用于檢測線纜中的扭曲的方法、具有扭曲傳感器的電纜和用于制造所述線纜的方法
【專利摘要】本公開描述了一種用于監(jiān)視具有中心縱軸的線纜的扭曲狀態(tài)的方法，該方法包括：提供線纜，該線纜包括沿著線纜縱向延伸的扭曲傳感器，所述扭曲傳感器包括基本上沿著線纜的中心縱軸布置的單模光纖，線纜還包括至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件，縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個是導(dǎo)電芯體，其中扭曲傳感器與縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個機械耦合；通過偏振敏感光學(xué)反射測定術(shù)來測量單模光纖的扭曲狀態(tài)，以及將線纜沿著縱軸的扭曲狀態(tài)與測量到的單模光纖的扭曲狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來。本公開還涉及一種制造電纜的方法以及一種電纜。
【專利說明】用于檢測線纜中的扭曲的方法、具有扭曲傳感器的電纜和 用于制造所述線纜的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于確定沿著電纜分布的扭曲的監(jiān)視方法。
[0002] 本發(fā)明還涉及具有集成的扭曲傳感器的電纜，其尤其適合于對沿著線纜的扭曲的 分布式測量，并且還涉及其制造過程。

【背景技術(shù)】
[0003] 用于重負(fù)荷應(yīng)用并且尤其是用于諸如移動式港口起重機、船到岸集裝箱起重機、 卸船機、撒布機、采礦和挖隧道設(shè)備以及風(fēng)車和風(fēng)電場之類的移動設(shè)施的線纜被特別設(shè)計 為耐受嚴(yán)酷的環(huán)境條件和高機械應(yīng)力，例如張力和扭矩。在本說明書內(nèi)，當(dāng)提及用于重負(fù)荷 應(yīng)用并且尤其是--但不僅僅是--用于移動設(shè)施的線纜時，我們一般將稱重負(fù)荷線纜。
[0004] 在一些應(yīng)用中，例如在重負(fù)荷應(yīng)用中，將線纜傳遞到設(shè)備卷軸和在卷繞和退卷階 段期間的強制引導(dǎo)會引起不合需要的扭曲，這些扭曲沿著線纜長度可能有所不同。雖然通 常推薦在移動設(shè)備中的線纜的處置和安裝中要小心注意，例如在避免卷繞的方向變化或者 原始方向的顛倒的同時將線纜從原始鼓輪直接傳遞到線纜卷軸，但工作條件可引起其相對 較大和突然的扭矩。此外，用于線纜移動的其他系統(tǒng)，例如引導(dǎo)裝置、滑輪系統(tǒng)和易損系統(tǒng)， 在操作期間可涉及線纜的扭曲，尤其如果應(yīng)用在放出線纜時要求高速操作和/或多次線纜 偏轉(zhuǎn)則更是如此。
[0005] 可用于測量和/或監(jiān)視電纜中的機械應(yīng)力的光學(xué)傳感器是已知的。
[0006] W0 2010/136062描述了一種電纜，該電纜包括應(yīng)變傳感器和至少兩個縱向結(jié)構(gòu)元 件，該應(yīng)變傳感器沿著線纜縱向延伸并且包括布置在圍繞并且包括電纜的彎曲中性縱軸的 彎曲中性區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變光纖，所述至少兩個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個是包括導(dǎo)電體的芯 體，其中該應(yīng)變傳感器被嵌入在將至少兩個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個與應(yīng)變傳感器機械 耦合的應(yīng)變傳遞裝填物中。利用公開的線纜構(gòu)造，至少兩個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個經(jīng) 歷的應(yīng)變至少在應(yīng)變狀態(tài)中被傳遞到應(yīng)變傳感器。
[0007] W0 2011/032587涉及一種用于監(jiān)視線纜的扭曲的方法，包括如下步驟：為線纜提 供至少一個識別標(biāo)簽，優(yōu)選為RFID標(biāo)簽，該標(biāo)簽被布置在橫切縱向取得的橫截面中的標(biāo)簽 角位置中；并且檢測標(biāo)簽電磁信號。線纜設(shè)有多個識別標(biāo)簽，每個標(biāo)簽被布置在各自的標(biāo)簽 角位置中。
[0008] J. Burgmeier 等人在 2〇〇9Conference on Lasers and Electro-Optics (CLE0)上 發(fā)表的"Fiber optic sensor system for stress monitoring in power cables，'中描述 了一種光纖傳感器系統(tǒng)，用于利用短脈沖和寬帶光源監(jiān)視電力線纜中的諸如溫度、擠壓、彎 曲和扭曲之類的應(yīng)力因素。監(jiān)視彎曲和扭曲是經(jīng)由光纖布拉格光柵（fibre Bragg grating, FBG)來執(zhí)行的并且使用由超連續(xù)譜生成實現(xiàn)的寬帶源。為了使用經(jīng)常用在電力線纜內(nèi)用于 數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)單模光纖，通過逐點飛秒激光雕刻來將FBG寫入到光纖中。彎曲被集成到 電力線纜中的光纖導(dǎo)致FBG的光柵周期的變化，從而來自寬帶源的不同波長將被反射并被 小型光譜儀容易地監(jiān)視到。
[0009]當(dāng)單模光纖被彎曲時發(fā)生輻射損耗。偏振敏感光學(xué)時域反射測定術(shù) (Polarisation-sensitive optical time domain reflectometry,P-〇TDR)被提出作為一 種測量單模光纖的雙折射的工具。P-0TDR提供了瑞利后向散射場的偏振狀態(tài)（state of polarization, SOP)的演化，而來自測量到的SOP的關(guān)于雙折射的信息是通過數(shù)據(jù)建模和 分析來得出的。
[0010] 偏振敏感反射計是一種特殊種類的光學(xué)反射計，其目標(biāo)是測量作為沿著光纖的發(fā) 生散射的位置的函數(shù)的、由于瑞利散射而被光纖后向散射的光場的偏振狀態(tài)（S0P)。一般 地，利用已知的偏振受控的探測光信號（例如脈沖或頻率調(diào)制信號）來探測被測光纖，同時 用偏振敏感接收器來測量作為時間的函數(shù)的后向散射光場。由于有關(guān)于探測信號和關(guān)于特 定光纖中光的傳播速度的知識，于是可以轉(zhuǎn)換被測光纖的局部屬性的縱向地圖中的時間變 動。
[0011] 對于偏振敏感光學(xué)時域反射測定術(shù)（P-0TDR)的理論和應(yīng)用的綜述，尤其是與 單模光纖中的偏振模色散（polarisation mode dispersion, PMD)有關(guān)的，在Journal of Lightwave Technology，col.22(2004)，pages 1103-1115 中發(fā)表的 A. Galtarossa 和 L.Palmieri 所著的 "Spatially Resolved PMD Measurements" 中給出。
[0012] Galtarossa等人的"Reflectometric measurement of birefringence rotation in single-mode fibers"，Optics Letters, vol. 33 (2008)，pages2284_2286 公開了一種用 于單模光纖中的線性雙折射向量的取向和模量的測量的反射測定技術(shù)。該技術(shù)也提供了關(guān) 于圓雙折射的信息，雖然這個成分如果存在的話看起來是線性雙折射的旋轉(zhuǎn)。確定性旋轉(zhuǎn) 可由施加到光纖的扭轉(zhuǎn)或自旋引起。
[0013] Galtarossa 等人的"Spin-profile characterization in randomly birefringent spun fibers by means of frequency-domain reflectometry"，Optics Letters, vol. 34(2009)，pages 1078-1080表明了可通過偏振敏感光學(xué)頻域反射測定術(shù) (P-0FDR)來測量光纖的雙折射的旋轉(zhuǎn)角度并且因此測量光纖的自旋輪廓（spin profile)。 P-0FDR技術(shù)被應(yīng)用到幾十米長的光纖樣本。
[0014] 申請人:著手解決了如下問題：監(jiān)視使用中的線纜中的扭曲并且提供對線纜的實際 部署的可靠測量，這可例如在線纜的整個壽命期間周期性地執(zhí)行。
[0015] 申請人:觀察到，W0 2011/032587中描述的解決方案提供了關(guān)于線纜的局部旋轉(zhuǎn)狀 態(tài)的信息，尤其是關(guān)于經(jīng)過了讀取裝置的線纜的縱向部分的信息，該讀取裝置能夠發(fā)送詢 問電磁信號并且能夠接收由放置在被讀取裝置檢測到的線纜部分上的（一個或多個）標(biāo)簽 發(fā)送的標(biāo)簽電磁信號。
[0016] 在一些應(yīng)用中，例如用于重負(fù)荷應(yīng)用的線纜中，希望確定沿著線纜長度分布的扭 曲。具體地，可能希望監(jiān)視沿著線纜的分布扭曲狀態(tài)的時間演化，例如通過比較來自在不同 時間取得的測量的結(jié)果以便根據(jù)需要調(diào)整引導(dǎo)滾筒和卷軸。在一些應(yīng)用中，對沿著線纜的 扭曲狀態(tài)的評估可預(yù)測線纜的剩余壽命。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 申請人:認(rèn)識到，偏振敏感反射測定術(shù)可以有效地表征插入在線纜中包括的光纖傳 感器中的單模光纖的局部偏振屬性。根據(jù)偏振屬性，可以得出沿著光纖分布的雙折射并且 從后者計算出光纖傳感器的光纖的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。
[0018] 申請人:懂得，如果以線纜中經(jīng)歷的扭矩在光纖傳感器中的可靠且可測量的旋轉(zhuǎn)或 扭轉(zhuǎn)中被傳遞的方式將光纖傳感器集成在線纜中，則檢測光纖傳感器的光纖的局部偏振屬 性提供了關(guān)于沿著線纜長度分布的扭曲的信息。
[0019] 申請人:還發(fā)現(xiàn)，對包括縱向結(jié)構(gòu)元件的電纜的扭曲的分布式測量可通過分析從嵌 入在線纜中的光纖傳感器后向散射的光的偏振狀態(tài)的空間分布來執(zhí)行，該傳感器被機械地 耦合到所述縱向結(jié)構(gòu)元件并且包括基本上沿著線纜的中心縱軸布置的單模光纖。
[0020] 光纖傳感器到所述縱向結(jié)構(gòu)元件的機械耦合提供了利用偏振敏感反射測定術(shù)獲 得的沿著光纖傳感器的光纖的分布旋轉(zhuǎn)狀態(tài)與沿著線纜長度分布的扭曲之間的單一對應(yīng) 關(guān)系。在下文中將把光纖傳感器稱為扭曲傳感器。
[0021] 在本說明書和所附權(quán)利要求中將把扭曲傳感器的光纖稱為單模光纖。
[0022] 根據(jù)符合本公開的一方面，提供了一種用于監(jiān)視具有中心縱軸的線纜的扭曲狀態(tài) 的方法，該方法包括：
[0023] -提供線纜，該線纜包括沿著線纜縱向延伸的扭曲傳感器，所述扭曲傳感器包括基 本上沿著線纜的中心縱軸布置的單模光纖，線纜還包括至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件，縱向結(jié)構(gòu) 元件中的至少一個是導(dǎo)電芯體，其中扭曲傳感器與縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個機械耦合；
[0024] -通過偏振敏感光學(xué)反射測定術(shù)來測量單模光纖的扭曲狀態(tài)，以及
[0025] -將線纜沿著縱軸的扭曲狀態(tài)與測量到的單模光纖的扭曲狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來。
[0026] 在一些實施例中，該方法還包括在將線纜的扭曲狀態(tài)與測量到的單模光纖的扭曲 狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來之前將測量到的單模光纖的扭曲狀態(tài)與單模光纖的參考扭曲狀態(tài)相比較。 [0027] 在一些優(yōu)選實施例中，測量單模光纖的扭曲狀態(tài)包括：
[0028] -將具有預(yù)定的輸入偏振狀態(tài)的探測光學(xué)信號注入到單模光纖的一端之中；
[0029] -檢測與注入的探測光學(xué)信號相對應(yīng)的后向散射光學(xué)信號；以及
[0030] -通過偏振敏感光學(xué)反射測定術(shù)來測量后向散射光學(xué)信號的偏振狀態(tài)。
[0031] 優(yōu)選地，注入和檢測的步驟包括將具有不同輸入偏振狀態(tài)的多個探測光學(xué)信號注 入到單模光纖的一端之中并且檢測相應(yīng)的多個后向散射光學(xué)信號。具體地，根據(jù)一些實施 例，多個探測光學(xué)信號中的每一個的輸入偏振狀態(tài)不同于多個探測光學(xué)信號中的其余信號 的輸入偏振狀態(tài)。
[0032] 在本說明書和權(quán)利要求內(nèi)，"多個"一詞指的是"兩個或更多個"，除非另有明確規(guī) 定。
[0033] 根據(jù)優(yōu)選實施例，測量單模光纖的扭曲狀態(tài)包括：
[0034] -將具有不同的輸入偏振狀態(tài)的多個偏振探測光學(xué)信號注入到單模光纖的一端之 中；
[0035] -檢測多個后向散射光學(xué)信號，多個后向散射光學(xué)信號中的每一個具有輸出偏振 狀態(tài)；
[0036] -測量后向散射光學(xué)信號的輸出偏振狀態(tài)；
[0037] -根據(jù)測量到的輸出偏振狀態(tài)來計算作為單模光纖的縱向位置的函數(shù)的雙折射角 度函數(shù)，以及
[0038] -根據(jù)雙折射角度函數(shù)來計算作為單模光纖中的縱向位置的函數(shù)的單模光纖的旋 轉(zhuǎn)角度函數(shù)，以及
[0039] -將線纜的扭曲狀態(tài)與計算出的旋轉(zhuǎn)角度函數(shù)關(guān)聯(lián)起來。
[0040] 優(yōu)選地，在注入多個偏振探測光學(xué)信號之前，該方法包括準(zhǔn)備與線纜的參考旋轉(zhuǎn) 狀態(tài)相關(guān)的參考雙折射角度函數(shù)，其中計算旋轉(zhuǎn)角度函數(shù)包括計算所計算出的雙折射角度 函數(shù)相對于參考雙折射角度函數(shù)的變動。
[0041] 在一些實施例中，在注入多個探測光學(xué)信號之前，該方法包括利用偏振敏感光學(xué) 反射測定技術(shù)將單模光纖的一端連接到測量裝置，其中注入多個探測光學(xué)信號是注入到單 模光纖的連接端中。
[0042] 分析來自被探測光纖的后向散射場的偏振敏感反射測定技術(shù)可以按不同的配置 實現(xiàn)。至少一個測量裝置可用于實現(xiàn)根據(jù)本公開的方法。
[0043] 在一些實施例中，測量裝置是偏振敏感光學(xué)時域反射計。優(yōu)選地，反射計使用多個 偏振光學(xué)脈沖作為多個偏振探測光學(xué)信號。
[0044] 在其他實施例中，測量裝置是偏振敏感頻域反射計。優(yōu)選地，測量裝置利用多個頻 率調(diào)制的連續(xù)光學(xué)信號來探測單模光纖。
[0045] 在一些實施例中，多個后向散射光學(xué)信號中的每一個是在多個偏振探測光學(xué)信號 中的各個探測光學(xué)信號的注入之后從單模光纖的所述端后向散射的。然而，本公開不限于 將單個探測光學(xué)信號順序地注入到被探測光纖中的方法。
[0046] 在一些實施例中，多個偏振探測光學(xué)信號是具有不同的輸入偏振狀態(tài)的N個探測 光學(xué)信號，其中N > 3,使得測量到的輸出偏振狀態(tài)的數(shù)量等于N，并且該方法還包括：
[0047] -將N個測得輸出偏振狀態(tài)分組在測得輸出偏振狀態(tài)的G個群組中，每個群組包括 至少兩個測得輸出偏振狀態(tài)并且與其余的（G-1)個群組在至少一個測得輸出偏振狀態(tài)上 是不同的，
[0048]-從每個群組計算雙折射角度函數(shù)以獲得多個群組雙折射角度函數(shù)，
[0049]-計算群組雙折射角度函數(shù)的平均值，以及
[0050] -根據(jù)群組雙折射角度函數(shù)的平均值來計算旋轉(zhuǎn)角度函數(shù)。
[0051] 在一實施例中，為了揭露并校正測量偽像，例如明顯的突然角度不連續(xù)或跳躍，在 對于每個群組計算雙折射角度函數(shù)之后并且在計算平均雙折射角度函數(shù)之前，該方法包括 分析多個群組雙折射角度函數(shù)以揭露由這些偽像引起的不連續(xù)。當(dāng)在沿著光纖長度的縱向 位置處揭露了第一群組雙折射角度函數(shù)中的不連續(xù)時，可以校正該不連續(xù)并且可以從被校 正以消除了該不連續(xù)的第一群組角度函數(shù)和從多個群組角度函數(shù)中的其余那些計算平均 值。
[0052] 根據(jù)一實施例，計算雙折射角度函數(shù)還包括：
[0053] -計算兩個不同群組的每對群組雙折射角度函數(shù)之間的差異函數(shù)；
[0054] -分析每個差異函數(shù)以檢測在單模光纖中的縱向位置處的一對中包括的群組雙折 射角度函數(shù)中的不連續(xù)的存在，不連續(xù)表示2 π m的角度跳躍，其中m是整數(shù)；
[0055] -確定一對中的哪個群組雙折射角度函數(shù)包括不連續(xù)，以及
[0056] -標(biāo)記一對中的包含不連續(xù)的群組雙折射角度函數(shù)的不連續(xù)長度區(qū)域，不連續(xù)長 度區(qū)域圍繞并包括與不連續(xù)相對應(yīng)的縱向位置，
[0057] 其中，僅對于不連續(xù)長度區(qū)域之外的縱向位置，在計算群組雙折射角度函數(shù)的平 均值時考慮包含不連續(xù)的雙折射角度函數(shù)。
[0058] 優(yōu)選地，N為從3到7。
[0059] 在優(yōu)選實施例中，每個群組具有相同數(shù)目Μ個測得輸出偏振狀態(tài)。
[0060] 在優(yōu)選實施例中，Μ等于（Ν-1)。
[0061] 在一實施例中，確定一對中的哪個群組雙折射角度函數(shù)包括不連續(xù)包括確定在不 連續(xù)長度區(qū)域中一對中的每個群組雙折射角度函數(shù)的平滑度。
[0062] 優(yōu)選地，扭曲傳感器機械地耦合到至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件。
[0063] 優(yōu)選地，扭曲傳感器被嵌入在耦合填充物中，耦合填充物將傳感器與線纜的至少 三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個機械耦合。更優(yōu)選地，耦合填充物將扭曲傳感器與至少三 個縱向結(jié)構(gòu)元件機械耦合。
[0064] 優(yōu)選地，光纖傳感器的單模光纖與電纜的至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的所述至少一 個機械一致。"機械一致"指的是兩個或更多個移動部分的容量基本上作為整體承受扭矩。 更優(yōu)選地，單模光纖與至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件機械一致。在優(yōu)選實施例中，機械一致是通過 將扭曲傳感器嵌入在耦合填充物中來獲得的。
[0065] 在本說明書和所附權(quán)利要求內(nèi)，"扭曲"指的是當(dāng)線纜的一端被在一個方向上旋轉(zhuǎn) (扭轉(zhuǎn)）并且相反的一端被固定（或者無運動）或者以不同的速率和/或在相反方向上扭 轉(zhuǎn)時引起的應(yīng)力和形變的狀況。當(dāng)線纜長度的第一縱向片段被扭轉(zhuǎn)并且第二縱向片段被固 定或者以不同的速率和/或在相反方向上扭轉(zhuǎn)時，也可引起扭曲。
[0066] 在本說明書和所附權(quán)利要求內(nèi)，"縱向結(jié)構(gòu)元件"一詞指的是電纜的基本上沿著線 纜長度縱向延伸的部件。根據(jù)本說明書和權(quán)利要求的縱向結(jié)構(gòu)元件可對線纜的電傳輸功能 作出貢獻(xiàn)，這從下文中將清楚看出。
[0067] 電纜的至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個是導(dǎo)電芯體。優(yōu)選地，電纜的至少三 個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少兩個是芯體。
[0068] "導(dǎo)電芯體" 一詞指的是電纜的包括至少一個導(dǎo)電元件--例如導(dǎo)電體--并且 通常包括圍繞導(dǎo)電體的至少一個絕緣層的部件。在典型配置中，導(dǎo)電體包括多條搓絞的導(dǎo) 線。
[0069] 在本說明書和所附權(quán)利要求內(nèi)，"機械耦合"指的是光纖傳感器和縱向結(jié)構(gòu)元件以 如下方式彼此關(guān)聯(lián)：施加到縱向結(jié)構(gòu)元件的形變--至少是扭曲形變--的一大部分被傳 輸?shù)絺鞲衅髦小?br> [0070] 在本說明書和權(quán)利要求中，當(dāng)提到具有不同偏振狀態(tài)（S0P)的兩個光學(xué)信號時， 指的是在3維斯托克斯空間中表示第一信號的第一 S0P的斯托克斯向量既不與表示第二信 號的第二S0P的斯托克斯向量平行也不與之反平行。具體地，表示第一 S0P的斯托克斯向 量與表不第二S0P的斯托克斯向量之間的角度大于0°并且小于180°。優(yōu)選地，表不兩個 不同S0P的斯托克斯向量所包的角度是從30°到150°。
[0071] 根據(jù)符合本公開的另一方面，提供了一種用于制造電纜的方法，該線纜具有中心 縱軸并且包括：
[0072] -至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件，至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個是包括導(dǎo)電體的 導(dǎo)電芯體，以及
[0073]-包括單模光纖的扭曲傳感器，所述扭曲傳感器是基本上沿著中心縱軸布置的并 且與至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個機械耦合，
[0074] 該方法包括通過以下步驟來形成光纖扭曲傳感器：
[0075]-以具有第一值的扭轉(zhuǎn)間距和扭轉(zhuǎn)方向來對單模光纖進(jìn)行預(yù)扭轉(zhuǎn)；
[0076] -以至少一個保護層來涂覆單模光纖；
[0077] -將光纖扭曲傳感器嵌入在耦合填充物中；
[0078] -將嵌入了光纖扭曲傳感器的耦合填充物機械地耦合到縱向結(jié)構(gòu)元件，以及
[0079] -以具有基本上等于扭轉(zhuǎn)間距的第一值的第二值的搓絞間距和與扭轉(zhuǎn)方向相反的 搓絞方向繞著耦合填充物搓絞縱向結(jié)構(gòu)元件，由此電纜具有扭轉(zhuǎn)間距基本上等于零的單模 光纖。
[0080] 優(yōu)選地，涂覆單模光纖包括施加緊密緩沖和保護套中的至少一者。
[0081] 優(yōu)選地，預(yù)扭轉(zhuǎn)光纖和涂覆光纖可按任何順序執(zhí)行。
[0082] 優(yōu)選地，扭轉(zhuǎn)間距和搓絞間距具有從2到3轉(zhuǎn)/米的第一值和第二值。
[0083] 優(yōu)選地，電纜具有圓形外橫截面。
[0084] 符合本公開的另一方面涉及一種電纜，該電纜具有中心縱軸并且包括：
[0085] -至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件，至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個是包括導(dǎo)電體的 導(dǎo)電芯體，縱向結(jié)構(gòu)元件是以等于或高于1轉(zhuǎn)/米的搓絞間距搓絞的，以及
[0086] -扭曲傳感器，其包括單模光纖，所述扭曲傳感器是基本上沿著中心縱軸布置的并 且與至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個機械耦合，
[0087] 其中，光纖傳感器包括繞著中心縱軸以等于或低于1轉(zhuǎn)/m的扭轉(zhuǎn)間距扭轉(zhuǎn)的單模 光纖。
[0088] 優(yōu)選地，本公開的線纜的單模光纖具有基本上為0轉(zhuǎn)/m的扭轉(zhuǎn)間距。
[0089] 優(yōu)選地，縱向結(jié)構(gòu)元件具有等于或高于2轉(zhuǎn)/m的搓絞間距。
[0090] 在一些優(yōu)選實施例中，扭曲傳感器被集成在線纜中并且被布置為保持基本上不會 被線纜以其最小彎曲半徑的彎曲所損壞。在這些實施例中，扭曲傳感器位于沿著線纜縱向 延伸的彎曲中性區(qū)域內(nèi)并且具有基本上關(guān)于線纜的彎曲中性軸對稱延伸的橫截面，在圓形 線纜的情況下彎曲中性軸對應(yīng)于電纜的中心縱軸。
[0091] 當(dāng)在本文中使用時，"中性區(qū)域"一詞想要描述圍繞線纜彎曲中性軸（即，圓形線纜 中的中心軸）的如下區(qū)域：在該區(qū)域中，彎曲引發(fā)的伸長最小。
[0092] 根據(jù)本公開的方法可用于在線纜的安裝期間測量線纜扭曲或者在操作期間執(zhí)行 線纜的編程周期性檢查，以例如預(yù)測剩余壽命和/或調(diào)整引導(dǎo)滾筒或者滑輪和易損系統(tǒng)的 未對準(zhǔn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0093] 包含在本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分的附圖圖示了 一些實施例并且與描 述一起用于說明所公開的方法的原理。圖示實施例的附圖是不按比例的示意性表示。
[0094] 對于本描述和所附權(quán)利要求而言，除了另有指示以外，所有表達(dá)數(shù)額、數(shù)量、百分 比等等的數(shù)字都應(yīng)被理解為在所有場合中由"大約"一詞所修飾。另外，所有范圍都包括所 公開的最大和最小點并且包括其中的任何中間范圍，這些在本文中可能具體列舉也可能沒 有具體列舉。
[0095] 圖1是根據(jù)實施例的電纜的示意性橫截面圖。
[0096] 圖2a是公開的示范性電纜中使用的扭曲傳感器的示意性透視圖。
[0097] 圖2b是圖2a所示的扭曲傳感器的示意性橫截面圖。
[0098] 圖3是用于說明根據(jù)公開的示范性實施例的用于監(jiān)視扭曲的方法中的偏振敏感 光學(xué)時域反射測定技術(shù)的裝置的示意圖。
[0099] 圖4是用于說明根據(jù)公開的示范性實施例的用于監(jiān)視扭曲的方法中的偏振敏感 光學(xué)頻域反射測定技術(shù)的裝置的示意圖。
[0100]圖5是示出作為從被耦合填充物（即傳感器耦合填充物組裝件）圍繞的扭曲傳感 器的單模光纖的輸入（Z = 〇)起的距離Z (米）的函數(shù)的雙折射角度（以2 π的倍數(shù)為單 位測量，即以整數(shù)的轉(zhuǎn)數(shù)為單位測量）的曲線圖，這是從以利用P-0FDR技術(shù)的測量裝置取 得的測量值得出的。
[0101] 圖6報告了作為從圖5的傳感器耦合填充物組裝件的單模光纖的輸入起的距離 ζ (米）的函數(shù)的旋轉(zhuǎn)角度的變動（轉(zhuǎn)數(shù)）。
[0102] 圖7(a)是示出對于兩個不同的輸入S0P(實線和虛線），表示作為光纖中的縱向位 置ζ的函數(shù)的雙折射向量的平面投影的兩條連續(xù)曲線的曲線圖。
[0103] 圖7(b)示出了從圖7(a)的兩條曲線測量的旋轉(zhuǎn)角度函數(shù)ψ(ζ)。
[0104] 圖8(a)示出了根據(jù)符合本公開的實施例從單模光纖獲得的示范性群組雙折射角 度函數(shù)W k(z)。
[0105] 圖8(b)示出了圖8(a)的每對角度ψ,(ζ)之間的差異函數(shù)AWk j(z)。
[0106] 圖8(c)報告了根據(jù)符合本公開的實施例中描述的過程從圖8 (a)的群組雙折射角 度函數(shù)計算出的平均雙折射角度Φ (ζ)。

【具體實施方式】
[0107] 圖1示出了根據(jù)示范性實施例的電纜的橫截面圖。此實施例的所示出的線纜可適 用于重負(fù)荷應(yīng)用，更尤其適合于移動設(shè)施。線纜1是圓形線纜，包括繞著線纜的中心縱軸Z 徑向布置的三個導(dǎo)電芯體2(以下也稱為"芯體"）。芯體2可提供三相電力傳輸。線纜1 可以是低電壓或中電壓電力線纜，其中低電壓指最高達(dá)lkV的電壓，并且中電壓指從lkV到 60kV的電壓。每個芯體2包括導(dǎo)電體12,例如由根據(jù)傳統(tǒng)方法絞在一起的一束鍍錫或裸露 的銅電線形成的銅導(dǎo)體。在相對于每個導(dǎo)電體12的徑向外部位置處，順序設(shè)有內(nèi)部半導(dǎo)電 層13、絕緣層16和外部半導(dǎo)電層17。內(nèi)部半導(dǎo)電層13、絕緣層16和外部半導(dǎo)電層17由可 相互擠壓或共同擠壓到導(dǎo)體12上的基于聚合物的材料制成。絕緣層16可以例如是交聯(lián)的 乙丙橡膠（EPR)的；內(nèi)部和外部半導(dǎo)電層12和17可以例如是EPR、乙烯/丙烯/二烯三元 共聚物（EPDM)或者其混合物的，填充有適當(dāng)量的導(dǎo)電填充物，該填充物通常可以是炭黑。
[0108] 或者，每當(dāng)操作條件允許時，絕緣層和半導(dǎo)電層都可由熱塑性化合物制成，例如基 于聚丙烯的化合物。
[0109] 在一些應(yīng)用中，線纜芯體2包括相對于外部半導(dǎo)電層17處于徑向外部位置的至少 一個金屬屏蔽層22。
[0110] 要理解，以上對于芯體2的描述只表示電纜中包括的芯體的可能結(jié)構(gòu)之一，這些 芯體一般可以是用于電力傳輸或接地的相芯體、用于攜帶控制信號的芯體或者用于攜帶電 力和控制信號兩者的芯體。
[0111] 根據(jù)本公開的一個特征，電纜1包括扭曲傳感器5。扭曲傳感器5基本上是沿著中 心縱軸Z布置的。
[0112] 給定電纜的最小彎曲半徑--其一般對應(yīng)于為了避免任何永久損壞而對于線纜 允許的最小曲率半徑P min，中性區(qū)域可被定義為如下區(qū)域：在該區(qū)域中扭曲傳感器經(jīng)歷不 大于2%并且優(yōu)選不大于1%的伸長，這是由于以不小于P min的曲率半徑彎曲引起的。將 應(yīng)變光纖定位在中性區(qū)域內(nèi)防止了其由于線纜彎曲而破裂或永久損壞。
[0113] 優(yōu)選地，扭曲傳感器被沿著線纜布置在從中性軸起的如下徑向距離內(nèi)：該徑向距 離不大于〇. 02 P min并且更優(yōu)選不大于0. 01 P min。
[0114] 在例如圖1所示的圓形線纜中，中心縱軸對應(yīng)于徑向外部芯體的對稱軸和/或如 下文所述其與線纜制造過程相兼容。
[0115] 在本說明書內(nèi)，當(dāng)在扭曲傳感器沿著中心縱軸的布置中提到"基本上" 一詞時，意 思是傳感器布置在圍繞并包括中心縱軸的中性彎曲區(qū)域內(nèi)。
[0116] 線纜彎曲可引起扭曲傳感器的伸長并且因此引起單模光纖的伸長。 申請人:認(rèn)識 至IJ，單模光纖的伸長可決定光纖的雙折射的變動，從而可影響測量到的從光纖后向散射的 光的偏振狀態(tài)。
[0117] 如果扭曲傳感器以如下方式位于線纜內(nèi)，則由彎曲在單模光纖中引起的應(yīng)變被最 小化：該方式使得單模光纖不受線纜到任何不小于最小曲率半徑P min的曲率半徑的彎曲 的影響，其中最小曲率半徑Pmin對應(yīng)于線纜在不發(fā)生永久損壞的情況下可被彎曲到的最小 半徑。通過最小化由彎曲引起的單模光纖的應(yīng)變，可以提高對線纜扭曲的測量的精確度。
[0118] 沿著線纜長度延伸的線纜的如下區(qū)域被定義為線纜的（彎曲）中性區(qū)域：在該區(qū) 域中，單模光纖不會由于線纜彎曲而發(fā)生損壞。在圓形線纜中，在線纜的橫截面平面中，中 性區(qū)域是圍繞中性軸的徑向區(qū)域，中性軸在本實施例中對應(yīng)于中心縱軸Z。
[0119] 優(yōu)選地，在光學(xué)線纜的中性區(qū)域內(nèi)，由于Pmin的彎曲，扭曲傳感器經(jīng)歷等于或低于 2%的伸長，更優(yōu)選為等于或小于1 %的伸長。
[0120] 申請人:觀察到，對于重負(fù)荷線纜、尤其是對于移動設(shè)備中的應(yīng)用所規(guī)定的Pmin的 值可相對較低，例如250mm，從而，為了保證扭曲傳感器的抗彎曲性，中性區(qū)域從中心縱軸起 可具有相對小的徑向距離，例如不大于5_。例如，始終參考圓形線纜，對于p min = 300mm, 則為了具有1 %的伸長，徑向距離是3mm。
[0121] 在一些優(yōu)選實施例中，中性區(qū)域被沿著線纜長度布置在從中心縱軸（即，中性軸） 起不大于〇. 02 p nin并且優(yōu)選不大于0. 01 p _的距離內(nèi)。
[0122] 另外，關(guān)于用于電力和/或控制信號的傳輸?shù)男倔w2,電纜1可以可選地包括至少 一個接地導(dǎo)體7。在圖1所示的實施例中，線纜包括兩個接地導(dǎo)體7,例如采取一束搓絞的 鍍錫或裸露銅電線的形式。尤其對于中電壓應(yīng)用，接地導(dǎo)體的一束電線可被半導(dǎo)電層（圖 中未示出）圍繞。接地導(dǎo)體7相對于扭曲傳感器5布置在徑向外部，并且沿著線纜縱向與 芯體2搓絞在一起。芯體2以及接地導(dǎo)體7 (當(dāng)存在時）繞著線纜的中心縱軸Z并且繞著 扭曲傳感器螺旋形卷繞，這在本說明書中稍后將說明。
[0123] 電纜還可包括光纖元件3,其包括多條光纖，例如從6到24條光纖，用于控制信 號、語音和其他數(shù)據(jù)信號的傳輸。光纖元件3可與芯體2搓絞在一起，并且當(dāng)接地導(dǎo)體7 存在時與接地導(dǎo)體7搓絞在一起?？蛇x地，線纜可包括光纖溫度傳感器。例如，溫度傳感 器可由布置在光纖元件3的縱向延伸模塊中的松套管緩沖構(gòu)造中的單個光纖來提供，如W0 2010/136062 中所述。
[0124] 芯體2以及接地導(dǎo)體7 (如果存在的話）和/或光纖元件3被統(tǒng)稱為電纜的縱向 結(jié)構(gòu)元件。
[0125] 扭曲傳感器5以使得線纜經(jīng)歷的扭曲被傳遞到單模光纖的方式嵌入在線纜中。為 此，扭曲傳感器優(yōu)選與線纜中的至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個機械上一致，使得該 至少一個縱向結(jié)構(gòu)元件經(jīng)歷的扭曲被至少部分地--但顯著地--傳遞到扭曲傳感器。根 據(jù)本公開的優(yōu)選實施例，機械一致是通過向線纜提供耦合填充物6來實現(xiàn)的，該耦合填充 物6將扭曲傳感器5與電纜的至少一個縱向結(jié)構(gòu)元件機械耦合。優(yōu)選地，耦合填充物將扭 曲傳感器與電纜中集成的每個芯體機械耦合，更優(yōu)選地，將扭曲傳感器與每個周向布置的 縱向結(jié)構(gòu)元件機械耦合。
[0126] 在一些優(yōu)選實施例中，為了提高扭曲傳感器的伸長與線纜的伸長之間的相關(guān)性， 耦合填充物與至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個之間的接觸使得不發(fā)生顯著的滑動損 耗。在許多感興趣的情況下，傳感器與元件之間的滑動損耗的實質(zhì)性缺失意味著以它們之 間的摩擦或粘結(jié)而粘合。由于元件之間沒有顯著滑動損耗而引起基本上相同的形變的兩個 元件之間的機械耦合在本文中被稱為機械一致。
[0127] 根據(jù)電纜的幾何構(gòu)造和線纜中集成的縱向結(jié)構(gòu)元件的數(shù)目，圖1的線纜的耦合填 充物6具有大致為三葉草的形狀。
[0128] 耦合填充物6由具有對如下最大應(yīng)變發(fā)生反應(yīng)的彈性屬性的材料制成：對于該最 大應(yīng)變，線纜表現(xiàn)出彈性行為，而且填充物沒有永久形變（即，形變的可逆性）。耦合填充物 材料被選擇為沿著經(jīng)歷伸長的線纜適當(dāng)?shù)厣煺共⑶以谕獠坷燧d荷被去除時基本上恢復(fù) 形變，至少對于與允許的最大應(yīng)變相對應(yīng)的拉伸載荷是如此，超過該拉伸載荷時線纜的永 久且不可逆的形變發(fā)生。
[0129] f禹合填充物6可基于聚合材料，該材料有利地被繞著扭曲傳感器5擠壓。在一些實 施例中，選擇熱固性彈性體，因為觀察到它們會粘著于縱向結(jié)構(gòu)元件的表面。例如，注意到， 熱固性彈性體提供了與通常圍繞一些電纜的芯體的半導(dǎo)電性材料的適當(dāng)粘著，同時表現(xiàn)出 對于芯體的半導(dǎo)電性外部表面沒有損害的摩擦。有利地，耦合填充物的材料對于在線纜制 造期間--例如在通常在大約100-200°C執(zhí)行的電纜的外護套的固化期間--可發(fā)生的熱 處理有抵抗力。
[0130] 優(yōu)選地，耦合填充物包括通過蒸汽壓力、用電子束照射、鹽浴浸漬或硅烷交聯(lián)系統(tǒng) 交聯(lián)的熱固性彈性體。一般地，耦合填充物優(yōu)選由具有〇.〇1到〇.7GPa之間的彈性模量的彈 性體制成。例如，耦合填充物是從由以下各項構(gòu)成的群組中選擇的：三元乙丙橡膠（EPDM)、 乙丙橡膠（EPR)、腈基丁二烯橡膠（NBR)。
[0131] 雖然熱固性彈性體由于其耐溫性、粘著性和大彈性范圍是優(yōu)選的，但并不排除使 用熱塑性彈性體。熱塑性彈性體的示例包括苯乙烯-二烯-苯乙烯三嵌段共聚物；熱塑性 聚酯彈性體和熱塑性聚氨酯彈性體；以及熱塑性聚烯烴橡膠（聚烯烴共混物）。
[0132] 在一些實施例中，耦合填充物6可以是導(dǎo)電的。
[0133] 間隙區(qū)域11被填充以聚合填充物，例如基于EPR的化合物。外套14是例如通過擠 壓來提供的。為了增大電纜對于機械應(yīng)力的抵抗性，外套14優(yōu)選由固化的聚合材料制成， 該材料優(yōu)選基于加強的重負(fù)荷熱固性彈性體，例如高密度聚乙烯（HDPE)、聚氯丁烯、聚氨酯 或者基于NBR的化合物。
[0134] 可以提供例如加強紗線的辮子或雙螺旋形式的鎧裝15,所述紗線例如是金屬或聚 酯紗線，例如由Kevlar? (聚芳酰胺）制成。
[0135] 圖2a和2b分別示出了根據(jù)本公開的優(yōu)選實施例的集成在圖1的電纜中的扭曲傳 感器5的部分透視圖和橫截面。扭曲傳感器5包括單模光纖9,當(dāng)扭曲傳感器被集成在線纜 中時，單模光纖9基本上是沿著線纜的中心縱軸Z布置的。扭曲傳感器5的光纖9是基于 二氧化硅的光纖，典型標(biāo)稱直徑為125μπι，被涂覆有涂覆系統(tǒng)。在一些實施例中，光纖9是 遵從G. 652、G. 653或者G. 655ITU-T (國際電信聯(lián)盟，ITU電信部）推薦的單模傳輸光纖。
[0136] 優(yōu)選地，扭曲傳感器的單模光纖具有增強的彎曲性能，表現(xiàn)出低彎曲損耗。在一些 實施例中，光纖遵從G. 657ITU-T推薦。
[0137] 在一些實施例中，涂覆系統(tǒng)是由被次涂層所圍繞的主涂層形成的，該次涂層通常 與主涂層粘著接觸。（被涂覆的）光纖的外直徑可以是250+/-10 μ m或200+/-10 μ m。
[0138] 優(yōu)選地，單模光纖包括由被布置為與光纖的所述外玻璃部（即包層）接觸的單涂 覆層形成的涂覆系統(tǒng)。在優(yōu)選實施例中，單涂覆層具有_40°C至+60°C之間（包含）、5MPa 至600MPa之間的彈性模量值，如W0 04/031091中所述。
[0139] 在優(yōu)選實施例中，光纖9被圍繞涂覆系統(tǒng)的緩沖層10緊密緩沖，用于改善對光纖 的機械保護，例如對抗微彎曲損耗。緩沖層到光纖--即到光纖的涂覆系統(tǒng)--的均一粘 著對于確保光纖與耦合填充物之間的機械一致尤其重要。
[0140] 例如，緩沖層10被擠壓或施加在250μπι涂覆光纖上，將外部直徑增大到 600-1000 μ m，典型值為 800-900 μ m。
[0141] 優(yōu)選地，緩沖層被選擇為在實質(zhì)上沒有蠕變、滑動或剝離的情況下粘著到光纖的 涂覆系統(tǒng)。優(yōu)選地，緩沖層基于能夠表現(xiàn)出足以耐受在線纜制造期間發(fā)生的熱處理的耐熱 性的耐熱材料。
[0142] 優(yōu)選地，緩沖層由輻射固化丙烯酸鹽聚合物制成。
[0143] 例如，緊密緩沖由如W0 2005/035461中所述的UV固化丙烯酸鹽聚合物構(gòu)成，或者 由如W0 2008/037291中所述的填充有阻燃劑填充物的聚合基質(zhì)構(gòu)成。
[0144] 在光纖涂覆系統(tǒng)與緊密緩沖層之間可設(shè)有助粘層。
[0145] 重負(fù)荷線纜被設(shè)計為承受壓縮線纜內(nèi)部的縱向結(jié)構(gòu)元件的橫向負(fù)荷和張力。在一 些情況中，最好扭曲傳感器保持基本不受線纜的橫向壓縮的影響，線纜的橫向壓縮當(dāng)影響 單模光纖時可由于微彎曲而引起光學(xué)損耗。另外，當(dāng)扭曲傳感器的光纖被壓縮時，雙折射的 局部變動可引起比要測量的扭曲引起的更大的偏振變化。
[0146] 在一些優(yōu)選實施例中，保護扭曲傳感器免受橫向負(fù)載，橫向負(fù)載可引起微彎曲損 耗。優(yōu)選地，可以有利地提供被設(shè)計為提高對橫向壓縮的抵抗力的保護套8來圍繞被可選 地緊密緩沖的光纖。
[0147] 在圓形線纜中，例如圖1中所示的那種，在橫切縱向線纜方向的方向上的橫向壓 縮通常在徑向向內(nèi)方向上發(fā)生。
[0148] 申請人:觀察到，扭曲傳感器在線纜制造過程期間的耦合填充物的擠壓的步驟中可 用作拉拔強度構(gòu)件。根據(jù)此實施例，最好采取措施以避免扭曲傳感器材料在耦合填充物的 擠壓過程期間不軟化，以確保均一的拉拔力。保護套8的存在和對形成所述護套的材料的 適當(dāng)選擇可有利地為扭曲傳感器提供足以提高對橫向壓縮的抵抗力和允許扭曲傳感器在 電纜的制造過程中充當(dāng)拉拔強度構(gòu)件的拉伸強度。
[0149] 為了確保單模光纖與耦合填充物之間的機械一致，保護套的材料被選擇為提供與 被可選地緩沖的光纖的強力且相對均一的粘著。
[0150] 在優(yōu)選實施例中，保護套8由纖維加強復(fù)合物制成，其中纖維可以是碳、石墨、硼 或玻璃（非光學(xué)）纖維。
[0151] 在一實施例中，保護套8是玻璃加強聚合物（GRP)，其中聚合物被嵌入在聚合物中 的玻璃纖維所加強。已觀察到，扭曲傳感器的相對較高的拉伸剛度通過與光纖縱軸平行部 署的加強纖維的存在來實現(xiàn)，從而在扭曲傳感器被用作耦合填充物的擠壓步驟中的拉拔強 度構(gòu)件時使線纜的制造更容易。保護套8可被拉擠成型到緩沖層10上并且與其直接接觸。
[0152] 可選地，被其中嵌入有扭曲傳感器的耦合填充物所圍繞的保護套的外表面包括多 個溝槽或切口或者被處理為具有粗糙表面以便增大保護套與耦合填充物的粘著性。替換地 或附加地，在保護套上可以可選地設(shè)有助粘層。
[0153] 為了向扭曲傳感器提供要求的靈活性，優(yōu)選地保護套由具有彈性屬性的基于聚合 物的材料制成。優(yōu)選地，嵌入加強纖維的聚合物是交聯(lián)樹脂，尤其是UV固化交聯(lián)樹脂或者 熱固性交聯(lián)樹脂，其一般提供對于壓縮的抵抗力。交聯(lián)樹脂可以是不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂或 者乙稀基醋。
[0154] 已觀察到，為了提高扭曲傳感器的靈活性，保護套在由基于聚合物的材料制成時 的厚度優(yōu)選包含在500到1000 μ m之間。例如，保護套是將被緩沖的光纖的外直徑增大到 達(dá) L 8-2. 5mm 的 GRP 層。
[0155] 優(yōu)選的是，圍繞傳感器的光纖的保護套防止在制造過程中尤其是在一些線纜組件 (例如內(nèi)護套和外護套）的固化過程中使用的溫度下的光纖收縮。
[0156] 選擇耐受固化溫度的高溫品級交聯(lián)樹脂，例如由Polystal Composites GmbH制造 的高溫Po丨ystal_? GRP。
[0157] 由于對扭曲傳感器和耦合填充物的材料的適當(dāng)選擇--這提供了不同元件之間 的機械一致，實現(xiàn)了扭矩的高效傳遞。
[0158] 例如，扭曲傳感器的保護套是具有72, 400MPa的楊氏模量的纖維加強熱塑性聚合 物，耐耦合填充物是具有671MPa的楊氏模量的熱固性彈性體。保護套的橫截面積為3. 4mm2， 并且耦合填充物的橫截面積為75mm2,對于保護套提供了 250kN的軸向剛度，并且對于耦合 填充物提供了 50kN的軸向剛度。如果纖維加強熱塑性聚合物對于耦合填充物和對于下面 的層（例如緩沖層）具有良好的粘著，則熱塑性聚合物攜帶著耦合填充物，即使其橫截面積 小得多。
[0159] 在一實施例中，耦合填充物是從由以下各項構(gòu)成的組中選擇的：具有從1到5GPa 的楊氏模量的聚酯，具有從2到4GPa的楊氏模量的聚酰胺，具有從0. 003到0. OIGPa的楊 氏模量的聚氯乙烯（PVC)、具有從0. 1到0. 3GPa的楊氏模量的低密度聚乙烯、以及具有從 0. 4到1. 2GPa的楊氏模量的高密度聚乙烯。優(yōu)選地，采用交聯(lián)聚合材料。
[0160] 根據(jù)另一實施例，為了向扭曲傳感器提供對于橫向負(fù)荷的抵抗力和拉拔強度，扭 曲傳感器的保護套可以是圍繞被可選地緩沖的光纖的緩沖層的金屬管（圖中未示出的實 施例）。在此情況下，金屬管包含--可選地在壓力下--能夠提供所尋求的金屬管與其中 包含的光纖之間的機械一致的凝膠或凝膠狀材料。在優(yōu)選實施例中，金屬管由不銹鋼制成。
[0161] 優(yōu)選地，由圍繞被涂覆的光纖的緩沖層、保護套和耦合填充物構(gòu)成的組中只有一 個是由具有塑料屬性的材料制成的。
[0162] 雖然在一些優(yōu)選實施例中，就像圖2a和2b所示的構(gòu)造中那樣，扭曲傳感器包括緩 沖層以便提高扭曲傳感器的強度和彈性，但要理解，扭曲傳感器可包括涂覆有直接被保護 套圍繞的涂覆系統(tǒng)的光纖。
[0163] 圖3是示出使用P-0TDR技術(shù)來測量線纜長度上的旋轉(zhuǎn)變化的測量裝置的操作原 理的示意性框圖。測量裝置30包括激光源31，激光源31善于生成光學(xué)脈沖，該光學(xué)脈沖優(yōu) 選具有窄帶寬并且更優(yōu)選具有可選擇的持續(xù)時間。脈沖的持續(xù)時間與沿著感測光纖的脈沖 的縱向延伸有關(guān)，從而影響空間分辨率。一般來說，窄脈沖提供比更寬脈沖更高的空間分辨 率。然而，由于更寬的脈沖提供比窄脈沖更大的強度，所以在一些實施例中，脈沖持續(xù)時間 被選擇為平衡光學(xué)脈沖的強度（考慮光在光纖中行進(jìn)時的衰減）和期望的空間分辨率。
[0164] 例如，激光源可以是外部空腔激光器（例如Yenista Tunics系列）或者DFB激光 二極管，生成從3到1000ns的時間長度的脈沖。激光譜線寬度小于幾 GHz -般是有益的， 小于幾 MHz是更有益的。眾所周知，傳播的波的偏振狀態(tài)（S0P)是沿著傳播方向與波一起 隨時間移動的固定平面中的電場的橫向分量之間的關(guān)系。
[0165] 在優(yōu)選實施例中，激光源生成具有一個偏振狀態(tài)的光學(xué)脈沖?？梢钥蛇x地由偏振 控制器裝置32來改變光學(xué)脈沖的S0P，該偏振控制器裝置32光學(xué)耦合到激光源31。
[0166] 在另一實施例中，激光源31善于生成未偏振的光學(xué)脈沖。然后由光學(xué)耦合到激光 源的偏振控制器裝置32選擇單個S0P。例如，偏振控制器是Agilent 8169A或者Thorlab DPC5500或者來自FiberLogix的更簡單的機械偏振控制器。
[0167] 在任一實施例中，創(chuàng)建具有輸入S0P的探測輸入脈沖。在測量裝置包括光學(xué)耦合 到激光源的偏振控制器的情況下，給定的輸入S0P對應(yīng)于偏振控制器的給定配置。探測脈 沖隨后通過第一輸入端口 37進(jìn)入光學(xué)分離器/組合器裝置35,并且其隨后通過光學(xué)分離器 /組合器的第一輸出端口 39被發(fā)射到線纜36中包括的扭曲傳感器的感測單模光纖的輸入 端中（未示出扭曲傳感器）。光學(xué)分離器/組合器裝置35可包括光學(xué)循環(huán)器，例如三端口 光學(xué)循環(huán)器。在一實施例中，線纜是參考圖1描述的電纜。更一般而言，線纜36包括至少 三個縱向元件和包括基本上沿著線纜的中心軸布置的單模光纖的扭曲傳感器，光纖傳感器 機械耦合到至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個。
[0168] 具有輸入S0P的探測脈沖沿著單模光纖行進(jìn)并且由于光纖中的折射率波動而發(fā) 生瑞利后向散射。
[0169] 束分離器/組合器35使來自單模光纖的后向散射場偏轉(zhuǎn)到偏振分析器裝置34。 在圖中所示的實施例中，光學(xué)分離器/組合器是三端口光學(xué)循環(huán)器并且后向散射場進(jìn)入循 環(huán)器的第一輸出端口 38 (其是輸入/輸出端口），以被偏轉(zhuǎn)到與偏振分析器34光學(xué)f禹合的 第二輸出端口 39。
[0170] 偏振分析器將后向散射場的S0P變動轉(zhuǎn)換成功率波動。例如，偏振分析器包括校 準(zhǔn)波片、偏振束分離器和/或偏振波片。從偏振分析器出來的光學(xué)信號的功率波動被光學(xué) 接收器33記錄，光學(xué)接收器33光學(xué)耦合到偏振分析器34。
[0171] 例如，偏振分析器善于通過以本身已知的方式將信號的分量分析到與三個偏振狀 態(tài)相對應(yīng)的三個特征值上來測量三個偏振狀態(tài)上的進(jìn)入信號。
[0172] 優(yōu)選地，光學(xué)接收器33是檢測后向散射功率信號的光電二極管。例如，適當(dāng)?shù)墓?學(xué)接收器是雪崩光電二極管（APD)。
[0173] 在一些實施例中，可能優(yōu)選對探測脈沖和/或后向散射信號進(jìn)行光學(xué)放大，以增 大信號噪聲比（SNR)和測量的整體可重復(fù)性?？蛇x地，探測脈沖和/或后向散射信號的空 間濾波可通過在偏振控制器的下游和/或偏振分析器的下游引入空間光學(xué)濾波器來完成。
[0174] 由光學(xué)接收器記錄的原始數(shù)據(jù)，即由S0P變動引起的后向散射場的功率波動，被 下載在中央處理單元中，該中央處理單元例如被包括在個人計算機（圖中未示出）中，其中 通過使用從標(biāo)準(zhǔn)的偏振測定術(shù)本身已知的算法來計算作為時間的函數(shù)的后向散射場的S0P 的演化。
[0175] 通過知道單模光纖的折射率，即光學(xué)脈沖在光纖內(nèi)的速度，可以將后向散射場的 S0P的時間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到空間坐標(biāo)，從而作為沿著光纖的發(fā)生散射的縱向位置的函數(shù)，即作為 與散射點的距離的函數(shù)，來計算S0P。由于從感測光纖發(fā)出的S0P是從反射測定術(shù)測量直接 得出的，所以在本說明書和權(quán)利要求內(nèi)，我們也將稱后向散射場的"測得" S0P，在下文中也 稱為輸出S0P。
[0176] 在實踐中，許多P-0TDR被設(shè)置成使得在測量期間，具有預(yù)定的輸入SOP的相同探 測信號被注入許多次，例如幾百次，并且相應(yīng)的后向散射信號被檢測。對其測量輸出S0P的 后向散射光學(xué)信號是檢測到的光學(xué)信號的平均值。這提高了測量到的輸出S0P的SNR。例 如，
[0177] -些商業(yè)P-0TDR反射計需要大約1分鐘來對于每個輸入S0P測量輸出S0P。
[0178] 后向散射場的輸出SOP經(jīng)由提供關(guān)于被探測光纖的雙折射軸的旋轉(zhuǎn)的信息的 數(shù)學(xué)關(guān)系與輸入S0P相關(guān)?？梢允褂酶鞣N方法來計算旋轉(zhuǎn)，例如R.M.J 〇ps〇n等人在 于 IEEE Photonics Technology Letters, vol. 11(1999)，pages 1153-1155 中發(fā)表的 "Measurements of Second-Order Polarization-Mode Dispersion Vectors in Optical Fibers"中描述的MUller矩陣方法，其確定了將輸入SOP與輸出SOP關(guān)聯(lián)起來并且表示后 向散射場的往返傳播的3x3旋轉(zhuǎn)矩陣。
[0179] 從測量到的往返量取得關(guān)于單模光纖的雙折射的角度沿著光纖長度的分布的信 息可通過使用已知的數(shù)學(xué)模型及其算法來實現(xiàn)。
[0180] 如 A. Galtarossa 等人的"Reflectometric measurement of birefringence rotation in single-mode fibers"，Optics Letters, vol. 33 (2008)，pages 2284-2286 中 所述，根據(jù)從通過偏振敏感反射測定術(shù)進(jìn)行的測量直接得到的后向散射場的S0P，可以計算 出在引用的文章的式（4)中定義的"等效"雙折射向量其中Z是沿著光纖縱軸從散射 點到光纖輸入端的距離。從測量值得出的向量&(3與感測光纖的局部雙折射向量0(3直接 相關(guān)并且包含關(guān)于沿著光纖長度的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的變動的信息，該變動由4(3的線性分量的 局部演化表示。
[0181] 等效雙折射向量\(2)的數(shù)學(xué)表示是在3維斯托克斯空間中的，其中是空 間的標(biāo)準(zhǔn)正交基，其中單位向量&、？2和&分別對應(yīng)于水平線性偏振、45°線性偏振和右旋 圓偏振?？v向坐標(biāo)z映射沿著光纖的采樣點。
[0182] 等效雙折射向量心匕)根據(jù)定義是線性的（即，其第三分量為零）并且其相對于之 旋轉(zhuǎn)了角度Ψ (z)。表示光纖雙折射向量在與圓偏振軸垂直的平面中的投影的4&)和向量 天所包的角度函數(shù)Ψ (z)可表達(dá)為：
[0183] ψ (ζ) = η (z)十（2_g) Θ (z)， (1)
[0184] 其中η (ζ)是光纖雙折射的本征取向，g?0. 15是文獻(xiàn)中已知的彈光系數(shù)，并且 θ (ζ)是表示光纖在ζ上物理扭轉(zhuǎn)的角度的旋轉(zhuǎn)角度函數(shù)。在下文中，可通過已知算法從反 射測定術(shù)測量值直接得出并且表示光纖雙折射（等效）向量的旋轉(zhuǎn)角度的Ψ(ζ)被稱為雙 折射角度函數(shù)。
[0185] 由于角度η (ζ)獨立于施加到光纖的旋轉(zhuǎn)θ (ζ)，所以一旦已知在ζ上感測光纖的 雙折射的本征取向，就可將Π (ζ)項視為常數(shù)函數(shù)并且可根據(jù)從檢測到的后向散射場的測 量值得出的Ψ(ζ)的值直接計算出物理旋轉(zhuǎn)θ (ζ)。
[0186] 為了確定等效雙折射向量并從而計算出旋轉(zhuǎn)角度函數(shù)，執(zhí)行對與探測場的兩個不 同輸入S0P相對應(yīng)的后向散射場的輸出S0P的至少兩次測量。對與具有不同偏振的兩個探 測信號相對應(yīng)的至少兩個后向散射信號的檢測允許了對定義雙折射向量的旋轉(zhuǎn)所必要的 三個自由度的測量并從而允許了對雙折射角度函數(shù)的確定。
[0187] 如果例如向光纖施加 n轉(zhuǎn)，則雙折射角度函數(shù)可被表達(dá)為：
[0188]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于監(jiān)視具有中心縱軸的線纜的扭曲狀態(tài)的方法，該方法包括： -提供線纜，該線纜包括沿著線纜縱向延伸的扭曲傳感器，所述扭曲傳感器包括基本上 沿著所述線纜的中心縱軸布置的單模光纖，所述線纜還包括至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件，所述 縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個是導(dǎo)電芯體，其中所述扭曲傳感器與所述縱向結(jié)構(gòu)元件中的至 少一個機械稱合； -通過偏振敏感光學(xué)反射測定術(shù)來測量所述單模光纖的扭曲狀態(tài)，以及 -將所述線纜沿著所述縱軸的扭曲狀態(tài)與測量到的所述單模光纖的扭曲狀態(tài)關(guān)聯(lián)起 來。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述扭曲傳感器機械耦合到所述至少三個縱向結(jié) 構(gòu)元件。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述扭曲傳感器被嵌入在耦合填充物中，所述耦合 填充物將所述扭曲傳感器與所述至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個機械耦合。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在將所述線纜的扭曲狀態(tài)與測量到的所述單模光 纖的扭曲狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來之前將測量到的所述單模光纖的扭曲狀態(tài)與所述單模光纖的參考 扭曲狀態(tài)相比較。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，測量所述單模光纖的扭曲狀態(tài)包括： -將具有預(yù)定的輸入偏振狀態(tài)的探測光學(xué)信號注入到所述單模光纖的一端之中； -檢測與注入的探測光學(xué)信號相對應(yīng)的后向散射光學(xué)信號；以及 -通過偏振敏感光學(xué)反射測定術(shù)來測量所述后向散射光學(xué)信號的偏振狀態(tài)。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中，注入和檢測的步驟包括注入具有不同輸入偏振狀 態(tài)的多個探測光學(xué)信號并且檢測相應(yīng)的多個后向散射光學(xué)信號。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，測量所述單模光纖的扭曲狀態(tài)包括： -將具有不同的輸入偏振狀態(tài)的多個探測光學(xué)信號注入到所述單模光纖的一端之中； -檢測多個后向散射光學(xué)信號，所述多個后向散射光學(xué)信號中的每一個具有輸出偏振 狀態(tài)； -測量所述后向散射光學(xué)信號的輸出偏振狀態(tài)； -根據(jù)測量到的輸出偏振狀態(tài)來計算作為所述單模光纖的縱向位置的函數(shù)的雙折射角 度函數(shù)，以及 -根據(jù)所述雙折射角度函數(shù)來計算作為所述單模光纖中的縱向位置的函數(shù)的所述單模 光纖的旋轉(zhuǎn)角度函數(shù)，以及 -將所述線纜的扭曲狀態(tài)與計算出的旋轉(zhuǎn)角度函數(shù)關(guān)聯(lián)起來。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，還包括，在注入多個偏振探測光學(xué)信號之前，準(zhǔn)備與所述 線纜的參考旋轉(zhuǎn)狀態(tài)相關(guān)的參考雙折射角度函數(shù)，其中計算旋轉(zhuǎn)角度函數(shù)包括計算所計算 出的雙折射角度函數(shù)相對于所述參考雙折射角度函數(shù)的變動。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述多個偏振探測光學(xué)信號是具有不同的輸入偏 振狀態(tài)的N個探測光學(xué)信號，其中N > 3,使得測量到的輸出偏振狀態(tài)的數(shù)量等于N，并且所 述方法還包括： -將N個測得的輸出偏振狀態(tài)分組在測得的輸出偏振狀態(tài)的G個群組中，每個群組包括 至少兩個測得的輸出偏振狀態(tài)，每個群組與其余的（G-1)個群組在至少一個測得的輸出偏 振狀態(tài)上是不同的， -從每個群組計算雙折射角度函數(shù)以獲得多個群組雙折射角度函數(shù)， -計算所述群組雙折射角度函數(shù)的平均值，以及 -根據(jù)所述群組雙折射角度函數(shù)的平均值來計算所述旋轉(zhuǎn)角度函數(shù)。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中 計算雙折射角度函數(shù)還包括： -分析所述多個群組雙折射角度函數(shù)以揭露群組雙折射角度函數(shù)中的不連續(xù)； -當(dāng)在沿著光纖長度的縱向位置處揭露了第一群組雙折射角度函數(shù)中的不連續(xù)時，校 正所述不連續(xù)，以及 -從所述第一群組角度函數(shù)和從所述多個群組角度函數(shù)中的其余那些群組角度函數(shù)計 算平均值包括消除所述不連續(xù)。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中 計算雙折射角度函數(shù)還包括： -計算兩個不同群組的每對群組雙折射角度函數(shù)之間的差異函數(shù)； -分析每個差異函數(shù)以檢測在所述單模光纖中的縱向位置處的一對中包括的群組雙折 射角度函數(shù)中的不連續(xù)的存在，所述不連續(xù)表示2 π m的角度跳躍，其中m是整數(shù)； -確定所述一對中的哪個群組雙折射角度函數(shù)包括所述不連續(xù)，以及 -標(biāo)記所述一對中的包含所述不連續(xù)的群組雙折射角度函數(shù)的不連續(xù)長度區(qū)域，所述 不連續(xù)長度區(qū)域圍繞并包括與所述不連續(xù)相對應(yīng)的縱向位置， 其中，僅對于所述不連續(xù)長度區(qū)域之外的縱向位置，在計算所述群組雙折射角度函數(shù) 的平均值時考慮包含所述不連續(xù)的雙折射角度函數(shù)。
12. -種用于制造電纜的方法，該電纜具有中心縱軸并且包括： -至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件，所述至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個是包括導(dǎo)電體的 導(dǎo)電芯體，以及 -包括單模光纖的扭曲傳感器，所述扭曲傳感器是基本上沿著所述中心縱軸布置的并 且與所述至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個機械耦合， 所述方法包括通過以下步驟來形成所述扭曲傳感器： -以具有第一值的扭轉(zhuǎn)間距和扭轉(zhuǎn)方向來對所述單模光纖進(jìn)行預(yù)扭轉(zhuǎn)； -以至少一個保護層來涂覆所述單模光纖； -將所述光纖扭曲傳感器嵌入在耦合填充物中； -將嵌入了所述光纖扭曲傳感器的所述耦合填充物機械地耦合到縱向結(jié)構(gòu)元件，以及 -以具有基本上等于所述扭轉(zhuǎn)間距的第一值的第二值的搓絞間距和與所述扭轉(zhuǎn)方向相 反的搓絞方向繞著所述耦合填充物搓絞所述縱向結(jié)構(gòu)元件，由此所述電纜具有扭轉(zhuǎn)間距基 本上等于零的單模光纖。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，涂覆所述單模光纖包括施加緊密緩沖和保護套 中的至少一者。
14. 如權(quán)利要求12或13所述的方法，其中，預(yù)扭轉(zhuǎn)所述光纖和涂覆所述光纖能夠按任 何順序執(zhí)行。
15. 如權(quán)利要求12至14中的任何一項所述的方法，其中，所述扭轉(zhuǎn)間距和所述搓絞間 距具有從2到3轉(zhuǎn)/米的第一值和第二值。
16. -種電纜，具有中心縱軸并且包括： -至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件，所述至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個是包括導(dǎo)電體的 導(dǎo)電芯體，所述縱向結(jié)構(gòu)元件是以等于或高于1轉(zhuǎn)/米的搓絞間距搓絞的，以及 -扭曲傳感器，包括單模光纖，所述扭曲傳感器基本上沿著所述中心縱軸布置并且與所 述至少三個縱向結(jié)構(gòu)元件中的至少一個機械耦合， 其中，所述光纖傳感器包括繞著所述中心縱軸以等于或低于1轉(zhuǎn)/m的扭轉(zhuǎn)間距扭轉(zhuǎn)的 單模光纖。
17. 如權(quán)利要求16所述的電纜，其中，所述電纜的光纖具有基本上為0轉(zhuǎn)/m的扭轉(zhuǎn)間 距。
18. 如權(quán)利要求16或17所述的電纜，其中，所述縱向結(jié)構(gòu)元件具有等于或高于2轉(zhuǎn)/m 的搓絞間距。
【文檔編號】G01M5/00GK104220858SQ201280071184
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月5日
【發(fā)明者】D·薩爾基, L·帕爾米里 申請人:普睿司曼股份公司