一種提高分布式光纖傳感系統(tǒng)空間分辨率和定位精度的光纖傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及分布式光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種提高分布式光纖傳感系統(tǒng)空間定位精度和空間分辨率的光纖傳感器及其制作方法，本光纖傳感器主要用于提高分布式光纖實(shí)時(shí)在線溫度、振動、應(yīng)力/應(yīng)變等在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的空間定位精度和空間分辨率，從而實(shí)現(xiàn)對預(yù)警事件的精確定位。
【背景技術(shù)】
[0002]21世紀(jì)新近發(fā)展的分布式光纖傳感技術(shù)，可連續(xù)、精確感測沿傳感光纖的空間的溫度、振動、應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，而且所采用的傳感光纖具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、耐高壓高溫和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，為熱力管道、原油、天然氣管道、埋地高壓電纜等的安全在線監(jiān)測預(yù)警和事件的精確定位提供了一種全新的技術(shù)手段。
[0003]分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還具有對光纖沿線各點(diǎn)溫度、振動、應(yīng)變的分布式傳感能力，光纖既是傳輸信息的導(dǎo)體，又是分布式測量的傳感器。它能夠連續(xù)測量光纖沿線溫度、振動、應(yīng)變的變化，根據(jù)所監(jiān)測物理參數(shù)的不同，光纖傳感系統(tǒng)的測量距離從幾公里到上百公里；目前各種光纖傳感系統(tǒng)的空間定位達(dá)到幾米至幾十米的高分辨率，特別適用于需要大范圍、連續(xù)式測量的應(yīng)用。
[0004]然而，針對一些重要設(shè)施的安全監(jiān)測項(xiàng)目，監(jiān)測系統(tǒng)不但要監(jiān)測溫度、振動、應(yīng)變等數(shù)據(jù)的變化，提供安全預(yù)警，而且要精確定位，方便主管部門快速找到安全隱患點(diǎn)，及時(shí)排除隱患，一旦發(fā)生了安全事故，也能及時(shí)準(zhǔn)確的找到故障點(diǎn)，快速組織搶險(xiǎn)搶修，恢復(fù)正常生產(chǎn)和生活，把事故的影響和損失降到最低。比如埋地管道、埋地電纜、海底管道、海底光電纜的事故隱患和故障定位、周界安防系統(tǒng)非法入侵點(diǎn)的定位，因?yàn)楸粶y對象不但距離很長，而且還埋于地下或者敷設(shè)在海底，看不見摸不著，快速精確的定位異常點(diǎn)的位置，就顯得尤為重要。光纖傳感系統(tǒng)事件定位的原理是:光的速度V是恒定的，光脈沖從發(fā)射端光纖到達(dá)發(fā)生異常的光纖點(diǎn)再返回發(fā)射端的時(shí)間t是可知的，所以發(fā)生異常點(diǎn)的距離就能計(jì)算出來了。但是，由于目前設(shè)備的技術(shù)原理和硬件水平?jīng)Q定了系統(tǒng)對監(jiān)測事件的空間定位精度和事件的空間分辨率，難以滿足一些特殊場合如:儲油罐的油水層的具體位置及厚度、分布式光纖振動圍欄具體的侵入位置等。
[0005]系統(tǒng)的定位精度主要取決于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡的速度，如100MPS的采集卡，理論上的定位精度為±1米，200MPS到的為±0.5米，而空間分辨率卻受系統(tǒng)的采樣速度、電路帶寬及激光脈寬的限制，通常以這三個指標(biāo)中最差的一個指標(biāo)為準(zhǔn)，如采樣率100MPS，帶寬100MHz，激光脈沖寬度100ns，則空間分辨率為20米；其它指標(biāo)不變，將激光器的脈寬減小到1ns時(shí)，空間分辨率，理論上可達(dá)2米；如采集速率100MPS不變，電路帶寬降低為1MHz時(shí)，盡管激光脈寬仍為10ns，空間分辨率也只能到20米。受研發(fā)能力、制造成本以及通常使用條件制約，常規(guī)設(shè)備很難滿足所有的使用條件如某些情況下需要空間分辨率達(dá)到0.1米，這時(shí)，如更新設(shè)備顯然不符合實(shí)際情況，也不現(xiàn)實(shí)，這時(shí)需要采用新的方法來滿足實(shí)際的需要，這就是本發(fā)明的主要目的和發(fā)明的主要內(nèi)容:通過設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，來實(shí)現(xiàn)提高傳感系統(tǒng)的空間分辨率和空間定位精度。
[0006]常規(guī)的分布式光纖傳感系統(tǒng)直接將通信光纜沿其長度方向貼在被測物側(cè)面，這時(shí)系統(tǒng)的空間定位精度及空間分辨率就是其額定值，當(dāng)需要監(jiān)測的對象間隔小于系統(tǒng)的空間分辨率以及需要更精細(xì)地定位被測事件時(shí)，這種傳感方式將無法滿足實(shí)際需求，因此本發(fā)明通過制作特定的光纖傳感器來提高系統(tǒng)的空間分辨率及定位精度。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高分布式光纖傳感系統(tǒng)空間分辨率和定位精度的光纖傳感器；
本發(fā)明的另一個目的在于提供所述光纖傳感器的制造方法。
[0009]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明是設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)光纖傳感器，具體地，是發(fā)明一種超長余長的光纖傳感器，即光纜內(nèi)的光纖比光纜外護(hù)套長很多，以便在不改進(jìn)分布式系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，通過特制光纖傳感器的結(jié)構(gòu)來提高空間分辨率，實(shí)現(xiàn)對被監(jiān)測對象的溫度、振動、應(yīng)變等發(fā)生變化時(shí)的超精細(xì)空間定位。
[0010]—種提高分布式光纖傳感系統(tǒng)空間分辨率和定位精度的光纖傳感器，包括纜芯和光纖單元，所述光纖單元圍繞在所述纜芯上，其特征在于，所述光纖單元的長度比所述纜芯的長度長，長出的部分即為光纖余長，所述光纖單元余長的長度至少是所述纜芯長度的0.3倍以上。
[0011]優(yōu)選所述光纖單元余長為所述纜芯長度的0.5倍以上，或者是I倍以上。
[0012]進(jìn)一步地，所述光纖單元平行纏繞方式或者““SZ”形狀”方式絞合在所述纜芯的側(cè)壁上。
[0013]進(jìn)一步地，還包括外護(hù)套，為了保護(hù)傳感光纖單元，光纖單元設(shè)置在纜芯上，在其外面擠制一層外護(hù)套。
[0014]所述外護(hù)套的外表面上設(shè)置長度刻度。
[0015]進(jìn)一步地，所述長度刻度中，每隔I米印一米標(biāo)。
[0016]外護(hù)套不但對光纖單元形成很好的保護(hù)，外護(hù)套所采用PE材料在生產(chǎn)加熱擠制并慢慢冷卻收束后，會很好的固定絞合在纜芯上的光纖單元的節(jié)距，從而保證施工、運(yùn)輸和使用中光纖纏繞的均勻一致性，確保定位精確。外護(hù)套上面精確計(jì)米并每隔I米噴印米標(biāo)，將給施工和精確定位帶來幫助。
[0017]
所述光纖單元可以是緊包光纖，也可以是松套光纖。
[0018]緊包光纖的外徑一般是0.6_，為單模，或者是0.9_，為多模，松套光纖的直徑約
1.3mm ?2.5mm 左右。
[0019]相配合的纜芯的直徑根據(jù)需要可以從1mm至200mm左右甚至更大范圍內(nèi)選擇。
[0020]所述光纖單元在所述纜芯上平行纏繞，其節(jié)距可以根據(jù)定位精度要求以及纜芯的直徑等因素綜合考慮:節(jié)距最小可以是光纖的直徑，即每一圈光纖都緊貼纏繞，這時(shí)光纖的余長就是該光纖配合該纜芯時(shí)的最大余長。
[0021 ] 所述光纖單元也可以采用“ SZ ”形走向而貼附在所述纜芯周圍。
[0022]當(dāng)然，所述光纖單元的彎曲半徑應(yīng)該符合國家標(biāo)準(zhǔn)，即彎曲半徑大于光纖單元直徑的20?30倍。
[0023]—種提高分布式光纖傳感系統(tǒng)空間分辨率和定位精度的光纖傳感器的制造方法是:
首先，根據(jù)定位精度確定的已有系統(tǒng)的空間分辨率和用戶對于空間分辨率的要求來確定本光纖傳感器的余長；
然后，將光纖單元按照設(shè)計(jì)好的節(jié)距平行纏繞或者““SZ”形狀”絞合在纜芯上。
[0024]進(jìn)一步地，在平行纏繞或““SZ”形狀”絞合了光纖單元的纜芯外面擠制一層保護(hù)光纖纜芯的外護(hù)套。
[0025]為了方便將來提高定位精度，擠制外護(hù)套時(shí)應(yīng)該在外護(hù)套上印上精確的米標(biāo)，每隔1.00米印一個米標(biāo)。
[0026]為了將來開剝外護(hù)套順利拉出光纖單元進(jìn)行光纖熔接，生產(chǎn)外護(hù)套時(shí)可以在外護(hù)套內(nèi)層和光纖單元之間預(yù)留撕裂繩。
[0027]本發(fā)明的原理在于，如果我們制作光纖傳感器時(shí)把光纖的余長變大，也就是在光纖傳感器的纜芯或外護(hù)套長度不變的情況下，如果把光纖余長增大為纜芯或外護(hù)套長度的I倍、即光纖的長度調(diào)整到了光纖傳感器外護(hù)套長度的2倍，就意味著系統(tǒng)將被監(jiān)測對象的實(shí)際長度被劃分的定位區(qū)間數(shù)增加了一倍。此時(shí)，在系統(tǒng)的空間分辨率不變的情況下，實(shí)際的空間分辨率被提高了一倍，既達(dá)到了 2.5米，空間定位精度提高到了原先的2倍。以此類推，如果把光纖單元的余長變的更大，定位精度就提高的更高。
[0028]
目前國內(nèi)外光纖傳感系統(tǒng)基本都是采用傳統(tǒng)的通信光纜作為傳感器，光纖單元相對于光纜外套管或纜芯的余長大約在2-5%。左右，相對于大長度的周界管道或者電纜溫度、振動、應(yīng)變的監(jiān)測，基本都把光纖單元的長度等同于光纖傳感器的長度，光纖單元的余長幾乎忽略不計(jì)。在這種情況下，假設(shè)被監(jiān)測對象的長度是1000m，常規(guī)的做法就是把長度100m的通信光纜敷設(shè)到被監(jiān)測對象上，假如系統(tǒng)的空間分辨率是5m:即系統(tǒng)可同時(shí)識別出相距5米的2個事件。如果我們制作光纖傳感器時(shí)把光纖的余長變大，也就是在光纖傳感器外護(hù)套或纜芯長度同樣是100m的情況下，把光纖的長度調(diào)整為2000米，系統(tǒng)的空間分辨率還是5m，此時(shí)的系統(tǒng)卻有能力同時(shí)識別相距2.5米的兩個事件，同時(shí)定位精度亦提高了一倍。
[0029]因此，本發(fā)明提供的提高分布式光纖傳感系統(tǒng)空間分辨率和定位精度的光纖傳感器和其制作方法，通過改變傳感器的結(jié)構(gòu)，即增大了其中光纖單元的余長，更具體地是通過把光纖單元平行纏繞或者“SZ”形或其他形式增大光纖單元相對于外護(hù)套的長度，在不改變監(jiān)測系統(tǒng)固有的空間分辨率的情況下，可以大大提高系統(tǒng)的空間分辨率和定位精度。在系統(tǒng)監(jiān)測距離允