一种长距离分布式光纤空间姿态监测传感器及工程实现方法与流程

本发明属于结构监测领域，涉及一种长距离分布式光纤空间姿态监测传感器及工程实现方法。

背景技术：

诸如长输管道、海底光缆和长距离路基等线性结构属于重大基础设施，其正常运营与国民经济和生活密切相关。这些长距离线性结构在长期的服役过程中受人为因素、自然灾害和环境的变迁等影响，会发生影响结构安全的大变形，最终导致结构失效。如地基沉降过大引起的管道变形爆管，路基不均匀沉降引起的行车不平顺性或脱轨事故，因潮汐、轮船抛锚挂缆引起的海底光缆断缆断电等事故，都造成了一定的财产损失和人员伤亡。结构失效是一个损伤演化过程，采用有效手段监测结构变形，把握结构整体姿态，对结构的安全状况进行评估，对灾害事故提前预警，具有重要的工程意义。

目前这类重大基础设施大多建立了结构安全监测或检测系统，主要包括人工巡检、局部变形(纵向应变或沉降)监测、GPS变形监测以及全分布式纵向应变监测等。人工巡检属于检测技术，存在人工检测周期长、劳动强度高以及检测效果与检测人员素质相关等缺点；局部变形监测技术，如局部光纤光栅技术和单点沉降传感器只能对结构局部形态进行监测，不适合长距离线性工程全尺度监测；GPS变形监测属于表层变形监测，同样不能覆盖长距离线性结构。分布式光纤布里渊传感技术具有测试距离长、抗电磁场干扰、耐久性好等特点，在长距离、大体积结构安全监测中得到了应用，但是目前大多数分布式传感器侧重于结构纵向应力应变测试，而对于结构空间形态的监测，需要同时布设多个分布式光纤传感器，造成监测系统集成费用高，难度大等困难。对于长距离线性结构安全监测，急需一种满足工程化安装需求的长距离分布式空间姿态监测传感器。目前有相关文献报道了采用离散的光纤光栅传感器开展小尺度结构的空间姿态监测(朱晓锦，陆美玉，赵晓瑜等，太空机械臂振动形态三维重构算法及可视化分析，系统仿真学报，2009,21(15)：4706-4709)，该方法因只有几个离散测点，难以开展大尺度结构空间姿态监测，采用分布式光纤布里渊传感技术开展大尺度结构空间姿态监测的研究还未见相关报道。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种长距离分布式光纤空间姿态监测传感器及工程实现方法，该传感器将四根单模光纤、一根带有松护套的单模光纤和一束7丝钢绞线内嵌在一根直径为5-8mm的高分子复合筋中，4根单模光纤作为应变传感光纤测量光纤相应位置的应变和温度信息；工程实现方法是对传感器中应变测试数据进行温度修正及突变识别处理，基于应变-曲率几何关系，分段分区域解析该传感器的空间姿态。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种长距离分布式光纤空间姿态监测传感器，包括四根单模应变光纤1、一根带有松护套的单模温度光纤2、一束七丝钢绞线3、高分子复合筋4、两个光纤分线盒5和两根传输光缆6。

所述的单模应变光纤1、单模温度光纤2和七丝钢绞线3在高分子复合筋4热成型过程中布设于高分子复合筋4内部。

所述的四根单模应变光纤1间隔90度周向布设于高分子复合筋4中，距高分子复合筋4的外圆周1.5mm，每根单模应变光纤1作为传感器中的应变传感单元，用于结构上下左右4个方向的应变测试和应变-曲率姿态重构。所述的一根带有松护套的单模温度光纤2和一束直径为2mm的七丝钢绞线3布设于高分子复合筋4的中间位置，且单模温度光纤2位于中心线上；单模温度光纤2作为传感器中的温度传感单元，用于测试所处环境温度和4个应变传感单元的温度补偿；七丝钢绞线3用于增强传感器的抗拉及抗剪强度。高分子复合筋4的两端与光纤分线盒5连接，光纤分线盒5中的光纤相互熔接形成一条光路，并与传输光缆6连接。

所述的高分子复合筋4中的高分子材料为聚乙烯、聚丙烯等耐久性好的材料，在热成型过程中与玻璃纤维复合，根据监测需要，高分子复合筋4的内径为5-8mm。

采用上述长距离分布式光纤空间姿态监测传感器的工程实现方法，包括以下步骤：

第一步，长距离分布式光纤空间姿态监测传感器布设在结构中，与结构协同变形。

第二步，长距离分布式光纤空间姿态监测传感器中的四根单模应变光纤1实时测试第i个测点四个方向的初始应变值。

第三步，带有松护套的单模温度光纤2对四根单模应变光纤1测试的初始应变值进行温度修正，修正后的应变值与传感器的初始应变值进行差分，分段标定应变突变区域，基于应变-曲率关系，分段重构传感器的空间姿态。

本发明的效果和益处是长距离分布式光纤空间姿态监测传感器直接通过内部四根单模光纤测量传感器4个方向的应变，基于应变-曲率几何关系，解析传感器的空间形态，同时内部的带有松护套的单模光纤仅测量环境温度，对四根单模光纤测量的应变值进行温度补偿。长距离分布式光纤空间姿态监测传感器布设于长输管道、海底光缆和路基等线性结构中，可以直接获取相应结构的空间几何变形信息，对结构的安全监测及评定具有重要的意义。

附图说明

图1是长距离分布式光纤空间姿态监测传感器结构示意图。

图2为沿A-A面的剖视图。

图3是长距离分布式光纤空间姿态监测传感器第i个微段工作示意图；(a)为传感器第i个微段未受力状态下的结构图；(b)为传感器第i个微段受力状态下的结构图。

图中：1单模应变光纤；2单模温度光纤；3七丝钢绞线；4高分子复合筋；5光纤分线盒；6传输光缆。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1为长距离分布式光纤空间姿态监测传感器结构示意图。

所述的一种长距离分布式光纤空间姿态监测传感器在高分子复合筋4热成型过程中，将四根单模应变光纤1作为应变传感单元间隔90度周向布设于高分子复合筋4中，距高分子复合筋4的外圆周1.5mm；同时将一根带有松套管的单模温度光纤2和一根直径2mm的7丝钢绞线3布设于高分子复合筋4的圆心位置，出线端接入光纤分线盒5，光纤分线盒5中的光纤相互连接形成一条光路并与传输光缆6熔接，其中高分子复合筋4的直径根据监测需要可为5-8mm。其中带有松护套的单模温度光纤2作为温度传感单元，直径2mm的7丝钢绞线3为传感器的增强单元。

图3是长距离分布式光纤空间姿态监测传感器第i个微段工作示意图。

所述的长距离分布式光纤空间姿态监测传感器布设于结构中，与结构协同变形。图(a)中，传感器第i个微段长度为L_i，传感器的直径为D。图(b)为传感器的第i个微段弯曲时传感器ab剖面的示意图，四根应变感知单元第i个测点实时测试的应变分别为ε_ai，ε_bi，ε_ci，ε_di。由变形几何关系，可知：

L_i＝ρ_abi×α_abi (1)

式(1)-(3)中，k_abi，ρ_abi，α_abi分别为传感器第i个微单元ab剖面的曲率、挠度以及微元形变时圆弧对应的中心角；ΔL_i为传感器发生的形变量。

如上推导，传感器第i个微段弯曲时cd剖面的曲率k_cdi，推导结果如下：

式中，ρ_cdi为传感器第i个微段弯曲时cd剖面的挠度。

所述的长距离分布式光纤空间姿态监测传感器在实际工程中，环境温度发生改变时，还需要对四根应变感知单元测试应变进行温度修正。传感器中温度传感单元的温度灵敏度系数为K_T，应变传感单元的应变灵敏度系数为K_ε。图(b)中传感器第i个微元温度测点增量为ΔT_i，则布里渊频移增量Δf_ti＝ΔT_i×K_T，传感器中应变传感单元同时感知温度和应力荷载，光纤布里渊解调仪不加区分解析出总体布里渊频移增量为ΔF_i，则有应力引起的布里渊频移增量为：Δf_εi＝ΔF_i-Δf_ti，相应的应变增量(传感单元感知应变值)ε＝Δf_εi/K_ε，代入式(3)和式(4)即可得到温度修正后的曲率值。

所述的长距离分布式光纤空间姿态监测传感器在监测到传感器两个方向的曲率值k_abi,k_cdi，将两个方向的曲率转化为空间曲率依据上述推导过程，就可以获得传感器任意测点位置处的空间曲率i＝1-n，n为传感器的应变测点数，然后基于数学微分几何关系，利用空间曲率信息和传感器测点距离重构传感器的空间姿态，即已知传感器第i个测点的坐标(x_i,y_i,z_i)以及第i点的曲率分量k_abi,k_cdi，基于传感器的几何变形关系，可以求得第(i+1)个测点的坐标(x_i+1,y_i+1,z_i+1)，继而重构传感器整个位置信息。

所述的长距离分布式光纤姿态监测传感器及工程实现方法在工程应用中，在空间应变曲率转化前，传感器中传感单元的应变值除了温度修正外还需要进行预处理，应变值温度修正完后与传感器初始应变值进行差值，对应变有明显增量的区域进行分段，然后分段进行上述姿态重构。