含有磁性信標材料的可磁性定位的光纖纜的製作方法
2023-06-22 17:51:21 2
專利名稱：含有磁性信標材料的可磁性定位的光纖纜的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種含有非金屬永磁信標材料的可磁性定位的光纖纜。尤其是，在本發明的光纜設計中，將由非金屬磁性材料形成的一個特殊層設置在光纜的包層系統內。
快速而準確地將埋在地下的光纖纜進行定位以便維護和修理對於減少遠程通訊設施的損壞是極為重要的。目前工業上使用的兩種基本的光纖纜是金屬型光纜和電介質型(或稱非金屬型)光纜。現在，一般認為電介質型光纖纜在遠程通訊系統中佔三分之一略少一點。但是，調查表明，如果有一種可靠的有效利用成本的方法在電介質型光纜埋入地下後能予以定位。那麼，即使不是大多數，也會有許多用戶樂於使用電介質型光纜。
目前，在探測埋入地下光纖纜方面主要有兩種通用技術磁性的和金屬的。通常，已有的磁性定位器或者是將永磁元件置入或嵌入光纜之中，或者是將一種具有永磁場輻射的產品沿著光纜的長度方向與光纜一起並排地埋入地下。在這兩種以磁原理為基礎的檢測技術中，由光纜中永磁材料的磁滯所產生的剩磁會被一種磁場敏感元件探測到。然而，由於這種磁場分布的不均勻，當其他磁性元件在附近存在時常常難於正確地檢測到光纜。在一種輔助結構中，光纜是置於一個與之分開的被磁化了的管道之中。
另外，有一種能將光纜予以定位的纖維光纜定位器，它專門設計成包含金屬構件，作為防護性包層元件或者是增加強度的元件。由該探測方法檢測金屬構件的電磁場輻射，而該金屬構件的電磁場輻射是由作用到光纜金屬包層上的交變電流或交變磁場而產生的。但是，由作用到光纜的交變電信號所產生的電和/或磁場的強度常常不足以達到將光纜準確定位的程序。當試圖從一較遠的位置給一相當的距離傳送交變信號用於光纜定位探測時，不夠有效的低的場強便成為一個令人關注的特殊問題。此外，這類金屬包層易於遭受閃擊放電或者腐蝕而損壞。
通常，為了便於探測電介質型光纜，要在光纜的上方設置一根銅質地線。但是，這種地線的曝露性使之極易遭受閃電襲擊並使光纜中光導纖維損壞。進而，當光纜的鎧裝或檢測線遭受了閃電襲擊或其他損壞之後，將無法沿光纜施加電信號。於是，給探測和找到光纜以便維修的工作造成巨大困難。因此，在光纜之內使用定位信標以保證準確定位是十分可取的。
其他已有的檢測方法包括利用一個覆蓋有諸如鍶或鋇的鐵氧體的磁性粉末的非導電的帶條或者將這些磁性粉末加以複合並擠壓在聚乙烯或聚氯乙烯導管中。在這些方法中，需要將所說的帶條加以磁化並且把它螺旋形地沿長度方向纏繞在光纜上或者沿著所說的導管的長度方向去磁化帶條。每種方法中尚須提供一個特有的電檢測特徵信號，以使操作者能夠區分埋在地下的光纜和其他固態金屬管道。關於這一技術，可參閱美國專利5006806和5017873，這兩項專利已轉讓給位於Reston VA的Schondstedt儀器公司。另外，在一種有關的已有技術中，如果不降低光纜生產線的工作速度就不能將光纜內部所需要的可用於定位的質點準確地放置好並確保其完好無損，而這一點對於將可定位質點放在其內並常常要受到來自諸如外皮的擠壓的光纜結構來說，是特別引起關注的。
人們所需要的並且在已有技術中看來尚未存在的是這樣的一種系統，它能可靠地、準確地而且是有效利用成本地用於檢測電介質型(非金屬型)的埋於地下的光纜。人們還需要這樣一種系統，它能對於埋在地下的電介質型光纜的進行定位探測，還能容易地改制成適用於即使不是所有類型的也是適用於大多數的光纜。最近介紹的一種方法包括改進目前光纜中已有的用於水密的帶條，從而使得在磁性定位中免除了光纜動態特性的影響，該設計見於已轉讓的美國專利5305410中。此外，在第二份已轉讓的美國專利5305411中，公開了一種在大多數光纜設計中均使用的增加強度元件中引入磁性質點的技術。不過，注意到與上述指出的共同待批的專利申請有相類似之處，本發明不是如剛才聽說的兩種專利申請那樣去改進大多數光纜中增加強度元件部分或者水密部分，而是沿著整個光纜長度引入一種聚合物，該聚合物能恰當地將磁性材料按所需數量分布到合適的位置。
前面所述的已有技術中存在諸多問題已經被本發明中的光纜所克服。本發明提供了一種電介質型光纖纜，它能夠在埋入地下後被遠距離檢測到。更詳細地，本發明旨在提供一種光纖纜的設計，它包含有一個組合了磁性信標材料的多聚物層，並且該多聚物層是單獨設置的，這有利於其他光纜的構造。進而，本發明描述了生產這種光纖纜組件的方法。依據本發明所公開的光纜的優點，操作者可以成功地利用磁性儀表，從地面上的一定距離可靠地檢測到該光纜。
本發明提供一種電介質型光纖纜，如權利要求書中所描述的那樣，當它埋入地下時能被遠距離地檢測到。
圖1是根據本發明設計出的一種電介質型光纖纜的透視圖。
圖2是圖1中所示光纜的一端橫截面視圖。
圖3是本發明中光纜另一實施方式的透視圖。
圖4是圖3中所示光纜的一端橫截面視圖。和圖5a與5b給出了一個典型的磁性信標加工系統，展示了一種所希望的微型結構特徵。
參照圖1和圖2，圖中由標號20指示的是光纜，該光纜具有一個全電介質的包層系統21。這種結構提供了極好的耐腐蝕、抗閃電的保護作用。
如在圖1與圖2中所看到的，光纜20包含有一個纜芯22，該纜芯至少由一組傳輸介質所組成。例如，纜芯22可以由一組或多組光纖束24-24組成，而每一組光纖束包含有多根光導纖維26-26。每一光纖束24-24都有一個帶條28。該纜芯置於圓管30之中，該圓管是用如聚乙烯那樣的塑料所製成。
圓管30的內徑與該包層光纖的整個橫截面積與圓管壁之內表面所確定的橫截面積之比例有關。這樣，在操作、組裝及溫度循環變化時，光纖束能充分地活動，從而避免因微小彎曲而導致的損耗。
進一步地，該圓管，或如通常所稱的芯管，可以用適當的水密材料32填充。有一種合適的水密材料即為美國專利4701016所公開且要求保護的那種材料。但是，須知其他公知的填充材料也可以按照本發明的構思被採用。
在所說的芯管外面配置有一個電介質鎧裝物，即由標號40所指出的套管。在本發明的最佳實施方式中，套管40由多個套管元件段42-42所組成。各個套管元件段42-42共同組成了芯管外面的套管40。這裡，每一套管元件段42都是弧形的，並且，在芯管外面具有較大曲率半徑的表面46之取向是朝著光纜的外側。
各個套管元件段都是由介電材料製成的，該介電材料可以是將有機的或者無機的纖維嵌入一種固態電介質基體材料而成。在最佳實施方式中，各套管元件段是將玻璃纖維嵌入固化的環氧樹脂基體中的。但是，製作套管元件段的材料可以是市場上能買到的任何一種適用的材料。重要的是，要求這種材料具有相對高的拉張強度，相對高的抗壓強度，是非金屬材料，並且是耐腐蝕的。其他的此類材料可以列舉出KEVLARR纖維材料，在環氧樹脂基體上有S玻璃、T玻璃或碳纖維的材料。
在最佳實施方式中，可使用以Air Logistics公司買到的牌號為E玻璃的玻璃絲。每個套管元件段42含有多達4000根連續排布的單向纖維玻璃絲，這些纖維玻璃絲同時粘在環氧樹脂材料的基體中。這樣，就使得該基體相當結實，具有耐受可能產生的壓縮應力或者較大張力的能力。可能產生的壓縮應力包括諸如熱循環中所引起的壓縮應力或者外皮材料的初始收縮所引起的壓縮應力。在最佳實施方式中，每個套管元件段42具有每百分之一應變131kg的抗張強度。最後，外皮最好用諸如聚氯乙烯(DVC)或聚乙烯(PE)的塑料製成，該外皮包在各種其他結構的最外面。作為這種外皮構造的例子可以詳見已轉讓的美國專利4874219、4946237和4938560。
在圖3和圖4所示的另一實施方式中，光纜80包含一個由傳輸介質84組成的纜芯和芯管85。所說的傳輸介質84被芯包83所包圍，該芯包83是設置在傳輸介質84和芯管85之間。芯包83保護著傳輸介質84免受來自芯管85的擠壓。在本實施方式中，傳輸介質84包括多個疊在一起的長條86-86。每個長條86又包括一個由光導纖維87-87組成的平面陣列。包圍著芯管85的是套管88，該套管由多個弧形的套管元件段90-90所組成。在此特殊的實施方式中，該套管88含有四個套管元件段90-90。在套管88的外面設置有外皮92。與前面所述的實施方式一樣，所說的外皮可以由諸如聚氯乙烯或聚乙烯的塑料製成。除了上述實施方式之外，本發明的這種實施方式還可以包含有一構造形式如前述實施方式中由標號34所指示的結構，它是用公知的吸水材料製成的。
本發明給出並且使用三個基本要素，它們一起確定磁性電纜定位系統的有效性。一般而言，磁性檢測取決於以下因素(1)選擇合適的磁性材料(永磁的或軟磁的)，(2)在光纜上確定最佳的磁性標記或者磁性取向(沿一個帶條的長度、寬度及厚度方向磁化之)，和(3)選用一種可靠的檢測設備。進一步講，本發明就是利用這些要素在通訊光纜的設計中去選擇特殊的磁性材料並確定所用磁性材料的位置，這種設計使操作者的操作能力達到最佳，能在光纜埋入地下後可靠地而且是有效利用成本地將這類全電介質型光纜進行定位。
考慮到選擇最適用的磁性材料的第一個要素，就應當將永磁材料與軟磁材料的不同的動態特性加以比較。通常，永磁體是被動器件，利用一個大的調整磁場已將電磁能量初始存貯於其中。因此，在通訊光纜中便願意選用永磁體作為它的磁性材料，這些永磁體不需要施加外部電流或其它力去維持它們的磁性。
不過，應當注意，儘管在最佳實施方式中使用的是永磁材料，但在本發明的應用中軟磁材料也是可以使用的，在有較強的檢測場的情況下，所說的軟磁材料可以很方便地被例如感應方式所磁化。鎳鋅鐵氧體即為一種工業上普遍採用的軟磁材料。
第二個要素與選擇磁性材料的最佳標記或取向有關。儘管將光纜中磁性質點取向最佳的願望在前述的兩件轉讓的美國專利中已有簡單的介紹，但本發明則更為明確地描述幾種取向的選擇，這些取向的選擇能提高全電介質型通訊光纜的可檢測性。不過，應該指出，由這裡所描述的確切的取向情況所引出的各種變化依照本發明的構思將被認為是可以推想到的並且是可以接受的。
第三個要素涉及檢測設備，對整個檢測系統而言也是重點之一，但仍須注意到，與本發明構思相一致的任何公知檢測設備都可以被採用。
現在，進一步說明本發明的光纜設計，作為一種磁性信標，光纖纜還包含有一個薄層100，典型地，這個薄層最好是由一種高矯頑磁性的永磁磁粉嵌入一種多聚物基體而製成。當按照本發明的最佳實施方式將磁性材料嵌入多聚物基體的時候，可採用任何一種安全的方法，該方法能使得磁性質點分布到光纜的選定部位，能讓磁性質點作取向變換，而後又能阻止磁性質點發生不希望的運動。此外，為了使得光纜在整體上結構緊湊起見，也為了使得對光纜中其他部件的橫向影響最小起見，磁性信標材料層應當做得儘可能簿些、緻密些，但又必須確保提供足夠大的磁通管，使得在3英尺，最好在6英尺的距離上能夠易於實現磁性探測。
所說的信標材料最好設置在圓管30的外面，以不致於影響芯管30內光導纖維的正常工作；並且應該放在外皮50的裡面，以使得光纜保持緊湊性，也可確保檢測部分經久耐用。按照本發明，所說的信標材料構成一個特定層100。在最佳實施方式中，該磁性信標薄層100是設置在如許多光纜設計中都有的那種水密材料層的裡面或多面。在另外一種實施方式中，該磁性信標層100可以同時取代水密層，只要是把適當的水密(或吸水)多聚物粉末塗覆在磁性信標層100的單側或雙側即可。另外，應該注意，本發明中的磁性信標層100在光纜中可以安排在許多種不同的位置，它們都在本發明的保護範圍之內。更具體地，該磁性信標層100可以直接放在芯管30的外面，也可以直接放在外皮50的裡面。所有這些結構均可用同時擠壓的工藝實現。
按照本發明，永磁磁粉難免會粘到芯管30或外皮50，因此應注意這些管子的加工工藝(成型工藝)，使之不致惡化光纜的機械性能和耐用性。還有，當確定所說的信標材料在通訊光纜中的具體位置時，必須考慮到磁性材料接近光纖的程度給光纖工作所帶來的橫向影響。
本發明的磁性信標材料100可以這樣製作(1)將去磁的永磁粉末例如鍶鐵氧體與諸如未固化的合成像膠、環氧樹脂或其他多聚物的粘性介質相混合，(2)在一平的基體或疏鬆的布上將該混合物塗敷或噴塗成一薄片狀，(3)用加熱、催化劑或其他方法固化之，並可以將所固化的介質從基體上剝下來。然後，將磁性材料予以磁化，賦予質點具有永磁性能。有許多技術可用來將所述的介質層放置在光纜中所需要的位置上，可在介質層置入前或置入後進行磁化。此外，作為替代上述塗敷或噴塗步驟的方法，所說的混合物可以用擠壓或共同擠壓方法製成磁性層100，其位置應當在芯管30的外面或者是在外皮50的裡面。
磁粉在多聚物中隨機分布即可為磁性檢測提供足夠的磁通量信號，這在一定的有充裕的信標容量並且檢測距離較近的情況下是成立的。因此，本發明並不排除這種分布。但是，已經發現，如果磁性質點被線性地排列成連續的鏈狀則能夠獲得顯著改進的檢測信號，而這種排列方式可以用下述方法得到，例如，在粘性的基質材料完全固化之前施加磁場，於是，在該複合信標被固化的同時也實現了按相同方向進行排布的磁化過程。因質點排布而出現的這種改進是基於一種組合效應，該組合效應來自將每一隨機取向的質點旋轉到其最富於磁各向異性的方向上(磁性最強的晶體取向)，並且通過鏈狀排布的形成減少質點之間空氣間隙的磁通損耗。關於各個磁性質點的調整與磁化、說明怎樣達到滿意的取向，已在一種與本申請同日的已轉讓的申請中更詳盡地闡述了這些概念。
所說的永磁粉末最好是非金屬(非導電)質點，例如鋇鐵氧體(BaO6Fe2O3)或鍶鐵氧體(SrO6Fe2O3)或它們的混合物。此類磁性材料具有阻止自發退磁現象的高矯頑力、在有閃電襲擊的情況下相對地比較安全、價格較便宜、並且耐腐蝕性好。金屬磁性質點(呈各向同性或伸長形態)，諸如SmCo5、Sm2Co17、Nd2Fe14B、鎳鈷合金、Fe-Cr-Co、或者它們的混合物，亦可以用作磁性信標材料，只是要求此類金屬質點不要大範圍地連續排布，以避免受閃電襲擊。例如，將這類質點不沿信標的長度方向而是用垂直於長度方向的磁場沿其橫向排布，或者是用垂直於信標條平面的磁場沿其垂直方向排布。為使檢測信號最大，固化信標材料的磁化過程是沿排布方向進行的。
在固化之前，多聚物基質材料應該具有相當的流動性，以方便與磁性粉末的混合併使磁性質點在調整方向時易於運動。當質點已達到合適的磁性排布之後，多聚物即被固化，以保持已經排布好的結構，所說的固化，可根據多聚物基質材料的性質採用加熱、催化劑、紫外線照射等不同方法。多聚物基質材料所需要的特性包括適於光纜組件應用的機械強度與彎曲性能、耐溫度變化的性能、耐老化性、以及具有較高的擊穿電壓。
所說的多聚物可以是環氧樹脂型粘合劑、合成橡膠、聚氨脂、聚乙烯、聚醯胺、聚丁烯、聚氯乙烯等等。非多聚物的基質材料亦可以使用，只要它具有一定的粘度並且在磁性質點調整好後能被固化。例如，將最佳稀釋在水中或其他液體中的明膠、膠乳或麵粉與磁性粉末相混合，然後噴塗或以刮片塗覆在可加工的薄的基片(例如聚脂薄膜)上。該磁性信標複合物可以為薄片形狀(此乃最想要的)，或者為柱狀、線狀等。所說的信標材料可以是相對獨立的貼到基片薄膜上或基片柱狀物上的、也可以是充滿到疏鬆布型基片材料的細孔中的。以刮片塗覆、浸入式塗覆、噴塗、擠壓、以及其他各種公知的陶瓷或多聚物的加工技術均可用於形成該信標。
磁性質點的尺寸上限取決於磁性信標材料的厚度。典型的合用的質點尺寸範圍是1-100μm，最好是5-50μm。磁性質點的體積比取決於對磁信號的要求，它對複合信標粘性與可加工性的影響、它對固化後的複合物的機械性能與其他特性的影響等等。典型的合用的體積比的範圍是佔2-80％、最好是佔10-50％的體積。
磁性質點在粘性介質中的調整，例如在以刮片方式塗覆的情況下，可用施加穩定的直流場或者脈衝場以足夠的時間使得磁性質點旋轉和運動而得到。所說的場可以是恆磁場，也可以是電磁場。典型的場強範圍是20-50000Oe，最好是100-3000Oe。圖5a和圖5b給出了一個典型的磁性信標加工系統，展示了一種所希望的微型結構特徵。
應該指出，以上所述的內容是本發明構思的直接體現。本領域普通技術人員對上述內容所作出的一般變化將仍屬於本發明構思的具體體現，並落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種光纖纜，包括一個至少由一束光纖傳輸介質組成的纜芯；一個將所說的纜芯容於其內的圓管；和一個包層系統，它處於所說圓管的外面並包含多個部件，該包層系統中至少有一層是由可以被磁性定位的非金屬磁性材料組成的。
2.如權利要求1所說的光纖纜，其中可以被磁性定位的材料能產生一個檢測信號，該檢測信號可以被從固態金屬管道發出的信號中區分出來。
3.如權利要求1所說的光纖纜，其中的包層系統是由電介質材料製成的。
4.如權利要求1所說的光纖纜，其中可以被磁性定位的材料是一種粉末。
5.如權利要求1所說的光纖纜，其中可以被磁性定位的材料是嵌入一種固化的環氧樹脂基體中的材料。
6.如權利要求1所說的光纖纜，其中所說的磁性材料是從一組包括鍶鐵氧體、鋇鐵氧體、釹鐵硼、釤鈷、鎳鈷合金和鐵—鉻—鈷在內的材料中選取的。
7.如權利要求3所說的光纖纜，其中的電介質包層系統是由多個縱向延伸的元件段組成。
8.如權利要求1所說的光纖纜，其中的磁性材料是沿著光纜的長度方向同軸地設置在縱向空間中的。
9.如權利要求1所說的光纖纜，其中的磁性材料是沿著磁性可定位部件的長度方向配置在一縱向條上，然後把它螺旋形地纏繞在所說的圓管上。
10.如權利要求1所說的光纖纜，其中的磁性材料是耐腐蝕的。
全文摘要
本發明提供一種電介質型光纖纜，當它被埋入地下時可以從遠距離上探測到。更具體地，本發明將磁性材料組合到一個環氧樹脂層中形成通信光纜包層系統中的一個特定層。磁性質點產生一個與固態金屬管道發出的信號有區別的檢測信號，該檢測信號既不會對光纜的其他部件的工作產生不利的影響，而且本發明的磁性信標層的組合也不會過分地限制整個光纜的製作速度。
文檔編號G02B6/44GK1115386SQ9510511
公開日1996年1月24日 申請日期1995年3月30日 優先權日1994年3月31日
發明者C·J·阿羅約, S·金, T·T·M·帕爾斯特拉 申請人:美國電話及電報公司