專利名稱：高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜及其監(jiān)測方法
高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜及其監(jiān)測方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于信號(hào)檢測和分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于結(jié)構(gòu)物安全監(jiān)測的高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜及其監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
近年來，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中，利用布里淵分布式光纖監(jiān)測技術(shù)的光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，目前工程上廣泛采用基于常規(guī)電測式傳感器的人工采集數(shù)據(jù)方法，這種方法監(jiān)測范圍小、工作量大、效率低、投入大，無法保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。光纖傳感器具有抗電磁干擾、防水、抗腐蝕、耐久性長、測量范圍廣、便于鋪設(shè)安裝等特點(diǎn)，將其植入監(jiān)測對(duì)象中不存在匹配的問題，對(duì)監(jiān)測對(duì)象的性能和力學(xué)參數(shù)等影響較??；光纖本身既是傳感介質(zhì)又是信號(hào)傳輸介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測對(duì)象的遠(yuǎn)程分布式監(jiān)測。
目前傳統(tǒng)的傳感光纜主要分為兩類，一類為緊套結(jié)構(gòu)的傳感光纜，主要用于規(guī)則物體的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，缺點(diǎn)是監(jiān)測范圍小、易受環(huán)境影響；第二類為冗余結(jié)構(gòu)的傳感光纜， 主要用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)物、復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)測，缺點(diǎn)是監(jiān)測靈敏度低。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提出一種用于結(jié)構(gòu)物安全監(jiān)測的高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜及其監(jiān)測方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)
一種高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜，包括外護(hù)層和插設(shè)在所述外護(hù)層內(nèi)的絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件、半緊套傳感單元和松套傳感單元。
優(yōu)選的，所述絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件用于控制測試靈敏度，半緊套傳感單元用于精密監(jiān)測，松套傳感單元用于增加應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜量程。
優(yōu)選的，所述絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件的絞合節(jié)徑比范圍在40 100之間；絞合元件數(shù)量為2 7根，單根元件的直徑為O. 4 I. 2_，絞合形式為同心絞合。
優(yōu)選的，所述半緊套傳感單元由內(nèi)及外依次為1-4根第一傳感光纖、阻水材料和光纖束管；所述松套傳感單元由內(nèi)及外依次為4-12根第二傳感光纖、阻水材料、PBT松套管和外鎧裝層。
優(yōu)選的，松套傳感單元中的第二傳感光纖的余長范圍為應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜長度的 O. 2% O. 5%。
優(yōu)選的，第二傳感光纖的監(jiān)測范圍的下限值大于第一傳感光纖的監(jiān)測范圍的下限值且小于或等于第一傳感光纖的監(jiān)測范圍的上限值，第二傳感光纖的監(jiān)測范圍的上限值大于第一傳感光纖的監(jiān)測范圍的上限值。
優(yōu)選的，所述加強(qiáng)構(gòu)件、半緊套傳感單元和松套傳感單元平行放置。
高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜的監(jiān)測方法，包括當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜受力發(fā)生應(yīng)變時(shí)，首先半緊套傳感單元內(nèi)的第一傳感光纖監(jiān)測應(yīng)變；在該工作階段，松套傳感單兀內(nèi)的第二傳感光纖因存在余長并未發(fā)生應(yīng)變，而絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件隨著應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜的受力逐漸伸展；第二傳感光纖的監(jiān)測范圍的下限值大于第一傳感光纖的監(jiān)測范圍的下限值且小于或等于第一傳感光纖的監(jiān)測范圍的上限值，第二傳感光纖的監(jiān)測范圍的上限值大于第一傳感光纖的監(jiān)測范圍的上限值；當(dāng)半緊套傳感單元內(nèi)的第一傳感光纖在其監(jiān)測范圍內(nèi)或到達(dá)監(jiān)測范圍上限時(shí)，松套傳感單元內(nèi)的第二傳感光纖余長正好被應(yīng)變所抵消，松套管傳感單元內(nèi)的第二傳感光纖沒有余長之后，開始監(jiān)測應(yīng)變。
優(yōu)選的，第一傳感光纖的應(yīng)變監(jiān)測范圍為O O. 5%，第二傳感光纖的應(yīng)變監(jiān)測范圍為O. 3% I. 0%。
優(yōu)選的，絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件在第一傳感光纖監(jiān)測范圍內(nèi)，隨著應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜的受力而逐漸伸展，但不承受應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜承受的主要作用力；在第二傳感光纖的監(jiān)測范圍內(nèi)，絞合加強(qiáng)構(gòu)件隨著應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜的受力逐漸伸展達(dá)到極限，且開始承受應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜承受的主要作用力。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
在結(jié)構(gòu)物變化初期都會(huì)發(fā)生極微小的應(yīng)力應(yīng)變，普通傳感光纜由于本身余長和加強(qiáng)構(gòu)件的原因并不易檢測出這些微小應(yīng)力應(yīng)變，而本發(fā)明的傳感光纜的一個(gè)特點(diǎn)就是采用絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件，增加半緊套傳感單元傳感光纖的應(yīng)力應(yīng)變靈敏度，因絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件使傳感光纜存在著拉伸窗口，在該拉伸窗口范圍內(nèi)傳感光纜受力時(shí)加強(qiáng)構(gòu)件非主要受力部分，提高了傳感光纜本身的應(yīng)力應(yīng)變靈敏度，故而提高了半緊套傳感單元內(nèi)傳感光纖的應(yīng)力應(yīng)變靈敏度。通過調(diào)節(jié)加強(qiáng)構(gòu)件的絞合節(jié)徑比范圍(40 100)，可以改變傳感光纖的高靈敏度的測試范圍(O. 05% O. 3%)。
本發(fā)明通過調(diào)節(jié)松套傳感單元內(nèi)傳感光纖的余長范圍，結(jié)合半緊套傳感單元的監(jiān)測范圍，增加了傳感光纜整體的監(jiān)測范圍。
應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜工作分為兩個(gè)階段，半緊套傳感單元工作階段和松套傳感單元工作階段。
半緊套傳感單元工作階段半緊套傳感單元內(nèi)的傳感光纖監(jiān)測應(yīng)變，應(yīng)變監(jiān)測范圍為O O. 5 %，在該工作階段，松套傳感單元內(nèi)的傳感光纖因存在余長并未發(fā)生應(yīng)變，但該光纖可感應(yīng)溫度變化，消除該階段溫度變化引起的誤差，提高監(jiān)測精度。
松套傳感單元工作階段半緊套傳感單元內(nèi)的傳感光纖因應(yīng)變達(dá)到一定程度而失效或接近失效，此時(shí)松套傳感單元內(nèi)的傳感光纖余長正好被該范圍的應(yīng)變所抵消，松套管內(nèi)的傳感光纖沒有余長之后，開始監(jiān)測應(yīng)變，其應(yīng)變監(jiān)測范圍為O. 3% 1.0%。通過調(diào)整松套傳感單元傳感光纖的余長及松套管成纜結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜的測試量程，使傳感光纜的量程達(dá)到O I. 0%。
本發(fā)明可用于多種測量場合，并有極大的測量量程，同時(shí)兼顧測試靈敏度，減少了傳感光纜的種類，節(jié)約了成本，減小敷設(shè)難度。
圖I、圖2是本發(fā)明的高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜兩種實(shí)施例的徑向結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖3是傳感光纜半緊套傳感單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是傳感光纜松套傳感單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是分別采用絞合加強(qiáng)構(gòu)件和非絞合加強(qiáng)構(gòu)件傳感光纜的拉伸曲線示意圖。
圖6是本發(fā)明的傳感光纜內(nèi)第一傳感光纖和第二傳感光纖與普通結(jié)構(gòu)緊套傳感光纖的應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比示意圖。
圖7是本發(fā)明的傳感光纜伸長率與第一傳感光纖和第二傳感光纖的應(yīng)變曲線示意圖。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施方式
參見圖I、圖2，本發(fā)明用于結(jié)構(gòu)物安全監(jiān)測的高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜，其包括外護(hù)層I和設(shè)置于外護(hù)層I內(nèi)的一根絞合結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)構(gòu)件2、一根半緊套傳感單元3和松套傳感單元4。加強(qiáng)構(gòu)件2、半緊套傳感單元3和松套傳感單元4平行放置。
傳感光纜內(nèi)的加強(qiáng)構(gòu)件2可以采用金屬材料或非金屬材料，加強(qiáng)構(gòu)件2的結(jié)構(gòu)尺寸與松套傳感單元4的尺寸保持一致。絞合的節(jié)徑比范圍在40 100之間；絞合元件數(shù)量為2 7根；單根元件的直徑為O. 4 I. 2mm ;絞合形式為同心絞合。
參見圖3，半緊套傳感單元3由內(nèi)及外依次為第一傳感光纖31、阻水材料32、光纖束管33。半緊套傳感單元3內(nèi)的第一傳感光纖31可以是單模光纖，也可以是多模光纖，第一傳感光纖31的數(shù)量I 4根；第一傳感光纖31與光纖束管33間隙填充阻水紗或油膏等阻水材料32,防止第一傳感光纖31由于水分侵入而破壞。
參見圖4，松套傳感單元4由內(nèi)及外依次為第二傳感光纖41、阻水材料42、PBT松套管43、外鎧裝層44。松套傳感單元4內(nèi)的第二傳感光纖41可以是單模光纖，也可以是多模光纖，第二傳感光纖41的數(shù)量4 12根；第二傳感光纖41與PBT松套管43間隙填充阻水紗或油膏等阻水材料42，防止第二傳感光纖41由于水分侵入而破壞；PBT松套管43的材料采用PBT材料；松套管外鎧裝層44采用不銹鋼帶螺旋繞包而成，保證松套傳感單元4的抗側(cè)壓性能。
參見圖5，采用絞合加強(qiáng)構(gòu)件傳感光纜的拉伸曲線示意圖(線b)與采用非絞合加強(qiáng)構(gòu)件傳感光纜的拉伸曲線示意圖(線a)，通常加強(qiáng)構(gòu)件在光纜中的作用主要是增加光纜的抗拉強(qiáng)度、保護(hù)內(nèi)部光纖不被損壞，絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件2由于有絞入系數(shù)的存在，使加強(qiáng)構(gòu)件的長度比傳感光纜稍長，在光纜拉伸時(shí)，拉伸長度小于加強(qiáng)構(gòu)件2的絞合長度，則加強(qiáng)構(gòu)件2不承受主要的作用力，只有當(dāng)拉伸長度大于加強(qiáng)構(gòu)件2的絞合長度時(shí)，加強(qiáng)構(gòu)件2才開始承受主要的作用力，而在加強(qiáng)構(gòu)件2不承受主要作用力的階段在光纜的拉伸曲線上呈現(xiàn)出一段拉伸窗口 211。
參見圖6，采用絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件傳感光纜內(nèi)半緊套傳感單元3內(nèi)的第一傳感光纖31 (線e)和松套傳感單元4內(nèi)的第二傳感光纖41 (線c)與普通結(jié)構(gòu)緊套傳感光纖(線 d)的應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比示意圖。在傳感光纜拉伸窗口 211的范圍內(nèi)，傳感光纜包括其中的傳感光纖應(yīng)力應(yīng)變靈敏度增加。而半緊套傳感單元中第一傳感光纖31與傳感光纜長度相同，其應(yīng)力應(yīng)變靈敏度也隨之提高，故此靈敏度提高的區(qū)間為高靈敏度區(qū)間311 ;松套傳感單元內(nèi)的第二傳感光纖41因自身存在余長，而存在著自身的拉伸窗口 411，并且其范圍大于傳感光纜的拉伸窗口 211的范圍，故在該范圍內(nèi)第二傳感光纖41只是余長減小。通過調(diào)節(jié)加強(qiáng)構(gòu)件2的絞合節(jié)徑比可調(diào)節(jié)加強(qiáng)構(gòu)件拉伸窗口 211的范圍，節(jié)徑比的調(diào)節(jié)范圍為 40 100，對(duì)應(yīng)的拉伸窗口范圍即高靈敏度區(qū)間311的范圍為O. 05% 0.3%。
參見圖7，當(dāng)傳感光纜受力發(fā)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜工作分為兩個(gè)階段，半緊套傳感單元工作階312 (線g)和松套傳感單元工作階段412 (線h)。
半緊套傳感單元工作階段312 :半緊套傳感單元3內(nèi)的第一傳感光纖31監(jiān)測應(yīng)變，應(yīng)變監(jiān)測范圍為O O. 5%，在該工作階段，松套傳感單元4內(nèi)的第二傳感光纖41因存在余長并未發(fā)生應(yīng)變，但第二傳感光纖41可感應(yīng)溫度變化，消除該階段溫度變化引起的誤差，提高監(jiān)測精度。
松套傳感單元工作階段412 :半緊套傳感單元3內(nèi)的第一傳感光纖31因應(yīng)變達(dá)到一定程度而失效或接近失效，此時(shí)松套傳感單元4內(nèi)的第二傳感光纖41余長正好被該范圍的應(yīng)變所抵消，松套管內(nèi)的第二傳感光纖41沒有余長之后，開始監(jiān)測應(yīng)變，其應(yīng)變監(jiān)測范圍為O. 3% I. 0%。通過調(diào)整松套傳感單元傳感光纖的余長及松套管成纜結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜的測試量程，使傳感光纜的量程達(dá)到O I. 0%。
以上具體實(shí)施方式
僅用于說明本發(fā)明，而非用于限定本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜，其特征在于包括外護(hù)層(I)和插設(shè)在所述外護(hù)層(I)內(nèi)的絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件(2)、半緊套傳感單元(3)和松套傳感單元(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜，其特征在于所述絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件(2 )用于控制測試靈敏度，半緊套傳感單元(3 )用于精密監(jiān)測，松套傳感單元(4)用于增加應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜量程。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜，其特征在于所述絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件(2)的絞合節(jié)徑比范圍在40 100之間；絞合元件數(shù)量為2 7根，單根元件的直徑為O. 4 I. 2mm,絞合形式為同心絞合。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜，其特征在于所述半緊套傳感單元(3)由內(nèi)及外依次為1-4根第一傳感光纖(31)、阻水材料和光纖束管(33);所述松套傳感單元(4)由內(nèi)及外依次為4-12根第二傳感光纖(41)、阻水材料、PBT松套管(43)和外鎧裝層(44)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜，其特征在于松套傳感單元(4)中的第二傳感光纖(41)的余長范圍為應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜長度的O. 2% O. 5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜，其特征在于第二傳感光纖(41)的監(jiān)測范圍的下限值大于第一傳感光纖(31)的監(jiān)測范圍的下限值且小于或等于第一傳感光纖(31)的監(jiān)測范圍的上限值，第二傳感光纖(41)的監(jiān)測范圍的上限值大于第一傳感光纖(31)的監(jiān)測范圍的上限值。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜，其特征在于所述加強(qiáng)構(gòu)件(2)、半緊套傳感單元(3)和松套傳感單元(4)平行放置。
8.權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)所述的高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜的監(jiān)測方法，其特征在于，包括 當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜受力發(fā)生應(yīng)變時(shí)，首先半緊套傳感單元(3)內(nèi)的第一傳感光纖(31)監(jiān)測應(yīng)變；在該工作階段，松套傳感單元(4)內(nèi)的第二傳感光纖(41)因存在余長并未發(fā)生應(yīng)變，而絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件(2)隨著應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜的受力逐漸伸展； 第二傳感光纖(41)的監(jiān)測范圍的下限值大于第一傳感光纖(31)的監(jiān)測范圍的下限值且小于或等于第一傳感光纖(31)的監(jiān)測范圍的上限值，第二傳感光纖(41)的監(jiān)測范圍的上限值大于第一傳感光纖(31)的監(jiān)測范圍的上限值；當(dāng)半緊套傳感單元(3)內(nèi)的第一傳感光纖(31)在其監(jiān)測范圍內(nèi)或到達(dá)監(jiān)測范圍上限時(shí)，松套傳感單元(4)內(nèi)的第二傳感光纖(41)余長正好被應(yīng)變所抵消，松套管傳感單元內(nèi)的第二傳感光纖(41)沒有余長之后，開始監(jiān)測應(yīng)變。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)測方法，其特征在于，第一傳感光纖(31)的應(yīng)變監(jiān)測范圍為O O. 5%，第二傳感光纖(41)的應(yīng)變監(jiān)測范圍為O. 3% 1.0%。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的監(jiān)測方法，其特征在于，絞合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件(2)在第一傳感光纖(31)監(jiān)測范圍內(nèi)，隨著應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜的受力而逐漸伸展，但不承受應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜承受的主要作用力；在第二傳感光纖(41)的監(jiān)測范圍內(nèi)，絞合加強(qiáng)構(gòu)件隨著應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜的受力繼續(xù)伸展達(dá)到極限，且開始承受應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜承受的主要作用力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于結(jié)構(gòu)物安全監(jiān)測的高靈敏度寬量程應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜及其監(jiān)測方法，包括外護(hù)層、加強(qiáng)構(gòu)件、半緊套傳感單元和松套傳感單元，所述加強(qiáng)構(gòu)件采用絞合結(jié)構(gòu)；所述加強(qiáng)構(gòu)件、半緊套傳感單元和松套傳感單元平行放置。本發(fā)明通過絞合結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)構(gòu)件增加了半緊套傳感單元的測試靈敏度；通過調(diào)節(jié)松套傳感單元的余長結(jié)合半緊套傳感單元的測試范圍增加應(yīng)力應(yīng)變傳感光纜的量程范圍；本發(fā)明可用于多種測量場合，并有極大的測量量程，同時(shí)兼顧測試靈敏度，減少了傳感光纜的種類，節(jié)約了成本，減小敷設(shè)難度。
文檔編號(hào)G02B6/44GK102981230SQ201210533930
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者陳勇, 是溪明, 張富縣, 査云飛 申請(qǐng)人:中國西電集團(tuán)公司