CN218728212U - 一种超弱光纤光栅声场探测光缆 - Google Patents

Abstract

一种超弱光纤光栅声场探测光缆，包括：超弱光纤光栅阵列；与超弱光纤光栅阵列并行放置的凯夫拉纤维；沿超弱光纤光栅阵列轴向螺旋卷绕的金属螺旋铠；沿金属螺旋铠轴线放置金属索；围绕金属螺旋铠与金属索的挤出护套。本实用新型提出一种超弱光纤光栅声场探测光缆，结构简单，柔韧性好，对声波有良好的穿透性，能敏感探测外界声场的变化；便于安装和二次加工。

Description

一种超弱光纤光栅声场探测光缆

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种超弱光纤光栅声场探测光缆。

背景技术

基于超弱光纤光栅的DAS（uwDAS）是利用超弱光纤光栅的定向反射信号的相位探测音频范围内的声音或振动等信号，通过相位幅值大小来定量测量声音或振动事件的强度和频率信息。uwDAS可以有效抑制瑞利散射导致的随机扰动（12 dB），并获得20 dB以上的信噪比改善，被认定为“最确信的分布式声波测量和世界最高灵敏度”的光纤感测技术，成为近年内研究的热点。

目前uwDAS主要用于诸如石油测井、周界安防、交通安全的监测，上述应用主要是通过固体介质的振动传导给光缆，导致光缆中的传感光纤产生的应变变化，进而改变两个光栅反射信号之间的相位。由于uwDAS能感测到nε级的应变变化，这种传感机制能监测到大多数微小机械振动，但对于空气中的声场时，由于空气，声压变化导致的光纤长度改变几乎可以忽略。

实验发现，裸光纤阵列的声场感测灵敏度非常优秀，这主要源于声场中的空气振动在光纤表面形成压力变化，这种压力变化会直接改变光纤纤芯的折射率，进而改变两个光栅之间反射信号的相位。但裸光纤阵列的机械强度很低，工程应用中极易损坏，成缆是必不可少的环节。但光栅阵列成缆时，需要经过多层包覆，密闭的护套大幅降低声场的传播，导致光栅阵列对声场的灵敏度大幅下降。如何对裸光纤进行成缆，在保证机械强度的基础上，尽可能减小光缆结构对声场的劣化，是声场探测急需要解决的问题。

发明内容

针对现有裸光纤机械强度低、传统声场探测光缆灵敏度差等问题，本实用新型提出一种超弱光纤光栅声场探测光缆，该光缆结构简单，柔韧性好，对声波有良好的穿透性，能敏感探测外界声场的变化；便于安装和二次加工，为超弱光栅声场感测提供了有效的解决方案。

本实用新型采取的技术方案为：

一种超弱光纤光栅声场探测光缆，包括：

超弱光纤光栅阵列；

与超弱光纤光栅阵列并行放置的凯夫拉纤维；

沿超弱光纤光栅阵列轴向螺旋卷绕的金属螺旋铠；

沿金属螺旋铠轴线放置金属索；

围绕金属螺旋铠与金属索的挤出护套。

所述超弱光纤光栅阵列的纤芯刻写有反射率低于0.1%的宽带布拉格光栅，3dB带宽大于3nm。

所述超弱光纤光栅阵列包层直径约80 um，涂覆层直径小于160 um。

所述金属螺旋铠由韧性较强的不锈钢丝进行压扁处理、再进行卷绕式螺旋挤压而形成，螺旋卷绕的间隙大于0.5mm。

所述金属索为钢索，用于承载光缆的轴线拉力。

所述挤出护套为热挤成型的低弹性模量聚氨酯，厚度小于0.5 mm。

本实用新型一种超弱光纤光栅声场探测光缆，技术效果如下：

1）提升光缆的声场探测灵敏度和保真度：

采用低弹性模量、薄层的护套，相比较传统得多层护套光缆，灵敏度提升10以上；机械剥除部分传感光缆的护套，用于声场的测量，可以提升声场测量的保真度。

2）结构简单，施工方便：

采用成熟的螺旋铠工艺及金属编织，结构简单，适合大批量生产。制作的光缆可以直接绕盘，现场布设，施工简单方便。

3）拓展了DAS的监测范围：

高性能的探测光缆可以用于结构故障诊断，声场分析，结合大数据等手段，可广泛应用于城市噪声监测、目标识别等，具有广泛的应用前景。

4）针对现有裸光纤强度低，无法工程应用，而传统光缆衰减大、灵敏度差等问题。该光缆解决了采用螺旋铠结构对超弱光纤光栅阵列进行该保护，利用钢索承载轴线拉力，复结构简单，柔韧性好，便于安装和二次加工，既提高了光纤的机械强度，也减小了护套对声场信号的衰减，为声场感测提供了高灵敏度的探测方式。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2 为超弱光纤光栅声场探测光缆的测试效果图。

具体实施方式

如图1所示，一种超弱光纤光栅声场探测光缆，包括：

超弱光纤光栅阵列1；

与超弱光纤光栅阵列1并行放置的凯夫拉纤维2；

沿超弱光纤光栅阵列1轴向螺旋卷绕的金属螺旋铠3；

沿金属螺旋铠3轴线放置金属索4；

围绕金属螺旋铠3与金属索4的挤出护套5。

所述超弱光纤光栅阵列1的纤芯刻写有反射率低于0.1%的宽带布拉格光栅，3dB带宽大于3nm。超弱光纤光栅的作用类似于光纤中的反射镜，可以提高定向反射光的强度，改善信噪比，但超弱光纤光栅易受温度的影响，温度每升高1℃波长漂移约10pm，当工作波长位移光栅的中心波长时，1500pm可以允许光纤在150℃的温度范围内变化，从而保证振动光栅免受环境温度的影响。

所述超弱光纤光栅阵列1包层直径约80 um，涂覆层直径小于160 um。声场主要通过声压作用的光纤上，进而改变光纤纤芯的折射率。纤芯越细，同等压力下光纤纤芯折射率变化越大，对声场越灵敏。包层直径约80 um，涂覆层直径小于160 um兼顾强度和灵敏度，是目前工程中应用最细的光纤。

所述金属螺旋铠3由韧性较强的不锈钢丝进行压扁处理、再进行卷绕式螺旋挤压而形成，螺旋卷绕的间隙大于0.5mm。

所述金属索4为钢索，直径约1mm，主要用承载光缆的轴线拉力。

所述挤出护套5为热挤成型的低弹性模量聚氨酯或其它材料，厚度小于0.5 mm。声场主要通过声压作用的光纤上，进而改变光纤纤芯的折射率。护套对声场有较强的“屏蔽效果”。选用低弹性模量的聚氨酯作为护套，降低护套的厚度，既可以避免水汽的影响，又能最大限度的降低护套的“屏蔽效果”。为了提升超弱光纤光栅声场探测光缆的灵敏度，可以机械破除用于传感部分的挤出护套5，提升光缆对声场的灵敏度。

图2 为超弱光纤光栅声场探测光缆的测试效果图。从图2可以看出光缆与DAS解调仪结合，能高度保真的获取播放的手机音乐信号。相比及华为手机的录音效果，该光缆探测的信号强度和频谱特性更贴近原声。

Claims (4)

1.一种超弱光纤光栅声场探测光缆，其特征在于，包括：

超弱光纤光栅阵列（1）；

与超弱光纤光栅阵列（1）并行放置的凯夫拉纤维（2）；

沿超弱光纤光栅阵列（1）轴向螺旋卷绕的金属螺旋铠（3）；

沿金属螺旋铠（3）轴线放置金属索（4）；

围绕金属螺旋铠（3）与金属索（4）的挤出护套（5）。

2.根据权利要求1所述一种超弱光纤光栅声场探测光缆，其特征在于：所述超弱光纤光栅阵列（1）的纤芯刻写有反射率低于0.1%的宽带布拉格光栅，3dB带宽大于3nm。

3.根据权利要求1所述一种超弱光纤光栅声场探测光缆，其特征在于：所述超弱光纤光栅阵列（1）包层直径约80 um，涂覆层直径小于160 um。

4.根据权利要求1所述一种超弱光纤光栅声场探测光缆，其特征在于：所述挤出护套（5）为热挤成型的低弹性模量聚氨酯，厚度小于0.5 mm。

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