一種長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器及工程實現(xiàn)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器及工程實現(xiàn)方法，長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器是在高分子復(fù)合筋熱成型過程中，內(nèi)嵌四根間隔90度周向布設(shè)的單模應(yīng)變光纖、一根松護套單模溫度光纖和一束七絲加強鋼絞線。單模應(yīng)變光纖測量傳感器4個方向上的縱向應(yīng)變，單模溫度光纖測試環(huán)境溫度并對應(yīng)變進行修正，基于應(yīng)變?曲率和微分幾何關(guān)系分段重構(gòu)傳感器的空間姿態(tài)。本發(fā)明專利技術(shù)長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器布設(shè)于路基、海底光纜等大尺度結(jié)構(gòu)中，可監(jiān)測數(shù)十公里的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，基于應(yīng)變到曲率的轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)的在線監(jiān)測，對結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測和評定具有重要的工程意義。

Long distance distributed optical fiber space posture monitoring sensor and engineering realization method

The invention provides a method for realizing long distance distributed optical fiber sensor and space attitude monitoring project, long distance distributed optical fiber sensor in monitoring spatial attitude is reinforced polymer composite forming process, with four root interval of 90 weeks to the layout of a single-mode fiber strain, single-mode fiber and a loose sheath temperature seven wire steel beam strand. Single mode optical fiber strain sensor for measuring the longitudinal strain in 4 directions, modified single-mode optical fiber temperature change test environment temperature and corresponding spatial attitude curvature and differential geometry relationship of strain sensor based on piecewise reconstruction. The invention of long distance distributed optical fiber sensor layout space attitude monitoring on large scale roadbed, submarine cable structures, structure strain monitoring of tens of kilometers, strain to the curvature transformation based on on-line monitoring, can realize the whole structure of posture, has important significance for safety monitoring and assessment of structures.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器及工程實現(xiàn)方法
本專利技術(shù)屬于結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域，涉及一種長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器及工程實現(xiàn)方法。
技術(shù)介紹
諸如長輸管道、海底光纜和長距離路基等線性結(jié)構(gòu)屬于重大基礎(chǔ)設(shè)施，其正常運營與國民經(jīng)濟和生活密切相關(guān)。這些長距離線性結(jié)構(gòu)在長期的服役過程中受人為因素、自然災(zāi)害和環(huán)境的變遷等影響，會發(fā)生影響結(jié)構(gòu)安全的大變形，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。如地基沉降過大引起的管道變形爆管，路基不均勻沉降引起的行車不平順性或脫軌事故，因潮汐、輪船拋錨掛纜引起的海底光纜斷纜斷電等事故，都造成了一定的財產(chǎn)損失和人員傷亡。結(jié)構(gòu)失效是一個損傷演化過程，采用有效手段監(jiān)測結(jié)構(gòu)變形，把握結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)，對結(jié)構(gòu)的安全狀況進行評估，對災(zāi)害事故提前預(yù)警，具有重要的工程意義。目前這類重大基礎(chǔ)設(shè)施大多建立了結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測或檢測系統(tǒng)，主要包括人工巡檢、局部變形(縱向應(yīng)變或沉降)監(jiān)測、GPS變形監(jiān)測以及全分布式縱向應(yīng)變監(jiān)測等。人工巡檢屬于檢測技術(shù)，存在人工檢測周期長、勞動強度高以及檢測效果與檢測人員素質(zhì)相關(guān)等缺點；局部變形監(jiān)測技術(shù)，如局部光纖光柵技術(shù)和單點沉降傳感器只能對結(jié)構(gòu)局部形態(tài)進行監(jiān)測，不適合長距離線性工程全尺度監(jiān)測；GPS變形監(jiān)測屬于表層變形監(jiān)測，同樣不能覆蓋長距離線性結(jié)構(gòu)。分布式光纖布里淵傳感技術(shù)具有測試距離長、抗電磁場干擾、耐久性好等特點，在長距離、大體積結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中得到了應(yīng)用，但是目前大多數(shù)分布式傳感器側(cè)重于結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力應(yīng)變測試，而對于結(jié)構(gòu)空間形態(tài)的監(jiān)測，需要同時布設(shè)多個分布式光纖傳感器，造成監(jiān)測系統(tǒng)集成費用高，難度大等困難。對于長距離線性結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測，急需一種滿足工程化安裝需求的長距離分布式空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器。目前有相關(guān)文獻報道了采用離散的光纖光柵傳感器開展小尺度結(jié)構(gòu)的空間姿態(tài)監(jiān)測(朱曉錦，陸美玉，趙曉瑜等，太空機械臂振動形態(tài)三維重構(gòu)算法及可視化分析，系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009,21(15)：4706-4709)，該方法因只有幾個離散測點，難以開展大尺度結(jié)構(gòu)空間姿態(tài)監(jiān)測，采用分布式光纖布里淵傳感技術(shù)開展大尺度結(jié)構(gòu)空間姿態(tài)監(jiān)測的研究還未見相關(guān)報道。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)提供一種長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器及工程實現(xiàn)方法，該傳感器將四根單模光纖、一根帶有松護套的單模光纖和一束7絲鋼絞線內(nèi)嵌在一根直徑為5-8mm的高分子復(fù)合筋中，4根單模光纖作為應(yīng)變傳感光纖測量光纖相應(yīng)位置的應(yīng)變和溫度信息；工程實現(xiàn)方法是對傳感器中應(yīng)變測試數(shù)據(jù)進行溫度修正及突變識別處理，基于應(yīng)變-曲率幾何關(guān)系，分段分區(qū)域解析該傳感器的空間姿態(tài)。為了達到上述目的，本專利技術(shù)的技術(shù)方案為：一種長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器，包括四根單模應(yīng)變光纖1、一根帶有松護套的單模溫度光纖2、一束七絲鋼絞線3、高分子復(fù)合筋4、兩個光纖分線盒5和兩根傳輸光纜6。所述的單模應(yīng)變光纖1、單模溫度光纖2和七絲鋼絞線3在高分子復(fù)合筋4熱成型過程中布設(shè)于高分子復(fù)合筋4內(nèi)部。所述的四根單模應(yīng)變光纖1間隔90度周向布設(shè)于高分子復(fù)合筋4中，距高分子復(fù)合筋4的外圓周1.5mm，每根單模應(yīng)變光纖1作為傳感器中的應(yīng)變傳感單元，用于結(jié)構(gòu)上下左右4個方向的應(yīng)變測試和應(yīng)變-曲率姿態(tài)重構(gòu)。所述的一根帶有松護套的單模溫度光纖2和一束直徑為2mm的七絲鋼絞線3布設(shè)于高分子復(fù)合筋4的中間位置，且單模溫度光纖2位于中心線上；單模溫度光纖2作為傳感器中的溫度傳感單元，用于測試所處環(huán)境溫度和4個應(yīng)變傳感單元的溫度補償；七絲鋼絞線3用于增強傳感器的抗拉及抗剪強度。高分子復(fù)合筋4的兩端與光纖分線盒5連接，光纖分線盒5中的光纖相互熔接形成一條光路，并與傳輸光纜6連接。所述的高分子復(fù)合筋4中的高分子材料為聚乙烯、聚丙烯等耐久性好的材料，在熱成型過程中與玻璃纖維復(fù)合，根據(jù)監(jiān)測需要，高分子復(fù)合筋4的內(nèi)徑為5-8mm。采用上述長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器的工程實現(xiàn)方法，包括以下步驟：第一步，長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器布設(shè)在結(jié)構(gòu)中，與結(jié)構(gòu)協(xié)同變形。第二步，長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器中的四根單模應(yīng)變光纖1實時測試第i個測點四個方向的初始應(yīng)變值。第三步，帶有松護套的單模溫度光纖2對四根單模應(yīng)變光纖1測試的初始應(yīng)變值進行溫度修正，修正后的應(yīng)變值與傳感器的初始應(yīng)變值進行差分，分段標定應(yīng)變突變區(qū)域，基于應(yīng)變-曲率關(guān)系，分段重構(gòu)傳感器的空間姿態(tài)。本專利技術(shù)的效果和益處是長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器直接通過內(nèi)部四根單模光纖測量傳感器4個方向的應(yīng)變，基于應(yīng)變-曲率幾何關(guān)系，解析傳感器的空間形態(tài)，同時內(nèi)部的帶有松護套的單模光纖僅測量環(huán)境溫度，對四根單模光纖測量的應(yīng)變值進行溫度補償。長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器布設(shè)于長輸管道、海底光纜和路基等線性結(jié)構(gòu)中，可以直接獲取相應(yīng)結(jié)構(gòu)的空間幾何變形信息，對結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測及評定具有重要的意義。附圖說明圖1是長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為沿A-A面的剖視圖。圖3是長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器第i個微段工作示意圖；(a)為傳感器第i個微段未受力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)圖；(b)為傳感器第i個微段受力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)圖。圖中：1單模應(yīng)變光纖；2單模溫度光纖；3七絲鋼絞線；4高分子復(fù)合筋；5光纖分線盒；6傳輸光纜。具體實施方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本專利技術(shù)的具體實施方式。圖1為長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。所述的一種長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器在高分子復(fù)合筋4熱成型過程中，將四根單模應(yīng)變光纖1作為應(yīng)變傳感單元間隔90度周向布設(shè)于高分子復(fù)合筋4中，距高分子復(fù)合筋4的外圓周1.5mm；同時將一根帶有松套管的單模溫度光纖2和一根直徑2mm的7絲鋼絞線3布設(shè)于高分子復(fù)合筋4的圓心位置，出線端接入光纖分線盒5，光纖分線盒5中的光纖相互連接形成一條光路并與傳輸光纜6熔接，其中高分子復(fù)合筋4的直徑根據(jù)監(jiān)測需要可為5-8mm。其中帶有松護套的單模溫度光纖2作為溫度傳感單元，直徑2mm的7絲鋼絞線3為傳感器的增強單元。圖3是長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器第i個微段工作示意圖。所述的長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器布設(shè)于結(jié)構(gòu)中，與結(jié)構(gòu)協(xié)同變形。圖(a)中，傳感器第i個微段長度為Li，傳感器的直徑為D。圖(b)為傳感器的第i個微段彎曲時傳感器ab剖面的示意圖，四根應(yīng)變感知單元第i個測點實時測試的應(yīng)變分別為εai，εbi，εci，εdi。由變形幾何關(guān)系，可知：Li＝ρabi×αabi(1)式(1)-(3)中，kabi，ρabi，αabi分別為傳感器第i個微單元ab剖面的曲率、撓度以及微元形變時圓弧對應(yīng)的中心角；ΔLi為傳感器發(fā)生的形變量。如上推導(dǎo)，傳感器第i個微段彎曲時cd剖面的曲率kcdi，推導(dǎo)結(jié)果如下：式中，ρcdi為傳感器第i個微段彎曲時cd剖面的撓度。所述的長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器在實際工程中，環(huán)境溫度發(fā)生改變時，還需要對四根應(yīng)變感知單元測試應(yīng)變進行溫度修正。傳感器中溫度傳感單元的溫度靈敏度系數(shù)為KT，應(yīng)變傳感單元的應(yīng)變靈敏度系數(shù)為Kε。圖(b)中傳感器第i個微元溫度測點增量為ΔTi，則布里淵頻移增量Δfti＝ΔTi×KT，傳感器中應(yīng)變傳感單元同時感知溫度和應(yīng)力荷載，光纖布里淵解調(diào)儀不加區(qū)分解析出總體布里淵頻移增本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器，其特征在于，所述的長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器，包括四根單模應(yīng)變光纖(1)、一根帶有松護套的單模溫度光纖(2)、一束七絲鋼絞線(3)、高分子復(fù)合筋(4)、兩個光纖分線盒(5)和兩根傳輸光纜(6)；所述的單模應(yīng)變光纖(1)、單模溫度光纖(2)和七絲鋼絞線(3)在高分子復(fù)合筋(4)熱成型過程中布設(shè)于高分子復(fù)合筋(4)內(nèi)部；所述的四根單模應(yīng)變光纖(1)間隔90度周向布設(shè)于高分子復(fù)合筋(4)中，距高分子復(fù)合筋(4)的外圓周1.5mm，每根單模應(yīng)變光纖(1)作為傳感器中的應(yīng)變傳感單元，用于結(jié)構(gòu)上下左右4個方向的應(yīng)變測試和應(yīng)變?曲率姿態(tài)重構(gòu)；所述的一根帶有松護套的單模溫度光纖(2)和一束七絲鋼絞線(3)布設(shè)于高分子復(fù)合筋(4)的中間位置，且單模溫度光纖(2)位于中心線上；單模溫度光纖(2)作為傳感器中的溫度傳感單元，用于測試所處環(huán)境溫度和4個應(yīng)變傳感單元的溫度補償；七絲鋼絞線(3)用于增強傳感器的抗拉及抗剪強度；所述的高分子復(fù)合筋(4)的兩端與光纖分線盒(5)連接，光纖分線盒(5)中的光纖相互熔接形成一條光路，并與傳輸光纜(6)連接；所述的高分子復(fù)合筋(4)內(nèi)徑為5?8mm。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器，其特征在于，所述的長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器，包括四根單模應(yīng)變光纖(1)、一根帶有松護套的單模溫度光纖(2)、一束七絲鋼絞線(3)、高分子復(fù)合筋(4)、兩個光纖分線盒(5)和兩根傳輸光纜(6)；所述的單模應(yīng)變光纖(1)、單模溫度光纖(2)和七絲鋼絞線(3)在高分子復(fù)合筋(4)熱成型過程中布設(shè)于高分子復(fù)合筋(4)內(nèi)部；所述的四根單模應(yīng)變光纖(1)間隔90度周向布設(shè)于高分子復(fù)合筋(4)中，距高分子復(fù)合筋(4)的外圓周1.5mm，每根單模應(yīng)變光纖(1)作為傳感器中的應(yīng)變傳感單元，用于結(jié)構(gòu)上下左右4個方向的應(yīng)變測試和應(yīng)變-曲率姿態(tài)重構(gòu)；所述的一根帶有松護套的單模溫度光纖(2)和一束七絲鋼絞線(3)布設(shè)于高分子復(fù)合筋(4)的中間位置，且單模溫度光纖(2)位于中心線上；單模溫度光纖(2)作為傳感器中的溫度傳感單元，用于測試所處環(huán)境溫度和4個應(yīng)變傳感單元的溫度補償；七絲鋼絞線(3)用于增強傳感器的抗拉及抗剪強度；所述的高分子復(fù)合筋(4)的兩端與光纖分線...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：何建平，張世海，戈旭，張黎，
申請(專利權(quán))人：大連理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：遼寧,21