐患，一旦发生了安全事故，也能及时准确的找到故障点，快速组织抢险抢修，恢复正常生产和生活，把事故的影响和损失降到最低。比如埋地管道、埋地电缆、海底管道、海底光电缆的事故隐患和故障定位、周界安防系统非法入侵点的定位，因为被测对象不但距离很长，而且还埋于地下或者敷设在海底，看不见摸不着，快速精确的定位异常点的位置，就显得尤为重要。光纤传感系统事件定位的原理是：光的速度v是恒定的，光脉冲从发射端光纤到达发生异常的光纤点再返回发射端的时间t是可知的，所以发生异常点的距离就能计算出来了。但是，由于目前设备的技术原理和硬件水平决定了系统对监测事件的空间定位精度和事件的空间分辨率，难以满足一些特殊场合如：储油罐的油水层的具体位置及厚度、分布式光纤振动围栏具体的侵入位置等。

系统的定位精度主要取决于系统的数据采集卡的速度，如100MPS的采集卡，理论上的定位精度为±1米，200MPS到的为±0.5米，而空间分辨率却受系统的采样速度、电路带宽及激光脉宽的限制，通常以这三个指标中最差的一个指标为准，如采样率100MPS，带宽100MHz，激光脉冲宽度100ns，则空间分辨率为20米；其它指标不变，将激光器的脉宽减小到10ns时，空间分辨率，理论上可达2米；如采集速率100MPS不变，电路带宽降低为10MHz时，尽管激光脉宽仍为10ns，空间分辨率也只能到20米。受研发能力、制造成本以及通常使用条件制约，常规设备很难满足所有的使用条件如某些情况下需要空间分辨率达到0.1米，这时，如更新设备显然不符合实际情况，也不现实，这时需要采用新的方法来满足实际的需要，这就是本发明的主要目的和发明的主要内容：通过设计特殊结构的光纤传感器，来实现提高传感系统的空间分辨率和空间定位精度。

常规的分布式光纤传感系统直接将通信光缆沿其长度方向贴在被测物侧面，这时系统的空间定位精度及空间分辨率就是其额定值，当需要监测的对象间隔小于系统的空间分辨率以及需要更精细地定位被测事件时，这种传感方式将无法满足实际需求，因此本发明通过制作特定的光纤传感器来提高系统的空间分辨率及定位精度。

发明内容

本发明的目的在于改进现有技术的不足，提供一种提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器；

本发明的另一个目的在于提供所述光纤传感器的制作方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明是设计新型结构光纤传感器，具体地，是发明一种超长余长的光纤传感器，即光缆内的光纤比光缆外护套长很多，以便在不改进分布式系统硬件的基础上，通过特制光纤传感器的结构来提高空间分辨率，实现对被监测对象的温度、振动、应变等发生变化时的超精细空间定位。

一种提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，包括缆芯和光纤单元，所述光纤单元围绕在所述缆芯上，其特征在于，所述光纤单元的长度比所述缆芯的长度长，长出的部分即为光纤余长，所述光纤单元余长的长度至少是所述缆芯长度的0.3倍以上。

优选所述光纤单元余长为所述缆芯长度的0.5倍以上，或者是1倍以上。

进一步地，所述光纤单元平行缠绕方式或者““SZ”形状”方式绞合在所述缆芯的侧壁上。

进一步地，还包括外护套，为了保护传感光纤单元，光纤单元设置在缆芯上，在其外面挤制一层外护套。

所述外护套的外表面上设置长度刻度。

进一步地，所述长度刻度中，每隔1米印一米标。

外护套不但对光纤单元形成很好的保护，外护套所采用PE材料在生产加热挤制并慢慢冷却收束后，会很好的固定绞合在缆芯上的光纤单元的节距，从而保证施工、运输和使用中光纤缠绕的均匀一致性，确保定位精确。外护套上面精确计米并每隔1米喷印米标，将给施工和精确定位带来帮助。

所述光纤单元可以是紧包光纤，也可以是松套光纤。

紧包光纤的外径一般是0.6mm，为单模，或者是0.9mm，为多模，松套光纤的直径约1.3mm～2.5mm左右。

相配合的缆芯的直径根据需要可以从10mm至200mm左右甚至更大范围内选择。

所述光纤单元在所述缆芯上平行缠绕，其节距可以根据定位精度要求以及缆芯的直径等因素综合考虑：节距最小可以是光纤的直径，即每一圈光纤都紧贴缠绕，这时光纤的余长就是该光纤配合该缆芯时的最大余长。

所述光纤单元也可以采用“SZ”形走向而贴附在所述缆芯周围。

当然，所述光纤单元的弯曲半径应该符合国家标准，即弯曲半径大于光纤单元直径的20～30倍。

一种提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器的制作方法是：

首先，根据定位精度确定的已有系统的空间分辨率和用户对于空间分辨率的要求来确定本光纤传感器的余长；

然后，将光纤单元按照设计好的节距平行缠绕或者““SZ”形状”绞合在缆芯上。

进一步地，在平行缠绕或““SZ”形状”绞合了光纤单元的缆芯外面挤制一层保护光纤缆芯的外护套。

为了方便将来提高定位精度，挤制外护套时应该在外护套上印上精确的米标，每隔1.00米印一个米标。

为了将来开剥外护套顺利拉出光纤单元进行光纤熔接，生产外护套时可以在外护套内层和光纤单元之间预留撕裂绳。

本发明的原理在于，如果我们制作光纤传感器时把光纤的余长变大，也就是在光纤传感器的缆芯或外护套长度不变的情况下，如果把光纤余长增大为缆芯或外护套长度的1倍、即光纤的长度调整到了光纤传感器外护套长度的2倍，就意味着系统将被监测对象的实际长度被划分的定位区间数增加了一倍。此时，在系统的空间分辨率不变的情况下，实际的空间分辨率被提高了一倍，既达到了2.5米，空间定位精度提高到了原先的2倍。以此类推，如果把光纤单元的余长变的更大，定位精度就提高的更高。

目前国内外光纤传感系统基本都是采用传统的通信光缆作为传感器，光纤单元相对于光缆外套管或缆芯的余长大约在2-5‰左右，相对于大长度的周界管道或者电缆温度、振动、应变的监测，基本都把光纤单元的长度等同于光纤传感器的长度，光纤单元的余长几乎忽略不计。在这种情况下，假设被监测对象的长度是1000m，常规的做法就是把长度1000m的通信光缆敷设到被监测对象上，假如系统的空间分辨率是5m：即系统可同时识别出相距5米的2个事件。如果我们制作光纤传感器时把光纤的余长变大，也就是在光纤传感器外护套或缆芯长度同样是1000m的情况下，把光纤的长度调整为2000米，系统的空间分辨率还是5m，此时的系统却有能力同时识别相距2.5米的两个事件，同时定位精度亦提高了一倍。

因此，本发明提供的提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器和其制作方法，通过改变传感器的结构，即增大了其中光纤单元的余长，更具体地是通过把光纤单元平行缠绕或者“SZ”形或其他形式增大光纤单元相对于外护套的长度，在不改变监测系统固有的空间分辨率的情况下，可以大大提高系统的空间分辨率和定位精度。在系统监测距离允许的情况下，按照本发明的方法提高空间分辨率和定位精度，不会受到系统硬件本身空间分辨率的性能限制，也不会提高系统的技术难度和造价。因此，本发明能利用光纤传感系统现有性能大幅度提高监测温度、振动、应力应变等事件时的空间分辨率和定位精度。

下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明提供的提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器中紧包光纤绞合在缆芯上的示意图。

图2为本发明提供的提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器中松套光纤绞合在缆芯上的示意图。

图3为本发明提供的提高分布式光纤传感器空间分辨率和定位精度的光纤传感器总光纤单元以““SZ”形状”绞合在所述缆芯的侧壁上的示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，包括缆芯1、光纤单元和外护套（图中未示出），图1所示的光纤单元为紧包光纤2，以平行缠绕方式绞合在实心的缆芯1上，所述外护套紧密包覆在光纤单元外面；如图2所示的光纤单元为松包光纤2’，以平行缠绕方式绞合在空心的缆芯1’上。如图3所示，其中的光纤单元2’’是以““SZ”形状”绞合在所述缆芯的侧壁上。图1至图3的传感器，可以是带有外护套，也可以根据使用需要不设置外护套。

所述光纤单元的长度与所述外护套的长度的差即光纤余长可以根据对定位精度的要求任意设定。例如光纤余长是外护套的0.5倍，也可以是1倍、2倍、4倍、7倍或者是0.3倍。

具体地，紧包光纤2，由提纯的二氧化硅制成，拉丝过程中会在光纤外面涂覆一次和二次涂覆层，以增强光纤的强度和阻水能力。紧包光纤的最小的外径，单模、多模光纤分别为0.6mm和0.9mm。该紧包光纤的生产为现有成熟技术。松包光纤2’是将由提纯的二氧化硅制成的光纤丝21穿套在光纤套管22中，松包光纤的外径可以是1.2mm。缆芯可以是实心棒材，也可以是空心管材，其外径可以是25-200mm。

根据使用环境的特殊要求，光纤单元、光纤套管、缆芯和外护套的选材，可以是全介质非金属的，也可以是金属的。比如出于防腐或者耐高温的需要，光纤传感器可以由不锈钢光纤单元构成，这种光纤传感器可以不带外护套。

在制作方法上是这样的：

我们将根据定位精度确定的已有系统的空间分辨率和用户对于空间分辨率的要求来确定本光纤传感器的余长。例如，已有系统的定位精度，其空间分辨率为1m，但客户需要空间分辨率为0.25m，则光纤传感器中光纤单元的长度就应为缆芯或外护套，也就是光纤传感器本身长度的4倍。具体的制作方法：根据被测对象的特性和环境要求，选择合适的光纤单元、缆芯和外护套材料；根据定位精度的要求，确定好光纤单元的余长后，再确定光纤单元和缆芯的直径，以及确定光纤单元缠绕的节距。之后将光纤单元在缆芯上缠绕固定，再挤制外护套，外护套不但可以保护光纤单元，还能因为外护套挤制过程中遇冷收缩而很好的固定住光纤单元，确保光纤单元按照设计好的节距稳定地围绕在缆芯周界，确保定位的准确定。最后，在外护套上印上精确的米标，这样，能够显著提高空间分辨率和定位精度的光纤传感器就制成了。

下面是几个例子。

实施例1：

涂覆层为PVC的紧包光纤，紧包光纤的直径为0.9mm，用实心塑料棒制成缆芯，缆芯的直径是30mm。光纤绞合在缆芯上，使得余长为缆芯长度的3倍（实际光纤长度是外护套长度的4倍）。外护套为高密度PE，制成定位精度和空间分辨率都提高4倍的光纤温度传感器。

将此光纤温度传感器沿高压电缆的表面轴向敷设，用于监测高压电缆发热故障点的监测预警定位，将会避免目前利用普通通信光缆沿着电缆直线敷设时，因电缆局部发热（比如电缆接头虚接或绝缘层局部破损）引起光缆发热的长度达不到光纤测温系统的最小温度空间分辨率时，系统不能报警的问题；同时，如果系统针对长距离的埋地高压电缆的温度异常上升点发出了预警，光纤温度传感器将能够非常准确地显示埋地电缆温度异常点的位置，定位精度能够精确到50cm左右，为快速找到并排除事故隐患提供宝贵的时间和精确的空间定位。

实施例2,：

如图2所示，松套光纤2’的直径1.3mm，缠绕光纤松套管的塑料管即缆芯1’的直径25mm，松套光纤2’平行缠绕方式绞合在缆芯1’上，节距1.5mm，一米长度塑料管上面将可以缠绕约660圈光纤松套管，相当于1m长的塑料管上缠绕了50 m长的光纤，等于该结构参数的光纤温度传感器把定位精度提高了50倍。

在原油储罐油水界面监测项目中应用本发明提供的光纤温度传感器，相比用传统余长很小的光缆，系统在空间分辨率不变的情况下，因为大大提高了定位精度，从而实现了用传统结构的光缆做传感器没法实现的目标，使原油储罐油水界面高度测量的误差降低到了15cm以内，可以解决困扰石油石化行业多年的原油储罐油水界面和原油实时储量不能实时精确测量的难题。

Claims (14)

1.一种提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，包括缆芯和光纤单元，所述光纤单元围绕在所述缆芯上，其特征在于，所述光纤单元的长度比所述缆芯的长度长，长出的部分即为光纤余长，所述光纤余长的长度至少是所述缆芯长度的0.3倍；所述光纤余长是根据定位精度确定的已有系统的空间分辨率和用户对于空间分辨率的要求来确定的。

2.根据权利要求1所述的提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，其特征在于：所述光纤余长为所述缆芯长度的0.5倍以上，或者是1倍以上；和/或，所述光纤单元以平行缠绕或者SZ形绞合在所述缆芯的侧壁上。

3.根据权利要求1或2所述的提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，其特征在于：还包括外护套，所述光纤单元设置在缆芯上，在其外面挤制一层外护套。

4.根据权利要求1或2所述的提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，其特征在于：所述光纤单元是紧包光纤，或者是松套光纤；和/或，

所述缆芯的直径是10mm～200mm。

5.根据权利要求4所述的提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，其特征在于：所述紧包光纤为紧包单模光纤或紧包多模光纤，紧包单模光纤和紧包多模光纤的直径分别是0.6mm和0.9mm。

6.根据权利要求4所述的提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，其特征在于：所述松套光纤的最小直径是1.2mm。

7.根据权利要求6所述的提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，其特征在于：所述松套光纤的直径是1.3mm，缠绕光纤松套管的塑料管即缆芯的直径是25mm，所述松套光纤中的所述光纤单元以平行缠绕方式绞合在缆芯上，节距是1.5mm。

8.根据权利要求5所述的提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，其特征在于：所述光纤单元为涂覆层为PVC的紧包光纤，紧包光纤的直径为0.9mm，用实心塑料棒制成缆芯，光纤单元绞合在缆芯上，使得光纤余长为缆芯长度的3倍时所述缆芯的直径为30mm。

9.根据权利要求3所述的提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，其特征在于：所述外护套的外表面上设置长度刻度；或者，所述外护套的外表面上设置长度刻度，所述长度刻度中，每隔1米印一米标。

10.根据权利要求3所述的提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，其特征在于：在所述外护套内层和所述光纤单元之间预留撕裂绳。

11.根据权利要求2所述的提高分布式光纤传感系统空间分辨率和定位精度的光纤传感器，其特征在于：所述光纤单元平行缠绕方式绞合在所述缆芯上，平行缠绕状光纤单元，光纤单元的节距在整个缆芯上是均匀的。

12.一种提高分布式光纤传感系统定位精度的光纤传感器的制作方法，其特征在于：

所述光纤传感器包括缆芯和光纤单元，所述光纤单元围绕在所述缆芯上，所述光纤单元的长度比所述缆芯的长度长，长出的部分即为光纤余长，所述光纤余长的长度至少是所述缆芯长度的0.3倍；首先，根据定位精度确定的已有系统的空间分辨率和用户对于空间分辨率的要求来确定本光纤传感器的光纤余长；然后，将光纤单元按照设计好的节距平行缠绕或者SZ形绞合在缆芯上。

13.根据权利要求12所述的光纤传感器的制作方法，其特征在于：在平行缠绕或SZ形绞合了光纤单元的缆芯外面挤制一层保护光纤缆芯的外护套。

14.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于：挤制外护套时在所述外护套上印上米标，每隔1.00米印一个米标；和/或，

生产所述外护套时，在外护套内层和光纤单元之间预留撕裂绳，以方便将来开剥外护套顺利拉出光纤单元进行光纤熔接。