CN108139235B

CN108139235B - Dptss电缆

Info

Publication number: CN108139235B
Application number: CN201580083595.4A
Authority: CN
Inventors: 岸田欣增; 山内良昭
Original assignee: KONA CORP
Current assignee: KONA CORP
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2021-03-09
Anticipated expiration: 2035-10-06
Also published as: WO2017060971A1; JP6440858B2; US10612947B2; JPWO2017060971A1; CN108139235A; US20180252556A1

Abstract

本发明提供一种DPTSS电缆，其至少具备两根金属线电缆，该金属线电缆在外周部的轴向上形成槽部，并在该槽部内具有光纤，其中一根金属线电缆为沿着槽部嵌入有光纤的光纤嵌入型电缆，另一根金属线电缆的特性与前者的金属线电缆不同。

Description

DPTSS电缆

技术领域

本发明涉及一种光纤电缆，其代替现有的具备FIMT的光纤电缆，使得光纤电缆的组装或制造、例如绞线加工变得容易，并能够在利用光纤测定压力分布、变形分布等时进行连续的测定。

背景技术

以往，由金属管包覆光纤线材的芯线即FIMT(Fiber In Metallic Tube)能够将多根线材包覆，具备如下等优点：对于水或氢气具有良好的密封性，无需增强也能确保所需要的拉伸强度等机械强度，由于FIMT中的光纤不受压力负载，因此能够起到温度传感器的作用，对沿着光纤的长距离连续温度分布进行测定，因而广泛适用于辐射温度计等各个领域。

作为上述FIMT的一示例，有的FIMT具备能在高温下使用的光纤缓冲管，该光纤缓冲管具备作为高温测定传感器的光纤，其最低能在200℃以上、例如350℃的高温下工作。另外，还存在具备上述光纤缓冲管及高导电率的导体的光纤电缆(例如参照专利文献1)。

另外，作为其它示例，在形成于架空线长边方向的传感器收纳槽中收纳有光纤变形传感器，在较长的区间及长期的期间内，对因架空线的摩擦损耗而导致截面积减小的部位上流过的电流所产生的发热量进行测量，从而，能检测出架空线断线危险部位(例如参照专利文献2)。该示例中，也阐述了测定光纤变形的方法。也就是说，将光纤以负余长状态安装于金属管，在张力无负载的状态下，光纤以比将其内包的金属管要短的状态留有间隙地被金属管所包覆，在金属管受到张力的状态下，在架空线长边方向上隔开距离以10cm～4m左右的间隔来间歇性地进行固定。还存在如下测量方法：由于光纤既能检测温度也能检测变形，因此同时监视温度信息与变形信息，即通过所谓的双参数监视来提高可靠性。

另外，作为其它示例，还指出在工业用分布型光纤探测领域，能准确测定变形或温度的示例极其有限(例如参照非专利文献1)。这是由于可商用的系统与实际工业中的要求尤其在空间分辨率与精度上不匹配的缘故(例如，一般来说，距离分辨率与温度分辨率处于权衡关系)。此处，还示出了混合布里渊-瑞利(Brillouin-Rayleigh)背散射光测定系统，其示出了超越使用应变仪的测定方法的性能。该系统的原理认为是将光纤校正方法考虑在内来进行图示，并导出用于决定变形、温度、水压的公式。其中，示出了在温度与布里渊(Brillouin)频率偏移或温度与瑞利(Rayleigh)频率偏移的关系中产生了迟滞。另外，也示出了作为光纤保护膜的涂布剂厚度的影响。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利申请公开第2013/0209044号说明书

专利文献2：日本专利特开2007－176426号公报

专利文献3：国际公开第2014/083989号

非专利文献

非专利文献1：K.KISHIDA等,“Study of Optical Fibers Strain-TemperatureSensitivities Using Hybrid Brillouin-Rayleigh System”,“PHOTONIC SENSORS”,Vol.4,No.1,2014,pp.1-11(“关于使用混合布里渊-瑞利系统的光纤应力－温度灵敏度的研究”、“光子传感器”、Vol.4,No.1,2014,pp.1-11).

非专利文献2：J.Wojcik等,“V type high birefringent PCF fiber forhydrostatic pressure sensing”,PHOTONIC LETTERS OF POLAND,vol.2(1),2010,pp.10-12(“用于静水压力感应的V型高双折射PCF光纤”、波兰光学期刊、卷2(1),2010,pp.10-12).

发明内容

发明所要解决的技术问题

DPTSS(Distributed Pressure,Temperature,and Strain System：分布压力、温度及应力系统)测量时，分别设置至少一根不会承受压力的光纤与至少一根要承受压力的光纤来实现。此外，采用将不会承受压力的光纤配置于金属管中的FIMT。

然而，以往在由金属管包覆光纤线材的芯线即FIMT(Fiber In MetallicTube)中，金属管(管材)的外径约为

数

左右，其壁厚为0.1mm～0.2mm，因此，容易发生断线，不易制造出长光纤电缆。

尤其是，在捻合多根金属管包覆芯线来使用的FIMT中，在电缆外径为

左右的情况下，管材的壁厚为0.1mm以下，从机械强度等方面来看，绞线加工困难。

另外，在现有的FIMT中，虽说密封性良好，但在进行包覆的金属管上即使有一处小孔，仍然会导致压力隔断功能丧失而无法高精度测定压力的问题。也就是说，在存在小孔的情况下，作为测定对象的流体会通过小孔而进入FIMT内部，因此FIMT内外的压力差消失，无法进行压力测定。

实际上，在制造数km长的FIMT的情况下，难以100％检测出小孔，也存在成本较高的问题。也存在在地上部分对FIMT进行开口而释放内部压力的方法，但由于FIMT内部通常会填充润滑油，该方法的效果也未必一定行得通。

另外，在利用以往具备FIMT的光纤电缆来测定压力、变形或温度时，例如，在光纤电缆中具备测定被测定物体的压力的光纤芯线以及测量被测定物体的温度的铠装电缆中的FIMT，在光纤电缆的轴向上隔开间隔地设置用于固定光纤芯线及铠装电缆的固定材料，以使得该光纤芯线与铠装电缆之间形成环状的空隙层。

本装置中为了准确测定被测定物体的变形，需要以规定的间隔来设置用于固定铠装电缆与光纤的固定材料，并需要在该固定材料的设置位置将两者固定，从而产生无法在该固定材料的设置位置准确测定压力的问题。因此，在固定材料的设置位置处，无法准确求出光纤中产生的变形，因此产生无法测定连续的变形分布的问题。

另外，还存在如下问题：在多层铠装电缆的情况下，由于各层间的相对滑动而使得铠装电缆的变形与光纤芯线的变形之间产生偏差的情况下，也无法获得准确的变形分布。

本发明鉴于上述问题而得以完成，其目的在于提供一种DPTSS电缆，由于其不采用FIMT，因此不会产生小孔的问题，也基本不存在断线等问题，另外，由于所使用的多根电缆的组装容易等，因而制造容易，且能够测定连续的变形分布。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明所涉及的DPTSS电缆为了基于射出至光纤的脉冲激光的散射即布里渊散射及瑞利散射的频率变化来测定被测定物体的压力分布、变形分布、温度分布，至少具备两根金属线电缆，该金属线电缆在外周部的轴向上形成槽部，并在该槽部内具有光纤，

其中一根所述金属线电缆是沿着该金属线电缆的所述槽部嵌入并保持光纤的光纤嵌入型电缆，

其它所述金属线电缆是特性与所述光纤嵌入型电缆不同的金属线电缆，其压力变化相对于布里渊散射及瑞利散射的频率变化的灵敏度系数与所述光纤嵌入型电缆的压力变化的灵敏度系数不同。

发明效果

根据本发明，与使用现有的FIMT的情况相比，能够完全解决小孔的问题，另外，由于无需特殊的激光焊接，因此能高速且经济地进行制造，从而在组装电缆结构时能实现组装特性的改善。另外，也不会因小孔而丧失压力隔断功能。此外，还实现了使用现有的DPTSS电缆时设置固定点的方式所无法事先的连续变形分布测量。

附图说明

图1是表示本发明实施方式1中的DPTSS电缆所使用的光纤嵌入型电缆的基本结构的一个示例的图。

图2是表示本发明实施方式1的DPTSS电缆的结构的一个示例的图。

图3是表示因材质差异而产生的压力变化及瑞利散射的频率变化的关系的一个示例的图。

图4是表示本发明实施方式1的DPTSS电缆的结构的其它示例的图。

图5是表示本发明实施方式1中的DPTSS电缆所使用的光纤嵌入型电缆的基本结构的其它示例的图。

图6是用于说明应力仿真时使用的光纤嵌入型电缆的基本结构的参数的图。

图7是表示应力仿真结果的一个示例的图。

图8是表示本发明实施方式2的DPTSS电缆的结构的一个示例的图。

图9是表示本发明实施方式2的DPTSS电缆的结构的其它示例的图。

图10是用于说明本发明实施方式2中的DPTSS电缆所使用的光纤嵌入型电缆的制造方法的图。

图11是表示本发明实施方式3的DPTSS电缆的结构的一个示例的图。

图12是表示本发明实施方式3的DPTSS电缆的结构的其它示例的图。

具体实施方式

实施方式1

以下，利用附图，对本发明的实施方式1进行说明。在示出本实施方式的具体示例之前，首先利用图1来说明本发明所涉及的DPTSS电缆10的基本结构。图1是表示本发明实施方式1中的DPTSS电缆10所使用的金属线电缆即光纤嵌入型电缆的基本结构的一个示例的图。图1(a)是该光纤嵌入型电缆1的基本结构的概念图，图1(b)、图1(c)是与该光纤嵌入型电缆1的轴正交的方向的剖视图，相当于图1(a)的A箭头视图。图1所示的示例中，在1根光纤嵌入型电缆1的外周部分，沿着该光纤嵌入型电缆1的长边方向形成为凹状(切口槽)并与该光纤嵌入型电缆的轴正交的方向上的截面形状为U字形的槽部2中嵌入有光纤3并进行收纳，利用树脂等将光纤保持于该光纤嵌入型电缆1的整个长边方向上(后文中将该部分称为光纤保持部4)。本发明中，作为DPTSS电缆的基本结构提出了承受压力的灵敏度不同的两种结构。

第1基本结构(以下也称为类型1)中，光纤保持部4由水溶性覆膜5a构成，将该光纤保持部固定(嵌入)具有切口的导线中(参照图1(b))。具有本基本结构的导线在进行绞合(形成绞线)时，作为一根导线来处理，从而能够制成DPTSS电缆，在DPTSS电缆完成后，使上述水溶性覆膜溶解，形成在整个电缆周围(100％的部分)均有压力灵敏度的结构。

第2基本结构(以下也称为类型2)中，光纤保持部4由粘接剂5c构成，或者，光纤的包覆部分由弹性材料5d构成，利用粘接剂的粘接效果或包覆部分的弹性效果来安装(嵌入)至导线的切口部分(参照图1(c))。具有本基本结构的导线在进行绞合(形成绞线)时，作为一根导线来处理，从而能制成DPTSS电缆，这一点与上述第1基本结构的情况相同。然而，在测定压力时，由于槽部的形状、导线的结合方法不同使得光纤所负担的压力仅仅是电缆周围的一部分静水压，该情况下光纤对于压力的灵敏度与上述第1基本结构的情况不同。此外，本实施方式中，利用嵌入上述两种光纤的导线来制成DPTSS电缆。

此外，图1(c)中，嵌入距离h₀被设定为比使用时的光纤嵌入型电缆变形量(电缆的径向变形量)要大，即使在光纤嵌入型电缆1的长边方向上产生轴向的扭曲变形，也不会因此而对光纤3的测量产生消极影响。另外，该图中，D为光纤嵌入型电缆的直径，b为光纤嵌入型电缆最外周半径位置上的U字形槽部的开口宽度，h为U字形槽部的槽深，例如设定成D＝1.17mm、b＝0.3mm、h＝0.3mm。另外，更具体地说，该U字形槽部在外周侧具有凹状的阶差部分。之后将该部分叫做凹部。以上述为前提，以下对实施方式1的具体示例进行详细说明。

图2是表示利用本光纤嵌入型电缆1的DPTSS电缆10的结构的一个示例的图，是与DPTSS电缆的轴正交的方向的剖视图。图2(a)是表示DPTSS电缆所使用的金属线电缆的结构的剖视图，图2(b)、图2(c)、图2(d)分别是图2(a)的局部放大图。

如图2(a)所示，DPTSS电缆10中，通常，其特征在于构成为上述基本结构不同的两种导线至少各具备一根，将该两种导线配置于作为内层的第1层(图中为单点划线框内的层)，在其外周由作为第2层(图中为单点划线与双点划线框内的层)的外层来包围，从而制成交错互捻的绞线结构的DPTSS电缆。

此处，图2(a)所示的光纤嵌入型电缆1a如其放大图即图2(b)所示那样，为由水溶性覆膜5a构成第1基本结构即光纤保持部4的金属线电缆，将光纤3a嵌入槽部。该水溶性覆膜5a在使用时会溶解在作为被测定物体的水溶液中，因而光纤3a得以在自由状态下使用。

同样，图2(a)所示的光纤嵌入型电缆1b如图2(c)的放大图所示那样，为由树脂等粘接剂5c构成第2基本结构即光纤保持部4的金属线电缆，将光纤3b嵌入槽部。之后，将上述嵌入槽部的光纤统称为内置光纤，其中将类型1所使用的光纤称为P光纤，将类型2所使用的光纤称为B光纤。

另外，图2(d)是用于说明与上述两种金属线电缆均不同的虚设电缆9的图，与作为金属线电缆的光纤嵌入型电缆1a、1b相比，构成为由直径较细的多根导线形成的绞线(绞合线)。

此外，图2(a)所示的金属线电缆的组合并不限于上述，也可以使用金属线电缆即光纤嵌入型电缆1a或1b中的任意一根来代替虚设电缆9。另外，上述中为制成自由结构的光纤而示出利用水溶性覆膜的示例，但在被测定物体为石油等油性物质的情况下，能够使用油溶性覆膜来代替水溶性覆膜，从而能获得相同效果。另外，也可以在同一导线上设置两个槽部，各个槽部分别安装一根光纤，从而共计安装两根光纤。

在使用上述那样的光纤嵌入型电缆的方式下，如图2(a)所示，通常需要将DPTSS电缆形成为多层结构。下面将该多层结构体称为绞线结构体6。尤其优选为，将类型1的金属线电缆的切口部配置成朝向DPTSS电缆的中心轴。

其理由如下。也就是说，在液体中等会受到水压的条件下利用本电缆进行测量的情况下，该液体通常包含支撑剂、即包含以砂为主要成份的物质。本实施方式的光纤嵌入型电缆中，光纤被配置于金属线电缆的表面附近，因此上述砂与金属线电缆的表面会发生摩擦，其结果是，砂成份直接与光纤接触而可能对光纤造成损坏。本实施方式的多层结构能够实现防止砂进入的过滤功能，并维持测定水压的功能。另外，越靠近多层结构的内周部，该过滤功能的效果越佳。

图2中的多层结构的光纤嵌入型电缆如上所述配置为绞线结构体(绞合线结构体)6，此处所用的绞线结构体(绞合线结构体)通常为被称作交错互捻的结构。交错互捻的情况下，由于使用几乎相同直径的线材，因此一般具有使用容易且成本低的特征。此外，采用的是在内层与外层之间螺旋间距不同的绞线结构，且外侧层的光纤嵌入型电缆相接触地配置以跨过内侧层的光纤嵌入型电缆排列所产生的凹凸。因此，在交错互捻的情况下，外层的变形有可能无法完全传递至中央的导线，但电缆结构的安全性较为优异。另外，在砂不可能进入电缆时，也能将变形测定导线配置于外层，能有效实现变形测定。

此外，图2中，作为一示例，示出了在具有基本结构的光纤嵌入型电缆的外侧仅设置一层外层而成的DPTSS电缆，但并不局限于此，也可以采用外层为2层以上的绞线结构体。例如，在外层为2层的情况下，以下将配置有具有基本结构的光纤嵌入型电缆的层称为内层，将该内层紧邻的外侧的层称为中间层，将该中间层外侧的层称为最外层。

另外，也可以采用其它绞线结构如平行绞线。在平行绞线的情况下，一般将直径不同的线材同时互捻，从内层到外层以同一间距在电缆的长边方向进行互捻。例如，配置有具有上述基本结构的光纤嵌入型电缆的第1层即内层、其外侧紧邻的第2层即中间层、以及位于该第2层外侧的第3层即最外层，从第1层至第3层都能够在电缆的长边方向上以同一间距互捻而成，在采用上述结构的平行绞线中，各光纤嵌入型电缆1之间的接触状态为所谓的线接触，因此也称为线接触绞线。也就是说，构成为在绞线的第1层的谷间重叠有第2层，在绞线的第2层的谷间重叠有第3层，从而各层无间隙地进行配置。因此，具有各光纤嵌入型电缆1之间不易因摩擦或金属疲劳而产生断线这一优点，另外，也具备不易产生变形或形变、承重负载变大的特征。

此外，还有构成绞线的导线采用不同直径的导线并强化层与层之间的结合的方法，以往，熟知有不包含光纤的电缆结构体，此处省略详细说明。

另外，根据最新研究，嵌入了光纤的形状体的外压会使得该形状体发生变形，由此产生的光纤的变形使得射出到光纤中的脉冲激光的散射光即布里渊散射的频率变化由以下式(1)来表示，而瑞利散射的频率变化由以下式(2)来表示(参照专利文献3)。

【数学式1】

Δv_B＝C₁₁Δε+C₁₂ΔT+C₁₃ΔP (1)

此处，C₁₁、C₁₂、C₁₃分别是布里渊散射的频率变化中对于光纤的变形变化的灵敏度系数、对于温度变化的灵敏度系数、对于压力变化的灵敏度系数。

【数学式2】

Δv_R＝C₂₁Δε+C₂₂ΔT+C₂₃ΔP (2)

此处，C₂₁、C₂₂、C₂₃分别是瑞利散射的频率变化中对于光纤的变形变化的灵敏度系数、对于温度变化的灵敏度系数、对于压力变化的灵敏度系数。

通过将其原理适用于本发明所公开的DPTSS电缆，从而能测定出所希望的被测定物体的压力、温度、变形的连续分布，以下按照顺序进行说明。

在将光纤固定于钢线等并使其变形的情况下，由于钢线的刚性与光纤相比非常大，因而光纤的变形会与钢线的变形一致。根据发明人最新研究，在限定于压力变化所涉及的项目来进行考虑的情况下，将β作为对于压力变化的体积变化系数，因光纤的压力变化而产生的瑞利散射的频率变化由下式(3)来表示。

【数学式3】

Δν_R＝(C₂₃+βC₂₁)ΔP (3)

此处，将表示Δν_R与ΔP的关系的灵敏度系数即C₂₃+βC₂₁一并视作为K₂₃，通过在水中测量等，K₂₃呈现出图3所示的特性。也就是说，具有灵敏度系数会随着进行固定的材质不同而不同的特性，在固定材质为钢(Steel)的情况下最小(灵敏度最低)，铝(Al)排第二。此外，在没有特别固定光纤的情况下(自由结构的情况下)，示出最大值。

此外，在瑞利散射的情况下，可知若选择适当的固定物质，则下式(4)可能成立。

【数学式4】

也就是说，可能具有如下特性：即使在光纤上发生压力变化的情况下，瑞利散射的频率也不发生变化。

因此，在实际测量时根据所需精度来选择提高灵敏度系数的结构等十分重要。

本实施方式1中，并没有使用以往形式的FIMT，因此无法直接使用上述式(1)或式(2)的频率变化的评价式来评价变形等。因此，首先，基于上述式(1)、(2)来导出本实施方式中能够使用的评价式。以下，作为两种金属线电缆的光纤，以将上述类型1的P光纤与类型2的B光纤相组合的情况为例进行说明。

P光纤与B光纤的线材相同的情况下，根据上述式(1)、(2)，对于各光纤有以下式(5)～式(8)成立。

【数学式5】

【数学式6】

【数学式7】

【数学式8】

此处，各式中，上标符号P、B分别表示P光纤的情况与B光纤的情况，下标符号B、R分别表示布里渊散射的情况与瑞利散射的情况。

另外，由下述(9)、(10)所表示的系数分别是表示式子斜率的系数，所述式子表示对未施加张力等的处于自由状态的P光纤、B光纤以温度或压力为负载时测量出的温度与频率偏移、压力与频率偏移间的关系。

【数学式9】

【数学式10】

上述系数对于温度而言包含热膨胀而产生的变形，对于压力而言包含体积压缩而产生的变形。因此，P光纤与B光纤的值不同。

因此，为了将上述变形所产生的影响考虑在内，将热变形的系数设为α，将体积压缩的系数设为β的情况下，上述(9)、(10)的各系数如以下式(11)～(18)所示那样，能够分成光纤固有项(不包含系数α或系数β的项)、热变形的项(包含系数α的项)以及体积压缩的项(包含系数β的项)来表示。

【数学式11】

【数学式12】

【数学式13】

【数学式14】

【数学式15】

【数学式16】

【数学式17】

【数学式18】

在使用式(11)～式(18)的情况下，式(5)～式(8)分别由下式(19)～(22)表示。

【数学式19】

【数学式20】

【数学式21】

【数学式22】

因此，考虑基于利用测量而求出的各式左边的布里渊散射的频率变化的值、瑞利散射的频率量变化的值以及已知的各灵敏度系数(C₁₁等)的值，利用上式来求出ΔT、ΔP。根据上述式(5)、(6)求出下述式(23)。

【数学式23】

另外，根据式(19)、式(20)求出下式(24)。

【数学式24】

同样，根据式(7)、式(8)求出下式(25)。

【数学式25】

另外，根据式(21)、式(22)求出下式(26)。

【数学式26】

通过根据式(23)、式(25)连立上述式子从而求出(独立求得)ΔT、ΔP。然而，考虑到式(23)的右边与式(24)的右边等价，式(25)的右边与式(26)的右边等价，且式(24)的右边与式(26)的右边为完全相同式子的情况，则可知无法互相独立地求出ΔT、ΔP。也就是说，无法根据以上式子来求出ΔT、ΔP。

因此，为了解决上述问题需要导入如下考虑。也就是说，关于B光纤，虽然将该光纤所受的压力设为ΔP，但一般而言，在B光纤被刚性更大的材料包围时，B光纤实际受到的压力ΔP₁满足式(27)的关系。

【数学式27】

ΔP₁<ΔP (27)

也就是说，B光纤一般有下式(28)成立。

【数学式28】

ΔP₁＝kΔP(0≤k＜1) (28)

此外，对于P光纤，设为k＝1即可。

由此，若考虑金属的ΔP所产生的变形，则仅由于压力的变化而产生的光纤的布里渊频率偏移由下式(29)表示。

【数学式29】

此处，若将右边左侧的ΔP的系数替换为式(30)，则B光纤对于压力变化的实际灵敏度系数视可以由式(30)的左边来表示。

【数学式30】

此外，现有的FIMT可以说是该式(30)中k＝0的极端情况的示例。

另一方面，仅由于压力的变化而产生的光纤的瑞利频率偏移也同样由式(31)表示。

【数学式31】

因此，为了使去除变形后的P光纤的式(24)容易理解，用简化系数后的标号来替换，表示为式(32)。

【数学式32】

另外，利用式(30)、式(31)，B光纤的式(26)同样可以表示为式(33)。

【数学式33】

此处，S、R、Q₁、Q₂如下所示。

【数学式34】

【数学式35】

【数学式36】

【数学式37】

上式(32)、式(33)中，由于各式右边的式子互不相同，因此可知能够独立求得ΔT、ΔP。也就是说，通过在同时使用本实施方式1的方式下的P光纤与B光纤，能求出被测定物体的温度分布、压力分布。

综上所述，实施方式1中的P光纤与B光纤中的布里渊散射的频率变化以及瑞利散射的频率变化从式(19)～式(21)及式(30)、式(31)等，最终由以下式(38)～式(41)来表示。

【数学式38】

【数学式39】

【数学式40】

【数学式41】

此处，ΔT与ΔP的各灵敏度系数满足以下关系式(42)。另外，Δε^P、Δε^B为由以下式(43)、式(44)所表示的值。

【数学式42】

【数学式43】

Δε^P＝Δε_P+α^PΔT+β^PΔP (43)

【数学式44】

Δε^B＝Δε_B+α^BΔT+β^BΔP (44)

根据上述式(38)～式(41),可以确定B光纤与P光纤之间ΔT与ΔP的灵敏度系数不同。也就是说，通过使用P光纤与B光纤等灵敏度不同的两种光纤,分别求出因上述光纤的温度变化、压力变化而产生的布里渊散射的频率变化以及瑞利散射的频率变化，并根据上述四种数据由式(38)～式(41)得到这一事实，从这些式子分别去除变形变化Δε^P、Δε^B而求得ΔT与ΔP的关系式(以ΔT与ΔP为两个未知数的二元连立方程式)，再根据该关系式可以求出ΔT与ΔP。

也就是说，用于实现上述式(38)～式(41)的原理公式的实施方式1的一示例由上述图2所示。也就是说，通过第1基本结构的P光纤来测量被测定物体的压力变化等造成的布里渊散射的频率变化以及锐利散射的频率变化，并通过第2基本结构的B光纤来测量被测定物体的压力变化等造成的布里渊散射的频率变化以及锐利散射的频率变化。

此外，基于预先求出的Δε、ΔT以及ΔP的灵敏度系数以及上述式(38)～式(41)来连立上述式子从而进行运算，求出Δε、ΔT以及ΔP，最终求得在规定的电缆位置处应求出的压力、温度、变形，同样求得与该位置不同的电缆轴上的多处位置的测量值，从而能够求出被测定物体的压力分布、温度分布、变形分布。

勿容置疑地，通过使用上述光纤嵌入型电缆1的方式，能够改善使用现有FIMT时的组装性，并克服因小孔而失去压力隔断功能这一缺点，此外，还能进行连续的变形测定，消除以往设置固定点方式的缺陷。另外，采用仅在外径比以往要大的钢线等(作为现有的电缆直径，想定例如图2(d)所示的虚设电缆的直径即可)金属的外周的槽部中嵌入光纤的结构，DPTSS电缆的制造较为容易。

另外，在上述说明中，对多层绞线结构的DPTSS电缆进行了说明，但并不局限于此，如图4所示，当然也可以仅利用包含构成图2所示的内层的两种金属线电缆在内的第1层的结构进行螺旋状的卷绕，从而起到相同效果。另外，采用上述结构的DPTSS电缆10能更容易地制造，在被测定物体发生变化等必须变更DPTSS电缆的规格的情况下，也能容易地应对。此外，将金属线电缆构成为三根电缆而不是两根是为了使各金属线电缆之间的接触状态为线接触状态，以使得DPTSS电缆的结构稳定。也就是说，具有如下特征：不易因各金属线电缆间的摩擦或金属疲劳而发生断线，另外也不易产生变形或形变、承重负载变大。

此外，作为测量原理公式的式(40)～式(41)的光纤中产生的变形与光纤嵌入型电缆的变形相等，因此，希望再一次确认被测定物体的变形成为了B光纤中产生的变形。另外，对嵌入光纤的槽部的形状为U字形的情况进行了说明，但并不限于该形状，在采用凹形状的情况下也实现相同效果。

另外，以上中示出了嵌入光纤的U字形的槽部2在外周侧具有凹部的情况并进行了说明，但并不局限于此，如图5所示，在该凹部的外侧附近(金属线电缆的外周附近用树脂等化学保护层7覆盖，将光纤3c嵌入槽部2的光纤嵌入型电缆1c的情况下，也能实现对DPTSS电缆采用上述光纤嵌入型电缆1a、1b的情况相同的效果。此外，在由该图5所示的化学保护层7所覆盖的结构下，能够有效地防止氢气等进入内部，因此具有能防止光纤3c的性能变差的效果。

此外，上述说明中，构成作为外层的中间层或最外层的各导线电缆也可以是上述虚设电缆9、光纤嵌入型电缆1(在后说明1a～1c、1e，1e在后进行说明)中的任意电缆。

此处，通过三维仿真分析对具有U字形槽部的光纤嵌入型电缆内设置的光纤的变形密切相关的应力进行确认，利用下图进行说明。此外，本仿真分析中，使用将光纤嵌入型电缆的形状分割成格子状的模型。该模型中，在光纤保持部中光纤所在区域的附近，与除此以外的区域相比，将格子的间隔设定得特别细，利用由此设定的模型来对三维区域中产生的应力进行仿真。

图6是表示与本仿真中使用的光纤嵌入型电缆的轴正交的剖面形状模型的图，用于说明本仿真中使用的各参数。图6(a)是用于说明该模型图中主要形状参数的图，图6(b)是为了进一步详细说明图6(a)中的光纤保持部的形状参数而将相当于图6(a)的光纤保持部的部分放大的图。上述附图中，D表示光纤嵌入型电缆的外径，h表示槽部的深度，b表示U字形槽部的上部的开口部分的宽度，c表示粘接剂的厚度，d表示包含覆膜的光纤的外径，d₀表示覆层外径，e表示从光纤嵌入型电缆外表面到光纤中心位置为止的距离。另外，光纤嵌入型电缆的材质为钢线。另外，坐标如图中所示，右侧是x轴的正向，上侧是y轴的正向。此外，z方向是与纸面垂直的方向(从纸面下侧向上侧的方向为正向)，相当于光纤嵌入型电缆的轴向。

图7示出了有外压作用的情况下的仿真结果的一个示例。该图中，将作为示例1的光纤的弹性系数为3.2Gpa、泊松比为0.35的情况与作为示例2的光纤的弹性系数为0.3Gpa、泊松比为0.45的情况(特性类似于液体的情况)进行了比较。图中，曲线的横轴表示使粘接剂(本示例中为环氧树脂)的厚度c(参照图6(b))沿着曲线的横轴变化时的示例1与示例2在x、y、z方向上的应力。

根据其结果可知：应力的值均取负数，因此在所有方向上均受到压缩应力。另外，关于应力的值，示例2的情况下横向x的应力与纵向y的应力处于更为相近的状态，但两者均处于几乎均等的状态(x、y这两个方向上的应力的值几乎相等)。

这在数值分析的角度上证明了在利用实施方式1所示的光纤嵌入方式的光纤嵌入型电缆的DPTSS电缆中，对于变形分布也能进行恰当的测量。此外，本仿真中使用的参数值为：D＝0.75mm、b＝0.3mm、d＝0.25mm、d₀＝0.125mm、h＝0.6mm。

如上述说明的那样，能够利用布里渊散射的频率变化以及瑞利散射的频率变化来测量出被测定对象物的温度分布、压力分布，但从上述式子、即式(38)～式(41)与式(1)、式(2)的对比可知，具有如下特征：ΔT与ΔP的灵敏度系数与以往不同，另外，B光纤与P光纤之间ΔT与ΔP的灵敏度系数也不同。也就是说，本实施方式1中，需要留意它们的不同来对作为布里渊散射的频率变化及瑞利散射的频率变化而得到的测量值进行评价。

上文以单芯光纤为例进行了说明，但并不局限于此，也可以采用多芯光纤来进行实施。该情况下，能够假定同一光纤中各纤芯的变形、温度、压力是相同的。而且，通过将上述各数学式中的变形、温度、压力视为同一光纤中各纤芯的值，可以得到与单芯光纤的情况相同的结论。在多芯的情况下，可以不经由光纤而能直接同时连接多个测量设备，因此在高速测量方便性能优异。

实施方式2

上述实施方式1所示的一示例的DPTSS电缆10中，将两种金属线电缆配置成同轴状，构成为多层的绞线结构体6。这两种金属线电缆的压力灵敏度的特性差异与其说是由于光纤本身的影响，不如说是主要由于光纤保持部的差异而产生的。

本实施方式2中，上述两种金属线电缆构成为：由压力系数例如相差10倍左右的两种光纤来构成对应位置所使用的光纤，两种金属线电缆的压力灵敏度特性的差异与其说是由于其光纤保持部的差异而产生的，不如说是由于光纤本身特性差异而产生的。通过使用如上构成的DPTSS电缆，能获得与实施方式1相同的效果。以下利用附图对本实施方式进行详细说明。

图8中示出本实施方式的DPTSS电缆10的结构的一示例。图8中内层(第1层)由两根作为DPTSS电缆基本结构的光纤嵌入型电缆、以及一根实施方式1中所示的虚设电缆9共计三根金属线电缆构成，外层(第1层)与实施方式1结构相同，由此形成整体上构成为绞线结构的DPTSS电缆。

附图中，两根光纤嵌入型电缆中的一根、即光纤嵌入型电缆1a(以下也称为类型3)与实施方式1相同，使用自由结构的光纤3a，另一根光纤嵌入型电缆1d(以下也称为类型4)使用与实施方式1不同的自由结构的光纤3d，本实施方式2与实施方式1的不同点在于此。也就是说，光纤3d是与光纤3a相比压力系数大十倍左右的光纤(关于这种光纤例如参照非专利文献2)，光纤3d与光纤3a的不同点在于此。

通过采用上述结构，能够获得与实施方式1中的式(28)所说明的相同的效果，因此，DPTSS电缆整体上能获得与实施方式1相同的效果。

构成本实施方式的DPTSS电缆10的两根光纤嵌入型电缆具有与实施方式1中说明的P光纤相同的光纤保持部，通过使用该光纤嵌入型电缆，从而能测量出被测定物体的压力变化及温度变化。此外，通过追加设置图中由标号9所示的光纤的固定部(在后详细说明)作为选择项，从而不仅能测量出被测定物体的压力变化及温度变化，还能检测变形变化。

图9是本实施方式的DPTSS电缆10的其它结构示例，与图4相同，仅将图8的构成要素中的第1层即内层作为构成要素，从而将三根金属线电缆互相呈螺旋状卷绕而成。此外，上述图8、图9中，使得后述图10的剖面B1-B1及剖面B2-B2位于同一剖面上，示出与DPTSS电缆的轴垂直方向的剖面。如该图所示，毋庸置疑地，在一层用两种金属线电缆来构成的情况下，也能获得与图8相同的效果。

此外，采用上述结构的DPTSS电缆与图8的结构相比，能更容易地制造，在被测定物体发生变化等必须变更DPTSS电缆的规格的情况下也能容易地应对。此外，将金属线电缆构成为三根电缆而不是两根的理由与图4的情况相同。

接着，利用图10对图8、图9所示的光纤嵌入型电缆的制造方法进行说明。本实施方式的光纤嵌入型电缆大致能通过图10所示的方法来制作。以下，将本实施方式所使用的两种光纤嵌入型电缆1a与1d进行比较来对该光纤嵌入型电缆的制作方法的概要进行说明。

图10(a)示出了光纤嵌入型电缆1a的制作工序的一个示例，图10(b)示出了光纤嵌入型电缆1d的制作工序的一个示例。大致根据图10(a)的步骤1～步骤4的顺序来制作光纤嵌入型电缆1a。作为光纤嵌入型电缆的芯线，采用通常的具有压力灵敏度特性的光纤3a(步骤1)，将局部设有非水溶性部分的水溶性覆膜5b覆盖到该芯线上(步骤2)，之后，插入金属线电缆的槽部2来进行保持(步骤3)。之后，在实际使用时，在被测定物体即溶液中使水溶性覆膜5b的水溶性覆膜部分溶解(步骤4)。然后，用于实际测量。

此处，实施方式1中说明的水溶性覆膜5a的所有部分均由水溶性覆膜来制作，与此相对，该图中示出的水溶性覆膜5b的大部分由水溶性覆膜来制作，还有一部分由非水溶性覆膜来制作。此外，该非水溶性环状覆膜在使用时成为将光纤固定于一部分槽部的固定部8。该固定部8以规定间隔L在光纤嵌入型电缆的长边方向(轴向)上设有多个(参照图10(a)的步骤2)。之后，在将由该水溶性覆膜5b覆盖的光纤3a插入金属线电缆的槽部2之后，在实际使用时，水溶性覆膜5b的水溶性覆膜部分在作为被测定物体的溶液中溶解，仅留下非水溶性覆膜部分即固定部(参照图10(a)的步骤4)。此外，图10(a)的步骤4的B1-B1以及图10(b)的步骤4的B2-B2示出了与各金属线电缆的轴正交的剖面。

另一方面，大致根据图10(b)的步骤1～步骤4的顺序来制作光纤嵌入型电缆1d。光纤嵌入型电缆1d与上述光纤嵌入型电缆1a的制作工序的不同点仅在于，光纤嵌入型电缆的芯线采用压力灵敏度特性比通常的压力灵敏度性能要大十倍左右的光纤3d(步骤1)，其它制作工序与上述光纤嵌入型电缆1a的制作工序相同(省略详细说明)。

以上，在图10的说明中对两种光纤嵌入型电缆均具有固定部8的情况进行了说明，但并不局限于此，也可以两种光纤嵌入型电缆中只有一方具有固定部8。另外，也可以两者均不具有固定部。在上述任意情况下，均能获得与实施方式1相同的效果。

另外，图8、图9所示的两种光纤嵌入型电缆的金属线电缆以外的金属线电缆可以是类型3、类型4或实施方式1中示出的虚设电缆9中的任意一种，在此情况下，均能获得与实施方式1相同的效果。

如上述说明的那样，本实施方式2的DPTSS电缆中，三根金属线电缆中的至少一根为基本结构的光纤嵌入型电缆。另外，除了该电缆以外，使光纤特性本身不同，由此，其特征在于，至少有一根特性与上述基本结构的光纤嵌入型电缆不同的光纤嵌入型电缆。

具有上述结构的实施方式2的DPTSS电缆中，将两根无固定部的自由结构的光纤用作为基本结构的光纤嵌入型电缆，从而能获得与实施方式1相同的效果，而通过使用具有固定部的光纤嵌入型电缆的情况下，能进而获得其它效果。以下对此进行说明。

例如，关于变形变化，利用图10中具有固定部8的光纤嵌入型1a的光纤3a来直接进行测量，关于压力变化、温度变化，可以利用图10中具有固定部8的光纤嵌入型电缆1a的光纤3a以及无固定部的光纤嵌入型电缆1d的光纤3d这两种光纤来进行测量。其结果是，这两种光纤嵌入型电缆的光纤特性互不相同，从而压力变化与温度变化的灵敏度系数互不相同，因此，上述实施方式1的原理公式成立，通过对两种光纤嵌入型电缆的压力变化与温度变化的布里渊散射的频率变化以及瑞利散射的频率变化进行测量，从而能求出压力分布、温度分布，再加上利用光纤嵌入型电缆1a测定求出的变形分布，能够求得所要的温度分布、压力分布、变形分布。

此外，实施方式2中，能利用自由结构的光纤来进行测量，但制作时，包覆该自由结构的光纤的覆膜除了水溶性覆膜以外也可以使用油溶性覆膜。后者的情况下，用于油井被测定对象为油性的情况。

实施方式3

本实施方式3中，以光纤嵌入型电缆的电缆特性之一的材质为例，以下对材质具有特征的情况的适用例进行说明。本实施方式与实施方式1的情况的不同点在于，光纤嵌入型电缆使用与实施方式1相同的结构且构成金属线电缆的金属材质互不相同。以下，利用附图，对本实施方式3进行说明。

图11示出实施方式3所涉及的DPTSS电缆10的一个示例。与实施方式1的不同点在于，不使用光纤嵌入型电缆1a而使用光纤嵌入型电缆1e。也就是说，该光纤嵌入型电缆1e及光纤嵌入型电缆1b使用具有粘接剂的光纤保持部4，这一点与实施方式1的情况的相同，而构成光纤嵌入型电缆1e的金属材质与光纤嵌入型电缆1b本质不同(例如，实施方式1的情况下为钢，而本实施方式中为铝)。其结果是，此处所使用的光纤3e的压力灵敏度特性也与光纤嵌入型电缆1b的光纤3b的特性不同。

也就是说，在采用上述结构的情况下，若嵌入至光纤嵌入型电缆1e的B光纤实际所受到的压力为ΔP₂，则该ΔP₂并非实施方式1所示的式(28)的右边的值，而是要将该式(28)的右边的k替换成与k不同的k₁。即，下式(45)的关系成立。

【数学式45】

ΔP₂＝k₁ΔP(0≤k₁＜1) (45)

注意，此处k≠k₁。

因此，实施方式3中，ΔP的灵敏度系数与实施方式1不同。由此，在图11所示的结构的情况下，也能够分别求出ΔT与ΔP。此外，图11中，作为第3电缆示出与上述不同的虚设电缆9，但另一根电缆并不限于此，也可以是与上述两种光纤嵌入型电缆中的任意一种相同的电缆。

此外，上述说明中对多层绞线结构的DPTSS电缆进行了说明，但并不限于此，如图12所示，对于未设置作为第2层的外层的结构，毋庸置疑地，也能起到与图11的DPTSS电缆相同的效果。另外，采用上述结构的DPTSS电缆10能更容易地制造，在被测定物体发生变化等必须变更DPTSS电缆的规格的情况下也能容易地应对。

如上所述，在使用本实施方式3的DPTSS电缆的情况下，也能获得与实施方式1相同的效果。此外，在本实施方式3的DPTSS电缆的结构中，在其制造过程中不使用自由结构的光纤，因此无需设置对光纤进行水溶性覆膜涂布的制造工序。因此，具有如下效果：制造变得更为简单，在成本上有优势。

此外，本发明并不限于上述各实施方式所示的内容，可以在该发明的范围内对各实施方式自由地进行组合，或对各实施方式进行适当的变形、省略。例如，图5的化学保护层也能同样适用于实施方式3的光纤嵌入型电缆。

标号说明

1、1a、1b、1c、1d、1e光纤嵌入型电缆、2槽部、3、3a、3b、3c、3d、3e光纤、4光纤保持部、5a水溶性覆膜(无非水溶性覆膜部分)、5b水溶性覆膜(有非水溶性覆膜部分)、5c粘接剂、5d弹性材料、6绞线结构体、7化学保护层、8固定部、9虚设电缆、10DPTSS电缆。

Claims

1.一种DPTSS电缆，至少具备两根金属线电缆，该至少两根金属线电缆在外周部的轴向上形成有槽部，并将基于所射出的脉冲激光的散射即布里渊散射及瑞利散射的频率变化来测定被测定物体的压力分布、变形分布、温度分布的光纤嵌入所述槽内并进行保持，

所述DPTSS电缆的特征在于，

其中一根所述金属线电缆是沿着该金属线电缆的所述槽部对光纤进行保持、且该金属线电缆的所述槽部配置成朝向DPTSS电缆的中心轴的方向的光纤嵌入型电缆，

其它所述金属线电缆是特性与所述光纤嵌入型电缆不同的金属线电缆，且压力变化相对于布里渊散射及瑞利散射的频率变化的灵敏度系数与嵌入至所述光纤嵌入型电缆的光纤的压力变化的灵敏度系数不同。

2.如权利要求1所述的DPTSS电缆，其特征在于，

特性与所述光纤嵌入型电缆不同的金属线电缆中，嵌入所述槽部内的光纤的特性与嵌入所述光纤嵌入型电缆的槽部内的光纤的特性不同。

3.如权利要求1所述的DPTSS电缆，其特征在于，

特性与所述光纤嵌入型电缆不同的金属线电缆由与构成所述光纤嵌入型电缆外部的金属不同材质的金属构成。

4.如权利要求1所述的DPTSS电缆，其特征在于，

在所述光纤嵌入型电缆的外侧配置绞线结构体，该绞线结构体至少具有一层电缆结构体，该电缆结构体呈螺旋状地卷绕于该光纤嵌入型电缆。

5.如权利要求2所述的DPTSS电缆，其特征在于，

所述金属线电缆在所述槽部内具备的光纤通过固定部得到局部固定。

6.如权利要求1、3、5中任一项所述的DPTSS电缆，其特征在于，

所述光纤嵌入型电缆在所述槽部的外侧附近具备化学保护层。