CN111007606A - 一种声敏感光纤光缆及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种声敏感光纤光缆的制作方法，其特征在于，步骤一，制作支撑芯轴，步骤二，应用光纤缠绕放线模具缠绕光纤，步骤三，挤塑外保护套。声敏感光纤光缆包括支撑芯轴、光纤、外保护套，支撑芯轴为聚砜或聚碳酸酯或聚氨酯或聚烯烃或聚氯乙烯或橡胶，光纤为单模光纤，支撑芯轴上等间距紧密缠绕单模光纤以实现光纤光缆的声增敏，本发明声敏感光纤光缆有别于普通光缆，通过合理的选材与结构设计，大幅降低了芯轴以及光缆整体的刚度，使其在相同的振动激励下产生较普通光缆更高的形变，提高光缆的声传感性能。

Description

一种声敏感光纤光缆及其制作方法
技术领域
本发明属于电缆制作技术领域，具体涉及一种声敏感光纤光缆及其制作方法。
背景技术
光纤的背向散射特性受到外界物理量的变化，会发生波长、功率或相位的变化。分布式光纤传感技术利用这类特性，搭配合适的传感光纤实现了沿光纤长度方向连续的传感。与其他的光纤传感技术相比，分布式光纤传感技术中传感器只有一根同时传感与传光的光纤，传感部分结构简单，使用方便；单位长度内信息获取成本大大降低，性价比高。
目前分布式光纤传感技术已被广泛应用于周界安防、分布式温度传感、结构监测等领域，特别适合于天然气、石油管道等安全监控和民用设施如桥梁、大型建筑等土木工程的预警监控。但分布式光纤声传感技术的进一步进展相对缓慢，而阻碍其发展的重要原因之一就是缺少高声敏感的传感元件。
据研究，普通光纤的声敏感性能比振动传感使用要求小三个数量级。而普通光缆由于工艺与应用环境等原因，需要预留大量的空隙。当振动信号传入该种光缆后，信号强度会大幅衰减，光缆内光纤受到的调制随之减小，导致了普通光缆较低的声灵敏度。为解决这一问题，国内外研究机构在声敏感光纤与光缆上投入了大量精力。在声敏感光纤方面，各大机构的研究都证明通过适当地选择高杨氏模量、低体模量的涂覆层材料并增加涂覆层厚度，可以增强光纤的声敏感性能。但由于现有技术与应用环境的限制，该种方法可以将光纤声灵敏度提升一个数量级，距离分布式光纤声传感的要求还有很大距离。在声敏感光缆方面，目前主流的增敏方法是使用胶体填充的松包光纤代替普通光纤，在其外紧密挤塑外护套，通过减小光缆内部的空隙来提高声信号的传递效率。该种方法的好处在于加工简单，易于实施，但是其增敏效果不佳。因此目前缺少一种适用于分布式光纤声传感的光缆。
发明内容
本发明目的在于提供一种声敏感光纤光缆及其制造工艺，该声敏感光纤光缆有别于普通光缆，通过合理的选材与结构设计，大幅降低了芯轴以及光缆整体的刚度，并通过采用新的缠绕模具实现更小的缠绕节距，大幅加大光纤密度，使其在相同的振动激励下产生较普通光缆更高的形变，提高光缆的声传感性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是这样实现的：
一种声敏感光纤光缆的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，制作支撑芯轴，具体为：使用线缆或细绳作为基底，在基底上灌封或挤塑或浇筑声敏材料形成声敏支撑芯轴，所述声敏材料为聚砜或聚碳酸酯或聚氨酯或聚烯烃或聚氯乙烯或橡胶，所述支撑芯轴基底直径小于声敏支撑芯轴直径；
步骤二，应用光纤缠绕放线模具缠绕光纤，具体为：在缠绕装置上安装光纤缠绕放线模具，通过调节光纤缠绕放线模具的出口方向调节光纤缠绕方向与支撑芯轴的夹角进行光纤缠绕，光纤节距应为等间距，调节缠绕装置缠绕速度与牵引机速度实现对缠绕节距的控制；
步骤三，挤塑外保护套，具体为：所述缠绕光纤的支撑芯轴外部均匀挤塑一层外护套。
进一步的，在步骤二中，光纤与支撑芯轴的夹角为0°至90°之间，缠绕速度为50rpm至250rpm之间，牵引机速度为0.5m/min至2m/min之间，光纤缠绕间距为2mm至40mm。
进一步的，在步骤三中，还包括在支撑芯轴外部挤塑外护套前制作加强层，所述加强层为绞合钢丝填充硅橡胶或绞合芳纶填充硅橡胶。
一种声敏感光纤光缆，包括支撑芯轴1、光纤2、外保护套3，其特征在于：所述支撑芯轴1为聚砜或聚碳酸酯或聚氨酯或聚烯烃或聚氯乙烯或橡胶，所述光纤2为单模光纤，所述支撑芯轴1上等间距紧密缠绕单模光纤以实现光纤光缆的声增敏。
进一步的，所述支撑芯轴1为实心柱体或空心柱体或弹簧结构体结构。
进一步的，所述支撑芯轴1上缠绕单模光纤的间距为2mm至40mm。
进一步的，所述外保护套3材料为聚氨酯或聚氯乙烯或聚烯烃或橡胶或聚乙烯或尼龙。
本发明可带来以下有益效果：
1、创新性地使用声强敏感的光缆支撑芯轴。如图1所示，有别于普通光缆，通过合理的选材与结构设计，大幅降低了芯轴以及光缆整体的刚度，使其在相同的振动激励下产生较普通光缆更高的形变，提高光缆的声传感性能。芯轴材料可以是任一具有较高声传感性能、刚度较低的金属或高分子材料，其结构可以按实际性能要求设计为任意形式，如实心柱体、空心主体或弹簧。
2、创新性地将光缆中的光纤紧密缠绕在上述支撑芯轴上，通过使用缠绕模具将光纤紧密缠绕在支撑芯轴上，当上述支撑芯轴在声信号激励下发生形变，缠绕其上的光纤随之伸缩，调制光脉冲，最终达到分布式光纤声传感的功能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1是本发明所提出的声敏感光缆的示意图。
附图2是本发明所提出的声敏感光缆制作方法工艺流程图。
图中，1、支撑芯轴；2、光纤；3、外保护套。
具体实施方式
为进一步阐述本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的一种声敏感光纤光缆及其制造工艺及模具实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
实施例1：一种声敏感光纤光缆，包括支撑芯轴1、光纤2、外保护套3，采用聚烯烃材料制成芯轴，在其上等间距紧密缠绕单模光纤，光纤间距为4mm实现光纤光缆的声增敏。声敏材料制成的芯轴为实心柱体。外保护套材料为声场耦合系数较高的材料，本实施例中选用聚氨酯。
缠绕使用的光纤是任一具有低弯曲附加损耗、高耐弯曲疲劳性能的光纤，例如常规市售的80/160光纤，或者当芯轴的直径要求较大，本实施例中使用125微米耐弯光纤。
实施例1声敏感光纤光缆的制作方法为：制作支撑芯轴，使用一根长度大于声敏光缆要求长度的线缆作为基底，在其上采用一次灌封聚烯烃声敏材料，形成声敏支撑芯轴，芯轴基底直径不得大于声敏芯轴直径。本实施例中，具体为：使用挤塑机在一股直径为9mm芳纶绳上挤塑一层厚度为1mm的聚烯烃护套，形成声敏光缆的内部支撑芯轴。
应用光纤缠绕放线模具缠绕光纤，在高速绕包机上安装光纤缠绕放线模具，通过调节模具的出口方向调节光纤缠绕方向与支撑芯轴的夹角至90°，本实施例中，以牵引速度为1m/min、缠绕速度为250rpm、缠绕间距为4mm，将125微米耐弯光纤缠绕在芯轴上。缠绕节距为牵引速度/缠绕速度，缠绕节距与最终声敏光纤光缆的声敏感性能成反比，最后再次使用挤塑机在缠绕光纤后的裸光缆外部挤塑厚度为2mm的聚氨酯外护套，完成一根声敏光缆的制作。
结合实际使用对本专利所述光缆的抗拉能力要求，在挤塑外护套前同步绞合一层加强层，加强层为绞合钢丝填充硅橡胶。
上述方法中，光纤缠绕放线模具可采用常规绕线放线装置，也可采用由转接底座与导线管组成的绕线放线装置，转接底座用于连接高速缠绕装置的出线口，高速缠绕装置为高速绕包机，转接底座呈圆形，转接底座通过焊接与导线管固定，导线管为一根粗细均匀、壁厚均匀的硬质管，内径必须大于缠绕使用的光纤，管一端弯曲一定的角度，本实施例中为90°度弯曲，弯曲半径应小于缠绕使用光纤的最小弯曲半径。转接底座为通过一体成型加工而成。
采用聚烯烃材质设计加工具有声敏感性能的支撑芯轴，使用安装有光纤缠绕放线模具的高速缠绕设备将小模场光纤紧密缠绕在支撑芯轴上，随后挤塑聚氨酯外护套，即可完成一段本发明所提出的声敏感光缆。
将10cm声敏光缆放入驻波场内按GB/T3223-1994中5.1.1规定的“比较法”测试其声压灵敏度，结果均大于-146dB dB rad/uPa,满足分布式声传感的使用要求。
实施例2：在实施例1的基础上，加强层换为绞合钢丝填充硅橡胶，将芯轴声敏材料替换为聚氨酯，声敏材料制成的芯轴结构为空心柱体，将10cm声敏光缆按GB/T3223-1994中5.1.1规定的“比较法”测试其声压灵敏度，结果均大于-146dB dB rad/uPa,满足分布式声传感的使用要求。
实施例3：在实施例1的基础上，将芯轴声敏材料替换为聚氯乙烯，声敏材料制成的芯轴结构为空心柱体。将10cm声敏光缆按GB/T3223-1994中5.1.1规定的“比较法”测试其声压灵敏度，结果均大于-146dB dB rad/uPa,满足分布式声传感的使用要求。
实施例4：在实施例1的基础上，将芯轴声敏材料替换为橡胶，声敏材料制成的芯轴结构为空心柱体。通过在力学分析软件中建立理论模型，使用有限元分析对本发明所述声敏感光缆的声敏感性能进行模拟，结果表明该光缆的声灵敏度大幅优于普通光纤。
实施例5：在实施例1的基础上，声敏材料制成的芯轴结构为空心柱体。通过在力学分析软件中建立理论模型，使用有限元分析对本发明所述声敏感光缆的声敏感性能进行模拟，结果表明该光缆的声灵敏度大幅优于普通光纤。
实施例6：在实施例1的基础上，将芯轴声敏材料替换为聚氨酯。通过在力学分析软件中建立理论模型，使用有限元分析对本发明所述声敏感光缆的声敏感性能进行模拟，结果表明该光缆的声灵敏度大幅优于普通光纤。
实施例7：在实施例1的基础上，将芯轴声敏材料替换为聚氯乙烯。通过在力学分析软件中建立理论模型，使用有限元分析对本发明所述声敏感光缆的声敏感性能进行模拟，结果表明该光缆的声灵敏度大幅优于普通光纤。
实施例8：在实施例1的基础上，将芯轴声敏材料替换为橡胶。通过在力学分析软件中建立理论模型，使用有限元分析对本发明所述声敏感光缆的声敏感性能进行模拟，结果表明该光缆的声灵敏度大幅优于普通光纤。
实施例9：在实施例1的基础上，将芯轴声敏材料替换为聚砜，将声敏材料制成的芯轴结构替换为浇筑形成的弹簧体状。通过在力学分析软件中建立理论模型，使用有限元分析对本发明所述声敏感光缆的声敏感性能进行模拟，结果表明该光缆的声灵敏度大幅优于普通光纤。
实施例10：在实施例1的基础上，将芯轴声敏材料替换为聚碳酸酯，将声敏材料制成的芯轴结构替换为浇筑形成的弹簧体状。通过在力学分析软件中建立理论模型，使用有限元分析对本发明所述声敏感光缆的声敏感性能进行模拟，结果表明该光缆的声灵敏度大幅优于普通光纤。
实施例11：在实施例1的基础上，保持光纤与支撑芯轴的夹角为90°，缠绕速度为50rpm，牵引速度为2m，光纤缠绕间距为40mm。将10cm声敏光缆按GB/T3223-1994中5.1.1规定的“比较法”测试其声压灵敏度，结果接近-165dB dB rad/uPa,声灵敏度大幅优于普通光纤。
实施例12：在实施例1的基础上，保持光纤与支撑芯轴的夹角为90°，缠绕速度为250rpm，牵引速度为0.5m，光纤缠绕间距为2mm。将10cm声敏光缆按GB/T3223-1994中5.1.1规定的“比较法”测试其声压灵敏度，结果均大于-140dB dB rad/uPa,满足分布式声传感的使用要求。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种声敏感光纤光缆的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，制作支撑芯轴，具体为：使用线缆或细绳作为基底，在基底上灌封或挤塑或浇筑声敏材料形成声敏支撑芯轴，所述声敏材料为聚砜或聚碳酸酯或聚氨酯或聚烯烃或聚氯乙烯或橡胶，所述支撑芯轴基底直径小于声敏支撑芯轴直径；
步骤二，应用光纤缠绕放线模具缠绕光纤，具体为：在缠绕装置上安装光纤缠绕放线模具，通过调节光纤缠绕放线模具的出口方向调节光纤缠绕方向与支撑芯轴的夹角进行光纤缠绕，光纤节距应为等间距，调节缠绕装置缠绕速度与牵引机速度实现对缠绕节距的控制；
步骤三，挤塑外保护套，具体为：所述缠绕光纤的支撑芯轴外部均匀挤塑一层外护套。
2.根据权利要求1所述的一种声敏感光纤光缆的制作方法，其特征在于，在步骤二中，光纤与支撑芯轴的夹角为80°至90°之间，缠绕速度为50rpm至250rpm之间，牵引机速度为0.5m/min至2m/min之间，光纤缠绕间距为2mm至40mm。
3.根据权利要求1所述的一种声敏感光纤光缆的制作方法，其特征在于，在步骤三中，还包括在支撑芯轴外部挤塑外护套前制作加强层，所述加强层为绞合钢丝填充硅橡胶或绞合芳纶填充硅橡胶。
4.一种声敏感光纤光缆，包括支撑芯轴(1)、光纤(2)、外保护套(3)，其特征在于：所述支撑芯轴(1)为聚砜或聚碳酸酯或聚氨酯或聚烯烃或聚氯乙烯或橡胶，所述光纤(2)为单模光纤，所述支撑芯轴(1)上等间距紧密缠绕单模光纤以实现光纤光缆的声增敏。
5.一种如权利要求4所述声敏感光纤光缆芯轴，其特征在于：所述支撑芯轴(1)为实心柱体或空心柱体或弹簧结构体结构。
6.一种如权利要求4所述声敏感光纤光缆芯轴，其特征在于：所述支撑芯轴(1)上缠绕单模光纤的间距为2mm至40mm。
7.一种如权利要求4或5或6任一项所述声敏感光纤光缆芯轴，其特征在于：所述外保护套(3)材料为聚氨酯或聚氯乙烯或聚烯烃或橡胶或聚乙烯或尼龙。
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