基于光纤曲率传感器的水下管缆变形自检系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及海洋管缆监测技术领域，更具体涉及一种基于光纤曲率传感器的水下管缆变形自检系统。
【背景技术】
[0002]水下缆绳在海洋调查研究以及海洋工程中应用广泛，是水面控制系统、水下设备的连接桥梁，为水下设备提供能源、控制与通信信号。受水流等复杂环境的影响，水下缆绳易于发生缠绕以及过度弯曲，甚至断裂，从而无法正常控制水下设备，甚至发生水下设备丢失等情况。现有水下缆绳的检测方式按所用检测传感器可分为视觉检测、声学检测、磁学检测以及融合检测。视觉检测是基于摄像机获得光学图像，由于水下的环境复杂以及能见度低等问题，高清图像难以获得，限制了视觉检测。声学检测基于侧扫声呐、合成孔径声呐等声学设备获得声学图像，在浅水区以及近海岸地带，环境的干扰会严重影响检测的准确度。磁学检测是基于水下缆绳对磁场分布的影响，受限于检测平台的噪声干扰以及信号快速衰弱。融合检测集成视觉、声学、磁学传感器于同一平台，有助于提高检测的可靠性以及精度。但是上述所提到的检测方式均是基于R0V/AUV等平台，具有成本代价高，检测范围受限，检测时间长的特点。此外，若是对每根缆绳进行摄像、声学或磁学检测，不现实亦无必要。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于光纤曲率传感器水下管缆变形自检系统，使之能实时监测水下管缆的弯曲扭转情况。
[0004]为解决技术问题，本发明是通过如下技术方案实现:
[0005]本发明提供了一种基于光纤曲率传感器的水下管缆变形自检系统，包括由内芯和包裹于外部的硫化橡胶层组成的水下管缆；沿水下管缆一侧的长度方向，在硫化橡胶层的中间层布置了长条带状的光纤曲率传感器；光纤曲率传感器与控制盒相接；
[0006]所述控制盒的电路结构包括:依次连接的函数发生器、光发射器和光纤分束器，以及依次连接的光探测器阵列、滤波器、放大器和数据采集卡；其中，光纤分束器和光探测器阵列分别与光纤曲率传感器连接，数据采集卡连接通过数据线连接至主控计算。
[0007]本发明中，所述长条带状的光纤曲率传感器是由在带状基底上等间隔布置的多个光纤传感器组成的，各光纤传感器均分别通过导线连接至所述的光探测器阵列和光纤分束器(光纤分束器与光探测器阵列均有多个接口，每个接口连接一条光纤传感器，各光纤传感器之间没有相互连接)。
[0008]本发明中，所述光纤曲率传感器在硫化橡胶层中的位置固定是通过下述方式实现的:由硫化橡胶以注塑的方式实现一体化固定，或通过在两层硫化橡胶层之间设置安装槽以箝位方式实现固定。
[0009]本发明的实现原理:
[0010]光发射器由函数发生器驱动，将光信号通过光纤分束器送入光纤曲率传感器。长条带状的光纤曲率传感器阵列在发生扭曲或变形时，不同位置的光纤传感器会因变形不同而产生不同强度的光信号衰减；光纤曲率传感器的各路光信号由光探测器阵列接收后转换为电压模拟信号，再经滤波器以及放大器输出到数据采集卡；数据采集卡将采集到的信号经数据线送至主控计算机，由主控计算机实现数据处理、计算建模，最终实时显示水下管缆的弯曲变形或缠绕情况。
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0012]本发明能实时对水下管缆的形状、受力情况进行监测，对过度弯曲、扭转、缠绕等情况实时预警，提高水下管缆的可靠性以及安全性。整个监测过程基于水下管缆本身就能实现，无需额外的监测平台以及视觉、声学、电磁学等的监控设备，具有成本低、实时性强亦可实现全缆监测。
[0013]本发明不仅适用于水下管缆扭转、缠绕等形状实时监控，同样适用于矿山工程，隧道工程等不具备视像条件下的各种缆系监测领域。
【附图说明】
[0014]图1是水下管缆的轴向剖视图；
[0015]图2是图1中水下管缆的纵向布置局部示意图；
[0016]图3是控制盒的内部电路连接示意图；
[0017]图4是系统布置示意图；
[0018]图中附图标记:1光纤曲率传感器，2硫化橡胶层；41主控计算机，42控制盒，43水面，44水下管缆，45水下设备。
【具体实施方式】
[0019]结合附图，下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
[0020]基于光纤曲率传感器的水下管缆变形自检系统，包括由内芯和包裹于外部的硫化橡胶层2组成的水下管缆44 ;沿水下管缆44 一侧的长度方向，在硫化橡胶层2的中间层布置了长条带状的光纤曲率传感器I ;光纤曲率传感器I与控制盒3相接；
[0021]控制盒42的电路结构包括:依次连接的函数发生器、光发射器和光纤分束器，以及依次连接的光探测器阵列、滤波器、放大器和数据采集卡；其中，光纤分束器和光电探测器阵列分别与光纤曲率传感器2连接，数据采集卡连接通过数据线连接至主控计算41。
[0022]所述长条带状的光纤曲率传感器是由在带状基底上等间隔布置的多个环状光纤传感器组成的，各光纤传感器分别通过导线与光纤分束器及光探测器阵列相连。带状基底可选用聚酰亚胺介电膜胶带。
[0023]光纤曲率传感器2在硫化橡胶层中的位置固定是通过下述方式实现的:由硫化橡胶以注塑的方式实现一体化固定，或由在两层硫化橡胶层I之间设置安装槽以箝位方式实现固定。
[0024]本发明中，硫化橡胶层I具有良好的防水作用，便于光纤曲率传感器2在水下应用。本发明所使用的光纤传感器、函数发生器、光发射器、光纤分束器、光探测器阵列、滤波器、放大器和数据采集卡均为现有技术，本领域技术人员均可基于本发明实现目的以市场采购或自行制作的方式获得。其中，本实施例中的函数发生器产生的是IKHz的正弦波，光发射器采用LED，光纤分束器采用微型光分路器。光探测器阵列可采用APD光探测器阵列。本发明中的光纤传感器可选用选用的是加拿大Measurand公司生产的S1280CSShapeTape?型号的产品。
[0025]下面结合附图介绍本实施例的使用步骤:
[0026](I)在制作水下管缆44时，根据前述方式将光纤曲率传感器2嵌入管缆的硫化橡胶层I。
[0027](2)在使用前，连接好系统电路:包括水下管缆44与控制盒42、主控计算机41依次连接。
[0028](3)控制盒42中数据采集卡采集光纤曲率传感器2的弯曲、扭转信号，通过数据线将信号传输给主控计算机41，主控计算机41通过计算每段缆变形形状再将各缆变形形状整合，显示水下管缆全缆变形形状。每段缆的形状视为圆弧且弧长已知(自设)，根据光纤传感器得到的弯曲以及扭转角度计算其三维空间形状。水下管缆段与段间的弯曲曲率以及扭转信号通过线性插值获得。
[0029]本发明中，主控计算机41所用的分析计算软件可由本领域技术人员依据据现有技术自行完成设计和编程，具体实现方式和手段可以根据现场实际需要进行调整或完善。该部分技术内容不属于本发明保护范围，故不再赘述。
[0030]最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于光纤曲率传感器的水下管缆变形自检系统，包括由内芯和包裹于外部的硫化橡胶层组成的水下管缆；其特征在于，沿水下管缆一侧的长度方向，在硫化橡胶层的中间层布置了长条带状的光纤曲率传感器；光纤曲率传感器与控制盒相接； 所述控制盒的电路结构包括:依次连接的函数发生器、光发射器和光纤分束器，以及依次连接的光探测器阵列、滤波器、放大器和数据采集卡；其中，光纤分束器和光探测器阵列分别与光纤曲率传感器连接，数据采集卡连接通过数据线连接至主控计算。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述长条带状的光纤曲率传感器是由在带状基底上等间隔布置的多个光纤传感器组成的，各光纤传感器均分别通过导线连接至所述的光探测器阵列和光纤分束器。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤曲率传感器在硫化橡胶层中的位置固定是通过下述方式实现的:由硫化橡胶以注塑的方式实现一体化固定，或通过在两层硫化橡胶层之间设置安装槽以箝位方式实现固定。
【专利摘要】本发明涉及海洋管缆监测技术领域，旨在提供一种基于光纤曲率传感器的水下管缆变形自检系统。该系统包括由内芯和包裹于外部的硫化橡胶层组成的水下管缆，沿水下管缆一侧的长度方向，在硫化橡胶层的中间层布置了长条带状的光纤曲率传感器；光纤曲率传感器与控制盒相接，控制盒通过数据线连接至主控计算。本发明能实时对水下管缆的形状、受力情况进行监测，对过度弯曲、扭转、缠绕等情况实时预警，提高水下管缆的可靠性以及安全性。整个监测过程基于水下管缆本身就能实现，无需额外的监测平台以及视觉、声学、电磁学等的监控设备，具有成本低、实时性强亦可实现全缆监测。本发明同样适用于矿山工程，隧道工程等不具备视像条件下的各种缆系监测领域。
【IPC分类】G01B11/16
【公开号】CN105222721
【申请号】CN201510603470
【发明人】陈家旺, 徐春莺, 严东旭, 张磊, 姚超玲
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年9月21日