[发明专利]一种振动敏感光纤及其制造方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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)一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ΔΦ/(ΦΔP)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10^-12/dyn/cm²数量级(1dyn/cm²＝0.1Pa)。ΔP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ΔP使得光纤在轴向和径向分别产生了ε_z与ε_r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：