CN110780410A - 一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，具体是一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆，本发明用于解决外部声波或振动能量从光缆表面传递到光纤表面的过程中损失较为严重，从而降低了光纤对外部声波能量的响应幅度，缩减了分布式声波传感光缆探测范围的问题。本发明包括光纤，所述光纤的外表面紧贴有保护层，所述保护层的外表面紧贴有护套，所述护套内嵌入有多根增强元件，所述增强元件沿光纤的长度方向设置。本发明在光纤的外表面紧贴有保护层，在保护层的外表面紧贴有护套，并在护套内嵌入有多根增强元件，这样提高了外部声波能量与光纤微小应变的耦合效率，从而提高了光纤对外部声波能量的响应幅度，增大了分布式声波传感光缆的探测范围。

Description

一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，更具体的是涉及一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆。

背景技术

光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为传导工具。光纤分布式声波传感技术，已经成为油气田勘探和开发、生产作业状态监测的重要探测技术，它是利用光纤兼具信号传输和传感的双重功能，不需要外接传感器，只需在光缆的一端连接测试仪器，就能够检测出沿光纤的声场连续分布。与现有电缆连接地震检波器的测试技术相比，光纤分布式声波传感技术具有频带宽、不受电磁干扰、结构简单、易于布设，测试距离长等优点，并逐步取代检波器探测技术。在油气田勘探和开发过程中，常采用光纤分布式声波传感技术对油井进行探测，获取油井周围的油藏分布、地质构造等信息。目前在地震勘探领域由于没有专业的传感光缆，大部分生产过程都使用传感效果不佳的普通室外通信光缆或者铠装光缆来作为传感光缆。

现有技术中的通信光缆或钢丝铠装探测光缆，由于光纤周围存在油膏、塑料护套、钢带或钢管、钢丝、空气隙等多层结构、多种材料，导致外部声波或振动能量从光缆表面传递到光纤表面的过程中损失较多，只有极小部分能量传递到光纤表面，引起光纤的局部应变较小，测量的光学响应的幅度较小，信噪比较低。对于较微弱的外部声波或振动信号，甚至无法测出光纤的光学效应。光缆的多层结构、多种不同材料及空气隙、钢管、铠装钢丝等构件降低了外部声波和振动信号传递到光纤上的效率，使传感电缆不能将外部声波或振动能量有效的转变为光纤中可测量的相移，从而降低了光纤对外界声波和振动信号感知的灵敏度，限制了光纤的探测范围。因此，我们迫切的需要一种从光缆表面传递到光纤表面的过程中损失外部声波或振动能量更少的传感光缆。

发明内容

基于以上问题，本发明提供了一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆，用于解决外部声波或振动能量从光缆表面传递到光纤表面的过程中损失较为严重，从而降低了光纤对外部声波能量的响应幅度，缩减了分布式声波传感光缆探测范围的问题。本发明在光纤的外表面紧贴有保护层，在保护层的外表面紧贴有护套，并在护套内嵌入有多根增强元件，这样提高了外部声波能量与光纤微小应变的耦合效率，从而提高了光纤对外部声波能量的响应幅度，增大了分布式声波传感光缆的探测范围。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆，包括光纤，所述光纤的外表面紧贴有保护层，所述保护层的外表面紧贴有护套，所述护套内嵌入有多根增强元件，所述增强元件沿光纤的长度方向设置。

工作原理：外部声波或振动能量先传递到护套上，再从护套上传递到增强元件和保护层上，最终再从保护层上传递到光纤上，由于光纤与保护层之间，保护层与护套之间均为紧密接触，各层之间无空气隙，无油膏填充，使外部声波能量能够及时有效的传递到光纤上，引起光纤局部应变，产生光学效应，这样提高了外部声波能量与光纤微小应变的耦合效率，从而提高了光纤对外部声波能量的响应幅度，增大了分布式声波传感光缆的探测范围。

作为一种优选的方式，所述护套的外表面还涂有护套涂覆层。

作为一种优选的方式，所述光纤为石英光纤，所述光纤的芯数至少为1芯；所述保护层的材料为高分子聚合物材料，所述保护层的外径为0.5毫米-1.5毫米；所述护套的材料为高分子聚合物材料，所述护套的外径为2.0毫米-8.0毫米；所述护套涂覆层的材料为高分子化合物材料，所述增强元件的材料为为纤维纱或纤维复合材料或金属线。

作为一种优选的方式，所述光纤为单模光纤，所述光纤的芯数为1芯；所述保护层为尼龙，所述保护层的外径为0.9毫米；所述护套的材料为聚偏氟乙烯，所述护套的外径为3.8毫米；所述护套涂覆层的材料为聚四氟乙烯，所述护套涂覆层的厚度为0.2毫米；所述增强元件的材料为芳纶纱，所述增强元件的数量为4束。

作为一种优选的方式，所述光纤的外表面还涂有光纤涂覆层。

一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆的制造工艺，包括以下步骤：

步骤一：紧套光纤

(1)准备好光纤放线架，对放线架放线张力进行调节测试，将光纤放线张力调节为0.8N-1N；

(2)根据实际需要选择保护层的材料，设置紧套料挤塑温度，温度控制在220℃-250℃；

(3)采用挤管或挤压式模具，调节紧套光纤外径至0.9毫米±0.05毫米，挤塑速度为25r/min-30r/min，经热水槽、冷水槽两次冷却；光纤放线张力保持恒定；

步骤二：护套生产

①准备好紧套光纤放线架，对放线架张力进行调节，调节张力为1.0N-3.0N；

②准备好芳纶放线架，调节张力为2.0N-5.0N；

③根据实际需要选择护套的材料，设置好挤塑温度在190℃-230℃之间；

④将模具装上挤塑机头，根据实际需要选择增强元件的材料，将多根增强元件和光纤分别穿过模具，开启牵引，打开挤塑开关，调节外径；护套经热水槽、冷水槽两次冷却，经牵引上盘，即完成生产。

7.根据权利要求6所述的一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆的制造工艺，其特征在于：在护套外涂上护套涂覆层，包括以下步骤：

步骤1：将已生产好护套的整盘光缆装入放线架，将光缆端头穿过预热箱、涂覆装置、干燥装置，并引入到收线架线盘；

步骤2：打开预热开关，设置预热温度为80℃，打开涂覆装置开关，开启牵引，调节牵引速度；光缆经过涂覆装置后护套表面涂有一层护套涂覆层，经固化、干燥后，经牵引上盘，完成护套涂覆层的生产。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明中光纤与保护层之间，保护层与护套之间均为紧密接触，各层之间无空气隙，无油膏填充，使外部声波能量能够及时有效的传递到光纤上，引起光纤局部应变，产生光学效应，这样提高了外部声波能量与光纤微小应变的耦合效率，从而提高了光纤对外部声波能量的响应幅度，增大了分布式声波传感光缆的探测范围。

(2)本发明中光纤外为保护层，保护层外为护套，保护层数较少，结构简单，能有效降低声波信号在光缆中传输时不同界面间的反射，从而提高声波能量传递到光纤表面的效率。

(3)本发明中光纤外的保护层、护套均为热塑性高分子材料混合物，且增强元件为纤维类材料或纤维复合材料或细金属丝，光缆中无钢带及金属铠装层，因而光缆的刚度小，更加柔软，外界局部的声波振动能及时传递到光纤上，在相应位置产生局部应变，使光纤对外界声波信号的响应更灵敏，位置更精确，信噪比更高。

(4)本发明中光纤外的保护层、护套均为热塑性高分子材料混合物，且增强元件为纤维类材料或纤维复合材料或细金属丝，光缆中无钢带及金属铠装层，因而光缆具有直径小，重量轻，柔软的优点，光缆现场安装、施工更加便捷。

(5)本发明中护套的外表面还涂有护套涂覆层，能够使光缆在较大温度范围内起到长效持久的防腐效果，使光缆能够应用在更苛刻的场合，且大大延长了光缆的使用寿命。

(6)本发明中光缆结构简单，光缆制造工序少，生产效率更高。

附图说明

图1为本发明的横截面结构简图；

附图标记：1护套涂覆层，2护套，3增强元件，4保护层，5光纤。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图1所示，一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆，包括光纤5，光纤5的外表面紧贴有保护层4，保护层4的外表面紧贴有护套2，护套2内嵌入有多根增强元件3，增强元件3沿光纤5的长度方向设置。

优选的，护套2的外表面还涂有护套涂覆层1，能够使光缆在较大温度范围内起到长效持久的防腐效果，使光缆能够应用在更苛刻的场合，且大大延长了光缆的使用寿命。

工作原理：外部声波或振动能量先传递到护套2上，再从护套2上传递到增强元件3和保护层4上，最终再从保护层4上传递到光纤5上，由于光纤5与保护层4之间，保护层4与护套2之间均为紧密接触，各层之间无空气隙，无油膏填充，使外部声波能量能够及时有效的传递到光纤5上，引起光纤5局部应变，产生光学效应，这样提高了外部声波能量与光纤5微小应变的耦合效率，从而提高了光纤5对外部声波能量的响应幅度，增大了分布式声波传感光缆的探测范围。

实施例2：

在实施例1的基础上本实施例给出了光纤、保护层、护套、护套涂覆层和增强元件的优选材料，即光纤5为石英光纤，光纤5的芯数至少为1芯；保护层4的材料为高分子聚合物材料，可选择聚氯乙烯、低烟无卤聚烯烃、尼龙、弹性体等材料，保护层4的外径为0.5毫米-1.5毫米；护套2的材料为高分子聚合物材料，可根据使用环境要求选择聚氯乙烯、尼龙、聚丙烯、聚全氟乙丙烯、聚偏氟乙烯、弹性体等材料，护套2的外径为2.0毫米-8.0毫米；护套涂覆层1的材料为高分子化合物材料，可根据使用环境要求选择聚四氟乙烯、聚苯硫醚、PFA塑料，也可选用金属陶瓷材料碳化铬；

增强元件3可以是纤维纱类材料或纤维复合材料或金属线或几种不同材料的组合；如芳纶纤维、碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、聚四氟乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、玻璃纤维复合塑料杆(GFRP)、芳纶纤维复合杆(KFRP)、钢丝、不锈钢丝、钢绞线、不锈钢丝绞线等；增强元件3中的纤维束根数或纤维复合材料根数或金属线根数至少为1根，增强元件3的类型、规格、根数可根据光缆实际应用环境要求来选择，使光缆的抗拉强度、拉伸弹性模量及刚度等机械性能指标达到应用环境要求的指标。

其中，增强元件3与护套2紧密粘结在一起，当光缆在外力作用下发生伸长应变时，增强元件3与护套2之间没有相对位移，具有相同的应变。

本实施例的其他部分与实施例1相同，这里就不再赘述。

实施例3：

在实施例1和2的基础上本实施例给出了光纤、保护层、护套、护套涂覆层和增强元件的具体优选材料，即光纤5为单模光纤，光纤5的芯数为1芯；保护层4为尼龙，保护层4的外径为0.9毫米；护套2的材料为聚偏氟乙烯，护套2的外径为3.8毫米，其具有良好的耐氧化性、耐候性及抗疲劳性，使其适合于多种应用场合，且大大延长了使用寿命；护套涂覆层1的材料为聚四氟乙烯，护套涂覆层1的厚度为0.2毫米，其对大多数化学药品和溶剂，表现出惰性、能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂；增强元件3的材料为芳纶纱，增强元件3的数量为4束，嵌入护套2内部，在横截面中以光缆轴心为圆心的同心圆上均匀分布，每束芳纶纱的规格为2480D。

优选的，光纤5的外表面还涂有光纤涂覆层，光纤5为单模光纤，光纤5的芯数为1芯，光纤5的涂覆层材料为丙烯酸酯类涂覆材料，长期工作温度可达150℃，光纤涂覆层直径为245μm±10μm，光纤5的1310nm波长的模场直径为7.6μm-10.5μm，光纤5的包层直径为125μm。

本实施例的其他部分与实施例1和实施例2相同，这里就不再赘述。

实施例4：

一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆的制造工艺，包括以下步骤：

步骤一：紧套光纤

(1)准备好光纤放线架，对放线架放线张力进行调节测试，将光纤放线张力调节为0.8N-1N：

(2)根据实际需要选择保护层的材料，设置紧套料挤塑温度，温度控制在220℃-250℃；

(3)采用挤管或挤压式模具，调节紧套光纤外径至0.9毫米±0.05毫米，挤塑速度为25r/min-30r/min，经热水槽、冷水槽两次冷却；光纤放线张力保持恒定；

步骤二：护套生产

①准备好紧套光纤放线架，对放线架张力进行调节，调节张力为1.0N-3.0N；

②准备好芳纶放线架，调节张力为2.0N-5.0N；

③根据实际需要选择护套的材料，设置好挤塑温度在190℃-230℃之间；

④将模具装上挤塑机头，根据实际需要选择增强元件的材料，将多根增强元件和光纤分别穿过模具，开启牵引，打开挤塑开关，调节外径；护套经热水槽、冷水槽两次冷却，经牵引上盘，即完成生产。

7.根据权利要求6所述的一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆的制造工艺，其特征在于：在护套外涂上护套涂覆层，包括以下步骤：

步骤1：将已生产好护套的整盘光缆装入放线架，将光缆端头穿过预热箱、涂覆装置、干燥装置，并引入到收线架线盘；

步骤2：打开预热开关，设置预热温度为80℃，打开涂覆装置开关，开启牵引，调节牵引速度；光缆经过涂覆装置后护套表面涂有一层护套涂覆层，经固化、干燥后，经牵引上盘，完成护套涂覆层的生产。

其中，保护层4的材料优先选用尼龙，还可以选用其他材料；护套2的材料优先选用聚偏氟乙烯护套2料，还可以选用其他材料；增强元件3的材料优先选用芳纶纱，还可以选用其他材料。通过上述制造工艺即可制造出可以提高外部声波能量与光纤5微小应变的耦合效率，可以提高光纤5对外部声波能量的响应幅度，可以增大分布式声波传感光缆的探测范围的传感光纤5。

本实施例的其他部分与实施例1相同，这里就不再赘述。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆，其特征在于：包括光纤(5)，所述光纤(5)的外表面紧贴有保护层(4)，所述保护层(4)的外表面紧贴有护套(2)，所述护套(2)内嵌入有多根增强元件(3)，所述增强元件(3)沿光纤(5)的长度方向设置。

2.根据权利要求1所述的一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆，其特征在于：所述护套(2)的外表面还涂有护套涂覆层(1)。

3.根据权利要求2所述的一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆，其特征在于：所述光纤(5)为石英光纤，所述光纤(5)的芯数至少为1芯；所述保护层(4)的材料为高分子聚合物材料，所述保护层(4)的外径为0.5毫米-1.5毫米；所述护套(2)的材料为高分子聚合物材料，所述护套(2)的外径为2.0毫米-8.0毫米；所述护套涂覆层(1)的材料为高分子化合物材料，所述增强元件(3)的材料为纤维纱或纤维复合材料或金属线。

4.根据权利要求3所述的一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆，其特征在于：所述光纤(5)为单模光纤，所述光纤(5)的芯数为1芯；所述保护层(4)为尼龙，所述保护层(4)的外径为0.9毫米；所述护套(2)的材料为聚偏氟乙烯，所述护套(2)的外径为3.8毫米；所述护套涂覆层(1)的材料为聚四氟乙烯，所述护套涂覆层(1)的厚度为0.2毫米；所述增强元件(3)的材料为芳纶纱，所述增强元件(3)的数量为4束。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆，其特征在于：所述光纤(5)的外表面还涂有光纤涂覆层。

6.根据权利要求1所述的一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：紧套光纤

(1)准备好光纤放线架，对放线架放线张力进行调节测试，将光纤放线张力调节为0.8N-1N：

(2)根据实际需要选择保护层的材料，设置紧套料挤塑温度，温度控制在220℃-250℃；

(3)采用挤管或挤压式模具，调节紧套光纤外径至0.9毫米±0.05毫米，挤塑速度为25r/min-30r/min，经热水槽、冷水槽两次冷却；光纤放线张力保持恒定；

步骤二：护套生产

①准备好紧套光纤放线架，对放线架张力进行调节，调节张力为1.0N-3.0N；

②准备好芳纶放线架，调节张力为2.0N-5.0N；

③根据实际需要选择护套的材料，设置好挤塑温度在190℃-230℃之间；

④将模具装上挤塑机头，根据实际需要选择增强元件的材料，将多根增强元件和光纤分别穿过模具，开启牵引，打开挤塑开关，调节外径；护套经热水槽、冷水槽两次冷却，经牵引上盘，即完成生产。

7.根据权利要求6所述的一种灵敏度增强的柔软轻型分布式声波传感光缆的制造工艺，其特征在于：在护套外涂上护套涂覆层，包括以下步骤：

步骤1：将已生产好护套的整盘光缆装入放线架，将光缆端头穿过预热箱、涂覆装置、干燥装置，并引入到收线架线盘；

步骤2：打开预热开关，设置预热温度为80℃，打开涂覆装置开关，开启牵引，调节牵引速度；光缆经过涂覆装置后护套表面涂有一层护套涂覆层，经固化、干燥后，经牵引上盘，完成护套涂覆层的生产。

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