一种基于包层软化和多包层结构的声波增敏光纤的制作方法

本发明涉及传感光纤
技术领域：
，更具体的是涉及一种基于包层软化和多包层结构的声波增敏光纤。
背景技术：
：光纤分布式传感在现代社会的各个领域中已经得到了广泛运用，其中，基于相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR)的光纤分布式声波传感(DAS)技术得到了广泛关注。相较于传统电子检波器，DAS系统安装简便、成本低、效率高、灵敏度高、空间分辨率高、可靠性高且可以动态探测地震波；DAS系统中使用的光缆可以耐受很高的温度，比电子检波器寿命更长；相比于传统地面地震波检测，DAS系统与电子检波器性能相当，但DAS系统在大范围检测方面具有更大的潜力。因此，DAS在石油勘探等领域展现出了极大的优势及应用价值。基于Φ-OTDR的DAS技术通过对相干光源输出的连续光进行调制，产生探测脉冲光注入传感光纤，探测脉冲光的后向瑞利散射光沿光纤返回系统输入端的信号探测单元；光纤上长度为半个脉冲宽度的瑞利光发生相干并输出系统；由于外界环境未发生改变时，探测脉冲光在光纤中传输时同一位置不同时刻的光相位差恒定，当外界声场发生改变时，其相位差随之发生改变，因此通过解调探测脉冲光沿光纤的相位差可以监测并还原外界声场。目前大部分DAS系统使用如图1所示的标准单模光纤作为传感光纤进行声波监测，采用标准光纤时，外界的声波压力达到一定程度之后，光纤产生的应变造成的光程差改变才能够被DAS系统检测到，因此采用现有全石英的标准单模光纤的DAS系统相位灵敏度受到限制，而造成这个现象的原因在于标准单模光纤的包层大多是纯石英材料，纤芯为掺杂石英材料，它们的杨氏模量通常很高，所以无法对于外界声波压力产生较大的应变。此外，对于运用光纤干涉仪或光纤分布式传感的水听器系统，现有光纤的声波灵敏性极大地限制了其灵敏度，基于标准石英材料单模光纤的DAS相位灵敏度约为-180～--140dBrad/√Hz，其远远低于现有水听器系统的水平而无法应用。因此，不仅仅对于DAS系统，对于光纤水听器系统，提升光纤自身的声波灵敏度也是亟待解决的关键技术问题。技术实现要素：本发明的目的在于：为了解决现有光纤分布式声波传感系统中采用标准单模光纤，声波灵敏度不够高的问题，本发明提供一种基于包层软化和多包层结构的声波增敏光纤，通过软化石英包层和采用杨氏模量较小的包层材料取代全石英材料，能够显著提高光纤对声波的响应灵敏度。本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：一种基于包层软化和多包层结构的声波增敏光纤，包括光纤纤芯和包裹光纤纤芯的包层结构，所述包层结构外表面涂覆有光纤涂覆层，其特征在于：对所述包层结构进行掺杂软化或涂覆软包层材料，使得包层结构的杨氏模量小于光纤纤芯的杨氏模量。所述包层结构包括包裹光纤纤芯的内包层，所述软包层材料涂覆于内包层外表面，光纤涂覆层位于软包层材料外表面，所述软包层材料为柔软的高分子材料。进一步的，所述包层结构为多包层结构，光纤纤芯为石英玻璃材料，对所述多包层结构材料进行掺杂软化，使其杨氏模量小于石英玻璃材料。进一步的，所述多包层结构包括但不限于包裹纤芯的内包层和包裹内包层的外包层，光纤涂覆层位于外包层外表面，所述外包层材料的杨氏模量小于光纤纤芯的杨氏模量。进一步的，所述外包层的半径大于内包层半径。进一步的，所述外包层材料为柔软的高分子材料，其杨氏模量显著小于石英玻璃材料。本发明的有益效果如下：本发明通过对光纤包层结构进行掺杂软化或涂覆软包层材料，使得包层结构材料的杨氏模量远小于光纤纤芯材料的杨氏模量，当外界声波压力作用于光纤上时，杨氏模量较小的外包层或软包层材料带动杨氏模量较大的内包层和纤芯发生形变，从而增强光纤对声波的响应灵敏度，显著提高了目前光纤分布式声波传感系统的应变-相位灵敏度。附图说明图1是普通单模光纤的剖面示意图。图2是本发明的声波增敏光纤的剖面示意图。图3是本发明的光纤轴向受力示意图。图4是本发明的光纤径向受力示意图。图5是本发明的应力-应变-相位改变关系示意图。图6是本发明轴向应力主导下内包层、外包层杨氏模量与相位灵敏度关系示意图。图7是本发明径向应力主导下内包层、外包层杨氏模量与相位灵敏度关系示意图。图8是本发明的轴向应力主导下内包层半径与相位灵敏度关系示意图。图9是本发明的径向应力主导下内包层半径与相位灵敏度关系示意图。附图标记：1、光纤纤芯；2、光纤包层；3、光纤涂覆层；4、多包层结构；4-1、内包层；4-2、外包层。具体实施方式为了本
技术领域：
的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。如图2到图5所示，首先，从力学角度出发对光纤应变进行分析，声波通过声压的方式使光纤所处的力学环境发生了改变，从而造成了光纤的应变，假设这种力场是各向同性的且无切应力，即z方向与r方向无串扰，并且这种应力变化造成的轴向应变为εz，径向应变为εr，则光纤的相位该变量如式(1)所示：其中，n为光纤的有效折射率，p11和p12为纤芯材料的弹光系数，β为光纤纤芯的传播常数，L为光纤的长度(从DAS系统来看应该为做差点之间的长度，从干涉仪角度看应该为原本两臂之间的长度差)，因此βL即为应变环境未改变之前的光程差对应的相位。从式(1)可以看出，假设光纤有效折射率n确定，DAS系统运用的波长也确定，在相同的轴向应变εz和径向应变εr下，其相位改变量是确定的。因此，声波增敏光纤的设计重点在于：在相同的应力改变下，光纤纤芯得到最大的轴向应变εz和径向应变εr。一般应力状态下的广义胡克定律(柱坐标)如式(2)所示：其中，δi(i＝z,r,θ)分别表示z,r,θ方向的应力，Pi(i＝z,r,θ)分别表示z,r,θ方向的载荷，Ai(i＝z,r,θ)分别表示z,r,θ方向的力的作用面积，E为材料的杨氏模量，μ为材料的泊松比，基于式(2)以及材料力学分析，可以得到同一个应力在不同的光纤结构下的应变量。如图3和图4所示，假设整段光纤在z方向受到均匀载荷Pz的作用，并在r方向受到均匀载荷Pr的作用，光纤分为n层，其中当i＝1(i＝1,2,…,m)时表示纤芯，其半径r1为4.5μm；最外层半径rm为62.5μm，需要注意的是，这里每一层的应力δi是内应力与外应力的综合效应，因此在建立方程时，无需考虑某一层被相邻的层屈服。根据圣维南定理以及圆柱型构件的应力分布，其应力分布为：由式(2)和式(3)得到的应变分布为：式(4)的轴向应变εz和径向应变εr化简可得：因此，要求得每一层的应变，则需要求解的数有：Ai(i＝2,3,…,m)、Bi(i＝2,3,…,m)、C、Di(i＝2,3,…,m)。并且要求解该式，则需要以下五个边界条件：1)最外层的最外边的边界力为外界施加的应力Pr：2)层与层的边界上其应力相等：3)层与层的边界上其径向位移相等：4)施加在轴向的载荷应为每一层应力与截面面积乘积的和(合力总值相同)：5)轴向的每一层应变量相等：当光纤在径向自由伸缩时，外界施加的载荷为0，即Pr＝0；由于光纤最后是在光缆中被纤膏包裹，这里考虑Pr在外界未加扰动的时候就有一个恒定的初始值，一般情况下，除了垂直于光纤入射的机械波，其余方向的机械波(声波、扰动等)都可以分解为径向与轴向两个分量，在下面的仿真中，均只考虑胡克定律成立的情形，并且，当外界力撤去后，光纤构件均可以弹回到原始长度，不会发生材料的疲劳和永久变形。光纤的相位灵敏度定义如式(11)所示：光纤的相位灵敏度越高，在单位长度上施加单位载荷，得到的相位变化量越大。假设对图1所示的声波增敏光纤施加的轴向应力为4×104Pa，径向应力为1×104Pa，若光纤纤芯1与光纤包层2的杨氏模量E、材料的泊松比μ完全相同，E＝72GPa，μ＝0.17，其相位灵敏度的绝对值为0.465，将此值作为一个参考值，当光纤的结构改变之后，灵敏度的绝对值需要超过这个值才是有效的。同时，在以下仿真中，均假设轴向应力主导的情况即为施加的轴向应力为4×104Pa，径向应力为1×104Pa，径向应力主导的情况即为施加的轴向应力为1×104Pa，径向应力为4×104Pa。实施例1本实施例提供一种基于包层软化和多包层结构的声波增敏光纤，剖面结构如图2所示，包括光纤纤芯1和包裹光纤纤芯1的包层结构，所述包层结构外表面涂覆有光纤涂覆层3，对所述包层结构涂覆软包层材料，使得包层结构的杨氏模量小于光纤纤芯1的杨氏模量；具体的，所述包层结构包括包裹光纤纤芯1的内包层4-1，所述软包层材料涂覆于内包层4-1外表面，光纤涂覆层3位于软包层材料外表面，本实施例中所涂覆的软包层材料形成如图2所示的外包层4-2，所述软包层材料可以为丙烯酸类树脂或硅橡胶等高分子材料；首先固定光纤中光纤纤芯1、内包层4-1和外包层4-2三层的半径，选取最优的杨氏模量；然后在确定杨氏模量之后选取最优的光纤纤芯1、内包层4-1和外包层4-2的几何尺寸，需要注意的是，当外包层4-2采用高分子材料时，其杨氏模量可降低到5GPa以下，下述仿真中如无特殊说明，固定光纤纤芯1的半径为4.5μm，外包层4-2的半径为62.5μm保持不变，且光纤纤芯1的材料不发生变化，E1＝72GPa，μ1＝0.17，μ2＝0.16，μ3＝0.15。本实施例首先在光纤纤芯1、内包层4-1和外包层4-2半径不变时进行仿真，设r2为35μm，如图6所示为轴向应力主导的情况下内包层4-1的杨氏模量和外包层4-2的杨氏模量与光纤相位灵敏度的关系，如图7所示为径向应力主导的情况下内包层4-1的杨氏模量和外包层4-2的杨氏模量与光纤相位灵敏度的关系，当内包层4-1的杨氏模量为72GPa，外包层4-2杨氏模量从72GPa降低到5GPa，轴向应力主导时，相位灵敏度可提高1.88倍，径向应力主导时，相位灵敏度可提高0.63倍。综合两图可知，两个包层的杨氏模量越小越好；如果外包层4-2的杨氏模量比内包层4-1小，则可以得到更高的相位灵敏度。上面的仿真讨论了每一层的杨氏模量的取值规则，考虑到实际情况，当内包层4-1采用高分子材料以降低其杨氏模量时会增大光纤损耗，因此下述仿真固定内包层4-1采用杨氏模量为72GPa的石英材料，外包层4-2采用高分子材料后，考虑每一层的半径对于最后求解的相位灵敏度的影响。假设E2＝72GPa，E3＝5GPa，考虑内包层4-1半径分别为20μm、30μm、40μm及62.5μm的情况，仿真得到4种光纤结构的相位灵敏度如下表1所示。如图8和图9结果表明，在这种情况下，内包层4-1的半径越小越好，即杨氏模量越小的部分越厚，得到的相位灵敏度越高。表一内包层半径20μm30μm40μm62.5μm轴向应力主导时的相位灵敏度，如图8所示2.99961.72291.07090.4672径向应力主导时的相位灵敏度，如图9所示1.53531.20760.99730.6969通过上述实例分析可知，减小光纤包层的杨氏模量可以显著提高光纤的声波灵敏度，即基于包层软化和多包层结构的声波增敏光纤可以作为提高光纤分布式声波传感系统的相位灵敏度有效手段。实施例2本实施例与实施例1的不同之处在于：对所述包层结构进行掺杂软化，使得包层结构的杨氏模量小于光纤纤芯的杨氏模量，具体的，所述包层结构为多包层结构4，光纤纤芯1为石英玻璃材料，对所述多包层结构4材料进行掺杂软化，使其杨氏模量小于石英玻璃材料，所述多包层结构2包括但不限于包裹光纤纤芯1的内包层4-1和包裹内包层4-1的外包层4-2，本实施例以双包层结构为例，光纤涂覆层3位于外包层4-2外表面，所述外包层4-2材料的杨氏模量小于光纤纤芯1的杨氏模量；现有光纤的包层材料为二氧化硅，对所述外包层4-2进行掺杂即对二氧化硅材料进行掺杂，使其杨氏模量小于光纤纤芯1即石英玻璃材料，且所述外包层4-2的半径大于内包层4-1半径。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3