一種高靈敏度金屬基帶鎧裝振動傳感光纜的制作方法

本發明涉及分布式光纖振動傳感測量技術領域，具體涉及一種可進一步提高振動響應靈敏度的傳感光纜。

背景技術：

基于相位敏感光時域反射技術的分布式光纖振動傳感系統，用光纖作為傳感單元實現全分布式振動實時監測，在三個層面上極具創新應用價值。首先，利用普通通信光纖作為振動傳感單元，其具有體積小、重量輕、絕緣、耐高溫、耐腐蝕、可超長距離傳輸、抗電磁干擾能力強和使用方便等優點，具備隱秘性和保密性，可廣泛應用于各種危險場合，并且便于接入光纖通信網絡，進而在應用層面上還可實現面向物聯網應用的高性能光纖傳感網絡。

其次，由于注入的是光脈沖信號，根據散射光相對于注入光脈沖的時間差，即可實現空間定位，全分布式光纖傳感技術充分利用光纖一維空間連續分布的特點，可準確測出光纖沿線上任一點被測量場（如變形、振動、沖擊等）在時間和空間上的信息分布，整個光纖鏈路既是連續感知元件，又是低損耗傳輸通道，可實現對防區范圍每個部位遠程實時監控。

最后，利用高相干激光器作為傳感光源（一般要求激光源線寬<10kHz），從光纖一端注入高相干激光脈沖，脈沖光在光纖沿線激發高相干后向瑞利散射光，由于注入的脈沖光有一定的時間脈寬（幾十ns量級），光纖中保持時空同步的后向瑞利散射光將發生多光束干涉現象，當光纖線路由于振動、沖擊、入侵或者聲波等發生擾動時，相應位置處光纖的折射率及長度將會發生動態變化，導致該位置處瑞利散射光的干涉譜發生相應變化，通過對瑞利散射光干涉譜的幅度及相位信息進行解調，即可獲得振動擾動的全部信息。

分布式光纖振動傳感系統屬于傳感領域的前沿技術，單通道振動傳感距離可以實現50公里以上，振動監測頻率范圍可實現1kHz以上，空間定位精度可以達到5米以內，目前大部分研究工作基本還處于實驗室，但一些工程應用也在逐步開展之中，在實際應用工程中，光纖是以光纜的形式得到應用的，不同的應用場合對光纜及其使用布置均有苛刻的要求。

目前已有的長距離分布式光纖振動傳感系統技術，在應用方面主要存在兩個問題，一、部分場合振動傳感靈敏度不夠，目前該技術實現的探測靈敏度基本可達到100nε量級，但在一些高靈敏度振動監測場合，如微弱振動、聲波偵聽等領域，靈敏度仍遠遠不夠；二、在惡劣的室外應用環境中，光纖如何被有效保護起來，但又可以充分發揮其作為振動傳感單元的效果，這是一個非常值得研究的工程應用問題。而目前長距離（>10公里）的傳感光纜主要釆用各類常規的光通信光纜，護套多為塑料等高分子材料。用于振動傳感時，具有塑料外護套的光纜有振動緩沖作用，減弱了振動信號和降低了傳感靈敏度，且外形為圓型的光纜與振動波是線接觸，因而振動信息傳遞效率極低；即使外形為扁平狀的光纜，塑料外護套的機械性能和可響應的振動頻率均較低。在一些要求較高的場合，這些光纜完全都不能滿足應用要求。

技術實現要素：

為了克服目前分布式光纖振動傳感系統所用傳感光纜的缺點，更好地滿足在保持長距離、高振動響應頻率的性能參數同時，實現振動響應靈敏度的進一步提升優化和傳感光纜的保護加強，本發明提供一種金屬基帶鎧裝加強的傳感光纜設計，以及在應用中的具體布置方法。

一種高靈敏度金屬基帶鎧裝振動傳感光纜，其包括光纖、金屬基帶、金屬通孔和粘合劑；它可以實現為光纖提供一種加工簡易且低成本的鎧裝增強保護方式，提高振動傳感光纜使用壽命；能實現將振動擾動更多的轉換到光纖形變上，提高振動傳感靈敏度；它可以焊接到待監測區域，長期保持處于高靈敏度振動待接收狀態。金屬基帶由兩片互對稱的帶凹槽的金屬片構成，光纖通過涂覆層或粘合劑固定在兩片互對稱的帶凹槽的金屬片之間且位于由所述凹槽中，光纖和兩片所述金屬片通過粘合劑粘結固化成整體。

進一步地，所述凹槽為半橢圓形槽。

進一步地，光纖為一根或多根，纖芯為圓形，纖芯直徑為3~15μm；光纖包層為圓形，包層直徑為80~440μm。

進一步地，光纖為帶涂覆層的普通單模或多模光纖，光纖尺寸為250μm。

進一步地，金屬基帶的材料為銅、鋁或不銹鋼，基帶的厚度為0.1~0.6mm，寬度為30~100mm，長度根據傳感距離確定。

進一步地，所述的金屬通孔為金屬基帶上的鏤空序列，通孔為圓孔、方孔或者長方形孔，其孔徑或邊長為2~10mm，便于實現通過金屬通孔將振動傳感光纜焊接到金屬結構件上。

進一步地，所述的粘合劑選用高強度高穩定性的適用于金屬與玻璃的粘合劑。

本發明基本原理如下：使用常規通信單模光纖作為傳感光纜可以實現超長距離的振動監測，由于光纖芯徑非常細（帶涂覆層直徑250微米），無法對振動信號進行良好接收及傳遞，因而振動導致光纖形變太微小，相應位置處光纖的折射率及長度發生相應變化也極其微弱，最終導致振動信號無法被監測到。另外，這種裸光纖沒有采取保護增強，在實際的工程環境中極易被弄斷而導致無法使用。而普通有保護增強的常規傳感光纜，護套多為塑料等高分子材料，振動傳感時塑料外護套具有振動緩沖作用，減弱了振動信號，且外形為圓型的光纜其振動信息傳遞效率極低；即使外形為扁平狀的光纜，塑料外護套的機械性能和可響應的振動頻率均較低。

為了解決實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種金屬基帶扁平式復合振動傳感光纜，包括光纖和金屬基帶，金屬基帶有對稱兩片，均加工有半橢圓形槽，通過對貼方式將光纖固定在橢圓槽中，再通過涂覆層或者粘合劑，將光纖和兩片金屬基帶粘結固化成整體。

與現有技術相比，本發明具有如下優點和技術效果：

（1）該金屬基帶鎧裝加強傳感光纜設計為光纖提供一種加工簡易且低成本的鎧裝增強保護方式，極大提高傳感光纜使用壽命，且傳感光纜可焊接到待監測區域，長期保持處于高靈敏度振動待接收狀態；

（2）該金屬基帶鎧裝加強傳感光纜設計能將振動擾動更多的轉換到光纖的形變上，極大提高振動監測的靈敏度，可實現超微弱振動信號如聲波的長距離分布式實時監聽。

附圖說明

圖1為實例中基于光纖與金屬基帶復合結構實現提高振動傳感靈敏度的原理圖；

圖2 為實例中高靈敏度金屬基帶鎧裝加強傳感光纜的結構正視圖；

圖3 為實例中高靈敏度金屬基帶鎧裝加強傳感光纜的側視圖；

圖4為實例中高靈敏度金屬基帶鎧裝加強傳感光纜的應用安裝示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明的具體實施作進一步說明，但本發明的實施和保護不限于此，需指出的是，以下若有未特別詳細說明之處，均是本領域技術人員可參照現有技術實現的。

本發明提出高靈敏度金屬基帶鎧裝加強傳感光纜為扁平式復合結構，如圖1所示，首先，該扁平式復合結構為光纖提供了一種極其簡便的鎧裝增強保護，使得光纖不易被折斷或壓碎，提高其使用壽命；其次，該扁平式復合結構提供一個較為良好的振動接收面，振動波傳導至金屬薄片，引起金屬薄片發生形變，由于金屬薄片與光纖固定成一個整體，金屬薄片的形變將帶動光纖形變，這種結構能將振動擾動更多的轉換到光纖的形變上，使得相應位置處光纖的折射率及長度變化更劇烈，導致該位置處瑞利散射光的干涉譜發生變化更明顯，通過對瑞利散射光干涉譜的幅度及相位信息進行解調，即可獲得高靈敏度的振動信息監測；最后，金屬薄片扁平式復合傳感光纜有利于具體工程應用布置，可以將金屬薄片繃緊后直接焊接在金屬固定桿上，使得復合傳感光纜一直處于高靈敏度的振動待接收狀態。

圖2是本實例高靈敏度金屬基帶鎧裝傳感光纜結構正視示意圖，該高靈敏度金屬基帶鎧裝振動傳感光纜包括光纖1、金屬基帶2、金屬通孔3和粘合劑4；它可以實現為光纖提供一種加工簡易且低成本的鎧裝增強保護方式，提高振動傳感光纜使用壽命；能實現將振動擾動更多的轉換到光纖形變上，提高振動傳感靈敏度；它可以焊接到待監測區域，長期保持處于高靈敏度振動待接收狀態。金屬基帶2由兩片互對稱的帶凹槽的金屬片構成，光纖1通過涂覆層或粘合劑4固定在兩片互對稱的帶凹槽的金屬片之間且位于由所述凹槽中，光纖和兩片所述金屬片通過粘合劑4粘結固化成整體。所述凹槽為半橢圓形槽。

圖3是傳感光纜設計結構側視示意圖，該實例中包括三根光纖（11、12、13）、兩片帶半橢圓形槽的基帶（21、22），金屬通孔序列3，用于光纖與金屬基帶之間的粘合劑4；三根光纖1分別置于半橢圓形槽金屬帶的槽中，兩片帶有半橢圓形槽的基帶2，通過對貼方式將光纖固定在橢圓槽中，再通過粘合劑4將光纖1和兩片金屬基帶2粘結固化成整體。其中光纖1為帶涂覆層的普通單模或多模光纖，其尺寸為0.25mm；金屬基帶2為金屬薄片，其材料可以為銅、鋁、不銹鋼等，基帶的厚度為0.1~0.6mm，寬度為30~100mm，長度與傳感距離相關，可根據實際應用情況確定；金屬通孔3為將金屬基帶2上的鏤空孔序列，可以為圓孔、方孔或者長方形孔等，其孔徑為2~10mm，鏤空孔的設計有兩點用途，一是降低金屬基帶鎧裝傳感光纜的重量，且便于長距離傳感光纜的卷曲保存及運輸，二是在實際工程施工中，可以通過金屬通孔將傳感光纜焊接到金屬結構件上。

圖4為本實例的高靈敏度金屬基帶鎧裝加強傳感光纜應用示意圖，多根支撐金屬柱6固定在所需測量的工程環境中，將振動傳感光纜5沿垂直于支撐金屬柱6豎立的方向布置過去，通過金屬通孔3將振動傳感光纜5焊接到支撐金屬柱6上，焊接時可以將振動傳感光纜5預繃緊，進而使得焊接后可長期保持處于高靈敏度振動待接收狀態。其中金屬基帶鎧裝加強振動傳感光纜5上的三根復合光纖均可用于振動傳感，中間光纖的振動傳感靈敏度最高，邊上光纖的振動傳感靈敏度稍弱。支撐金屬柱6為金屬支撐結構件，其材料可以為銅、鋁、不銹鋼等，金屬柱的尺寸為10~100mm。