一种振动敏感光纤及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种振动敏感光纤及其制造方法，属于光纤【技术领域】。振动敏感光纤包括纤芯、包覆在纤芯外部的石英包层及包覆在石英包层外部的中模量涂覆层，所述中模量涂覆层固化后的杨氏模量介于50MPa至200MPa之间，所述中模量涂覆层单边壁厚介于70μm至150μm之间，在中模量涂覆层外部包覆有振动增敏层。本发明采用一层中模量涂覆层替代普通市售光纤中低模量内涂覆层与高模量外涂覆层，并采用了具有高弹性作为振动增敏层，可有效提高光纤对声音等机械振动的敏感性，提高光纤作为振动、声音传感介质的性能，从而提高相应的检测、监测系统的灵敏度。
【专利说明】一种振动敏感光纤及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种振动敏感光纤及其制造方法，属于光纤【技术领域】。 技术背景
[0002] 随着工、农、医、安防等领域的高速发展，振动给人们带来的信息越来越重要，可以 被有效地探测和识别，并利用振动信息为人类带来极大的利益。例如，地震监测、管道渗漏 探测、周界防范预警及轨道沿途监测等领域就在很大程度上依赖于对振动的探测。此外，由 于应力及温度引发的振动敏感光纤变形同样可以用于监测其它领域的参量变化。
[0003] 传统的传感探测器是通过沿受试区域铺设传感器探头的方式获取信息的，其缺点 在于成本高且占据空间较大。目前较为先进的探测手段是利用光纤传感器，这种方法具有 抗电磁干扰和原子辐射、重量轻、体积小、绝缘、耐高温及耐腐蚀等众多优异的性能，同时由 于光纤传输损耗低、频带宽，使得光纤传感器在组网和传输距离方面与传统的传感器相比 具有无可比拟的优势。
[0004] 大多数光纤传感器基于光纤光栅的工作原理来实现的，其优点是在传感领域的适 用面广，缺点在于光纤光栅的成本较普通光纤高。对于振动的传感，还有一类成本相对低 廉、使用较为简单的振动敏感光纤或称之为声增敏光纤。振动敏感光纤是一种既用于传输 光信号又作为振动传感介质的光纤，可以形象地近似认为振动敏感光纤是由无数个微小的 振动感知器串联起来的，相当于分布式传感系统中的感应模块与传输模块。振动敏感光纤 的波导结构与普通通信光纤相类似，只是光纤涂覆层及护套层选用了比较利于包括声波在 内的振动传播的所谓弹性体材料，使得光纤对其接触到的包括声波在内的机械振动信号比 较敏感，可通过光纤的传输相位解析出振动信号的很多信息。例如将振动敏感光纤贴输油 管道布放，当管道出现泄漏时，泄漏流体与泄漏孔壁产生摩擦，在管壁上激发出应力波，即 泄漏声发射信号。由于光纤贴于管壁，此应力波作用于光纤上，光纤的长度和使传输光的光 程发生变化。由于干涉仪中顺时针和逆时针传输的两束光到达泄漏点的时间不同，因此两 束光的光程变化不同，这样两束光间就存在一个光程差，此光程差就是由于泄漏信号引起 的，并包含有泄漏信号的相关信息。而这个光程差在干涉信号中反应为光的相位差，因此解 调出此相位差就可得到泄漏信号的相关信息，通过实时检测干涉信号的变化，可实现管道 泄漏检测。再如在周界安防监测中，将振动敏感光纤敷设于受控区域地面下，对于入侵的踩 踏振动可给出及时的报警。
[0005] 美国海军实验室在IEEE量子电子学报的光纤传感器技术，1982 年，QE-18 (4) : 626-665》（Thomas G. Giallorenzi, Joseph A. Bucaro, Anthony Dandridge et al, Optical fiber sensor technology, IEEE Journal of quantum electronics, 1982, QE-18 (4) :626-665) -文中针对光纤涂覆层的单边壁厚、模量等参数对光纤的声灵敏度进行了较 为深入的讨论。该文首先分析声敏产生的机理及影响因素。光纤的振动敏感特性通常用 Λ ΦΛΦ ΛΡ)来表征，含义是单位压强引起的光纤中相位的变化量占光纤中总相位数的比 例，通常这个比例是l〇_12/dyn/cm 2数量级（ldyn/cm2 = 0· IPa)。ΛΡ为作用在光纤上的附 加声压，单位为Pa或者dyn/cm2。光纤在受到声波作用后，由于声压ΔΡ使得光纤在轴向和 径向分别产生了、与~的应变，从而导致了光纤内光波的相位发生了改变，可用公式（1) 表示为：
【权利要求】
1. 一种振动敏感光纤，所述光纤包括纤芯及包覆在纤芯外部的包层，其特征在于： 所述包层外部包覆有中模量涂覆层，所述中模量涂覆层固化后的杨氏模量介于50MPa至 200MPa之间，所述中模量涂覆层单边壁厚介于70 μ m至150 μ m之间，所述中模量涂覆层外 部包覆有振动增敏层。
2. 根据权利要求1所述的振动敏感光纤，其特征在于：所述振动增敏层为由Hytrel、 PVC或ETFE中的一种材料挤塑形成，所述振动增敏层的单边壁厚介于75μπι至250μπι之 间。
3. 根据权利要求2所述的振动敏感光纤，其特征在于：所述振动增敏层的外部包覆有 外护层。
4. 一种制造权利要求1所述的振动敏感光纤的方法，其特征在于：所述制造方法包括 下述步骤，准备光纤预制棒，包含纤芯与包层；将光纤预制棒进行拉丝，并进行中模量涂覆 层涂覆，在中模量涂覆层外侧采用压力式挤塑工艺包覆有振动增敏层以及外护层，使光纤 的振动增敏层与中模量涂覆层之间紧密相贴，振动增敏层与外护层之间紧密相贴。
5. 根据权利要求4所述的振动敏感光纤的制造方法，其特征在于：光纤预制棒拉制并 同时涂覆一层中模量涂覆层，所述拉丝及涂覆参数如下：
6. 根据权利要求4所述的振动敏感光纤的制造方法，其特征在于：所述振动增敏层，选 择弹性体材料hytrel、PVC、ETFE中的一种作为挤塑原料，该挤塑工艺的参数如下：
7. 根据权利要求4所述的振动敏感光纤的制造方法，其特征在于：所述外护层，选择聚 氨酯（TPU)或聚烯烃中的一种材料作为挤塑原料，该挤塑工艺的参数如下：
8. 根据权利要求4所述的振动敏感光纤的制造方法，其特征在于：所述光纤预制棒的 制造方法如下： 1) 、采用MCVD工艺对石英玻璃沉积管置于车床上，通过火焰喷灯进行高温火焰抛光， 沉积管内通SF6气流，用于消除沉积管内表面及外表面的划痕、杂质及收缩气泡；辐射高温 计随喷灯一起运动用于测温； 2) 、使用MCVD车床在石英玻璃沉积管内沉积内包层，原材料配比如下：
将火焰抛光好的石英玻璃沉积管安置在MCVD车床上，用高纯氧气通过鼓泡的方式将 上述配比的四氯化硅SiCl4与三氯氧磷？0(：13载入石英管内沉积包层，辅以氦气增强石英管 内热均匀性以及六氟化硫气体作为抛光气体； 3) 、使用MCVD车床在2)得到的内包层内沉积芯层，原材料配比如下：
将上述配比的高纯氧气通过鼓泡的方式将四氯化硅及四氯化锗载入石英管内沉积芯 层，在氢氧焰作用下生成芯层； 4) 、将沉积了石英包层和纤芯的石英管熔缩并烧结成透明的光纤预制棒，最后将光纤 预制棒拉制成光纤后进行涂覆。
【文档编号】G02B6/02GK104049298SQ201410267562
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2014年6月16日
【发明者】肖春, 任军江, 叶蕾 申请人:中国电子科技集团公司第二十三研究所