一种带状光纤传感光缆的制作方法

1.本技术涉及通信光缆技术领域，尤其涉及一种带状光纤传感光缆。


背景技术：

2.随着光纤技术的发展，光纤已经不再局限于通信介质功能，光纤传感技术伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来，其是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测信号的新型传感技术。未来，基于分布式光纤传感的光缆产品，因其能很好的接入光通信网络，同时兼具经济性、灵活性、连续性、长距离、高精度、实时监测的特点，将广泛应用于电力电缆、石油管线、隧道路基、建筑桥梁、结构健康、岩土工程、大坝水文、海洋勘探等领域的探测与安防。
3.现有传感光缆作为光纤分布式传感系统的载体，在实际应用过程中，缆中光纤多为直放，光纤直放时，单位光缆长度内分布的单根传感光纤的长度有限，导致探测灵敏度不高。此外，受应用场景影响，传感光缆需要具有一定的机械强度，如抗拉、抗侧压性能，避免在敷设过程中造成光缆的破坏，导致测试信号中断。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术的目的在于提供了一种带状光纤传感光缆，解决背景技术中的问题。
5.本技术实施例提供了一种带状光纤传感光缆，所述传感光缆包括中心加强件和中心加强件之外的光纤单元层，所述中心加强件为弹性体或内嵌套金属或非金属元件的热塑性弹性材料，所述光纤单元层包括至少 1 条扁平带状光纤单元绕中心加强件连续螺旋缠绕；所述扁平带状光纤单元包括扁平带状的上侧衬底和扁平带状的下侧衬底、中间的裸光纤和填充单元、以及上下两侧衬底之间固化填充的树脂；所述树脂将上侧衬底、下侧衬底、裸光纤和填充单元黏合成一个整体；所述衬底为聚酰亚胺薄膜，所述树脂为聚丙烯酸树脂、环氧树脂、单组分硅橡胶中的至少一种；所述填充单元和所述裸光纤在所述扁平带状光纤单元内均匀间隔并沿所述光纤单元的长度方向连续分布，所述裸光纤在所述光纤单元的扁平带状内沿所述光纤单元的长度方向呈连续的正弦分布。
6.在一些实施例中，所述光纤单元的宽度不小于两倍的光纤单元最小宏弯损耗直径。
7.在一些实施例中，所述光纤单元包括两侧的两根填充单元和两根填充单元之间的至少一根裸光纤。
8.在一些实施例中，所述中心加强件表面设置有连续凹槽，所述光纤单元容纳在所述连续凹槽内。
9.在一些实施例中，所述中心加强件和所述光纤单元层之间还设置有内铠装层。
10.在一些实施例中，所述光纤单元层外由内至外还依次包覆设置有第一绕包带、第一外护层，所述第一外护层中设置增强元件，所述增强元件为金属元件或纤维增强塑料
增强元件、7-光纤单元、10-裸光纤、11-上侧衬底、12-树脂、13-内铠装层、14-填充单元、15-外铠装层、16-第二绕包带、17-第二外护层、18-下侧衬底。
具体实施方式
20.本技术的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“包含”与“包括”、“含有”或“特征在于”同义，并且是包括端点在内或是开放式的，并且不排除额外的未叙述的要素或方法步骤。“包含”是权利要求语言中使用的技术术语，意思指存在所述要素，但也可以增加其它要素并且仍形成在所述权利要求范围内的构造或方法。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。本技术中术语“约”意味着包含由所述值的微小变化（至多+/-10%）。
22.现有传感光缆作为光纤分布式传感系统的载体，在实际应用过程中，缆中光纤多为直放，光纤直放时，单位光缆长度内分布的单根传感光纤的长度有限，导致探测灵敏度不高。此外，受应用场景影响，传感光缆需要具有一定的机械强度，如抗拉、抗侧压性能，避免在敷设过程中造成光缆的破坏，导致测试信号中断。
23.基于此，本发明实施例中提供了一种带状光纤传感光缆，所述传感光缆包括中心加强件和中心加强件之外的光纤单元层，所述中心加强件为弹性体或内嵌套金属或非金属元件的热塑性弹性材料，所述光纤单元层包括至少 1 条扁平带状光纤单元绕中心加强件连续螺旋缠绕；所述扁平带状光纤单元包括扁平带状的上侧衬底和扁平带状的下侧衬底、中间的裸光纤和填充单元、以及上下两侧衬底之间固化填充的树脂；所述衬底为聚酰亚胺薄膜，所述树脂为聚丙烯酸树脂、环氧树脂、单组分硅橡胶中的至少一种；所述填充单元和所述裸光纤在所述扁平带状光纤单元内均匀间隔并沿所述光纤单元的长度方向连续分布，所述裸光纤在所述光纤单元的扁平带状内沿所述光纤单元的长度方向呈连续的正弦分布。
24.本技术中采用扁平带状光纤单元绕中心加强件连续螺旋缠绕，具有如下的优点：
①
便于增加光缆芯数，通过容纳多个裸光纤，提高测试信号通道；例如，在一些实施例中，扁平带状光纤单元可以包括多个裸光纤；
②
扁平带状结构能更好的贴合在中心加强元件表面，减少间隙，提高检测信号的灵敏度；
③
光纤带相较于裸纤缠绕，增加了保护层，增加了上下侧衬底和中间的树脂层，并且设置有填充单元提高了机械强度，减少缠绕过程中的断纤；同时，相较于紧套光纤和松套光纤结构，在相同的容纤数量下，尺寸更小，且光纤之间通过树脂填充，没有空气间隙的存在，提高了信号探测的灵敏度；
④
裸光纤在树脂内连续的正弦分布，更进一步的提高单位光缆长度内的光纤长度，进一步拓宽可探测的范围，提高探测灵敏度。
25.本技术的一些实施例中通过传感光缆中从内到外依次包括中心加强件、内铠装层、光纤单元层、第一绕包带、第一外护层的结构设计，增强了传感光缆的整体强度，以及增强了耐弯曲性能、抗侧压性能、抗拉性能。
26.本技术的一些实施例中一种抗侧压的多芯传感光缆，从内到外依次包括中心加强件、内铠装层、光纤单元层、第一绕包带、第一外护层、外铠装层、第二绕包带、第二外护层的结构设计，设置了内外两层铠装层、内外两层绕包带、内外两层外护层，进一步增强了传感
光缆的整体的强度，以及增强了传感光缆的耐弯曲性能、抗侧压性能、抗拉性能。
27.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
29.实施例1本实施例1中提供了一种带状光纤传感光缆，如图1中所示，从内到外依次包括中心加强件1、光纤单元层2、聚酰亚胺薄膜（pi膜）第一绕包带3、第一外护层4。所述光纤单元层2包括至少 1 条扁平带状光纤单元7绕中心加强件1连续螺旋缠绕，如图2中所示，本实施例中传感光缆中的光纤单元7绕中心加强件1的螺旋缠绕形式。
30.pi膜是薄膜类绝缘材料，由均苯四甲酸二酐(pmda)和二胺基二苯醚( oda)在强极性溶剂中经缩聚并流延成膜再经亚胺化而成。黄色透明，相对密度1.39-1.45。聚酰亚胺薄膜具有优良的耐高低温性、电气绝缘性、粘结性、耐辐射性、耐介质性，能在－269℃～280℃的温度范围内长期使用，短时可达到400℃的高温。
31.中心加强件1为弹性体，例如采用热塑性聚烯烃弹性体（tpo）、热塑性聚酯弹性体（tpee）、热塑性硫化橡胶（tpv），例如可以选自聚乙烯弹性体、聚烯烃弹性体、聚丙烯弹性体之一或组合，例如可以为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)。
32.在其它一些实施例中，中心加强件1为内嵌套金属或非金属元件的热塑性弹性材料，可以加强光缆的强度，但是不会损失测量的灵敏度。热塑性弹性材料，例如热塑性聚烯烃弹性体（tpo）、热塑性聚酯弹性体（tpee）、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)、或热塑性硫化橡胶（tpv）等等。金属元件，例如可以为钢丝。非金属元件可以为纤维增强塑料（frp），如玻璃纤维增强塑料杆、芳纶纤维增强塑料杆、碳纤维增强塑料杆等。
33.第一外护层4可采用热塑性弹性材料，如tpu、tpv、tpo、tpee等，该类材料可以作为吸声材料，具有较好的吸声作用，可以提高光缆对声波信号探测的灵敏度；同时热塑性弹性体材料可以提高成型单元的柔软性、弹性，保证较好的耐油、耐水、耐寒、耐霉菌性能。
34.在另一些实施例中，例如对一些使用要求较高的场景，如油矿井，第一外护层4可采用氟塑料，提高光缆的耐温等级。
35.第一外护层4中设置增强元件6，所述增强元件6可以为纤维增强塑料（frp）、也可以为金属元件，如磷化钢丝、镀锌钢丝、镀锌钢绞线或者镀铜钢绞线等，上述增强元件6的设置进一步增强了光缆的抗弯曲性能。
36.第一外护层4和 pi膜之间埋设撕裂绳5，撕裂绳5与光缆的轴线平行，撕裂绳5至少设置一条。在其它一些实施例中撕裂绳5有至少两条，并且至少两条撕裂绳5沿光缆的圆周均匀分布。撕裂绳的设置方便了光缆的开剥，方便了光缆敷设后后期的维护与维修。
37.在本实施例中光纤单元7呈带状，如图3中所示，包括扁平带状的上侧衬底11、扁平带状的下侧衬底18、中间的裸光纤10和填充单元14、以及上下两侧衬底之间填充的树脂12。
衬底分为上下两层，均为聚酰亚胺薄膜，厚度≤0.15mm。聚酰亚胺薄膜衬底之间填充树脂12，用于光纤的固定，并将上下聚酰亚胺薄膜衬底进行黏合成一个整体。树脂为聚丙烯酸树脂、环氧树脂、单组分硅橡胶中的至少一种。
38.本实施例中，所述扁平带状光纤单元内还具有填充单元14，如图3中所示，填充单元14位于扁平带状光纤单元的两侧衬底之间的树脂内，与裸光纤10并列布置。所述光纤单元内包括两侧的两根填充单元14和两根填充单元之间的至少一根裸光纤10。所述填充单元14和所述裸光纤10在所述扁平带状光纤单元内均匀间隔并沿所述光纤单元的长度方向连续分布。所述填充单元14为尼龙、钢丝或纤维增强塑料（frp）。填充单元的增加，加强了扁平带状光纤的抗拉性能，减少缠绕过程中的断纤，便于光缆的机械化自动化制造，并且提高了传感光缆的整体的抗拉性能。
39.在一些实施例中，光纤单元7为扁平带状结构，宽度w 不小于两倍的光纤最小宏弯损耗直径d
光纤最小宏弯
，即w≥2d
光纤最小宏弯
；厚度0.25＜h≤0.8mm。其中光纤单元的最小宏弯损耗直径d
光纤最小宏弯
，是指满足光纤单元缠绕1圈，光纤单元在1550nm宏弯损耗≤0.02db的最小直径。
40.在一些实施例中裸光纤10的数量≥1芯，裸光纤10在光纤单元7的扁平带状内均匀间隔沿所述光纤单元的长度方向连续分布。
41.在一些实施例中，裸光纤10在聚酰亚胺薄膜之间沿光纤单元的长度方向呈连续的正弦分布，如图4中所示，并且裸光纤芯数≥1芯。裸光纤在树脂内连续的正弦分布，更进一步的提高单位光缆长度内的光纤长度，进一步拓宽可探测的范围，提高探测灵敏度。
42.填充单元可以在所述扁平带状光纤单元的两侧衬底之间的树脂内沿光纤单元的长度方向呈连续的正弦分布，如图4中所示。在其它一些实施例中，填充单元可以在所述扁平带状光纤单元的两侧衬底之间的树脂内沿光纤单元的长度方向在所述裸光纤的两侧呈直线分布。
43.本实施例中光纤单元以一种光纤带的形式呈现。其中光纤带中n根光纤分布可以为均匀间隔沿光纤带的长度方向连续分布，所述裸光纤10在所述光纤单元的扁平带状内沿所述光纤单元的长度方向呈连续的正弦分布，如图4所示的正弦连续分布。
44.本实施例中光纤单元7绕中心加强件1以恒定的节距螺旋缠绕。在其它一些实施例中光纤单元可采用可变的节距密绕，光纤单元的密绕比在探测区域增大，目的是可根据不同的探测场景，敷设不同光纤密绕比的光缆，最大化的利用有限长度的传感光缆资源，提高被探测位置的光缆灵敏度。如在一条连续的探测路径上，间隔分布着不同的被探测点，可通过改变光缆中光纤单元的密绕节距和密绕圈数，保证更大密绕比对应的光缆位置正好位于需要的探测点位置，而其他不需要探测点，可以通过减小密绕比来实现光纤单元的布放。本技术中的光纤密绕比k=光纤长度/光缆长度=l
光纤
/l
光缆 (本技术中未绕光纤的缆长不计算在l
光缆
内，即只计算从第1圈至第n圈的光纤长度和光缆长度) 。
45.在一些实施例中，中心加强件表面可有沿其长度方向连续的螺旋凹槽，螺旋凹槽的宽度和深度大小和光纤单元的横截面的长度和宽度大小相适应并保证紧凑，用于容纳本实施例中的光纤单元。扁平带状的光纤单元7填充在所述螺旋凹槽内绕所述中心加强件1周向连续螺旋缠绕，相较于将光纤单元直接螺旋缠绕在中心加强件表面，减少了中心加强件与护层之间的间隙，降低了间隙内空气对声波的阻力，提高声波信号探测的灵敏度。
46.本实施例中传感光缆，将缆中光纤单元螺旋缠绕布放，保证光缆稳定的传输性能
的同时，提高单位光缆长度内的光纤长度，进一步拓宽可探测的范围，提高探测灵敏度；同时中心加强件为增敏材质，可以减少外界传输能量损耗，提高了传感光缆的检测灵敏度。外护套以及其中的增强元件对光缆进行保护，增强了传感光缆整体的强度和抗弯曲性能。pi膜以其优良的耐高低温性、电气绝缘性、粘结性、耐辐射性、耐介质性等特点，也对光纤单元起到一定的保护作用。
47.本实施例中新提出了一种带状光纤传感光缆的光纤单元7结构的设计，还具有如下的优势：
①
增加光缆芯数，通过容纳多个裸光纤，提高测试信号通道；
②
扁平带状结构能更好的贴合在中心加强元件表面，减少间隙，提高检测信号的灵敏度；
③
光纤带相较于裸纤缠绕，增加了保护层，增加了上下两侧的衬底、填充元件和包覆的树脂层，提高了机械强度，减少缠绕过程中的断纤；同时，相较于紧套光纤和松套光纤结构，在相同的容纤数量下，尺寸更小，且光纤之间通过树脂填充，没有空气间隙的存在，提高了信号探测的灵敏度。
48.④
裸光纤在树脂内连续的正弦分布，更进一步的提高单位光缆长度内的光纤长度，进一步拓宽可探测的范围，提高探测灵敏度。
49.实施例2本实施例2中提供了另一种带状光纤传感光缆，实施例2与上述实施例1中光缆的主要不同在于光缆的结构设计，特别是铠装增强结构的设计。如图5中所示，从内到外依次包括中心加强件1、内铠装层13、光纤单元层2、第一绕包带3、第一外护层4。扁平带状光纤单元7在所述内铠装层13外绕内铠装层13连续螺旋缠绕。
50.中心加强件1为弹性体，例如采用热塑性聚烯烃弹性体（tpo）、热塑性聚酯弹性体（tpee）、热塑性硫化橡胶（tpv），例如可以选自聚乙烯弹性体、聚烯烃弹性体、聚丙烯弹性体之一或组合，例如可以为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)。在其它一些实施例中，中心加强件1为内嵌套金属或非金属元件的热塑性弹性材料。热塑性弹性材料，例如热塑性聚烯烃弹性体（tpo）、热塑性聚酯弹性体（tpee）、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)、或热塑性硫化橡胶（tpv）等等。金属元件，例如可以为钢丝。非金属元件可以为纤维增强塑料（frp），如玻璃纤维增强塑料杆、芳纶纤维增强塑料杆、碳纤维增强塑料杆等。
51.第一外护层4可采用热塑性弹性材料，如tpu、tpv、tpo、tpee等，该类材料可以作为吸声材料，具有较好的吸声作用，可以提高光缆对声波信号探测的灵敏度；同时热塑性弹性体材料可以提高成型单元的柔软性、弹性，保证较好的耐油、耐水、耐寒、耐霉菌性能。在另一些实施例中，例如对一些使用要求较高的场景，如油矿井，第一外护层4可采用氟塑料，提高光缆的耐温等级。
52.中心加强件1外围有内铠装层13。内铠装层13可以为钢丝或纤维增强塑料（frp），如玻璃纤维增强塑料杆、芳纶纤维增强塑料杆、碳纤维增强塑料杆等。
53.第一绕包带3可以为聚酰亚胺薄膜（pi膜）、无纺布、阻水布、聚酯带（麦拉带）、聚丙烯绕包带、无纺布绕包带、聚氯乙烯绕包带、聚四氟乙烯带（ptfe）、玻璃纤维布、云母带等等。第一绕包带3起缓冲和衬垫作用，可以保护内部的光纤单元层2，同时根据不同材质的选取，分别起防水、隔热、防腐或防老化等不同的作用。
54.第一外护层4中设置增强元件6，所述增强元件6可以为纤维增强塑料（frp）、也可以为金属元件，如磷化钢丝、镀锌钢丝、镀锌钢绞线或者镀铜钢绞线等，上述增强元件6的设置进一步增强了光缆的抗弯曲性能。
55.第一外护层4和 第一绕包带3之间埋设撕裂绳5，撕裂绳5与光缆的轴线平行，撕裂绳5至少设置一条。在其它一些实施例中撕裂绳5有至少两条，并且至少两条撕裂绳5沿光缆的圆周均匀分布。撕裂绳的设置方便了光缆的开剥，方便了光缆敷设后后期的维护与维修。
56.其余内容参见实施例1中的描述，这里不再重复描述。
57.本实施例中通过传感光缆中从内到外依次包括中心加强件1、内铠装层13、光纤单元层2、第一绕包带3、第一外护层4的结构设计，增强了传感光缆的整体强度，以及增强了耐弯曲性能、抗侧压性能、抗拉性能，甚至能够满足恶劣条件下的敷设要求。
58.实施例3本实施例3中提供了一种抗侧压的传感光缆，如图6中所示，实施例3与上述实施例1中光缆的主要不同在于光缆的结构设计，特别是增强件和保护层的设计。
59.如图6中所示，从内到外依次包括中心加强件1、内铠装层13、光纤单元层2、第一绕包带3、第一外护层4、外铠装层15、第二绕包带16、第二外护层17。
60.中心加强件1为弹性体，例如采用热塑性聚烯烃弹性体（tpo）、热塑性聚酯弹性体（tpee）、热塑性硫化橡胶（tpv），例如可以选自聚乙烯弹性体、聚烯烃弹性体、聚丙烯弹性体之一或组合，例如可以为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)。在其它一些实施例中，中心加强件1为内嵌套金属或非金属元件的热塑性弹性材料。热塑性弹性材料，例如热塑性聚烯烃弹性体（tpo）、热塑性聚酯弹性体（tpee）、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)、或热塑性硫化橡胶（tpv）等等。金属元件，例如可以为钢丝。非金属元件可以为纤维增强塑料（frp），如玻璃纤维增强塑料杆、芳纶纤维增强塑料杆、碳纤维增强塑料杆等。
61.中心加强件1外围有内铠装层13。第一外护层4外有外铠装层15。内铠装层13和外铠装层15可以为钢丝或纤维增强塑料（frp），如玻璃纤维增强塑料杆、芳纶纤维增强塑料杆、碳纤维增强塑料杆等。双层铠装层增加了传感光缆的抗拉、抗侧压性能，使传感光缆更适合地埋敷设。
62.第一外护层4和第二外护层17可采用热塑性弹性材料，如tpu、tpv、tpo、tpee等，该类材料可以作为吸声材料，具有较好的吸声作用，可以提高光缆对声波信号探测的灵敏度；同时热塑性弹性体材料可以提高成型单元的柔软性、弹性，保证较好的耐油、耐水、耐寒、耐霉菌性能。在另一些实施例中，例如对一些使用要求较高的场景，如油矿井，第一外护层4或第二外护层17可采用氟塑料，提高光缆的耐温等级。
63.第一绕包带3和第二绕包带16可以为聚酰亚胺薄膜（pi膜）、无纺布、阻水布、聚酯带（麦拉带）、聚丙烯绕包带、无纺布绕包带、聚氯乙烯绕包带、聚四氟乙烯带（ptfe）、玻璃纤维布、云母带等等。第一绕包带3和第二绕包带16起缓冲和衬垫作用，第一绕包带3还可以保护内部的光纤单元层2，同时根据不同材质的选取，分别起防水、隔热、防腐或防老化等不同的作用。
64.光纤单元层采用至少1个扁平带状光纤单元7沿内铠装层13连续螺旋密绕。
65.其余内容参见实施例1中的描述，这里不再重复描述。
66.本实施例中一种抗侧压的带状光纤传感光缆，从内到外依次包括中心加强件1、内
铠装层13、光纤单元层2、第一绕包带3、第一外护层4、外铠装层15、第二绕包带16、第二外护层17的结构设计，设置了内外两层铠装层、内外两层绕包带、内外两层外护层，进一步增强了传感光缆的整体的强度，以及增强了传感光缆的耐弯曲性能、抗侧压性能、抗拉性能，满足光缆敷设施工的需求。
67.以上对本技术实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。