光纤和纤维光学感测制造技术

公开了例如用在分布式声学传感器中用于分布式感测的具有改进性能的纤维光缆。在一个实施例中，纤维光缆（210）包括纤芯（208）和包层（206），所述纤芯（208）和包层（206）布置在缓冲材料（202）内并被包壳（204）包围，并且被布置为使得纤芯从光缆的中心偏移。与位于光缆的中心处的纤芯相比，通过将纤芯从包壳的中心偏移，可以最大化纤芯上的任何弯曲效果。

Optical fiber and fiber optic sensing

Fiber optic cables with improved performance, for example, for distributed sensing in distributed acoustic sensors, are disclosed. In one embodiment, a fiber optic cable (210) includes a core (208) and a cladding (206) arranged in a buffer material (202) surrounded by a cladding (204) and arranged so that the core is offset from the center of the cable. By shifting the core from the center of the cladding, any bending effect on the core can be maximized as compared to the core at the center of the cable.

【技术实现步骤摘要】
光纤和纤维光学感测本申请为中国专利申请201080061395.6的分案申请。
本专利技术涉及适合用于分布式纤维光学（fibreoptic）感测、尤其适合用于分布式声学纤维光学感测的光纤和纤维光缆，并且涉及用于分布式纤维光学传感器的光纤和/或纤维光缆的设计、应用和制造的增强。
技术介绍
已知利用光纤的各种传感器。许多这种传感器依赖于沿光纤的长度布置的纤维光学点传感器或离散反射站点，例如光纤布喇格光栅等。可以对来自离散点传感器或反射站点的返回进行分析，以提供离散传感器或反射站点附近的温度、应变和/或振动的指示。还已知完全分布式的纤维光学传感器，其中，使用了来自光纤的连续长度的本征散射。这种传感器允许使用标准纤维光缆，而无需有意引入诸如光纤布喇格光栅等反射站点。可从中检测到背向散射信号的整个光纤可以用作传感器的一部分。典型地，使用时分技术将信号返回划分为多个时间箱（bin），其中，每个时间箱中的返回与光纤的不同部分相对应。这种纤维光学传感器被称作分布式纤维光学传感器，这是由于传感器选项完全分布在整个光纤中。如本说明书中所使用，术语分布式纤维光学传感器将用于表示以下传感器：其中，光纤自身构成传感器，并且该传感器不依赖于具体点传感器或者有意引入的反射或干扰站点（即本征纤维光学传感器）的存在。美国专利No.5,194,847描述了一种用于入侵感测的分布式声学纤维光学传感器。使用了不具有任何点传感器或具体反射站点的连续光纤。将相干光发射至光纤中，并检测和分析在光纤内瑞利背向散射的任何光。时间箱中的背向散射光的改变指示入射到光纤的相关部分上的声波或压力波。这样，可以检测到光纤的任何部分的声扰动。英国专利申请公开No.2,442,745描述了一种分布式声学纤维光学传感器系统，其中，通过将多组脉冲调制电磁波发射至标准光纤中来感测声振动。组内的一个脉冲的频率不同于组中的另一脉冲的频率。以组中的脉冲之间的频率差对来自光纤内的本征反射站点的光的瑞利背向散射进行采样和解调。美国专利No.6,380,534描述了一种分布式纤维光学应变和温度感测系统，其分析被发射至光纤中的光的布里渊背向散射频率分布，以确定沿着感测光纤的各个部分的温度和应变，感测光纤可以嵌入到结构内。WO02/057805描述了在多种应用中使用分布式纤维光学温度、应变和/或声学传感器，这些应用包括：监测油气工业中的流线的参数。因此，分布式纤维光学感测或分布式声学感测（DAS）提供了可监测光纤的较长长度的有用且方便的感测解决方案。可以使用标准电信光纤，例如单模125μm光纤，这意味着感测光纤相对便宜且容易可用，并且在一些实例中，有可能将现有光纤用于比如说声学监测。在一些实例中，尽管使用标准电信纤维光缆可能不提供最优感测。因此，本专利技术的目的是提供用于分布式纤维光学感测的改进光纤和纤维光缆。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种光纤，包括纤芯、包围所述纤芯的包层和包围所述包层的包壳，其中，所述纤芯从所述光纤的中心偏移。本领域技术人员将认识到，光纤包括纤芯，纤芯在操作的波长处光透射，由具有与纤芯不同的折射率的包层材料包围，纤芯和包层一起协作以引导光纤的纤芯内的光辐射。包层总体由包壳材料包围以保护光纤。包壳可以包括包层与外包壳之间的缓冲材料。标准光纤在光纤的中心处具有纤芯，并在制造容限内总体上截面对称。本专利技术的该方面提供了一种光纤，其中，纤芯有意从光纤的中心偏移，即，在截面中，纤芯材料的中心总体上与光纤的中心不重合（或者等效地，与光纤的外包络的几何中心不重合）。换言之，光纤的纤芯包含于包壳材料的圆周内，但不与包壳材料同心。当在分布式纤维光学传感器（例如，分布式声学传感器）中使用光纤时，这种布置可以是有利的。在例如GB2,442,745中描述的分布式声学纤维光学传感器中，将光辐射传输至光纤中，并检测在光纤内瑞利背向散射的任何光辐射。任何入射声信号导致光纤的机械振动，这就改变了光纤的该部分处的瑞利背向散射的量。背向散射的变化与光纤的移动相关，换言之，与光纤所经受的弯曲的量相关。其他分布式纤维光学振动传感器也依赖于改变来自光纤的该部分的背向散射的量的光纤弯曲。然而，清楚可见，对背向散射的差异负责的是纤芯和包层的弯曲。在本专利技术中，通过将纤芯从光纤的中心偏移，可以最大化纤芯所经受的弯曲的量。考虑沿北-南方向延伸的在地面中部署的光纤。如果声波从东边入射到光纤的一部分上，则这将使光纤的相关部分的一部分振动，结果是光纤将沿东-西方向弯曲。随着光纤向西弯曲，光纤的西侧将经受最大量的弯曲。类似地，随着光纤向东弯曲，则光纤的东侧将经受最大量的弯曲。在标准光纤中，在纤芯处于光纤中部的情况下，纤芯将经受由弯曲导致的光学改变，但是，弯曲量不如在光纤的东或西边缘处经受的那样极端。在本专利技术的光纤中，纤芯从中心偏移，并且从而位于与光纤的边缘更近处。如果光纤被部署为使得纤芯沿光纤的东（或西）边缘而定位，则在上述情形中，纤芯将经受比其位于相同光纤的中心处时更大量的弯曲。因此，本专利技术的光纤可以最大化引导光纤的一部分的光所经受的弯曲的量，并且从而最大化由于入射振动而引起的光学返回。在特定实施例中，考虑在弯曲下拉应力和应变在光纤中的分布是有帮助的。在传统轴对称光纤中，纤芯沿质心轴或中性轴放置，并且在弯曲下，拉应力和应变随着与中性轴的距离增大。本专利技术的实施例被布置为使得纤芯的中心从光纤的中性轴偏移。这样，与经历等效弯曲的传统光纤相比，纤芯所经受的拉应力和应变可以增大。可以根据预测的或期望的弯曲和/或应力和应变来定义偏移，并且，期望地，偏移沿光纤的有效感测长度恒定。因此，优选地，纤芯位于光纤的一侧。纤芯被包层包围（并且因此，清楚可见，包层也从光纤的中心偏移），并且纤芯和包层可以具有与传统光纤中相同的尺度。然而，纤芯和包层可以由包壳和/或缓冲材料包围，使得纤芯和包层位于缓冲/包壳材料的一个边缘。光纤的包壳材料可以足够大以使得光纤的中心（在截面中）不位于纤芯材料内。在一个实施例中，光纤的中心也不位于包层材料内，即，光纤的中心位于包壳材料或缓冲材料（如果存在）内，并且因此，纤芯和包层整体位于光纤的一半中。应当注意，光纤可以包括包壳材料的各个层。光纤可以包括多于一种缓冲材料，至少一些缓冲材料用作光缆的填充物材料。缓冲材料中的至少一些可以是凝胶。在一个实施例中，光纤包括在光纤的中心处布置的凝胶缓冲剂，其中，纤芯和包层在凝胶缓冲剂的一侧。可替换地，纤芯和包层可以布置在凝胶缓冲材料内，该凝胶缓冲材料可能具有包层周围的内包壳层。在另一实施例中，在光纤的中心处可以存在固体缓冲材料，其由凝胶缓冲剂包围，其中，纤芯和包层布置在凝胶缓冲剂中。本专利技术人已发现，具有凝胶缓冲剂的光纤在分布式声学传感器中用作感测光纤时示出了良好响应。要相信，凝胶缓冲剂在将声波耦合至光纤的方面比固体缓冲剂更好。光纤还可以包括多个包壳层，并可以包括纤维光缆的一部分。如这里使用的术语光纤指代具有纤芯、包层和包壳或涂层材料的基本光纤。术语纤维光缆应当用于表示以下设备：该设备可以包括一个或多个光纤，并具有用于保护所使用的（一个或多个）光纤的保护层。因此，纤维光缆可以包括各个外包壳层和/或强化纤维。因此，在一些实施例中，光纤自身可以包括纤维光缆，而在其他实施例中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分布式声学纤维光学传感器，包括：光源，其被耦合至纤维光缆以将光辐射传输至所述纤维光缆中；检测器，其被布置为检测从所述纤维光缆瑞利背向散射的辐射，其中，所述纤维光缆包括至少一个光纤以及至少一个凝胶填充区域。

【技术特征摘要】
2009.11.13 GB 0919902.71.一种分布式声学纤维光学传感器，包括：光源，其被耦合至纤维光缆以将光辐射传输至所述纤维光缆中；检测器，其被布置为检测从所述纤维光缆瑞利背向散射的辐射，其中，所述纤维光缆包括至少一个光纤以及至少一个凝胶填充区域。2.凝胶填充纤维光缆在分布式声学纤维光学传感器中的使用。3.一种纤维光学器件，其在第一横向方向上的硬度大于在第二横向方向上的硬度，所述第二横向方向与所述第一横向方向不同。4.根据权利要求3所述的纤维光学器件，其中，所述第一横向方向与所述第二横向方向正交。5.根据权利要求3或权利要求4所述的纤维光学器件，在第一方向上具有使得所述纤维光学器件不容易在第一方向上屈曲的硬度。6.根据权利要求3至5中任一项所述的纤维光学器件，其中，第二方向上的硬度使得所述纤维光学器件容易在第二方向上屈曲。7.根据权利要求3至6中任一项所述的纤维光学器件，包括至少一个硬化构件，所述至少一个硬化构件在第一方向上的硬度大于在第二方向上的硬度。8.根据权利要求7所述的纤维光学器件，其中，所述硬化构件在第一方向上具有显著大于在第二方向上的厚度的厚度。9.根据权利要求3至8中任一项所述的纤维光学器件，其中，所述纤维光学器件具有非对称的形状。10.根据权利要求9所述的纤维光学器件，其中，所述纤维光学器件具有在第一方向上比在第二方向上更宽的横截面。11.根据权利要求9或10中任一项所述的纤维光学器件，其中，所述纤维光学器件具有基本上椭圆的横截面，其中椭圆的长轴定义第一方向。...

【专利技术属性】
技术研发人员：DJ希尔，M姆塞文金，RI克里克莫尔，
申请(专利权)人：光学感应器控股有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB