CN116577890A - 一种层绞式矿用光缆 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种层绞式矿用光缆，包括内部设有空腔的护套、设在空腔内且直径小于空腔直径的加强钢丝、包裹在加强钢丝上的非金属屏蔽层、设在空腔内的传输光纤、设在空腔内的多根检测光纤以及填充在空腔内并包裹传输光纤及检测光纤的油膏，检测光纤上具有多个测温段，同一根检测光纤上的两个测温段之间存在数据其他检测光纤上的测温段。本申请公开的层绞式矿用光缆，通过远程温度检测方式与内部加热相结合的方式来解决光缆在低温环境下的信号损耗问题，使光缆在低温环境下仍然能够提供良好的信号传输功能。

Description

一种层绞式矿用光缆

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其是涉及一种层绞式矿用光缆。

背景技术

光纤作为光通信传输的唯一信息载体，具有衰减小、带宽高、传输稳定等优势，被广泛用于长距离的信息传输。当光纤的使用温度超过允许范围时，由于涂料性质的变化会引起光纤微弯，使损耗增大，进而影响通信线路的传输性能。在极寒极热或者昼夜温差极大等环境恶劣的地区，若光纤在高温或低温下的附加损耗过大，则会导致整个链路损耗增大，传输距离急剧降低。

在高低温循环实验中表明，光纤的涂层会出现损耗（气泡甚至涂层脱落等现象），这会增加光纤在低温下的附加损耗。

进一步的研究表明，光纤的涂层损耗主要是在温度降低过程中出现，因为高温会使光纤涂层软化，如果此时恢复到正常温度，光纤涂层损耗可以忽略不计，但是在反复的高低温循环过程和长期的低温过程中，光纤涂层损耗会明显增加。

在远程无人采矿等领域，需要向矿井铺设光纤，再通过5G终端将信号散发，该场景对光纤提出更高要求，因为信号延迟可能造成更大的损失。该场景下的高温，可以使用埋设和遮挡等方式解决，但是对于低温，目前没有合适的解决方案。

发明内容

本申请提供一种层绞式矿用光缆，通过远程温度检测方式与内部加热相结合的方式来解决光缆在低温环境下的信号损耗问题，使光缆在低温环境下仍然能够提供良好的信号传输功能。

本申请的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

本申请提供了一种层绞式矿用光缆，包括：

护套，内部设有空腔；

加强钢丝，设在空腔内，加强钢丝的直径小于空腔的直径；

非金属屏蔽层，包裹在加强钢丝上；

传输光纤，设在空腔内；

多根检测光纤，设在空腔内；以及

油膏，填充在空腔内并包裹传输光纤及检测光纤；

其中，检测光纤上具有多个测温段，同一根检测光纤上的两个测温段之间存在数据其他检测光纤上的测温段。

在本申请的一种可能的实现方式中，传输光纤上包裹有屏蔽护套。

在本申请的一种可能的实现方式中，传输光纤的数量与检测光纤的数量相同；

传输光纤与检测光纤围绕加强钢丝均匀设置。

在本申请的一种可能的实现方式中，传输光纤的数量与检测光纤均不与加强钢丝接触。

在本申请的一种可能的实现方式中，检测光纤与加强钢丝之间的最小距离大于传输光纤与加强钢丝之间的最小距离。

在本申请的一种可能的实现方式中，检测光纤包括：

入射光纤，包括传输段和泄露段，泄露段上设有泄露孔；

采集光纤，与入射光纤平行设置，采集光纤上设有采集孔；

砷化镓晶体，位于泄露孔和采集孔之间；以及

光纤套管，包裹入射光纤、采集光纤及砷化镓晶体。

在本申请的一种可能的实现方式中，砷化镓晶体的两端分别设有凹槽；

入射光纤和采集光纤上的一部分分别位于匹配的凹槽；

砷化镓晶体与入射光纤和采集光纤采用粘接方式固定。

在本申请的一种可能的实现方式中，砷化镓晶体的表面涂覆有反射涂层。

在本申请的一种可能的实现方式中，砷化镓晶体上的每一个凹槽内存在多个泄露孔或者多个采集孔。

附图说明

图1是本申请提供的一种层绞式矿用光缆的截面结构示意图。

图2是本申请提供的一种检测光纤上测温段的分布示意图。

图3是本申请提供的一种多根检测光纤上测温段的相对位置分布示意图。

图4是本申请提供的一种传输光纤的截面结构示意图。

图5是本申请提供的一种传输光纤和检测光纤与加强钢丝的相对距离示意图。

图6是本申请提供的一种检测光纤的截面结构示意图。

图7是本申请提供的一种入射光纤、采集光纤和砷化镓晶体的连接示意图。

图8是本申请提供的一种砷化镓晶体的截面形状示意图。

图9是本申请提供的一种砷化镓晶体上存在反射涂层的示意性视图。

图中，1、护套，2、加强钢丝，3、传输光纤，4、检测光纤，5、油膏，11、空腔，21、非金属屏蔽层，31、屏蔽护套，41、入射光纤，42、采集光纤，43、砷化镓晶体，44、光纤套管，45、测温段，411、泄露孔，421、采集孔，431、凹槽，432、反射涂层。

具体实施方式

以下结合附图，对本申请中的技术方案作进一步详细说明。

本申请公开了一种层绞式矿用光缆，请参阅图1，层绞式矿用光缆由护套1、加强钢丝2、非金属屏蔽层21、传输光纤3、检测光纤4和油膏5等组成，护套1的内部存在一个空腔11，加强钢丝2、非金属屏蔽层21、传输光纤3、检测光纤4和油膏5等均位于该空腔11内。

加强钢丝2的直径小于空腔11的直径，其作用是提高层绞式矿用光缆的结构强度，同时还能够给传输光纤3和检测光纤4提供保护作用，使传输光纤3和检测光纤4的弯曲程度在允许范围内。

应理解，造成光纤衰减的主要因素有本征、弯曲和挤压等，本征是光纤的固有损耗，包括瑞利散射和固有吸收等；弯曲指的是光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗；挤压指的是光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。

传输光纤3和检测光纤4的强度有限，因此在安装过程中需要进行保护，用以避免内部的光纤出现损坏。在加强钢丝2的加入下，使得本申请提供的层绞式矿用光缆的弯曲变得困难，或者说其弯曲时的曲率半径较大，能够使使传输光纤3和检测光纤4在允许范围内发生弯曲。

加强钢丝2上包裹有一层非金属屏蔽层21，非金属屏蔽层21的作用是对加强钢丝2通电过程中产生的电磁场进行屏蔽，用以避免该电磁场对传输光纤3和检测光纤4内传输的信号造成干扰。

传输光纤3和检测光纤4均位于空腔11内，空腔11内还填充有油膏5，油膏5将传输光纤3与检测光纤4包裹，还将空腔11内的剩余空间填充。油膏5具有较高的熔融温度，适宜的硬度、粘度和良好的低温韧性；热稳定性和抗水性优异；电绝缘性能强、损耗小，与电缆内外护套的相容性好，是一种优良的加热应用型电缆填充复合物，主要起防潮和绝缘作用。

请参阅图2和图3，检测光纤4上具有多个测温段45，同一根检测光纤4上的两个测温段45之间存在数据其他检测光纤4上的测温段45，也就是一根检测光纤4上的一个测温段45负责本申请公开的层绞式矿用光缆上的一个区域的测温，并且属于同一根检测光纤4上的两个相邻的测温段45之间具有较远距离。

两个相邻的测温段45之间具有较远距离的目的是降低后续对收到光源进行解析的精度，因为如果两个测温段45之间的距离越小，那么就需要更高精度的解析设备来对发出光源与收到光源之间的对应关系进行匹配。

在实际的使用过程中，本申请公开的层绞式矿用光缆部署在极寒极热或者昼夜温差极大等环境恶劣的地区使用，例如矿井及其附近区域负责传输信号，通过检测光纤4来对本申请公开的层绞式矿用光缆上的不同区域的温度进行检测。

对于高温区域，通过遮挡、填埋和其他主动式的降温方式（例如冰敷）进行降温，对于低温区域，则通过电加热的方式进行升温。电加热方式是对加强钢丝2通电，此时可以将加强钢丝2视为一个电阻，加强钢丝2能够将电能转化为热能，使护套1、传输光纤3、检测光纤4和油膏5等的温度逐渐上升，用以抵抗环境温度的下降。

在一些例子中，加强钢丝2产生的热量首先传递给油膏5，然后再通过油膏5传递给传输光纤3和检测光纤4，当检测光纤4检测到合适温度后，加强钢丝2停止通电。

非金属屏蔽层21的作用就是隔绝加强钢丝2通电过程中产生的电磁场，在一些可能的实现方式中，非金属屏蔽层21使用碳纤维复合材料。碳纤维复合材料的另一个优势是导热系数可以调整，例如碳纤维复合材料的导热系数沿轴向（X方向）导热系数最高；不同铺层角度对导热系数有明显影响。

碳纤维复合材料在吸收加强钢丝2产生的热量后，其温度能够较为均匀的升高，然后使加强钢丝2周围的传输光纤3、检测光纤4和油膏5等的温度均匀上升，加强钢丝2周围的温度一致性较好。

在一些例子中，请参阅图1和图4，传输光纤3上包裹有屏蔽护套31，屏蔽护套31的作用与非金属屏蔽层21的作用相同，此处不再赘述，在一些可能的实现方式中，屏蔽护套31同样使用碳纤维复合材料制作。

在一些例子中，传输光纤3的数量与检测光纤4的数量相同，并且传输光纤3与检测光纤4围绕加强钢丝2均匀设置。增加传输光纤3数量的方式是提高数据传输量，传输光纤3与检测光纤4围绕加强钢丝2均匀设置的目的是使检测光纤4的分布能够更加均匀，有助于得到更加准确的温度检测数据。

例如将检测光纤4集中布置在护套1的一个位置处，这会导致检测光纤4产生的温度数据出现偏差，因为护套1所处环境会导致护套1内部的温度分布不一致，采用检测光纤4围绕加强钢丝2均匀设置的方式可以得到更加准确的温度数据。

进一步地，传输光纤3的数量与检测光纤4均不与加强钢丝2接触。这样设计的目的是为了避免传输光纤3与检测光纤4的温度快速上升。因为加强钢丝2在通电后，靠近加强钢丝2位置处的温度会首先上升，然后再通过油膏5使传输光纤3与检测光纤4的温度上升。

但是当传输光纤3与加强钢丝2直接接触时，会导致传输光纤3的实际温度高于检测光纤4的检测温度，并且其内部传输的数据还可能受到电磁场的影响；当检测光纤4与加强钢丝2直接接触时，会导致检测光纤4的检测温度高于传输光纤3的实际温度，进而致使加强钢丝2提前结束加热。

请参阅图5，更进一步地，检测光纤4与加强钢丝2之间的最小距离（S1）大于传输光纤3与加强钢丝2之间的最小距离（S2）。

请参阅图6和图7，在一些例子中，检测光纤4由入射光纤41、采集光纤42、砷化镓晶体43和光纤套管44组成，入射光纤41分为多段，分别是传输段和泄露段，传输段与泄露段交替设置。

入射光纤41的泄露段上设有泄露孔411，泄露孔411的作用是使入射光纤41内的光线能够泄露到砷化镓晶体43。

采集光纤42与入射光纤41平行设置，同样的，采集光纤42上设有采集孔421，采集孔421的作用是接收从砷化镓晶体43中射出的光线。

砷化镓晶体43位于泄露孔411和采集孔421之间，作用是将从泄露孔411中泄露的光线引导至采集光纤42内。光纤套管44将入射光纤41、采集光纤42及砷化镓晶体43包裹，使入射光纤41、采集光纤42及砷化镓晶体43形成一个整体。

应理解，当光源发出的多波长入射光辐射到砷化镓晶体43上时，砷化镓晶体43在不同温度下会吸收不同波长的入射光，没有被吸收的波长的光（反射光）则会通过采集光纤42被反射回设备。通过分析反射光的光谱，可以得到探头处的温度参数。砷化镓晶体43的优点是通过绝对光谱测量获得探头温度，而并非通过温度变化量测量。

并且这种方式还能够集成在护套1内部，实现对护套1内温度的全覆盖测量，不需要在护套1外部加装额外的温度传感器等检测设备，实现了光缆部署与温度检测部署的同时施工；尤其是可以对护套1内部的温度进行检测，而不是通过外部温度测量来推测护套1的内部温度。

入射光纤41和采集光纤42与砷化镓晶体43的连接方式如下：

请参阅图8，砷化镓晶体43的两端分别设有凹槽431，入射光纤41和采集光纤42上的一部分分别位于匹配的凹槽431，这样从入射光纤41泄露的光线就能够通过砷化镓晶体43进入到采集光纤42内。

砷化镓晶体43与入射光纤41和采集光纤42采用粘接方式的固定，例如在入射光纤41和采集光纤42与砷化镓晶体43的位置固定完成后，在入射光纤41和采集光纤42与砷化镓晶体43的连接处涂覆胶水，将入射光纤41和采集光纤42与砷化镓晶体43固定。

进一步地，请参阅图9，砷化镓晶体43的表面涂覆有反射涂层432，反射涂层432的作用是使进入到砷化镓晶体43内的光线仅能够在砷化镓晶体43内部传播。这样能够降低这部分光线的损耗。

在一些可能的实现方式中，砷化镓晶体43上的每一个凹槽431内存在多个泄露孔411或者多个采集孔421，这样的目的是增加泄露到砷化镓晶体43内的光线量。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种层绞式矿用光缆，其特征在于，包括：

护套（1），内部设有空腔（11）；

加强钢丝（2），设在空腔（11）内，加强钢丝（2）的直径小于空腔（11）的直径；

非金属屏蔽层（21），包裹在加强钢丝（2）上；

传输光纤（3），设在空腔（11）内；

多根检测光纤（4），设在空腔（11）内；以及

油膏（5），填充在空腔（11）内并包裹传输光纤（3）及检测光纤（4）；

其中，检测光纤（4）上具有多个测温段（45），同一根检测光纤（4）上的两个测温段（45）之间存在数据其他检测光纤（4）上的测温段（45）。

2.根据权利要求1所述的层绞式矿用光缆，其特征在于，传输光纤（3）上包裹有屏蔽护套（31）。

3.根据权利要求1或2所述的层绞式矿用光缆，其特征在于，传输光纤（3）的数量与检测光纤（4）的数量相同；

传输光纤（3）与检测光纤（4）围绕加强钢丝（2）均匀设置。

4.根据权利要求3所述的层绞式矿用光缆，其特征在于，传输光纤（3）的数量与检测光纤（4）均不与加强钢丝（2）接触。

5.根据权利要求1或4所述的层绞式矿用光缆，其特征在于，检测光纤（4）与加强钢丝（2）之间的最小距离大于传输光纤（3）与加强钢丝（2）之间的最小距离。

6.根据权利要求1所述的层绞式矿用光缆，其特征在于，检测光纤（4）包括：

入射光纤（41），包括传输段和泄露段，泄露段上设有泄露孔（411）；

采集光纤（42），与入射光纤（41）平行设置，采集光纤（42）上设有采集孔（421）；

砷化镓晶体（43），位于泄露孔（411）和采集孔（421）之间；以及

光纤套管（44），包裹入射光纤（41）、采集光纤（42）及砷化镓晶体（43）。

7.根据权利要求6所述的层绞式矿用光缆，其特征在于，砷化镓晶体（43）的两端分别设有凹槽（431）；

入射光纤（41）和采集光纤（42）上的一部分分别位于匹配的凹槽（431）；

砷化镓晶体（43）与入射光纤（41）和采集光纤（42）采用粘接方式固定。

8.根据权利要求6或7所述的层绞式矿用光缆，其特征在于，砷化镓晶体（43）的表面涂覆有反射涂层（432）。

9.根据权利要求7所述的层绞式矿用光缆，其特征在于，砷化镓晶体（43）上的每一个凹槽（431）内存在多个泄露孔（411）或者多个采集孔（421）。