專利名稱：在埋式電纜和水管中提供永久的磁性特征標(biāo)記的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景本發(fā)明涉及在伸長的物體諸如光纜中的鐵磁材料的磁化，特別地涉及提供電纜和管道永久的磁特征標(biāo)記以便促進它們的磁性的檢測。
許多類型的埋式管道和電源以及通信電纜是鐵磁材料制作的或者使用鐵磁材料作為強度或者鎧裝部件，使得它們?nèi)菀走M行磁性檢測。在一定的程度上，較大管道和電纜可以依靠它們的自然的磁化(例如，由于地球的磁場)可磁力地檢測，但是較小管道和電纜是更困難磁力地檢測的。
由船舶跨越世界大海架線的海底的通信光纜必須埋在海底下面以便保護離開海洋生物、鐵錨和拖網(wǎng)，但是隨后為了修理或者維護必須定位它們。磁力地定位、跟蹤和確定無供電埋設(shè)的通信光纜的埋設(shè)深度受能力限制。通用的較小電纜是難于由在傾斜距離大于大約0.8米無源的磁化技術(shù)檢測。然而，海底光纖通信網(wǎng)絡(luò)的計劃的世界范圍擴展導(dǎo)致小的電纜的更大比例，小的電纜是最難于檢測的。
本發(fā)明的簡要敘述本發(fā)明提供光纜，和其它伸長的物體，包括具有增強的永久的磁性的特征標(biāo)記的鐵磁材料，它們允許在空前的傾斜距離檢測、定位、跟蹤和該目標(biāo)的埋設(shè)深度確定。本發(fā)明包含在伸長的物體的鐵磁材料中產(chǎn)生磁化的獨特的方法和裝置并且給該物體提供堅固的有特色的磁性的特征標(biāo)記。本發(fā)明將在它應(yīng)用到通信光纜諸如在海底光纖通信網(wǎng)絡(luò)中使用的通信光纜中描述，但是應(yīng)該明白，本發(fā)明不限制為這樣的應(yīng)用并且通?？梢栽陔娎|、管道或者包括鐵磁材料的其它伸長的物體中使用。
根據(jù)本發(fā)明無供電的光纜的磁化可以在光纜敷設(shè)過程期間或者例如在光纜制造期間完成，并且不要求光纜結(jié)構(gòu)或者它本身鋪設(shè)過程的變化，無論如何也不妨礙光纜的操作或者引起機械應(yīng)力或損傷該光纜。
海底的通信光纜典型地具有以強度鋼絲繩或鋼鎧裝包圍的光纖。已經(jīng)知道，由于在制造時獲得的本地的磁場(主要是地球的磁場)，這樣的光纜可以具有自然的磁化，但是這樣自然地出現(xiàn)鎧裝光纜和非鎧裝光纜的磁化通常遠小于光纜中的鐵磁材料的飽和磁場程度并且是不容易檢測的。而且，自然地出現(xiàn)磁化產(chǎn)生的外部的磁場傾向于跟隨鎧裝或者鋼絞線的螺旋狀的安排并且不是一致地徑向的或圓柱狀地對稱的。外磁場的無源的磁探測是完全受限制的。例如，利用可用的檢測設(shè)備，埋設(shè)深度測量限制為對40mm光纜大約0.9到1.2米，而對10mm光纜大約0.5到0.8米。通過沿著與鎧裝或者鋼絞線節(jié)距相關(guān)的光纜變化磁場強度使得難于連續(xù)的跟蹤和埋設(shè)深度尺寸。
本發(fā)明在光纜的鐵磁材料或者其它伸長的物體中產(chǎn)生接近飽和的磁場，包括永久的剩余磁化。產(chǎn)生的磁化比由地球磁場產(chǎn)生的鐵磁材料的任何自然的磁化強的多。在應(yīng)用的軸磁化的軸的梯度產(chǎn)生圍繞該光纜的徑向的外部“泄漏”的磁場，實質(zhì)上是圓柱狀地對稱的并且沿著光纜的長度周期地變化，提供可以由無源的磁探測方法容易檢測的堅固的永久的磁特征標(biāo)記。沿著光纜的徑向的外部磁場的周期的變化例如可以具有方波或者正弦波圖案。如果變化的波長是足夠長的，在大部分光纜的外磁場強度大約線性地隨離開光纜的距離減小。
期望的磁化可以使用具有放置在光纜的相對側(cè)的、用于產(chǎn)生相鄰光纜的磁場的一對鏡像磁鐵(或者多對)的獨特的導(dǎo)磁體實現(xiàn)，它重復(fù)地變化，因為光纜是相對于磁鐵縱向地移動的。
附圖的簡要敘述本發(fā)明將結(jié)合說明優(yōu)選(最好的模式)實施例的附圖進一步描述，其中

圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)磁體的第一實施例的示意平面圖；圖2是第二實施例的類似的視圖；圖3是第三實施例的具有以剖面圖表示的光纜的示意正視圖；圖4是表示圍繞光纜的徑向磁力線的示意剖面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明磁化的光纜示意的縱向斷面圖，并且根據(jù)方波磁化圖案表示內(nèi)部的軸向的磁化和外部的磁力線；圖6是根據(jù)本發(fā)明磁化的光纜示意的縱向斷面圖，并且根據(jù)正弦波圖案表示內(nèi)部的軸向的磁化和外部的磁力線；圖7是用于方波磁化的各種磁化波長的磁場徑向分量幅值對離光纜的徑向距離的曲線；圖8是用于正弦波磁化的各種磁化波長的磁場徑向分量幅值對離光纜的徑向距離的曲線；圖9是用于小光纜的實際的導(dǎo)磁體的透視圖；和圖10是用于大直徑光纜的導(dǎo)磁體的示意的透視圖。
本發(fā)明的詳細敘述圖1圖解地表示一個簡單的裝置，用于產(chǎn)生光纜的期望磁化。該裝置包括一個導(dǎo)磁體，該導(dǎo)磁體包括支持在相對轉(zhuǎn)動非磁盤10(例如鋁或者塑料)的一對強鏡像磁鐵(例如具有大約20K高斯的極強度的稀土族磁鐵)。每個磁鐵可以是長的永久的條狀磁鐵，跨越相對地相鄰圓盤周圍安裝和通過高滲透性的磁性材料的長度結(jié)合的圓盤或者較短的條狀磁鐵伸展。
光纜12例如是通過適當(dāng)?shù)臓恳囼?qū)動(未表示)縱向地拖動，而該圓盤接近光纜的相對側(cè)放置。每個圓盤支持在垂直于該圖平面的軸旋轉(zhuǎn)。圓盤的旋轉(zhuǎn)是同步的，因此相鄰光纜的磁場強度隨圓盤旋轉(zhuǎn)而變化時，光纜一側(cè)的磁場極性是與相對側(cè)的磁場極性相同的。轉(zhuǎn)動該圓盤的驅(qū)動機構(gòu)包括由光纜縱向的運動驅(qū)動的驅(qū)動滾筒14和連接驅(qū)動滾筒與該圓盤的聯(lián)動裝置(未表示)。適當(dāng)?shù)穆?lián)動裝置將在稍后描述。
光纜的鐵磁材料的應(yīng)用的磁場接近飽和并且比任何自然的磁化(例子由于地球磁場)強的多，因此它重寫或者擦除光纜的整個長度的自然的磁化(或許除了在應(yīng)用的磁場極性瞬變的區(qū)域之外)。
圖1表示的裝置產(chǎn)生光纜磁化的重復(fù)的正弦曲線梯度和徑向的外部磁場的正弦曲線變化。其它外部磁場圖案可以使用具有各種的間隔、方向與圍繞圓盤圓周線的極強度的磁鐵產(chǎn)生。例如，圖2中表示的導(dǎo)磁體正如表示的包括支持多對徑向安排的磁鐵的非磁性材料的一對相對的轉(zhuǎn)盤10A。這種安排產(chǎn)生徑向外部磁場的重復(fù)的方波變化。
圖1和2表示的實施例適合于磁化相對小的直徑光纜的加強部件或者光纜。因為較大直徑光纜正如圖3表示的，可以使用多對鏡像磁鐵10B，其中以剖面圖示意地表示一個光纜12。相對的一對磁鐵的每個磁鐵是可繞軸A旋轉(zhuǎn)的，軸A垂直于光纜的軸向的平面，并且在垂直于光如纜的縱向軸。磁鐵的旋轉(zhuǎn)是同步的，以使加在光纜的所有側(cè)的磁場極性是相同的。當(dāng)然，該極性隨著磁鐵旋轉(zhuǎn)而變化。
圖1-3表示的導(dǎo)磁體磁化光纜的加強部件或者鎧裝的鐵磁材料，使得產(chǎn)生圓柱狀的對稱的徑向外磁場，該外磁場沿著光纜的長度周期性地變化。正如圖4-6中表示的，圓柱狀對稱的外部磁場具有相對于該光纜放射狀地伸展的磁力線。徑向磁力線F1是具有在光纜表面上以及/或者內(nèi)部、平行光纜長度伸展的軸向的部分F2和平行該光纜外部的光纜長度伸展的軸向的部分F3的磁通環(huán)路的部分。
沿著光纜長度，外部磁場重復(fù)的包括一個極性的區(qū)域跟隨反向極性的一個區(qū)域。交變區(qū)域或者范圍是長度L/2，這里L(fēng)是磁場變化的波長。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的L是基本上大于垂直于它的長度的光纜的寬度或者直徑d。在這種情況下，外部磁場的強度隨離開光纜的距離的增加大約線性地減小，即場強和離開光纜的距離之間存在一個相對的關(guān)系。該關(guān)系可以表示成1/R，這里R是離開垂直于中線的光纜的中線(軸)的距離并且相對于L是小的。
正如圖7和8表示的，對于1/R關(guān)系，在相對于波長L是小的、離開該光纜的距離處磁場徑向分量幅度｜Br｜基本上大于對于1/R2關(guān)系的磁場徑向分量幅度，除了在非常接近光纜的位置之外。圖7和8表示的曲線是用于10、20、30米等等的波長。很明白，波長L越長，越接近近似于1/R。
對于任何給定波長，波形可以從方波調(diào)節(jié)為正弦波。但是，對于不同于正弦的(例如方波)任何形狀，徑向磁場強度隨離開電纜的距離R變化沿著該光纜不是恒定的。徑向磁場分量的徑向變化是用于正弦的放大的波長的唯一的功能，但是對于非正弦的磁化也隨著沿著該光纜位置變化。因此，對于任何波長“最好的”波形是正弦的，它也要求最簡單的導(dǎo)磁體配置(轉(zhuǎn)動條狀磁鐵)。
圖9表示根據(jù)本發(fā)明用于磁化小直徑的光纜的實際的導(dǎo)磁體。驅(qū)動滾筒14是由光纜(未表示)驅(qū)動的，因為光纜在驅(qū)動滾筒上由傳統(tǒng)的牽引車驅(qū)動(未表示)縱向地移動。驅(qū)動滾筒通過聯(lián)動裝置連接到安排排列在光纜的相對側(cè)的一對相對的旋轉(zhuǎn)鏡像磁鐵M，聯(lián)動裝置包括驅(qū)動軸16、帶子和鏈輪聯(lián)接18以及到轉(zhuǎn)動軸的齒輪箱20。在此情況下，各個磁鐵M由在安裝在轉(zhuǎn)動軸22上的高浸透性的磁性材料末端的一對相對短的極磁鐵構(gòu)成。該導(dǎo)磁體也包括一個外殼24，外殼24具有一個光纜的引導(dǎo)管道的一個蓋(未表示)和暴露該驅(qū)動滾筒的一個凹口。
圖10示意地表示用于大直徑光纜的一個導(dǎo)磁體，包括支撐鏡像磁鐵的兩對相對的轉(zhuǎn)盤26，安排這兩對磁鐵圍繞驅(qū)動一個驅(qū)動滾筒14的光纜12的圓周。驅(qū)動滾筒由示意地表示的聯(lián)動裝置28連接到齒輪箱26，磁鐵圓盤可旋轉(zhuǎn)地安裝在齒輪箱上。這些聯(lián)動裝置可以包括帶子和鏈輪聯(lián)接以及還可以包括電工作的可變齒輪比的離合器以及/或者制動器，以便改變驅(qū)動滾筒的旋轉(zhuǎn)的型式。
根據(jù)本發(fā)明磁化的光纜和其它伸長的物體可以使用熟知的磁探測設(shè)備進行檢測、定位和跟蹤，該磁探測設(shè)備采用諸如飽和式磁力儀或者梯度計的磁性傳感器的陣列。例如，參見在美國專利中披露的磁探測設(shè)備和權(quán)利要求書，引用在此處供參考。
在本發(fā)明的實際的測試中，在51mm鎧裝光纜和11mm輕型的無鎧光纜上產(chǎn)生強的外部磁場特征標(biāo)記，它大大地促進準(zhǔn)確的水平和垂直的光纜位置確定。在兩種情況下，在兩米的垂直距離容易地跟蹤光纜。51mm鎧裝光纜獲得的磁化與20英寸直徑鋼管道在垂直距離接近6米處可能的檢測、跟蹤和深度確定是大約相同的。11mm無鎧裝光纜的磁化在超過4米的垂直距離處可能的檢測、跟蹤和深度確定大約是12英寸直徑管道的磁化。兩個測試包括產(chǎn)生正弦的外部磁場型式的磁化。
雖然表示的和描述的導(dǎo)磁體使用永久磁鐵，也可以使用電磁鐵。固定的極性轉(zhuǎn)動電磁鐵可以簡單地代替條型磁鐵。作為選擇，相鄰移動光纜可以使用平穩(wěn)的電磁鐵，并且所加的磁場的極性和強度可以是電地不同的。這個安排可以容易地使用到在光纜上例如以數(shù)字的條形碼磁性地編碼數(shù)據(jù)，它可以由磁性的跟蹤系統(tǒng)讀出。例如可以使用這樣的安排用于未來的定位沿著光纜標(biāo)記中繼器或者接頭。在光纜上磁性地相似的編碼數(shù)據(jù)可以通過以光纜的線性的運動變化永久磁鐵或者電磁鐵的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。例如，微處理器通過離合器、制動器以及/或者可變的齒輪機構(gòu)可用于控制轉(zhuǎn)動的驅(qū)動列車。
雖然已經(jīng)表示和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，這些實施例是示例的，不是限定的，而且本領(lǐng)域的技術(shù)人員是明白的，在不偏離本發(fā)明的原理和精神下可進行修改，本發(fā)明的范圍在所附的書中提出。
權(quán)利要求
1.在伸長的物體的鐵磁材料中產(chǎn)生磁化的一種方法，包括以一種方式施加磁化該鐵磁材料的磁場在所述物體上，產(chǎn)生實質(zhì)上圓柱狀對稱的并且沿著該物體長度變化的、圍繞該目標(biāo)的徑向外部磁場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該外部磁場具有徑向磁力線，它的極性重復(fù)的沿著該物體的長度變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中該徑向磁力線是具有在該物體的表面上或者該物體內(nèi)部伸展的軸向的部分，和具有沿著該物體外部沿著該物體長度伸展的軸向的部分的磁通環(huán)路的部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中徑向外部磁場的變化是周期的并且具有沿著該物體長度的一個波長，實質(zhì)上大于垂直于它的長度的該物體的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中該波長是這樣的，外部磁場的幅度隨著離開該物體的距離大約線性地減小。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中該波長是10米左右的數(shù)量級。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的的方法，其中該磁場是通過該物體和導(dǎo)磁體的相對的縱長運動施加的，和由該導(dǎo)磁體施加的磁場具有重復(fù)地變化的極性。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中該重復(fù)的變化具有一個方波型式。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中該重復(fù)的變化具有一個正弦波型式。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中該導(dǎo)磁體包括排列在該物體相對側(cè)的一對鏡像磁鐵，并且相鄰該物體的極性在相對的運動期間重復(fù)地變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中該導(dǎo)磁體包括圍繞該物體排列的多個所述磁鐵對。
12.一種伸長的物體，包括鐵磁材料，該鐵磁材料具有實質(zhì)上比由地球磁場固有的磁化更強的磁化并且提供實質(zhì)上是圓柱狀對稱的和沿著該物體長度重復(fù)地變化的、圍繞該物體的一個外部磁場。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的伸長的物體，其中該外部磁場具有徑向磁力線，它的極性沿著該物體的長度重復(fù)地變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的伸長的物體，其中該徑向磁力線是具有在該物體的表面上或者該物體內(nèi)部沿著該物體長度伸展的軸向的部分，和具有沿著該物體外部的該物體的長度伸展的軸向的部分的磁通環(huán)路的部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的伸長的物體，其中外部磁場的重復(fù)的變化是周期的并且具有沿著該物體長度的一個波長，該波長實質(zhì)上大于垂直于它的長度的該物體的寬度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的伸長的物體，其中該波長是這樣的外部磁場的幅度隨著離開該物體的距離大約線性地減小。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的伸長的物體，其中該波長是10米左右的數(shù)量級。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的伸長的物體，其中該重復(fù)的變化具有一個方波型式。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的伸長的物體，其中該重復(fù)的變化具有一個正弦波型式。
20.用于在伸長的物體的鐵磁材料中產(chǎn)生磁化的裝置，包括一個導(dǎo)磁體，該導(dǎo)磁體包括在該物體的相對側(cè)相鄰該物體排列安排的一對鏡像磁鐵，該物體是相對于該磁鐵縱向地可移動的，和當(dāng)該物體是相對于該磁鐵移動時，重復(fù)地變化相鄰該物體的磁鐵極性的一個機構(gòu)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的裝置，其中該導(dǎo)磁體包括圍繞該物體排列安排的多個所述磁鐵對。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的裝置，其中每個所述磁鐵具有一對反向極性的端部和該磁鐵繞著實質(zhì)上垂直于該物體的縱向的軸向平面并且在基本上垂直于該物體長度的平面中的軸相對的旋轉(zhuǎn)，和其中該磁鐵的旋轉(zhuǎn)是以該物體的運動調(diào)整的。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中該磁鐵的旋轉(zhuǎn)是由一個驅(qū)動車產(chǎn)生的，該驅(qū)動車包含安排由該物體的縱向的運動旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動滾筒和響應(yīng)驅(qū)動滾筒的旋轉(zhuǎn)使得該磁鐵旋轉(zhuǎn)的一個聯(lián)動裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的裝置，其中該聯(lián)動裝置包括允許響應(yīng)該驅(qū)動滾筒的旋轉(zhuǎn)變化磁鐵的旋轉(zhuǎn)的一個設(shè)備。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中該磁鐵支撐在轉(zhuǎn)動圓盤上。
全文摘要
諸如光纜(12)的伸長的物體的鐵磁材料是以一種方式永久地磁化的,導(dǎo)致圍繞該物體的實質(zhì)上圓柱狀的對稱的徑向外部磁場。該徑向外部磁場沿著該物體的長度周期地變化。如果該周期變化的波長與該物體的寬度(直徑)相比是長的,對于與該波長比較距離是小的,該徑向外部磁場的強度隨著離開該物體的距離大約相對地減小。該鐵磁材料的磁化是由具有相鄰一個物體的相對的旋轉(zhuǎn)鏡像磁鐵對(10)的一個導(dǎo)磁體實現(xiàn)的,該物體相對于該磁鐵縱向地移動。由于該磁化,諸如管道和光纜之類的埋式物體可以在離開該物體大致的距離磁性地檢測。
文檔編號H01F13/00GK1350689SQ99816636
公開日2002年5月22日 申請日期1999年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月15日
發(fā)明者保羅·A·克盧捷, 蒂莫西·I·馬爾佐夫, 德爾伯特·R·厄梅, 羅納德·F·斯特賓斯 申請人:保羅·A·克盧捷, 蒂莫西·I·馬爾佐夫, 德爾伯特·R·厄梅, 羅納德·F·斯特賓斯