《內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統》是法爾勝集團公司和武漢理工大學於2009年9月30日申請的專利，該專利的申請號為200910145152X，公布號為CN101701450A，授權公布日為2010年5月5日，發明人是劉禮華、趙霞、姜德生、李盛、趙軍、周明寶、寧世偉、薛花娟、張恩隆、周祝兵。
《內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統》涉及一種內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統，用於斜拉橋、懸索橋、拱橋等纜索承重結構。包括錨杯（1）、分絲板（5）、連線筒（4）、光纖光柵感測器以及索體（11），所述光纖光柵感測器包括光纖光柵應變感測器（9）和光纖光柵溫度感測器（10），將光纖光柵應變感測器（9）和光纖光柵溫度感測器（10）的尾纖引出，封裝後的光纖光柵應變感測器（9）固定連線於連線筒（4）部位的外層鋼絲（3）上，封裝後的光纖光柵溫度感測器（10）懸置於連線筒部位的鋼絲（3）上，在所述分絲板（5）上穿孔（5-1），在所述連線筒（4）和錨杯（1）內預先埋入預留鋼管（7）。該發明能提高光纖光柵感測器及光纖在纜索製造及套用過程中的存活率，確保光纖光柵感測器埋植工藝可靠以及能有效地將光纖光柵信號無失真地引出纜索體外。
2016年12月7日，《內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統
- 公布號：CN101701450A
- 授權日：2010年5月5日
- 申請號：200910145152X
- 申請日：2009年9月30日
- 申請人：法爾勝集團公司、武漢理工大學
- 地址：江蘇省江陰市通江北路203號
- 發明人：劉禮華、趙霞、姜德生、李盛、趙軍、周明寶、寧世偉、薛花娟、張恩隆、周祝兵
- Int.Cl.：E01D19/16(2006.01)I、G01K11/32(2006.01)I、G01L1/24(2006.01)I
- 代理機構：江陰市同盛專利事務所
- 代理人：唐紉蘭
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
現代大跨度橋樑的纜索系統是斜拉橋和懸索橋的核心構件，大跨徑橋樑結構的自重和橋上動載，絕大部分是通過纜索系統傳遞到塔柱上，纜索的工作狀態是直接反映橋樑是否處於安全狀態的重要標誌之一。但由於構造設計、環境腐蝕、疲勞積累等原因，纜索在服役期間難免出現不同程度的損傷和劣化。若能將感測器有機地集成到纜索內部，使其自身能夠測量內部應力、溫度等參數，使其從一個單純承力的纜索上升為具有自動感知能力的智慧型纜索，同時也實現兼顧纜索的整體受力與局部絲受力監測的可能，將更有利於人們掌握纜索自身以及全橋的結構安全與運營狀態，及時發現事故先兆、防止突發性事故發生。
光纖光柵是一種性能優良的敏感元件，可通過布拉格反射波長的移動來感應外界微小應變變化而實現對結構應力、溫度等參數實現線上監測。它具有不怕惡劣環境、不受環境噪聲干擾、抗電磁干擾、集感測與傳輸於一體、構造簡單、使用方便、測量精度高等特點。
但是未經特殊處理的光纖光柵很脆弱，直接布設於纜索中，容易被破壞。將光纖光柵與纜索相結合，涉及到如何將光纖光柵以何種封裝形式進行封裝，提高光纖光柵感測器及光纖在纜索製造及套用過程中的存活率；如何將封裝的光纖光柵感測器內置於纜索內部，確保光纖光柵感測器埋植工藝可靠；如何有效地將光纖光柵信號無失真地引出纜索體外等問題。
發明內容
專利目的
《內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統》的目的是提供一種能提高光纖光柵感測器及光纖在纜索製造及套用過程中的存活率、確保光纖光柵感測器埋植工藝可靠以及能有效地將光纖光柵信號無失真地引出纜索體外的內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統。
技術方案
一種內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統包括錨杯、分絲板、連線筒、內置於連線筒部位的光纖光柵感測器以及索體，所述光纖光柵感測器包括光纖光柵應變感測器和光纖光柵溫度感測器，將所述光纖光柵應變感測器和光纖光柵溫度感測器先進行封裝，並將光纖光柵應變感測器和光纖光柵溫度感測器的尾纖引出，封裝後的光纖光柵應變感測器固定連線於連線筒部位的外層鋼絲上，封裝後的光纖光柵溫度感測器懸置於連線筒部位的鋼絲上，在所述分絲板上穿孔，在所述連線筒和錨杯內預先埋入預留鋼管，該預留鋼管由所述分絲板上的穿孔引出，將光纖光柵應變感測器和光纖光柵溫度感測器的的尾纖接入光纖線纜，該光纖線纜通過所述預留鋼管從纜索中引出，將從纜索中引出的光纖線纜接入一光纖光柵解調儀；通過監測光纖光柵中心波長的變化，可實現對纜索內溫度、纜索的整體受力情況及纜索內鋼絲的應力分布狀況進行實時監測。
所述光纖光柵應變感測器的封裝結構是：所述光纖光柵應變感測器包括第一光纖光柵、中間軸向第二鋼管、第一鋼管、直徑略粗的第一保護鋼管以及用於與纜索用鋼絲連線的支座，所述第一保護鋼管有一件，第二鋼管、支座、第一鋼管均有二件，二件第二鋼管、二件支座、二件第一鋼管左右對稱布置於所述第一保護鋼管的左右兩邊，其中第二鋼管的直徑＜第一鋼管的直徑＜第一保護鋼管的直徑，所述第二鋼管中間軸向開槽，將支座上部區域穿孔，將一定標距的第一鋼管中間穿過所述支座上部區域穿孔連線在支座上。將直徑略大、長度合適的第一保護鋼管的兩端分別套裝在所述二件第一鋼管的一端，第一鋼管的另一端套裝在所述第二鋼管的一端，將第一光纖光柵穿過第二鋼管、第一鋼管和第一保護鋼管，光柵柵區在第一保護鋼管中心位置，將第一光纖光柵兩端用膠固定在二個第二鋼管的槽內，第二鋼管開槽處外套第二熱縮套保護開槽部位，所述第一光纖光柵兩端尾纖由所述第二鋼管的另一端引出，將光纖光柵應變感測器的支座與所述纜索的鋼絲相連線，光纖光柵應變感測器外罩保護罩保護，用膠泥密封保護罩與鋼絲密封處，膠泥密封后的鋼絲空隙處外面再用膠帶密封，形成完全封裝後的光纖光柵應變感測器。
所述的光纖光柵溫度感測器的封裝結構是：所述的光纖光柵溫度感測器包括第二光纖光柵、第二保護鋼管和第二熱縮套，第二光纖光柵懸置於第二保護鋼管內，從第二保護鋼管內引出尾纖，引出處用膠固定，並用第二熱縮套熱縮保護。
有益效果
《內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統》提供一種在纜索的連線筒部位內置光纖光柵感測器的智慧型纜索系統，通過外接光纖光柵解調儀，測量光纖光柵中心波長的變化，可對纜索內應力分布狀況及纜索的整體受力狀況進行實時監測，滿足特大橋樑的健康監測要求，提高大橋的安全性。
附圖說明
圖1為《內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統》的光纖光柵應變感測器結構示意圖。
圖2為該發明的第二鋼管示意圖。
圖3為該發明的支座零件圖。
圖4為圖3的A-A剖示圖。
圖5為該發明的光纖光柵應變感測器與纜索的鋼絲連線示意圖。
圖6為該發明的光纖光柵溫度感測器結構示意圖。
圖7為常用纜索的結構示意圖。
圖8為該發明的纜索分絲板截面示意圖。
圖9為該發明的纜索內預留鋼管示意圖。
圖10為該發明內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統結構示意圖。
圖11為該發明內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統監測示意圖。
圖中附圖示記：錨杯1、環氧鑄錨填料2、鋼絲3、連線筒4、分絲板5、孔5-1、連線筒密封填料6、預留鋼管7、光纖線纜8、光纖光柵應變感測器9、光纖光柵溫度感測器10、索體11、光纖光柵解調儀12；第一光纖光柵9-1、第二鋼管9-2、第一鋼管9-3、支座9-4、第二熱縮套9-5、第一保護鋼管9-6；第二光纖光柵10-1、第二保護鋼管10-2、第二熱縮套10-3。
技術領域
《內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統》涉及的是一種可適用於斜拉橋、懸索橋、拱橋等纜索承重結構的內置感測器的智慧型纜索系統。
權利要求
1.一種內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統包括錨杯（1）、分絲板（5）、連線筒（4）、內置於連線筒（4）部位的光纖光柵感測器以及索體（11），所述光纖光柵感測器包括光纖光柵應變感測器（9）和光纖光柵溫度感測器（10），其特徵在於：將光纖光柵應變感測器（9）和光纖光柵溫度感測器（10）先進行封裝，並將光纖光柵應變感測器（9）和光纖光柵溫度感測器（10）的尾纖引出，封裝後的光纖光柵應變感測器（9）固定連線於連線筒（4）部位的外層鋼絲（3）上，封裝後的光纖光柵溫度感測器（10）懸置於連線筒部位的鋼絲（3）上，在所述分絲板（5）上穿孔（5-1），在所述連線筒（4）和錨杯（1）內預先埋入預留鋼管（7），該預留鋼管（7）由所述分絲板（5）上的穿孔（5-1）引出，將光纖光柵應變感測器（9）和光纖光柵溫度感測器（10）的尾纖接入一光纖線纜（8），該光纖線纜（8）通過所述預留鋼管（7）從纜索中引出，將從纜索中引出的光纖線纜（8）接入一光纖光柵解調儀（12）；所述光纖光柵感測器的封裝結構是：所述光纖光柵應變感測器（9）包括第一光纖光柵（9-1）、第一鋼管（9-3）、第二鋼管（9-2）、第一保護鋼管（9-6）以及支座（9-4），所述第一保護鋼管（9-6）有一件，第一鋼管（9-3）、支座（9-4）和第二鋼管（9-2）均有二件，二件第一鋼管（9-3）、二件支座（9-4）和二件第二鋼管（9-2）左右對稱布置於所述第一保護鋼管（9-6）的左右兩邊，其中第二鋼管（9-2）的直徑＜第一鋼管（9-3）的直徑＜第一保護鋼管（9-6）的直徑，所述第二鋼管（9-2）中間軸向開槽，支座（9-4）上部區域穿孔，第一鋼管（9-3）中間穿過所述支座（9-4）上部區域穿孔連線在支座（9-4）上，將第一保護鋼管（9-6）的兩端分別套裝在所述二件第一鋼管（9-3）的一端，第一鋼管（9-3）的另一端套裝在所述第二鋼管（9-2）的一端，將第一光纖光柵（9-1）穿過第二鋼管（9-2）、第一鋼管（9-3）和第一保護鋼管（9-6），光柵柵區在第一保護鋼管（9-6）中心位置，將第一光纖光柵（9-1）兩端用膠固定在所述二件第二鋼管（9-2）的槽內，第二鋼管（9-2）開槽處外套第二熱縮套（9-5），所述第一光纖光柵（9-1）兩端尾纖由所述第二鋼管（9-2）的另一端引出，光纖光柵應變感測器（9）的支座與所述纜索的鋼絲相連線，光纖光柵應變感測器（9）外罩保護罩保護，用膠泥密封保護罩與鋼絲密封處，膠泥密封后的鋼絲空隙處外面再用膠帶密封，形成完全封裝後的光纖光柵應變感測器；所述的光纖光柵溫度感測器（10）封裝結構是：所述光纖光柵溫度感測器（10）包括第二光纖光柵（10-1）、第二保護鋼管（10-2）和第二熱縮套（10-3），第二光纖光柵（10-1）懸置於第二保護鋼管（10-2）內，第二光纖光柵（10-1）從第二保護鋼管（10-2）內引出尾纖，引出處用膠固定，並套上第二熱縮套（10-3）。
實施方式
內置感測器測量纜索的受力狀態一直是研究的難點，纜索內置光纖光柵應變感測器9的封裝結構如下：
參見圖1，圖1為《內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統》涉及的光纖光柵應變感測器結構示意圖。由圖1可以看出，《內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統》涉及的光纖光柵應變感測器9包括第一光纖光柵9-1、第二鋼管9-2、第一鋼管9-3、直徑略粗的第一保護鋼管9-6以及用於與纜索用鋼絲連線的支座9-4，所述第一保護鋼管9-6有一件，第一鋼管9-3、支座9-4和第二鋼管9-2均有二件，二件第一鋼管9-3、二件支座9-4和二件第二鋼管9-2左右對稱布置於所述第一保護鋼管9-6的左右兩邊，其中第二鋼管9-2的直徑＜第一鋼管9-3的直徑＜第一保護鋼管9-6的直徑，所述第二鋼管9-2中間軸向開槽，如圖2。將支座9-4上部區域穿孔，如圖3和圖4，將一定標距的第一鋼管9-3中間穿過所述支座9-4上部區域穿孔連線在支座9-4上，所述第一鋼管9-3中間徑向切開分成兩件，切割的目的是將力直接傳遞到光纖光柵上，即直接拉光纖光柵，避免了第一鋼管9-3直接承受大應變。將直徑略大、長度合適的第一保護鋼管9-6的兩端分別套裝在所述二件第一鋼管9-3的一端，保護細鋼管9-3切開後連線位置，第一鋼管9-3的另一端套裝在所述第二鋼管9-2的一端，將第一光纖光柵9-1穿過第一鋼管9-3、第二鋼管9-2和第一保護鋼管9-6，光柵柵區在第一保護鋼管9-6中心位置，將第一光纖光柵9-1兩端用膠固定在第二鋼管9-2的槽內，第二鋼管9-2外套第二熱縮套9-5保護開槽部位，所述第一光纖光柵9-1兩端尾纖由所述第二鋼管9-2的另一端引出。
所述的光纖光柵溫度感測器的封裝結構是：如圖6，所述的光纖光柵溫度感測器10包括第二光纖光柵10-1、第二保護鋼管10-2和第二熱縮套10-3，第二光纖光柵10-1懸置於第二保護鋼管10-2內，從第二保護鋼管10-2內引出尾纖，引出處用膠固定，並用第二熱縮套10-3熱縮保護。
將光纖光柵應變感測器9和光纖光柵溫度感測器10布置於纜索內部，涉及到如何將光纖光柵應變感測器9和光纖光柵溫度感測器10的感測信號有效引出索體外的問題。常用纜索的結構示意圖如圖7所示，該纜索由錨杯1、環氧鑄錨填料2、鋼絲3、連線筒4、分絲板5、連線筒密封填料6和索體11組成。在纜索的分絲板5上預留幾個孔5-1，如圖8所示。將合適長度、合適直徑的預留鋼管7穿過預留的孔5-1內，為光纖線纜8引出預留通道。對預留鋼管7的要求是能夠承受一定的折度和灌環氧鑄錨填料2時需承受的側向壓力。向錨杯1內灌入環氧鑄錨填料2，將錨杯1放入加熱爐內加熱固化，使錨杯與內部的鋼絲成為一體。在灌錨工序結束後，將光纖光柵應變感測器9通過其支座9-4與纜索的連線筒4部位的外層鋼絲3連線，如圖5和圖9，使鋼絲3上所受的力有效地傳遞到光纖光柵應變感測器9的光纖光柵上。將光纖光柵應變感測器9用保護罩保護，用膠泥密封保護罩與鋼絲空隙處，外面再用膠帶密封，保護光纖光柵應變感測器，形成完全封裝後的光纖光柵應變感測器9，如圖9所示。將封裝後的光纖光柵溫度感測器10懸置於所述連線筒4內鋼絲上，將光纖線纜8穿入預留鋼管7內。套上連線筒4，灌入連線筒密封填料6，進行連線筒的常溫固化環節。最終的智慧型纜索結構示意圖如圖10所示。
將智慧型纜索錨端引出的光纖線纜8接入光纖光柵解調儀12，如圖11所示，通過監測光纖光柵中心波長的變化，通過內置的光纖光柵溫度感測器，實時監測纜索內溫度變化；通過內置的光纖光柵應變感測器，並結合光纖光柵溫度補償的結果，對纜索內鋼絲的應力分布狀況及纜索的整體受力進行實時監測。
榮譽表彰
2016年12月7日，《內置光纖光柵感測器的橋樑用智慧型纜索系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
