光纤传感专用光缆的制作方法
【专利摘要】本发明涉及光纤传感领域，提供一种能规模化生产的光纤传感专用光缆，其具有预制在内的S型光纤，并具有良好的拉伸性能和力学稳定性。一种方案为，包括光纤和抗拉元件，还包括一个扁平的带体，光纤和抗拉元件设置在带体内，共同沿带体的长度方向上行进、在宽度方向上周期性弯曲，呈S形，带体的材料主要为热塑性塑料、橡胶或塑料橡胶复合物。该类带状光缆可以具有很高的拉伸量，并通过其力学结构调节传递到传感光纤的应变或应力，通过差异化设计，实现多种具有不同目的和规格的光纤传感专用光缆。
【专利说明】
光纤传感专用光缆
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤传感领域，尤其是一种光纤传感专用光缆。
【背景技术】
[0002] 在光纤传感应用技术领域，有如下原因常常需要将探测光纤或光缆布设为S型、 即周期性弯曲行进：
[0003] 探测光纤布设在高压单芯电缆的外护套内，或柔性管道（如海洋复合柔性管）的 管壁内；在上盘和安装过程中，电缆或柔性管道的弯曲会在探测光纤所在部位形成沿长度 方向上1%至5%的拉伸或压缩。光缆中光纤余长一般不大于0. 3%，机械强度上光纤允许 应变不大于1% ;因此，如果探测光缆呈直线布设，则可能被拉断或产生高损耗问题。另外， 传感光纤受张力或扭力将严重影响其对温度或振动的探测。
[0004] 在应力或应变的量测过程中，总希望光纤具有更大的量程。实际的故障点如岩土 开裂、柔性管道隆起等，可使光纤局部拉伸率超过允许值1 %。
[0005] 另外，在张力下光纤微弯结构对应力或应变敏感，可以加以利用。
[0006] 中国专利公开号CN101521055B，【公开日】2010年12月1日，名称为光纤复合电力电 缆，公开了一种光纤复合电力电缆，光纤位于电缆核心和护套之间，光纤沿着电缆长度方向 蛇形放置于所述电缆核心上。光纤沿着电力电缆长度方向蛇形放置，电力电缆弯曲或扭曲 时光纤不会跷曲，所以可以防止光纤被拉断或引发高损耗。
[0007] 中国专利公开号CN1588013A，【公开日】2005年3月2日，名称为蛇形光纤传感器埋 入与测试方法及其蛇形光纤传感器，公开了一种蛇形光纤传感器埋入与测试方法及其蛇形 光纤传感器，用于岩层变形和破坏情况观测；其中蛇形光纤传感器由套管和光纤组成，光纤 的外径上串联连接两根或两根以上长度10~20mm或12~18mm范围的圆筒短节套管。由 于光纤在大口径的套管内能形成呈蛇形的光纤，具有许多个微弯点，可以感知到岩层的初 始变形，同时具有足够余长，也能监测宏观变形，可达到35~50mm，远高于对混凝土变形开 裂监测的要求。
[0008] 这些技术方案的不足之处是在布设光缆的过程中需要通过施加外力使光缆或光 纤形成S形，工序复杂，特别是如果采用手工完成，可靠性和一致性难以保证；S型光缆或光 纤本身结构松垮、力学稳定性差，进线时容易出错，产出废品。
[0009] 中国专利公开号CN201820019U，【公开日】2011年5月4日，名称为带状传感光缆，公 开了一种用于测量温度的带状传感光缆，包括光纤和带状护套，光纤呈弯曲绕制状布置于 带状护套内，光纤的长度是带状护套长度的1. 1~100倍；光纤的弯曲绕制状包括椭圆形、 圆形、8字形、螺旋形和正弦波形中的一种。该方案的目的是通过在单位长度内绕制更长距 离光纤来提高光纤传感系统探测局部区域的温度的灵敏度和精确度。该方案试图解决的是 一个静态几何问题，而非力学或运动学问题。
【发明内容】
[0010] 本发明要解决的技术问题是提供一种能规模化生产的光纤传感专用光缆，其具有 预制在内的S型光纤，并具有良好的拉伸性能和力学稳定性。
[0011] 为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0012] 一种光纤传感专用光缆，包括光纤和抗拉元件，还包括一个扁平的带体，所述光纤 和抗拉元件设置在所述带体内，共同沿所述带体的长度方向上行进、在宽度方向上周期性 弯曲，呈S形，所述带体的材料主要为热塑性塑料、橡胶或塑料橡胶复合物。
[0013] 另一种光纤传感专用光缆，包括光纤和包围所述光纤的光纤套管，还包括带体，所 述光纤套管全部或部分设置在所述带体内或表面，所述光纤套管呈S形，所述带体的材料 主要为热塑性塑料、橡胶或塑料橡胶复合物。
[0014] 作为本发明的优选方案之一，上述两种光纤传感专用光缆，所述带体设有应力释 放孔、应力释放槽、应力释放凹陷三种结构中的一种，两种或全部。
[0015] 作为本发明的优选方案之一，上述两种光纤传感专用光缆，所述带体表面设有凸 起。
[0016] 作为本发明的优选方案之一，上述两种光纤传感专用光缆，所述S形的形状在控 制点为三角波顶点的二次或三次样条曲线、由相互外切的圆弧组成的曲线、由相切的圆弧 和直线段交替组成的曲线、正弦曲线中选取。
[0017] 作为本发明的优选方案之一，上述两种光纤传感专用光缆，还包括两个加强元件， 分别设置在所述带体的两个边缘。
[0018] 作为本发明的优选方案之一，上述两种光纤传感专用光缆，所述光纤上刻有光纤 光栅。
[0019] 作为本发明的优选方案之一，上述第一种光纤传感专用光缆，所述抗拉元件为芳 纶纤维、包围所述光纤的金属管或它们的组合。
[0020] 作为本发明的优选方案之一，上述第二种光纤传感专用光缆，所述光纤套管固定 在所述带体上，固定的方式为粘结、卡槽固定或它们的组合。
[0021] 作为本发明的优选方案之一，上述第二种光纤传感专用光缆，还包括抗拉元件、抗 压元件或它们的组合，设置在所述光纤套管内。
[0022] 本发明的有益效果在于：可以形成一种结构稳定和一致性高的带状光缆，容易实 现规模化生产，以平整的形态上盘和下盘，并高效地完成布设，特别有利于电缆、柔性管内 置传感光纤的自动化布设。该类带状光缆可以具有很高的拉伸量，并通过其力学结构调节 传递到传感光纤的应变或应力，通过差异化设计，实现多种具有不同目的和规格的光纤传 感专用光缆。
【附图说明】
[0023] 包括6幅附图，说明如下：
[0024] 图1是本发明的实施例1的结构图；
[0025] 图2是本发明的实施例2的结构图；
[0026] 图3是本发明的实施例3的结构图；
[0027] 图4是本发明的实施例4的结构图；
[0028] 图5是本发明的实施例5的结构图；
[0029] 图6是本发明的实施例6的结构图。
【具体实施方式】
[0030] 以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明。
[0031] 实施例1
[0032]图1是本发明的实施例1的结构图。
[0033] 光纤1含被覆层外径250微米，抗拉元件2为不锈钢管，外径2. 5mm，内置光纤1， 并充油膏；带体3材料为聚氯乙稀。
[0034] 带体3宽度为50mm，厚度为1. 0mm ;抗拉元件2呈S型，由弯曲半径为50mm的圆弧 和直线段组成，节距180mm。
[0035] 该光缆在制造过程中，先通过机械将内置光纤1的抗拉元件2弯曲成S型，再用热 塑工艺加上带体3。这样，可以确保抗拉元件2无预应力，带面平整。
[0036] 由上述结构可以看到，带体3结构轻薄、材料具有低弹性模数和良好塑性，能确保 在拉伸率不大于3%和压缩率不大于3%时，施加在抗拉元件2上的力有限，光纤1不受张 力。抗拉元件2同时提供了抗侧压的功能。
[0037] 本方案主要为内置传感光纤的电缆和柔性管提供专用光缆，适用于对温度或振动 的检测。在安装和使用过程中，传感光纤不受张力或扭力。
[0038] 实施例2
[0039] 图2是本发明的实施例2的结构图。
[0040] 光纤1和抗拉元件2呈S形曲线，设置在带体3内部；带体3上，光纤1和抗拉元 件2周边开有应力释放孔4和应力释放槽5。
[0041] 光纤1和抗拉元件2的S形曲线可以在双圆弧线、正弦曲线、B样条曲线中选择， 根据S形曲线的宽度要求、光纤1的允许最小弯曲半径、余长率要求进行选择。
[0042] 光纤1的允许最小弯曲半径主要由光纤1本身的耐弯性能和总损耗要求决定。在 长距离（几千米至几十千米）检测中，总损耗必须严格控制，一般多模和单模光纤的最小弯 曲半径为50mm ;弯曲不敏感的光纤可以米用更小的值，如G. 657系列可达10mm至5_。在 短距离检测中，只要总损耗允许，一般多模和单模光纤的最小弯曲半径可以小于50mm。
[0043] 这里的余长率指在S形曲线长度超过带体长度的比率，即前者除以后者再减去 〇
[0044] 在允许弯曲半径相同的情况下，双圆弧线在获得余长率方面具有最高的效率，参 见表1 ;正弦曲线具有较低的效率，参见表2 ;-般的样条曲线在以上两者之间。
[0045] 单位：mm
[0046]
[0047] 表1双圆弧线的余长率
[0048] 单位：mm
[0050] 表2正弦曲线的余长率
[0051] 样条曲线为控制点为三角波顶点的二次或三次样条曲线，可采用AutoCAD软件的 NURBS非均匀有理B样条造型方法直接产生，也可以利用光纤或光缆的自身挠变特性自然 弯曲形成。
[0052] 带体3的材料可在橡胶（如硅橡胶、乙丙橡胶、丁腈橡胶等）和热塑性塑料（聚乙 烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚氨酯、LSZH低烟无卤阻燃聚烯烃等）中选择：需要同时具有拉伸和 压缩能力的情况，宜选择弹性材料（如橡胶、聚氨酯），主要仅需要拉伸能力的情况，可选择 热塑性塑料。
[0053] 抗拉元件2可以在芳纶纤维、钢丝、钢管、FRP中选择。
[0054] 由于抗拉元件2材料的弹性模数远大于带体3,当光缆被拉伸时，主要由抗拉元件 2承受张力，在带体3宽度方向上向带体3内侧形成挤压力，应力释放孔4和应力释放槽5 发生形变、带体3伸长，同时抗拉元件2和光纤1的S型曲线展宽，部分余长得到释放。
[0055] 抗拉元件2的拉伸量与其所受张力成正比、与其材料弹性模量和截面积成反比。 其所受张力由带体3的材料弹性模量、截面积、应力结构决定。可以通过调节以上参量，使 光缆在被大幅拉伸（延长几个至十几个百分点）时，抗拉元件2的拉伸率仍可控制在光纤 1的允许范围内（如不大于百分之一）或更小（如不大于千分之二，这时可以利用光纤1 自身对抗拉元件2所具有的余长，使光纤1几乎不受力）。利用计算机力学仿真软件（如 ANSYS、C0MS0L等）可以有效地实现该光缆的结构设计。
[0056] 例如，参照附图2,选取：光纤1为紧包单模光纤，含被覆层外径900微米，抗拉元 件2为芳纶纤维，长期拉伸力150N ;带体3材料为聚氨酯，宽度为50mm，厚度为6. 0mm，光纤 1和抗拉元件2呈B样条曲线，最小弯曲半径25mm，余长率35%。通过试验或计算机力学仿 真软件设计应力释放孔4的数量、孔径和布局，使光缆拉长至10%时，抗拉元件2及光纤1 的拉伸率为1.0%。该光缆可用于应变或应力的检测。
[0057] 上例中，可以在光纤1上刻有FBG布拉格光纤光栅，这样可以使用光纤光栅解调设 备直接精确检测光纤1的应变。
[0058] 再例如，选取：光纤1为紧包光纤，含被覆层外径600微米，设置在外径为2. 5mm 的螺旋不锈钢铠管中，抗拉元件2为芳纶纤维，长期拉伸力300N ;带体3材料为低密度聚乙 稀，宽度为40mm，厚度为4. 0mm，光纤1和抗拉元件2呈B样条曲线，最小弯曲半径50mm，余 长率12%。通过试验或计算机力学仿真软件设计应力释放孔4的数量、孔径和布局，使光缆 拉长至5%时，抗拉元件2拉伸率为0. 2%。该光缆可埋设在电缆或柔性管中，用于温度或 振动的检测。
[0059] 在实际制造过程中，可以先制作一根内设光纤1和抗拉元件2的带管形护套的细 光缆，再通过热塑工艺附加上带体3。
[0060] 应力释放孔4可以采用盲孔或应力释放凹陷6替代，参见附图2中A-A剖面的第 二个图示。
[0061] 实施例3
[0062] 图3是本发明的实施例3的结构图。
[0063] 光纤1和抗拉元件2呈S形曲线，设置在带体3内部；带体3上，光纤1和抗拉元 件2周边开有应力释放孔4 ;带体3的两个边缘上设置有抗压凸起8。
[0064] 由上述结构可以看到，抗压凸起8可使带体3中间的结构不受压力，而设置在抗压 凸起8和S形曲线之间的应力释放孔4有利于光纤1和抗拉元件2的运动，在安装和使用 过程中，光纤1不受张力、扭力或压力。
[0065] 材料和结构的选择可参考实施例2。
[0066] 可选择地，在抗压凸起8内设置加强元件9。
[0067] 一个具体方案：光纤1为松套光纤，含被覆层外径250微米，设置在聚丙烯套管中； 抗拉元件2为芳纶纤维；带体3材料为聚乙烯，加强元件9的材料为FRP、聚丙烯或尼龙。该 类光缆无金属部件，适合埋设在电缆内部。
[0068] 另一个具体方案：光纤1为紧包光纤，含被覆层外径600微米，设置在外径为 2. 5mm的螺旋不锈钢销管中，抗拉元件2为芳纟仑纤维；带体3材料为聚乙稀，加强元件9材 料为FRP、聚丙烯、尼龙、铜或铝。该类光缆适合埋设在柔性管内部。
[0069] 实施例4
[0070] 图4是本发明的实施例4的结构图。
[0071] 光纤1和抗拉元件2呈S形曲线，设置在带体3内部；带体3上，S形弧顶内侧设 有具有尖角的应力释放孔4和应力加强凸起7。
[0072] 由上述结构可以看到，当光缆被拉伸时，光纤1和抗拉元件2承受张力，在应力释 放孔4和应力加强凸起7的共同的尖角处形成局部应力集中点，在光纤1上形成微弯。
[0073] 光纤1为紧包单模光纤，含被覆层外径900微米，抗拉元件2为芳纶纤维；带体3 材料为聚乙烯，应力加强凸起7的厚度不小于带体3厚度的1. 5倍；其他结构参数的选择可 参考实施例2。
[0074] 该光缆可用于基于光纤微弯探测的应变或应力检测。
[0075] 实施例5
[0076] 图5是本发明的实施例5的结构图。
[0077] 内设光纤1的光纤套管10呈S形曲线；带体3由两个扁平带组成；通过粘结的方 法连接光纤套管10和带体3。
[0078] 一个具体方案，光纤套管10材料为聚乙烯，内设光纤1、抗压元件和抗拉元件，抗 压元件为螺旋不锈钢铠管，抗拉元件为芳纶，事实上构成了一个管形光缆；扁平带为聚乙 烯。制造过程中，可以先预制该管形光缆，再通过热熔工艺将其与两个独立的聚乙烯带结 合。
[0079] 由上述结构可以看到，光纤1自带保护套管，带体3本身不必包裹光纤1，仅通过粘 结的方式和光纤套管10共同组成一个整体上呈带状的网格结构，而在此之前带体3本身不 必具有稳定的结构（甚至可以是一组线）。该光缆制造工艺简单、省料。
[0080] 实施例6
[0081 ] 图6是本发明的实施例6的结构图。
[0082] 内设光纤1的光纤套管10呈S形曲线，设置在带体3内部，带体3具有卡槽11，其 宽度略小于光纤套管10的外径，光纤套管10可以可靠地卡在带体3内。
[0083] -个具体方案，光纤套管10材料为聚氨酯，内设光纤1、抗压元件和抗拉元件，抗 压元件为螺旋不锈钢铠管，抗拉元件为芳纶，事实上构成了一个管形光缆；带体3为聚乙 烯，在其边缘的抗压凸起8内设置加强元件9。制造过程中，可以先分别预制该管形光缆和 带体3,再将管形光缆压入带体3上的卡槽11。
[0084] 由上述结构可以看到，当光缆被拉伸时，光纤套管10可以释放余长而不受张力， 直至成一条直线。该光缆制造过程简单，余长几乎全部可以释放。
【主权项】
1. 一种光纤传感专用光缆，包括光纤和抗拉元件，其特征在于，还包括一个扁平的带 体，所述光纤和抗拉元件设置在所述带体内，共同沿所述带体的长度方向上行进、在宽度方 向上周期性弯曲，呈S形，所述带体的材料主要为热塑性塑料、橡胶或塑料橡胶复合物。2. -种光纤传感专用光缆，包括光纤和包围所述光纤的光纤套管，其特征在于，还包括 带体，所述光纤套管全部或部分设置在所述带体内或表面，所述光纤套管呈S形，所述带体 的材料主要为热塑性塑料、橡胶或塑料橡胶复合物。3. 根据权利要求1或权利要求2所述光纤传感专用光缆，其特征在于，所述带体设有应 力释放孔、应力释放槽、应力释放凹陷三种结构中的一种，两种或全部。4. 根据权利要求1或权利要求2所述光纤传感专用光缆，其特征在于，所述带体表面设 有凸起。5. 根据权利要求1或权利要求2所述光纤传感专用光缆，其特征在于，所述S形的形状 在控制点为三角波顶点的二次或三次样条曲线、由相互外切的圆弧组成的曲线、由相切的 圆弧和直线段交替组成的曲线、正弦曲线中选取。6. 根据权利要求1或权利要求2所述光纤传感专用光缆，其特征在于，还包括两个加强 元件，分别设置在所述带体的两个边缘。7. 根据权利要求1或权利要求2所述光纤传感专用光缆，其特征在于，所述光纤上刻有 光纤光栅。8. 根据权利要求1所述光纤传感专用光缆，其特征在于，所述抗拉元件为芳纶纤维、包 围所述光纤的金属管或它们的组合。9. 根据权利要求2所述光纤传感专用光缆，其特征在于，所述光纤套管固定在所述带 体上，固定的方式为粘结、卡槽固定或它们的组合。10. 根据权利要求2所述光纤传感专用光缆，其特征在于，还包括抗拉元件、抗压元件 或它们的组合，设置在所述光纤套管内。
【文档编号】G02B6/44GK105891980SQ201510035416
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月23日
【发明人】杨青
【申请人】杨青