专利名称：具有弯曲传感器的电缆和用于检测至少一根电缆中的弯曲的监视系统和方法
技术领域：
本发明涉及具有集成应变传感器的电缆，尤其适于对静态和动态应变，尤其是弯曲应变的测量。本发明还致力于用于测量至少一根电缆中的弯曲的监视方法和系统。本发明进一步涉及用于检测多根电缆中的弯曲的监视系统和方法。尤其是，本发明涉及使用布里渊后向散射技术的监视系统和方法，用于监视安装在移动设备中的多根电缆的弯曲应变。
背景技术：
电缆，尤其是用于重型应用和/或用于移动设施的电缆，诸如移动式港口起重机、船岸集装箱起重机、卸船机、吊具，以及采矿和隧道挖掘设备，都专门设计成经得住严酷的环境状况和高的机械应力，诸如弯曲力和扭矩。作为用于重型应用的缆线的进一步的实例，在深井中用于给潜水电泵系统供应电流的井下泵缆线通常安装在物理受限的区域中和不利的环境中，经常与腐蚀性的井内流体接触。通常将上述缆线设计成坚固且柔性的。在当前的描述中，当指到用于重型应用、并且尤其但非排他地用于移动设施的缆线时，我们将一般称为重型缆线。在DE 3934718中提供了重型缆线的一个实例，该实例描述了一种在矿业中用于矿中装载机的销装拖尾缆线(armoured trailing cable)。WO 01/78086公开了一种尤其在诸如起重机或者搁置系统的拣拾(pick-up)系统中使用的电缆。该缆线包含芯，芯包括第一导体，第一导体完全被第一应力承载矩阵包围并且嵌入其中。至少一个其他层布置在第一应力承载矩阵周围并且在该其他层中具有至少一个其他导体，该其他导体完全被第二应力承载矩阵包围并且嵌入其中。缆线中的应力承载矩阵据说允许应力贯穿缆线而分布并因此大致减少螺旋效应。弯曲/压缩负荷(load)和移动缆线中的扭曲可能是由于缆线在围绕卷轴(reel)缠绕或者展开期间的强制引导、或者由于缆线集中在篮内(例如对于吊具缆线而言)导致的。另外，加电装置的故障或失常可能导致缆线的错放，缆线可能例如从其引导装置上掉落或者被装置部分挤压，因此造成缆线不适当的弯曲。缆线的过度弯曲可能造成压缩负荷被转移给电导体随后损害后者。过度的和/或长时间的压缩负荷可能导致缆线的变形，这会缩短缆线的寿命。US 5，767，956描述了使用后向散射布里渊光来提供一种能够实时观察光纤是否正常或者濒临破裂的监视设备。该设备使用光学时域反射 计(OTDR)来监视通过利用光缆中的光纤芯之一而模拟的布里渊散射光。没有提供关于在电缆中使用的暗示。WO 08/073033描述了一种通过测量附连于电力缆线或并入到电力缆线中的光纤之中的应变而用于监视连接到移动的离岸平台的电力缆线的弯曲和应变的系统。电力缆线中的弯曲将使光纤中的应变升高并且这个应变将改变光纤的光学性质。可以通过光学时域反射计(OTDR)或者光学频域反射计(OFDR)来测量光学性质方面的改变。这个文献陈述了这里存在嵌入或附连于缆线的光纤可能被损坏的危险并因此建议给缆线配备冗余的纤维。此外，该文献没有提到在纤维和待测缆线之间弯曲应变转移的问题。作为用于纤维的可能的位置，提到铠装导线(armouring wire)之间的空隙。WO 07/107693公开了一种光纤缆线，包括应变转移构件，穿过应变转移构件布置的中心光纤，和与中心光纤以及应变转移构件机械耦合的紧密套(tight jacket)。应变转移构件经历的应变经由紧密套转移到中心光纤。该文献并未面对具有光纤传感器的电缆的问题。申请人:已经面临怎样去实现一种电缆的问题，这种电缆尤其适于重型应用并且更加尤其适于移动设施，这种电缆将允许对缆线在工作(operation)期间经受的弯曲应变进行控制、优选实时监视和定位，同时确保长时间的测量可靠性。
发明内容
由于在工作(操作)期间被强加的高机械应力，(例如用于采矿应用或起重机设施的)重型缆线的典型寿命一般相对短，并且取决于具体应用，可能在几个月到几年之间变化。申请人已经观察到提供一种能够在其工作期间受到监视的重型缆线将是有利的。通过知道缆线状况当时的演变，可以执行缆线的有效周期性维护，例如可以对导向滚筒(guiding roller)功能障碍进行调节和/或对移动设备中的自动化系统的电子控制参数进行调节。可以在缆线不使用或者甚至从其安装于其上的设备上去除的情况下对缆线状况进行“离线”的周期性检查，但是在实践中一般不执行这种检查，这是因为由于含有缆线的设备或装置必须停止导致的工作时间损失的缘故。尤其有利地是在缆线工作期间记录引起压缩(负应变)峰的动态事件，然而这可能因为疲劳而损害缆线。这种监视可以防止意外的不在服务区(out-of-service)事件并且节省相关成本。同样，对因为在缆线工作之处由于从装置上掉落或者被装置挤压导致的缆线不适当弯曲的部分进行定位将是有利的。本发明面对的问题是提供一种用于检测电缆的永久性损害的监视系统，这种永久性损害可能是由于固有的磨损或者由于不适当的使用造成的，例如由于不符合缆线制造商提供的建议的使用。本发明的另一个问题是提供一种用于监视多根电缆的弯曲应变的监视系统，尤其是安装在移动设备内的重型缆线。根据本发明，已经发现可以通过提供一种缆线来检测电缆的弯曲，这种缆线包括外围机械不对称强度构件(strength member)和位于缆线的几何轴区域中的光纤传感器。“机械不对称强度构件”在本文中意味着在张紧(tension)和压缩状况下分别具有不同的硬度值的元件。
“外围”意味着强度构件位于一根缆线的几何轴之外的区域中，优选具有对称的几何分布。“强度构件”意味着一种元件，这种元件具有高到足以承受缆线张力(tensile)负荷的相当大的比例(significant fraction)的硬度。
机械不对称强度构件的实例包括编织物(braid)、标准纤维线、玻璃、芳族聚酸胺(aramid)或者非树脂注入的碳化纤维，与压缩负荷相比对张力负荷具有更高的阻力(resistance)。利用这个构造，当施加纯张力负荷时，不对称强度构件整体与所有的其他缆线组件(例如导体、绝缘体、外壳等)合作以承载负荷而缆线环节被均匀地拉紧。当弯曲发生时，不对称强度构件承载正拉紧部分-即缆线部分的张紧部分-中的负荷，但不承载负拉紧-即压缩部分中的任何负荷。因此，在这个情况下弯曲处的中性轴(neutral axis)(即弯曲引起的拉长为零之处的理想轴)从缆线的几何轴移动(朝向拉紧侧)，并且位于靠近于缆线的几何轴的光纤传感器变成位于压缩区域中。 从而，光纤传感器使相应于缆线的弯曲状况的压缩信号升高。以这个方式，可以与缆线铺设(cable lay)或者缆线经受的任何扭矩无关地检测缆线的弯曲。根据本发明，提供一种用于检测电缆中的弯曲的方法，该方法包含-为缆线提供至少一个外围机械不对称强度构件和位于缆线的几何轴区域中的光纤传感器； 检测光纤传感器中的压缩应变。光纤传感器能够提供可测量的弯曲应变的相当大范围的读数，有利地是从-O. 5%至1%。还可以测量例如上至2 %或者甚至上至4%的更高应变值。一般而言并且根据一方面，解决方案涉及一种电缆，这种电缆包含至少一个外围机械不对称强度构件，至少两个纵向结构元件和用于沿着缆线长度监视弯曲应变的光纤传感器。传感器包含沿着缆线长度延伸的光纤。传感器的光纤在下文中也将被称为应变光纤。在本说明书中，术语“纵向结构元件”表示沿着缆线长度大致纵向延伸的电缆的半完成结构。根据本说明书和权利要求的纵向结构元件促成缆线的电传输功能，正如从下面它将变得更清楚的那样。电缆中包含的至少两个纵向结构元件包括至少一个缆线芯。术语“芯”表示电缆的半完成结构，包含诸如电导体的至少一个导电元件，和通常包围电导体的至少一个绝缘层。在典型构造中，电导体包含多根标准导线。申请人:已经意识到通过在电缆的纵向结构单元与应变传感器的光纤之间确保机械率禹合，并且尤其是机械相合(congruence),可监视从纵向结构元件转移到应变光纤的应变。“机械相合”意味着两个或者更多个移动部分大致作为一个整体经得住应变的能力。刚刚描述过的机械相合允许获得一种缆线，这种缆线能够在相对大的拉长范围内提供经历的静态和动态压缩负荷的可靠读数。根据本发明的一方面，应变传感器嵌入在应变转移填充物(strain-transfering filler)中,应变转移填充物利用缆线的至少两个纵向结构元件的至少其中之一与传感器机械耦合。当缆线在其至少一部分中被迫受到外力(例如压缩负荷)按压时，弯曲应变出现。申请人:已经意识到应变传感器应该集成在缆线中并且布置成在以缆线的最小弯曲半径弯曲缆线时大致保持成不被损害。申请人已经理解到包含在应变传感器中的光纤应该位于一个几何轴区域处，这个几何轴区域(在正常工作状况下)大致相应于沿着缆线纵向延伸的弯曲中性区域、并且具有关于缆线的中性轴大致对称地延伸的横剖面，此后称为中性区域。
正如在本文中所使用的，术语“中性区域”意图描述围绕轴(“中性轴”)的区域，在这个区域中弯曲引起的拉长是最小的。可以将中性轴定义为沿着缆线长度的假想线，这是缆线经受弯曲之处，未发生显著的纵向变形并且在应变传感器中弯曲应力是最小的。优选地是，将缆线设计成使中性轴位于一个位置处，在该位置处作用在缆线上的扭矩确定传感器纤维的最小纵向拉长。给定用于电缆的最小弯曲半径，这个最小弯曲半径一般相应于最小曲率半径，P min，最小曲率半径是考虑到缆线免于任何永久性损害的曲率半径，可以将中性区域定义为应变传感器经受的延伸不大于2%、并且优选不大于1%的区域，这是由于曲率半径处的弯曲不小于Pnin。在一定的弯曲半径上，在与中性区域大致一致的几何轴之内应变光纤的定位可防止由于缆线弯曲导致的纤维裂开或者永久性损害。在圆形缆线，即具有圆形对称横截面的缆线中，几何轴区域是在缆线的横截平面内围绕几何轴的径向区域。在优选实施例中，当被称为圆形缆线时，几何轴是缆线的中心纵轴。有利地是，在几何轴区域内，即，在离开几何轴不超过缆线半径的20%，更优选为不超过缆线半径的10%的径向距离内，沿着缆线布置应变传感器。在圆形缆线中，在显著远离缆线的几何轴区域的缆线区域中提供至少一个外围机械不对称强度构件。尤其是，所述强度构件沿着离开几何轴至少50%的径向距离处，更优选地是缆线半径的至少90%处布置所述强度构件。圆形缆线中的外围机械不对称强度构件的实例是具有螺旋形缠绕的导线形式的金属屏蔽层和机械保护层，机械保护层设置在内部套(jacket)与外部套之间，具有编制物或者金属或纤维的导线的形式。在扁形缆线，即具有大致矩形横截面的缆线中，几何轴区域是包括缆线的横断面中的对称轴的区域。有利地是，在几何轴区域内，即，在离开几何轴不超过缆线厚度的10%的垂直距离内，沿着缆线布置应变传感器。在扁形缆线中，在显著远离缆线的几何轴区域的缆线区域中提供至少一个外围机械不对称强度构件。尤其是，在垂直于几何轴的缆线厚度的至少50%，更优选为至少90%的距离处布置所述强度构件。扁形缆线中的外围机械不对称强度构件的实例是拉拔强度(pull strength)元件-设置在导体之间的空隙中-和加固螺纹件(thread)或者加固元件-两者都平行于导体而伸展(run)并且位于外部套与内部套之间，芯、螺纹件和元件都由金属或纤维材料制成，显示不同的压缩和张力机械性态。申请人:已经发现用保护性护套(sheath)包围应变光纤以提高对横向负荷的机械阻力是有利的，所述保护性护套直接接触应变传感器的可选的缓冲光纤(bufferedoptical fibre)。优选地是,保护性护套包含光纤加固化合物(composite)。电缆在其制造期间通常经受一种或多种热处理，尤其是固化处理(curingprocesse)，热处理涉及通常在大约150-200°C的典型温度下热处理几分钟。申请人已经注意到应变转移填充物和应变传感器包含一种材料是优选的，这种材料对在其中集成有应变传感器的缆线的制造期间发生的固化过程有抵抗力，同时维持(I)应变传感器的弹性，这种弹性使应变传感器具有可逆性，至少在缆线展现弹性性态的范围内无应变传感器的永久性变形，和(2)对不想要的滑动的粘附或者高摩擦阻力，从而维持层与缆线元件之间的机械相合。
优选地是，保护性护套由纤维加固合成物制成，其中加固纤维是碳、石墨、硼、芳族聚酸胺或玻璃纤维；嵌入加固纤维的聚合体优选为交联树脂，例如不饱和聚酯，诸如乙烯酯类或者环氧树脂。优选地是，应变转移填充物是基于弹性体材料，更优选是基于热固性弹性体。应变转移填充物至少在缆线具有弹性性态的应变范围内是弹性的。在一些优选实施例中，电缆是具有大致圆形横截面的圆形缆线并且包含相对于应变传感器位于径向外部的至少三个纵向结构元件。
现在将参考附图在下文中更充分地描述本发明，附图中显示本发明的一些、但并非全部实施例。示出实施例的附图是未按比例画出的示意性表示。出于本说明书和附图的目的，除非另有说明，否则表达量、数量、百分比等的所有数字都要理解为在一切情形下通过术语“大约”来更改。同样，一切范围包括所公开的极大和极小点并且包括其中的任何中间范围，该中间范围可以是也可以不是在本文中专门列举的。图Ia是根据本发明一个实施例的电缆的示意性透视图。图Ib是图Ia所示电缆的示意性横截面视图。图2a是在本发明的电缆中使用的应变传感器的示意性透视图。图2b是图2a所示应变传感器的示意性横截面视图。图3是根据本发明另一个实施例的电缆的示意性横截面视图。图4是根据本发明又一个实施例的电缆的示意性横截面视图。图5是根据本发明又一个实施例的电缆的示意性横截面视图。图6是根据本发明再一个实施例的扁形电缆的示意性横截面视图。图7是用于示出在根据本发明一个实施例的电缆中基于布里渊后向散射技术的工作原理的示意图。图8是根据本发明一个实施例，安装在移动设备中的多根重型缆线的弯曲应变和温度的监视系统的图形表示。图9是沿着示出图8的监视系统的重型起重机的C-C线的局部侧视图。图10示出在本发明的一个实施例中，多根重型缆线的监视系统的工作原理的示意图。图11是根据本发明又一个实施例，安装在移动设备中的多根重型缆线的弯曲应变和温度的监视系统的图形表示。图12示出在本发明的又一个实施例中，多根重型缆线的监视系统的工作原理的示意图。图13显示围绕心轴(mandrel)的缆线弯曲。图14a和14b示意性示出在弯曲缆线中中性弯曲轴离开几何轴的移动。
图15显示根据本发明的监视方法记录弯曲应变的图。
具体实施例方式图Ia和Ib分别示出根据本发明一个实施例的电缆的透视图和横截面视图。该实施例所示的缆线可以适于重型应用，尤其适于移动设施。缆线I是圆形缆线，包含围绕缆线的中心纵轴Z (在图Ia中可以看到)径向布置的三个芯2。芯2可以提供三相电力传输。缆线I可以是低压或中压电力缆线，这里低压表示上至IkV的电压而中压表示从IkV至60kV的电压。每个芯2都包含电导体12，例如通过根据传统方法绞在一起的一捆镀锡的或者裸的铜电线形成的铜导体。在相对于每个电导体12的径向外部位置处，相继提供内部半导体层13、绝缘层16、外部半导体层17。内部半导体层13、绝缘层16和外部半导体层17由聚合体基材料制成，该材料可以一个挤压在另一个顶上或者共同挤压到导体12上。绝缘层16可以例如是交联的乙丙橡胶(EPR);内部半导体层13和外部半导体层17可以例如是EPR、三元乙丙橡胶(EPDM)或者其混合物，充填有适当量的导电填充物，导电填充物通常可以是 碳黑。可选地是，无论何时工作状况允许，绝缘层和半导体层两者都可以由诸如聚丙烯基化合物的热塑性化合物制成。在一些应用中，缆线芯2在相对于外部半导体层17的径向外部位置中包含至少一个金属屏蔽层22。可以理解，芯2的上述描述只代表电缆中包含的芯的可行结构之一，这些可行结构一般可以是用于电力传输或接地的相芯(Phase core)，用于携带控制信号的芯或者既携带电力又携带控制信号的芯。根据本发明的特征，电缆I包含光纤弯曲应变传感器5。由于重型缆线在其寿命期间经受频繁的机械应力的事实，申请人已经意识到以通过将缆线弯曲到不小于最小曲率半径P min的任何曲率半径而不损害应变光纤的方式使应变传感器位于缆线内特别适当，最小半径Pmin相应于缆线可以弯曲而无永久性损害的最小半径。缆线弯曲引起应变传感器的拉长。已经观察到当通过弯曲引起的纵向应变小于在应变测试中施加给纤维的通常为I或2%的应变时，应变传感器通常不会由于以不小于Pmin的曲率半径弯曲缆线而受到损害。缆线沿着缆线长度延伸的区域(在该区域中应变光纤保持不会由于缆线弯曲而被损害)被定义为缆线的(弯曲)中性区域。在圆形缆线中，在缆线的横截平面内，中性区域是围绕中性轴的径向区域，在当前实施例中中性区域相应于几何轴Z。优选地是，在光缆的中性区域内，应变传感器经受由于以Pmin弯曲导致的等于或低于2%，更优选为等于或低于1%的拉长。申请人:已经观察到专用于重型缆线，尤其是用于移动设备中的应用的Pmin的值，可以相对低，例如250mm，并且因此，为了保证应变传感器的弯曲阻力，中性区域应该具有离开几何轴相对小的径向距离，例如不大于5mm。例如，总是参考圆形缆线，对于Pmin =300mm,为了具有I %的拉长,径向距离为3mm。在一些优选实施例中，在离开几何轴(与中性轴大致一致)不超过0.02pmin并且优选不超过O. 01 P min的距离内沿着缆线长度布置光纤传感器5。
尤其是，已经观察到大致沿着几何轴定位弯曲应变传感器可能是有利的，因为在一些实际情况中，它相应于径向外部芯的对称轴，和/或如下所述，它可以适合简化的缆线制造工艺。进一步对于用于传输电力和/或控制信号的芯2而言，电缆I包含至少一个接地导体7。在图Ia和Ib所示的实施例中，缆线包含两个接地导体，例如具有以捆绞在一起的镀锡的或裸的铜电线的形式。尤其对于中压应用而言，可以通过半导体层(图中未示出)包围接地导体的这捆电线。可以将接地导体7布置在相对于应变传感器5的径向外部，并且沿着缆线纵向与芯2绞在一起。尤其是，依据传统方法，芯2和接地导体7螺旋状缠绕缆线的中心纵轴Z。在图Ia-Ib中所示的实施例中，缆线I包含光纤元件3，光纤元件3包括例如从6至24根纤维的多根光纤，用于传输控制信号、声音、视频和其他数据信号。可以将单根光纤或者光纤对插入纵向延伸模块19中的松套管(loose-tube)缓冲器结构中，松套管缓冲器结构优选由诸如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或者聚氟乙烯(ETFE)的柔性材料制成。在所示的实施例中，含有纤维的该模块是螺旋状缠绕纵向强度构件18的SZ，是例如玻璃纤维、芳纶长丝或者碳纤维。光纤元件3可以与芯2和接地导体7绞在一起。一般而言，如果缆线结构允许，则可以将接地导体和光纤元件布置在通过芯2形成的外部空隙中。芯2和接地导体7 (如果存在)和/或光纤元件3共同被称为电缆的纵向结构元件。电缆经历的弯曲应变被转移到应变传感器，用于测量缆线弯曲应变。对于应变转移而言，应变传感器以这种方式与缆线中的至少一个纵向结构元件机械相合，即，由至少一个纵向结构元件经历的应变至少部分、但是相当大地转移到应变传感器。为此，将应变传感器5嵌入应变转移填充物6中，应变转移填充物6使应变传感器与电缆的至少一个纵向结构元件机械耦合。优选地是，应变转移填充物使应变传感器与集成在电缆中的每个芯、更优选地是与每个在圆周上布置的纵向结构元件机械耦合。申请人:已经意识到通过应变传感器测量的弯曲应变与由缆线，S卩，由缆线的至少一个纵向结构元件经历的应变之间的关系应该使得电缆所经历的压缩与传感器光纤的压缩毫无疑问地相关联，并因此与测量的应变值相关联。申请人:已经理解，为了保证弯曲应变传感器的压缩与电缆的压缩之间的毫无疑问的关联，应变转移填充物与至少一个纵向结构元件之间的接触应该显示至少在拉紧的状况下无显著滑动损耗。在大多数感兴趣的情况下，传感器和元件/多个元件之间大致不存在滑动损耗暗示通过它们之间的摩擦或者结合而至的粘附。作为元件之间无显著滑动损耗的结果而大致造成相同变形的两个元件之间的机械耦合，在本文中被称为机械相合。在图Ia-Ib中示出的实施例中，应变转移填充物6的几何构造使得填充物接触相对于应变传感器5位于径向外部位置处的多个纵向结构元件，同样当缆线处于大致不拉紧的状况下也是如此。从电缆的几何结构和集成在缆线中的纵向结构元件的数量来看，图Ia和Ib的应 变转移填充物6具有近似为三叶草的形状。正如在本文中使用的那样，意图使“大致不拉紧的状况”用来描述在应变传感器的纤维中具有平均参考应变的电缆的参考状况，这个状况可以相应于在从制造商提供的它的原始鼓(original drum)处置缆线之前，诸如在转移到缠绕和固定的卷轴或者柔软和滑轮系统(tender and pulley system)之前的状况。然而在大多数实际情况下,参考状况指的是缆线装入移动设备之后，即，从原始鼓转移之后，并且在使用之前，因此在暴露于相关张紧负荷之前。优选的参考状况可以相应于缆线安装在起重机上的状态，起重机被设置在其最大延伸处，即，将缆线部署用于其最大长度。通过申请人实现的测量已经显示出，在大致不拉紧的状况下，缆线中包含作为应变光纤的单模250 μ m光纤，应变范围从-O. 2%至O. 3%。由于制造状况的缘故，所述缆线应变可以沿 着缆线长度变化，虽然具有大致在纵向上恒定的残余应变的缆线是优选的，因为依据本发明它可以简化对缆线的监视。大致不拉紧的状况提供与测量使用中的缆线的应变有关的参考值。在布里渊方法中，测量沿着缆线长度的分布式应变，大致不拉紧的状况可以指在沿着缆线长度的不同位置处测量的多个参考值。意图使拉紧状况为不同于大致不拉紧状况的任何状况，如本文定义的那样。可以将缆线中的弯曲应变测量为应变偏离(deviation)，如果缆线是拉长的即是从平均参考值的增量，或者如果缆线是压缩的即是从平均参考值的减量。应变转移填充物6由具有弹性性质的材料制成，从而对最大应变起反应，缆线对最大应变展现一种弹性性态而无填充物的永久变形(即变形的可逆性)。将应变转移填充物材料选择成沿着经受拉长的缆线而适当地伸展，并且在外部弯曲负荷被去除时大致使变形恢复，至少对于相应于允许的最大应变的弯曲负荷是如此，超过允许的最大应变则缆线的永久和不可逆的变形发生。应变转移填充物6可以基于聚合体的材料，有利地是围绕应变传感器5进行挤压。发现在相对大的应变范围(例如超过1%)内具有弹性性态的热固性弹性体尤其适于本发明的缆线。有利地是，观察到热固性弹性体以高的摩擦力粘附到纵向结构元件的表面。例如，已经注意到热固性弹性体提供与半导体材料的坚固粘附，同时展现出对芯的半导体外表面无害的摩擦力，其中半导体材料通常包围一些电缆的芯。观察到可靠的应变转移发生，这种应变转移具有在缆线的纵向结构元件中经历的应变与传感器中测量的应变之间的可推断的或者至少可导出的关系。有利地是，应变转移填充物的材料对于热处理是有抵抗力的，热处理可能发生在缆线制造期间，诸如在电缆的外部护套的固化期间，通常在大约200°C执行。优选地是，应变转移填充物包含通过汽压、用电子束照射、盐浸溃浴(salt bathdipping)或者硅烷交联系统交联的热固性弹性体。一般而言，应变转移填充物优选由具有O. OlGPa与O. 7GPa之间的弹性模数的弹性体制成。例如，应变转移填充物选自由三元乙丙橡胶(EPDM)、乙丙橡胶(EPR)、丁腈橡胶(NBR)组成的组。虽然由于热固性弹性体的耐温粘附性质和大的弹性范围的缘故它们是优选的，但是热固性弹性体的使用不是排他的。热固性弹性体的实例包括苯乙烯-二烯-苯乙烯三嵌段共聚物；热塑性聚酯弹性体和热塑性聚氨酯弹性体；以及热塑性聚烯烃橡胶(聚烯烃混合物)。在一些实施例中，应变转移填充物6可以是导电的。空隙区域11填充有诸如EPR基的化合物的聚合填充物。例如通过挤压提供外部套14。为了增加电缆对机械应力的抵抗力，外部套14优选由固化的聚合体材料制成，优选基于加固的重型热固性弹性体，诸如高密度聚乙烯(HDPE)，聚氯丁烯，聚氨酯或NBR基的化合物。
为了增加电缆的抗扭性，提供盔装部(armour) 15，盔装部15具有例如编织物或者双螺旋的加固纤维线的形式，诸如金属或者聚酯纤维线，例如由凯夫拉尔 ( Kevlar )(芬芳聚酰胺)制成。这是根据本发明的外围机械不对称强度构件的实例。申请人:已经意识到，为了确保弯曲应变转移横跨可测量的压缩值的整个范围发生在应变传感器的光纤与缆线的纵向结构元件之间，在包围光纤并且使光纤与应变转移填充物机械耦合的层当中提供坚固而大致均匀的粘附是有利的。这允许应变传感器的光纤与应变转移填充物之间的机械相合。图2a和2b分别示出根据本发明的优选实施例集成在图Ia和Ib的电缆中的应变传感器5的部分透视图和横截面。应变传感器5包含光纤9，当应变传感器集成在电缆中时，沿着几何轴Z大致布置光纤9。应变传感器5的纤维9是光纤，即硅基光纤，具有125 μ m的典型标称直径，被首层涂层涂覆，首层涂层被第二涂层包围，第二涂层通常粘附性接触首层涂层，在此处首层涂层和第二涂层形成涂层系统。(被涂覆的)光纤的外直径可以是250+/-10μπι或者200+/-10μπι。还可以使用单层涂层系统。优选地是，光纤9是单模光纤，诸如符合G. 652、G. 653或者G. 655ITU_T(国际电信同盟，ITU电信组织)建议的传输纤维。在一个实施例中，应变光纤是纯硅芯纤维。优选地是，应变传感器的光纤具有增强的弯曲性能，展现低弯曲损耗。在一些实施例中，光纤符合G. 657ITU-T建议。出于识别目的，具有彩色光纤可能是有利的；在这个状况下优选使用具有彩色第二涂层的光纤。有利地是，可以选择不同于白色的任何颜色。申请人:已经观察到应变传感器的光纤能够经得住上至I %、优选为上至2%的重复性拉长多次，该次数超过预计在缆线的工作寿命期间发生在缆线中的运动周期(movement cycle)。注意到I %的应变值大于电缆在裂开或者永久性损害之前能够承载的典型的最大拉长，例如O. 5-0. 7 %。涂层系统可以由上至直径为250 μ m的两种不同的紫外-固化的丙烯酸盐材料制成。在一个实施例中，玻璃纤维的涂层系统在EP 1497686中被公开，观察到当经受超过2%的重复性拉长时，该涂层系统提供不裂开的光纤。在优选实施例中，光纤9通过包围涂层系统的缓冲器层10被紧密缓冲(tight-buffered),以便提高光纤的机械保护性,例如防备微弯曲损耗。申请人已经理解了缓冲器层对光纤，即对于纤维的涂层系统的均匀粘附，对于确保光纤与弯曲应变转移填充物之间的机械相合尤其重要。例如，缓冲器层10被挤压或者施加在250 μ m涂层的纤维上，使外直径增加到上至600-1000 μ m,典型值为800-900 μ m。优选地是，缓冲器层由具有弹性性质的材料制成，弹性性质允许紧密缓冲的光纤承载上至且包括2%的拉长和压缩。有利地是，将缓冲器层选择成基本上无蠕变(crewing)、滑移(slipping)或者脱粘(debonding)而粘附于光纤的涂层系统。优选地是，缓冲器层是基于能够展现足以经得住在缆线制造期间发生的热处理的耐热性的耐热材料。优选地是，缓冲器层由可辐射固化的丙烯酸盐聚合体制成。例如，紧密缓冲器由WO 2005/035461中描述的可紫外固化的丙烯酸盐聚合体，或者由WO 2008/037291中描述的阻燃剂填充物充填的聚合体基质(polymeric matrix)制成。可以在光纤涂层系统与紧密缓冲器层之间提供粘附促进层。申请人:已经观察到针对横向负荷防护应变传感器的光纤将是有利的，横向负荷可以使微弯曲损耗升高，并因此可以影响在纤维中测量的布里渊频率移动。此外，如上所述，当纤维受到横向压缩的影响时，应变传感器可以提供对弯曲应变的测量，弯曲应变并非与电缆的有效压缩直接相关联。为此，可以有利地提供设计成用于提高对横向压缩的阻力的保护性护套以包围可选的紧密缓冲的光纤。在圆形缆线中，诸如图Ia和Ib所示出的圆形缆线，在横断于纵向缆线方向的方向上的横向压缩通常发生在径向向内的方向上。申请人:已经观察到在缆线制造过程期间的应变转移填充物的挤压步骤中，应变传感器可以用做拉拔强度构件。为此，已经观察到在应变转移填充物的挤压过程期间应变传感器材料不变软，从而保证均匀的拉拔力是重要的。提供保护性护套8和适当选择形成所述护套的材料可以给应变传感器有利地提供一个张紧强度(tensional strength),这个张紧强度足以既提高对横向压缩的阻力，又允许应变传感器在电缆的制造过程中用做拉拔强度构件。为了确保光纤与应变转移填充物之间的机械相合，将保护性护套的材料选择成提供与可选的缓冲光纤的坚固而相对均匀的粘附。在优选实施例中，保护性护套8由纤维补强化合物制成，其中纤维可以是碳、石墨、硼或玻璃(非光学的)纤维。在一个实施例中，保护性护套8是玻璃补强(glass-reinforced)聚合体(GRP),其中通过嵌入在聚合体中的玻璃纤维对聚合体进行加固。已经观察到通过提供平行于光纤几何轴部署的补强纤维获得应变传感器的有利的相对高的张力劲度(tensionalstiffness)，由此防止横向压缩被错读成弯曲应变。保护性护套8可以挤压在缓冲器层10之上并且与其直接接触。可选地是，被应变传感器嵌入其中的应变转移填充物包围的保护性护套的外表面包含多个槽或切口，或者被处理成形成粗糙表面以便增大保护性护套与应变转移填充物的粘附。可选地或附加地，可以在保护性护套上可选地提供粘附促进层。如上所述，应变传感器应该具有弹性响应以在从电缆上去除弯曲负荷之后返回到其原始状况，弯曲负荷与最大预计的缆线应变相关。为了给应变传感器提供所需的柔韧性(flexibility)，保护性护套由具有弹性性质的聚合体基材料制成是优选的。优选地是，嵌入补强纤维的聚合体是交联树脂，尤其是可紫外固化的交联树脂或者热固性交联树脂，其一般提供用于抗压缩性。交联树脂可以是不饱和聚酯、环氧树脂类或者乙烯酯类。
已经观察到为了提高应变传感器的柔韧性，在由聚合体基材料制成时，保护性护套的厚度优选被包含在500和1000 μ m之间。例如，保护性护套是GRP层，GRP层使缓冲光纤的外直径增大到上至I. 8-2. 5mm。优选地是，包围传感器的光纤的保护性护套防止在制造过程中使用的温度下的纤维收缩，并且尤其是在诸如内部护套和外部护套的相同缆线组件的固化过程中。选择经得住固化温度的高温级交联树脂，例如，由Polystal Composites GmbH生产的高温 Polystal grp。根据一方面，本发明涉及弯曲应变传感器，该传感器包含光纤、紧密围住光纤的缓冲器层和包围缓冲器层的保护性护套，其中缓冲器层由耐热材料制成，优选由可辐射固化的丙烯酸酯聚合体制成。优选地是，利用嵌入在交联树脂中的补强纤维来加固纤维补强化合物。优选地是，缓冲器层由可紫外固化的丙烯酸酯聚合体制成。优选地是，为了使应变传感器还能够检测小的电缆压缩，将缓冲光纤放在纤维补强化合物中，具有相应于O. 2%的预拉长的轻微的伸展状况。
应变从一层到下一层至少部分转移，由此确保对在相对大范围内的缆线拉长的可靠测量，而同时，至少在低于缆线的永久性变形的压缩负荷的范围内，在去除压缩负荷之后，弹性返回到大致不拉紧的状况。由于应变传感器和应变转移填充物的材料的适当选择，这在不同元件之间提供机械相合，因此可确保在纤维压缩和缆线弯曲应变之间的有效应变转移和可知的关系。在一些情况下，预计从电缆的径向外部纵向结构元件到应变传感器的光纤的应变转移的范围是从50%至100%。在上述优选实施例中，应变传感器包含被多层(即，紧密缓冲器，保护性护套)覆盖的光纤，所述多层展现弹性性质并且嵌入在具有弹性性质的应变转移填充物中。然而，只要由应变传感器和应变转移填充物组成的结构能够使处于缆线的可逆弹性状态中的压缩恢复原状，则从由包围被涂敷的纤维的缓冲器层、保护性护套和应变转移填充物组成的组中选择的多层的至少一层可以展现非弹性性态并且尤其是塑性性态。尤其是，该至少一层可以由塑性材料制成，即该材料具有这种能力变形以响应于机械力而无破裂，至少直到不超过外力的某阀值。申请人已经理解，弹性响应需要(I)由大致塑性的材料制成的层与由弹性材料制成的至少一层相合，和(2)由塑性材料制成的层的轴向硬度小于由弹性材料制成的至少一层的轴向硬度，塑性材料层与弹性材料层相接触。通常以牛顿(N)测量的轴向硬度是层元件的杨氏模数与横截面积的乘积。这样，由大致塑性的材料制成的层沿着弹性材料伸展，在缆线拉长期间大致塑性的材料层利用摩擦力粘附在弹性材料上或者接触弹性材料并且通过弹性材料被被拉回到它的原始位置，假设在两层之间存在足够的握持力(gripping force)。例如，应变传感器的保护性护套是杨氏模数为72，400MPa的纤维补强热塑性聚合体，而应变转移填充物是杨氏模数为671MPa的热固性弹性体。保护性护套的横截面积是3. 4mm2并且应变转移填充物的横截面积是75mm2，倘若用于保护性护套的轴向硬度是250kN并且用于应变转移填充物的轴向硬度是50kN。如果纤维补强热塑性聚合体具有对应变转移填充物和对诸如缓冲器层的下层的良好粘附，则热塑性聚合体沿着应变转移填充物获得(take)，即使如果其横截面积更小也是如此。要注意到如果应变转移填充物由热塑性聚合体制成，则这也将是事实，倘若上述条件(I)和(2)被满足，并且在这里具有弹性性质的层是被保护性护套包围的缓冲器层。在一个实施例中，假设条件(I)和(2)被实现，则应变转移填充物选自以下物质组成的组杨氏模数从I至5GPa的聚酯，杨氏模数从2至4GPa的聚酰胺，杨氏模数从O. 003至O. OlGPa的聚氯乙烯(PVC)，杨氏模数从O. I至O. 3GPa的低密度聚乙烯，和杨氏模数从
O.4至I. 2GPa的高密度聚乙烯。优选地是，采用交联聚合体材料。根据另一个实施例，为了给应变传感器提供对横向负荷和拉拔强度的阻力，应变传感器的保护性护套可以是包围可选的缓冲光纤(实施例未在图中示出)的缓冲器层的金属管。在这个情况下，金属管含有凝胶或类凝胶材料，可选地在压力下，能够在金属管与其中含有的光纤之间提供所寻求的机械相合。在优选实施例中，金属管由钢制成。
优选地是，在由包围被涂敷的纤维的缓冲器层、保护性护套和应变转移填充物组成的组中，只有一个是由具有弹性性质的材料制成的。虽然在一些优选实施例中应变传感器包含缓冲器层以便提高应变传感器的强度和弹性，但是正如在图2a和2b所示的构造中的那样，要理解应变传感器可以包含用涂层系统涂敷的光纤，涂层系统直接被保护性护套包围。电缆I可以包含温度传感器，温度传感器包含光纤24，用于测量缆线I的内部温度。温度传感器的光纤24具有松缓冲器构造(loose buffer construction)。尤其是,在图示的实施例中，光纤24宽松地放在纵向围住纤维的模块19的内部，模块19被包含在光纤元件3中。纵向延伸的模块19在管光纤24的每个单位长度上含有过剩的光纤长度。过剩的光纤长度(EFL)通过以下关系式定义EFL = Lf ￡、100
t(I)其中Lf是光纤的长度而Lt是容纳纤维的管的长度。将过剩的长度选择成使得在给予电缆的最大应变处，例如1%，光纤保持宽松(即，不拉紧)。温度传感器的光纤24优选为单模光纤并且通过使用布里渊后向散射技术测量温度。然而，对于温度检测而言可以预想多模光纤的使用。在后者状况下，可以通过使用基于喇曼散射的已知技术执行温度测量。优选地是，光纤24关于沿着缆线延伸的中心纵轴被螺旋状缠绕。例如，光纤24围绕纵向构件扭转。在电缆包含光纤元件、光纤元件包含多于一根光纤的情况下，两根纤维可以沿着纵向螺旋状相互缠绕，采用两根纤维之一作为温度传感器的光纤。免于机械应力的光纤24只受热膨胀的影响并且可以用于温度监视。当通过布里渊后向散射技术测量应变时，应变光纤既受应变改变又受温度改变的影响。可以通过使光纤24与应变光纤光耦合并且通过测量光纤24中的温度改变而减去温度作用。虽然优选地是，在电缆处于大致不拉紧的状况时，应变传感器与纵向结构元件之间的机械耦合也发生，但是为了提高应变测量的检测灵敏度和分辨率，只在至少一个纵向结构元件经受弯曲负荷并且变成与应变转移填充物相接触时，使应变传感器与纵向结构元件之间的机械耦合，并且尤其是机械相合可以发生。例如，当纵向结构元件经历相应于至少-O. I %的压缩的弯曲负荷时，机械耦合发生。图3是根据本发明另一个实施例的电缆的横截面视图。使用一些附图标记来辨别具有与图Ib的元件相同或类似功能的类似组件。虽然图Ia和Ib中的实施例包括弯曲应变转移填充物，该弯曲应变转移填充物同样在不存在压缩负荷的情况下接触缆线的纵向结构元件，但是在图3所示的实施例中，在移动设备中安装或使用之前，当缆线处于大致不弯曲的状况，例如缆线的原始状况时，应变转移填充物不接触，至少不完全接触，纵向结构元件的表面。尤其是，电缆30包含被应变转移填充物25包围的弯曲应变传感器5，应变转移填充物25优选直接挤压在应变传感器之上，例如参考图2a和2b，直接挤压到保护性护套8的外表面上。应变转移填充物25可以具有圆形横截面。例如，护套25具有从2至7mm的厚度。应变转移填充物25与径向外部纵向结构元件，即芯2，并且如果提供，还有接地导体7和光纤元件3之间的空隙空间26可以通过包围纵向结构元件的聚合体填充物27的相同材料进行填充，例如EPR基化合物。由于其尺寸的缘故，与应变转移填充物25缓冲的应变传感器5是相对自由的，以在应变转移填充物25与缆线纵向结构元件之间的空隙空间26中移动，应变传感器的移动性还取决于填充空隙空间的材料的粘度。施加张力之后，纵向结构元件倾向于径向向内压缩，由此减小到纵轴的径向距离，应变传感器沿着纵轴布置。当缆线所经历张力的值超过某阀值时，纵向结构元件被径向向内压下并且建立与应变转移填充物25的接触。相反，当缆线在缆线长度的任何纵向位置处拉长低于该阀值时，应变传感器5的光纤跟随缆线运动但有延迟，这是由于与缆线的纵向结构元件之间相对不足的握持导致的。优选地是，张力的阀值为O. 1%。应变转移填充物25的材料性质是参考图Ia和Ib在上面所描述过的那些。
图4是根据本发明又一个实施例的电缆的横截面视图。相同的附图标记用于辨别与图Ia和Ib的元件具有相同或类似功能的类似组件。电缆40包含4个纵向结构元件，既三个电力芯43和一个接地导体44,它们被布置成相对于应变传感器5径向向外,应变传感器5可以具有参考图2a和2b描述的构造。电力芯43和接地导体44每个都包含导体45，例如具有被绝缘聚合体层46包围的一捆绞合的镀锡的或者裸的铜电线形成的铜导体的形式。应变转移填充物47嵌入应变传感器5并且填充应变传感器与纵向结构元件之间的空隙。应变转移填充物47的性质和几何形状使得在纵向结构元件43和44与应变传感器5之间存在机械耦合，并且尤其是机械相合，在缆线不拉紧的状况下也存在。缆线40可以是IkV电力缆线，诸如用于立式卷筒应用。在图4所示的实施例中，将温度传感器48集成在对于纵向结构元件为径向内部的区域中，并且尤其是在应变转移填充物47内。温度传感器48包含光纤49，光纤49优选是单模光纤，宽松地布置在优选由ETFE或者PBT制成的纵向延伸的模块41中。模块41的外直径例如为2mm。图5是根据本发明又一个实施例的电缆的横截面视图。所示的缆线例如可以是用于卷筒应用的低压控制缆线。电缆50包含布置在多个同心层中的多个纵向结构元件，同心层围绕中心元件51绞合，中心元件51用做用于应变传感器5的应变转移填充物。每个同心层的纵向结构元件围绕中心元件51扭转并且包含控制芯53和布置在最外部同心层中的一对光纤元件54。每个控制芯53都包含被绝缘聚合体层58包围的细金属丝铜导体59。两个光纤兀件54都具有纵向延伸的模块52的形式,纵向延伸的模块52含有宽松地布置在模块内的至少一根光纤57 (图中是三根光纤)。任何一个光纤元件54的光纤都可以用做温度传感器。聚合体内部护套55包围纵向结构元件的同心层。具有诸如涤纶纱编织物35的嵌入式补强部的外部套35包围内部护套55并且围住缆线。将应变传感器5布置在包围中心纵轴的缆线的几何轴区域内。例如，几何轴区域是沿着中心纵轴延伸的径向区域，对于￡ _为120mm的缆线,半径为3mm。在参考图1、3、4和5显示的实施例中，电缆的纵向结构单元与应变转移填充物直接机械耦合，即，在绞合状况下，在纵向结构元件与应变转移填充物之间存在机械相合。所得的缆线构造使得诸如芯或接地导体的纵向结构元件经历的应变能够有效快速地转移到应变传感器。对应变变化的快速反应允许对例如在移动设备的缠绕方向或者装载/卸载运动的突然变化中发生的动态弯曲力的检测。
可以理解，根据本发明的教义的电缆在应变来源于缆线的不与诸如缆线内部护套或者外部护套的应变转移填充物直接接触的部分时，也允许检测应变。如果在给定时间间隔期间，大致恒定的弯曲力被施加于缆线的一个纵向结构元件，则所述力依据元件/多层之间的摩擦力和弹性，为集成在缆线中的全部纵向结构元件确定应变(元件/多层与拉紧的纵向结构元件机械耦合)，例如，为与拉紧的纵向结构元件直接接触的元件确定应变，或者为横跨诸如聚合体护套的材料机械耦合发生的材料确定应变,诸如聚合体护套的材料使其他元件与拉紧的元件分开。接触区域越大且元件之间的摩擦力越高(同样依据弯曲力的值)，则需要在纵向结构元件之间具有均匀应变的缆线的纵向长度部分就越短。在横截面的不同部分中起作用的应变值取决于构成材料的弹性性质。在弯曲力的应用随时间变化的情况下，诸如在动态应变测量中，对电缆的一个纵向结构元件而言，缆线结构(stracture)考虑元件之间的摩擦力、在多层之间的坚固粘附以及因此适当选择组成多层的材料，变得重要。图6显示三相电扁形缆线60的示意性横截面视图，诸如用于井泵系统中的应用，缆线60包括两个外部芯61和63以及中心芯62。这些芯被定位成大致平行并且一个与另一个邻接，沿着平行于X方向的公共轴69a集中，横断于纵向缆线轴。轴69a是缆线横截面在平面(X，Y)中的中线。光纤应变传感器5布置在中心芯62和外部芯之一(在这个情况下是外部芯61)之间。应变传感器5可以具有参考图2a和2b描述的结构。应变传感器5被应变转移填充物66包围，应变转移填充物66可以具有圆形形状并且粘附于应变传感器的外表面。依据横向芯61与中心芯62之间的横向空隙空间来选择应变转移填充物66的径向厚度，并且以这种方式提供必要的机械阻力。优选地是，当缆线处于大致不拉紧的状况时，应变转移填充物与邻近的芯61和62的外表面机械耦合并且尤其是与其相合。用于缆线60的弯曲的几何轴是中轴69a，轴69a是沿着Y轴的缆线横截面的对称轴。应变传感器5布置在用于厚度为d的弯曲的中性区域内，中性区域被限定在平行于中线69a并且在Y轴上离开69a的距离为d/2的两个平面69b之间。对于具有P min的典型值为500mm的扁形缆线，厚度d的范围可以是从5至10mm。 扁形缆线60进一步包含相对于芯布置在外部位置内并且纵向围住它们的外部铠装68。外部铠装68具有平行于X轴的两个大致平坦侧68a和包围两个外部芯61和63的一部分的两个相对的横向侧68b。外部铠装68优选为钢或不锈钢或铜镍合金的带状铠装。电缆60具有多个空隙空间65，空隙空间65通过芯与外部铠装68之间的空间被限定。外围机械不对称强度构件67布置在平行于X轴的两个公共平面中的空隙空间65中。强度构件67具有圆形横截面并且可以由纤维玻璃或者芳族聚酸胺(芬芳聚酰胺)制成。芯与强度构件之间的自由空间填充有内部护套64，内部护套64例如由无机填充物充填的聚合体化合物制成，优选直接挤压在扁形缆线的纵向结构元件上。根据本发明的电缆可以受到监视，以通过使用布里渊后向散射技术而确定沿着缆线分布的弯曲应变，诸如布里渊光学时域反射计(BOTDR)，布里渊光学时域分析(BOTDA)和 布里渊光学频域反射计(BOFDR)。根据一般已知的测量技术，由第一激光器产生的第一光学信号(探针)被发射到集成在电缆中的应变传感器的光纤的第一端中，同时，由第二激光器或者通过相同的第一激光器产生的第二光学信号(泵浦)被发射到与第一端相反的应变传感器的光纤的第二端中。第一光学信号连续工作，即为连续波(CW)信号，而第二光学信号是脉冲的。从光纤的第一端后向散射的返回光学信号通过检测电路进行测量。在纤维的相同点处，当CW光学信号的光学频率之差大于与布里渊频率移动相等的量的脉冲光学信号的光学频率之差时，脉冲信号通过布里渊互作用(Brillouin interaction)被放大并且CW信号经历损耗。布里渊频率移动既是应变敏感的又是温度敏感的。布里渊后向散射技术具有分布感知技术的优点，这因此允许沿着缆线长度对实际应变剖面的实时监视。利用采样装置，布里渊后向散射可以用于沿着应变传感器的光纤的长度测量温度和应变两者的同时改变，采样装置通过扫描两个激光源的频率移动和提供(fitting)布里渊峰来绘制布里渊频谱，以获得温度和应变信息。还可以利用诸如由OZ Optics Ltd.商业化的前视 (Foresight )传感器的商业类型BOTDR装置执行这种分析。在这个应用中，在缆线中布置在与应变传感器分开的位置中的温度传感器对于温度感知不是必须的。在一些实施例中，通过在测量的光学信号中使温度作用与应变作用分开和通过使用在宽松的缓冲器构造中用于温度测量的第二光纤而执行对弯曲应变和温度的监视，正如在电缆的一些上述实施例中描述的那样图7示出监视系统的工作原理的示意性框图，监视系统使用诸如BOTDR的基于布里渊的后向散射技术，以在电缆长度上测量应变和温度改变。采样装置70用于将光学信号注入电缆73并且分析从缆线接收的后向散射光学信号。例如，采样装置可以是被OmnisensSA商业化的DITEST-DSM系统。电缆包含应变传感器和温度(传感器)光纤72 (在图中仅示意性表示出应变和温度纤维)，应变传感器包含沿着缆线几何轴Z延伸的光纤71。包含应变光纤71的应变传感器以允许应变从至少一个纵向结构元件转移到应变传感器的方式机械耦合到缆线73的至少一个纵向结构元件，而用于温度感知的光纤72以宽松的构造集成在缆线中。电缆73，并且尤其是缆线内光纤71和72的布置，可以具有象上述实施例中描述的任何结构。应变光纤71位于缆线的几何轴(axius)区域中并且与缆线的至少一个纵向结构元件具有机械相合，而温度光纤72布置在松散的缓冲器构造中从而不受施加于缆线的应变的影响。采样装置70将来自第一输出端78的泵浦光学信号发射至与应变光纤71的近端连接的光缆环节74。同时，探针(probe)光学信号从第二光学输出端79发射到与温度光纤72的近端连接的光缆环节75中。用于纤维端部的术语“近”和“远”关于采样装置被提及，或者至少关于与采样装置的光学连接而被提及。然而，意图使这种术语只表示一个相对位置和/或用于促进对附图的描述，但是它们不被解释为具有绝对意义。测量装置70的光缆环节74和75与各个光纤71和72之间的非永久性连接可以通过传统手段实现，例如通过光学连接器77。应变和温度光纤71和72的至少其中之一，并且优选为两根光纤，具有超过缆线73的近端和远端延伸的长度。在光纤最接近于采样装置70的端部，这简化了与装置的连接。从缆线伸出的与近端相反的光纤的远端从一个到另一个被连接，从而产生纤维环，两个输入/输出端只在光纤的一端(即近端)。在远端，根据传统方法可以通过在接合器76中熔化接合(fusion splicing)而将两根纤维结合到一起。布里渊后向散射光学信号从温度光纤72中退出，进入采样装置70，并且可以进行处理以便确定沿着光缆的应变和温度变化。通过考虑包含应变光纤71和温度光纤72的纤维环，沿着纤维环并因此在两个感知纤维的每个之内被定位的所测量的应变和温度所处的位置可以通过向下和向后通过(down and back through)纤维环传播的脉冲的渡越时间进行确定。
可以通过使用已知技术，诸如通过使用OTDR技术来校准光纤环，以便知道连接器和/或光学接合点在纤维环中的位置并因此确定温度和应变光纤在纤维环中的位置和长度。弯曲应变光纤71既受到应变改变又受到温度改变的影响，而在缆线结构内处于松散构造中的温度光纤72仅受温度的影响。通过减去沿着相应于集成在缆线中的光纤72的纤维环环节的温度作用，可以确定对仅由应变造成的布里渊频率移动的作用。在一个实施例中，镜子可以位于温度光纤相对于采样装置的远端，但是泵浦和探针光学信号两者都被发射到温度光纤的近端中。这个解决方案(图中未示出)不需要在应变和温度光纤之间的纤维环用于测量。 申请人:已经观察到布里渊采样装置的成本，尤其是如果需要宽范围高灵敏度测量，是相对高的并因此提供多根缆线的监视系统以便减少整体成本将是有利的。申请人:已经进一步注意到，对重型缆线的实时监视将允许记录引起压缩应变峰的动态事件，压缩应变峰可能损害缆线。图8是在用于货物调动(movement)的区域，诸如在港口的集装箱码头中，多个重型缆线的监视系统的示意图。集装箱码头是一般覆盖巨大区域的港口机构，集装箱(图中未示出)横跨该区域进行存储以便装载到船上或者从港口收集。多个重型起重机82横跨码头的选定区域移动以举起和转移集装箱，同时被加电并且受控于电力交付(deliver)站81。重型起重机82可以是固定在一对轨道90a和90b上的龙门(gantry)起重机，轨道90a和90b安装在码头之后的港口区域上，该区域在图中用虚线区域91表示，用于装船和卸船的码头起重机在这里工作。集装箱(未示出)在轨道之间的空间内堆叠成几行，在这个空间里可以通过龙门起重机沿着由双箭头92表示的方向水平地前后运转来升起和来回搬动集装箱。图9是大多数是例如沿着图8的C-C线获得的起重机的侧视图。龙门起重机82的支撑结构包含具有两根高架轨道93a和93b (在图9中看不到)的桥，绞车吊运装置(winchtrolley) 83在两根高架轨道93a和93b上垂直于起重机的运动而移动。根据传统设计，绞车吊运装置83具有绞车系统(未示出)以升起集装箱。可以在轨道的两个端部设置端部止挡器88从而防止起重机移动超过轨道端部。每个龙门起重机82都通过各自的电缆86供电，电缆86可以是传统电缆，使电力交付站81与起重机供给单元89连接。重型缆线85连接到起重机供给单元89以便从各自的电缆86的运载而获得电力，并且为起重机82的多个功能(其的调动、定位、监视等)提供电力。另外，重型缆线接收控制/数据电信号和/或光学信号。虽然将起重机供给单元显示为放在电力交付站的轨道端部附近，但是起重机供给单元的其他位置也是可行的，诸如在轨道旁边相对于轨道长度的中间位置。重型缆线85缠绕固定在起重机结构的横侧(lateral side)上的卷筒84上。可以使电缆卷筒84机动化成允许卷筒在两个方向上转动。在包含两个横向相对布置的偏转引导滚筒的图的实施例中，可以通过引导设备96 (在图9中可看到)提供电缆对起重机供给单元的引导。每根电缆85都具有固定在各自的起重机供给单元89中的一端和固定于电缆卷筒84的相反端，其中心通常被称为供给中心。在起重机的迅速的水平调动期间，当电缆围绕卷筒的不连续和经常突然的缠绕和展开阶段发生时，重型缆线85于是被束缚在两端。在一个实施例中，重型缆线具有参考图Ia和Ib描述的结构类型。在另一个实施例中，重型缆线具有参考图la-lb、3、4和5描述的另一个结构。
对电缆进行测试以便监视由于弯曲导致的压缩负荷。参考图13，具有直径Φ2的电缆200(具有图la、lb的电缆的结构特征)缠绕具有直径Φ1的心轴(mandrel)201。缆线200的几何轴用Z表示，并且当电缆大致是直的时，与中性弯曲轴N大致一致。图14a示意性描绘电缆中负荷的分布，不包含外围机械不对称强度(straight)构件，当弯曲时所有的电缆元件都承载大小相等方向相反的压缩负荷141b和张力负荷141a，所述负荷在中性弯曲轴N处具有大致等于零的值，中性弯曲轴N与几何轴Z —致。利用这种构造在缆线200检测不到弯曲应变，因为光学弯曲传感器位于同样也是中性弯曲轴N所置于的几何轴Z中。当缆线200包含至少一个外围机械不对称强度构件时，负荷分布如图14b示意性显示的那样改变由于其结构的缘故，机械不对称构件承载小于张力负荷的压缩负荷，并且不同的分布负荷使中性弯曲轴N从放置光学弯曲传感器的几何轴Z移动。在这个情况下弯曲应变传感器的光纤受到弯曲现象的影响，弯曲现象可以例如通过如上所述的布里渊散射技术进行监视。图15显示在横坐标中报告沿着电缆的位置(米)和在纵坐标中报告应变百分比的图。在对800米长的如图I的电缆的监视期间，在大约第440米处观察到强的负峰，这种负峰的值超过正常的缆线性能。对由图表示的位置处的电缆的目视检查显示，电缆从卷筒上掉落并且被不适当地扭折。再次参考图8和9，每根重型缆线85都包含弯曲应变传感器和温度传感器。应变传感器包含机械耦合到缆线的至少纵向结构元件，并且尤其是与缆线的至少纵向结构元件机械相合的光纤，而温度传感器包含以宽松构造集成在缆线中的光纤。至少应变传感器的光纤，并且优选还有温度传感器的光纤，是单模光纤。优选地是，应变和温度光纤是电信级光纤。将电力带给重型缆线85的每根电供给的缆线86都包含集成光纤元件，集成光纤元件包括至少两根光纤，优选沿着供给电缆布置在宽松的缓冲器构造中。供给电缆86的每根光纤的端部都光学连接于布里渊采样装置(在图8和9中未示出)，而相反端被光学连接到重型缆线85中包含的应变和温度光纤的各自端部。光学连接可以通过传统手段发生在电力供给单元中。因此，重型缆线85能够从各自的供给缆线86接收电力和用于布里渊分析的光学信号。布里渊采样装置可以容纳在电力交付站81中。在图8和9中仅仅出于清晰的目的，将供给缆线86示为躺在地上。可以理解供给电缆可以达到起重机供给单元同时在地下伸展(由图9中的虚线代表)。图10示出根据一个实施例的监视系统的工作原理的示意图，监视系统用于控制安装在移动设备上的多根重型缆线的弯曲应变和可选的温度。多根供给缆线103、105、107和109每个都分别包含第一和第二供给光纤118a和118b、119a和119b、120a和120b以及121a和121b。供给缆线103、105、107和109给各自的重型缆线104、106、108和110供应电力，并且优选地供应控制信号，每根重型缆线都包含应变传感器光纤112a和温度传感器光纤112b。第一供给光纤118a、119a、120a和121a光学连接到各自的重型缆线104、106、108和110的应变光纤112a。第二供给光纤118b、119b、120b和121b光学连接到各自的重型缆线104、106、108和110的温度光纤112b。供给缆线的供给光纤与重型缆线的应变和温度光纤的光学连接可以通过熔化接合而实现。每根重型缆线末梢的应变和温度光纤112a和112b的相对于各自的供给缆线的端部都一个到另一个被连接(用诸如接合器113的设备的连接点O表示)，从而形成横跨重型缆线和供给缆线的纤维环。在图8和9中显示的实施例中，应变和温度光纤的远端处于配合在起重机的卷筒中的重型缆线的端部，例如在卷筒的供给中心内。布里渊米样装置100从输入/输出光学端口 101发射第一光学信号(泵浦)并且从输入/输出光学端口 102发射第二光学信号(探针)。信号从输入/输出光学端口 101和102射入各自的第一和第二光纤环节111和114中。第一光学环节111光学连接到供给缆线103的第一供给光纤118a，第一供给光纤118a接收泵浦信号，同时第二纤维环节114光学连接到最后的供给缆线109的第二供给光纤121b，第二供给光纤121b接收探针信号。第一供给缆线103的第二供给纤维118b光学连接到第二供给缆线105的第一供给纤维119a ;第二供给缆线105的第二供给纤维119b光学连接到第三供给缆线107的第一供给纤维120a，并且第三供给缆线107的第二供给纤维120b光学连接到第四供给缆线109的第一供给纤维121a。这产生一个纤维环，纤维环具有最接近第一供给缆线103的第一供给纤维108a的作为开口的光学输入/输出一端，和第四供给缆线109的第二供给纤维121b的一端(近端)。参考附图，可以参考采样装置，或者至少参考与采样装置的光学连接而采用术语“近”和“远”。然而，意图使这种术语只表示相对位置和/或用于促进描述，但是不将它们理解为具有绝对意义。两个不同供给缆线的光纤端部或者供给缆线的光纤的一端与光学连接到采样装置的纤维环节的光学耦合可以通过传统耦合设备实现，传统耦合设备在图中未示出。连接到图10所示的布里渊采样装置的重型缆线的数量是四根。然而，可以理解，比照布里渊仪器动力学，取决于由纤维衰减和纤维长度引起的光损耗、熔化接合损耗、机械接合损耗，该数量可以是不同的。例如，可以在一个纤维环中测量安装在各自起重机中的上至10根重型缆线。供给光学纤维优选为电信级单模光纤。第一和第二光学信号是具有适当幅度和频率的反向传播(counter-propagating)光学信号，以产生布里渊后向散射信号，通过采样装置100分析布里渊后向散射信号。由于知道形成纤维环的供给缆线中和重型缆线中的纤维的纤维长度，因此例如在环内的缆线构造的校准之后，可以使应变变化与沿着纤维环的位置相关，并因此监视施加于光学连接到采样装置的每根重型缆线的应变。根据本发明的一方面，用于监视多根电缆，并且尤其是多根重型缆线的监视系统包含用于测量布里渊散射光的光谱改变的采样装置，包含第一和第二光学输入/输出端，第一输入/输出端易于发射第一光学信号并且第二输入/输出端易于发射第二光学信号，并且多根重型缆线包括第一和最后的重型缆线，多根电缆的每根电缆都包含应变传感器和 温度传感器，应变传感器包括应变光纤，温度传感器包括温度光纤，应变和温度传感器沿着各自的缆线纵向延伸，应变光纤和温度光纤具有近端和远端，近端位于各自的电缆的最接近端，其中每根重型缆线的应变光纤和温度光纤的远端都一个到另一个被光学连接，第一重型缆线的应变光纤的近端与采样装置的第一输入/输出端光学通信，并且最后的电缆的温度光纤与采样装置的第二输入/输出端光学通信，并且第一重型缆线的温度光纤的近端与最后的重型缆线的应变光纤的近端光学连接，从而形成光纤环，在光纤环中多根重型缆线的每根重型缆线的应变光纤和温度光纤都既与采样装置的第一和第二输入/输出端、又与在相反方向上进入光纤环的第一和第二光学信号光学通信。申请人:已经观察到，可以买到的布里渊采样装置可能能够测量上至20km的光纤的应变和温度。当起重机分散在较大区域上并且在垂直于起重机的伸展方向的水平方向上通过显著距离被分隔开时，连接到与起重机在很大程度上分隔开的、容纳采样装置的同一个电力交付站可能不是特别高效。此外，从电力交付站到起重机采用通常预先存在的电缆构造将是有利的。图11示出根据本发明又一个实施例，在用于调动货物的、诸如港口中的集装箱码头的区域中，对多根重型缆线的监视系统。相同的附图标记用于辨别与图8的元件具有相同或类似的功能的类似组件。电力交付站125为第一组起重机130供给电力和控制信号，而电力交付站128为第二组起重机131供给电力和控制信号。任何一个电力交付站都容纳 布里渊采样装置(未示出)，布里渊采样装置通过光缆129光学连接到其他电力交付站的供给缆线之一，光缆129包含两根光纤，这两根光纤优选为单模光纤。每个组中起重机的数量纯粹是示例性的，虽然该数量通常可以从3至6变化。图11的监视系统的可行的光学构造在图12的示意图中示出。第一组供给缆线145、149、150和152每个都包含第一和第二供给光纤，第一和第二供给光纤通过已知方法光学连接到各自的重型缆线146、147、148和151的各自的应变和温度光纤，诸如通过光学连接器167。第一组供给缆线从第一电力交付站接收电力。第二组供给缆线158、159和160每个都包含第一和第二供给光纤，第一和第二供给光纤光学连接到各自的重型缆线155、156和157的各自的应变光纤和温度光纤。第二组供给缆线从第二电力交付站(在图12中未示出)接收电力。布里渊采样装置143的两个光学输入/输出端163和164光学连接到光学开关140的各自的输入端165和166。输入/输出端163发射第一光学信号(泵浦),而输入/输出端164发射第二光学信号(探针)。参考图11，采样装置143和光学开关140可以例如容纳在第一电力交付站125中。光学开关140易于将接收的第一光学信号分束并引导到两个输入/输出端141和161，并且将接受的第二光学信号分束并引导到两个输入/输出端142和162。光学开关140可以是传统类型，例如单模纤维1X2或1X4或1X8光学开关。第一组的每根重型缆线的应变和温度光纤的远端都一个到另一个被光学连接(例如通过连接器113)，从而形成第一纤维环，第一纤维环使第一供给缆线145的第一供给纤维的端部作为第一开口端，使第四供给缆线152的第二供给纤维的端部作为第二开口端。光学开关的输入/输出端141通过纤维环节111光学连接到第一供给缆线145的第一光纤的近端，而光学开关的输入/输出端142通过纤维环节114光学连接到第四(最后的)供给缆线152的第二光纤的近端。从输出端141发射的第一光学信号(泵浦)入射到供给缆线145的第一供给纤维中，而第二光学信号(探针)入射到供给缆线152的第二光纤中。第一光学信号进入第一组的第一供给缆线145的一根供给纤维，沿着纤维环传播，即，它沿着第一组的所有供给纤维和重型缆线传播，并且从最后的供给缆线152的纤维中出现。从输入/输出端142发射的第二光学信号相对于沿着纤维环传播的第一光学信号是在相反方向上反向传播的。从供给缆线152的第二光纤退出的布里渊后向散射信号进入光学开关140并且通过采样装置143进行分析。同样,第二组的每根重型缆线155、156和157的远端都一个到另一个被光学连接，从而形成具有两个开口的光学端部的第二纤维环，即供给缆线158的第一光纤和供给缆线160的第二光纤。在纤维环内，第一供给缆线158的第二光纤的近端与第二供给缆线159的第一光纤光学连接，并且类似地是，第二供给缆线159的第二光纤的近端与第三供给缆线160的第一光纤光学连接。光学开关140的输入/输出端161和162光学连接到连接光缆144的各自的第一和第二连接光纤,连接光缆144具有最接近于光学开关140的第一端和相对于光学开关在远端的第二端。在与近端相反的光缆144的远端,第一和第二连接光纤光学连接到供给缆线158的第一光纤，和连接到供给缆线160的第二光纤。这样，第二组重型缆线从连接电缆144接收两个采样光学信号，其中从装置143发射的光学信号进入光学开关140并且通过光学开关140被引导到连接缆线144。在第二组重型缆线中产生的布里渊后向散射信号被馈回到连接光缆144中并且被光学开关140引导到输入/输出端165和166，因此进入采样装置143。参考图11和12描述的实施例有利地允许进一步减少监视系统的成本。虽然在上述实施例中，将供给缆线描述成设有包括至少两根光纤的光学元件，因为这可以代表能够传输光学数据和/或控制信号的传统电力缆线的情况，但是本发明包涵这种供给缆线系统，即，该系统包含电力供给缆线和光缆，光缆包含至少两根光纤。在该情况下，光缆可以在电力供给缆线旁边伸展并且光学连接到重型缆线的应变和温度光纤。本发明可以在监视系统中找到应用之地，在监视系统中采样装置直接光学连接到多根重型缆线，重 型缆线设有光纤应变传感器并且优选地设有光纤温度传感器。换言之，监视系统的纤维环一般不需要包含供给缆线，作为用于重型缆线的中间电力/控制供给元件，尤其是如果被监视的多根电缆不分散在诸如港口集装箱码头的巨大面积上时更是如此。
权利要求
1.一种变形监视方法，用于至少测量电缆的弯曲应变，所述方法包含下列步骤 -为缆线(I)提供至少一个外围机械不对称强度构件(15，67)和位于所述缆线(I)的几何轴区域(Z)中并且包含光纤(9)的光纤传感器(5)； -检测所述光纤传感器(5)中的压缩应变。
2.根据权利要求I所述的方法，其中检测压缩应变的步骤包含下列步骤 -使第一光学信号射入到所述光纤(9)中； -检测从所述光纤(9)发射的布里渊散射光；和 -分析所述散射光中的光谱改变从而测量所述至少一根电缆(I)的至少所述弯曲应变。
3.根据权利要求I所述的方法，其中所述外围机械不对称强度构件(15，67)对张力负荷比压缩负荷具有更高的阻力。
4.根据权利要求I所述的方法，其中所述缆线(I)是大致圆形的缆线，其在离开所述几何轴(Z)不超过所述缆线半径的20%的径向距离内包含光纤传感器(5)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述光纤传感器(5)处在离开所述几何轴(Z)不超过所述缆线半径的10%的径向距离内。
6.根据权利要求I所述的方法，其中所述缆线(I)是大致圆形的缆线，其包含沿着离开所述几何轴(Z)至少为所述缆线半径的50%的径向距离处布置的所述至少一个外围机械不对称强度构件(15)。
7.根据权利要求I所述的方法，其中所述缆线(I)是扁形缆线，其在离开所述几何轴(Z)不超过10%的径向距离内包含光纤传感器(5)。
8.根据权利要求I所述的方法，其中所述缆线(I)是扁形的，包含在离开所述几何轴(Z)至少为所述缆线厚度的50%的距离处布置的所述至少一个外围机械不对称强度构件(67)。
9.根据权利要求I所述的方法，其中所述缆线(I)是大致圆形的缆线并且所述外围机械不对称强度构件(15，67)是缆线抗扭转编织物。
10.根据权利要求I所述的方法，其中所述缆线(I)是包含至少两个平行的电导体的扁形缆线，并且所述外围机械不对称强度构件(15，67)是设置在导体之间的空隙中的拉拔强度元件。
全文摘要
本公开涉及具有弯曲传感器的电缆和用于检测至少一根电缆中的弯曲的监视系统和方法。提供一种用于至少监视至少一根电缆的弯曲应变的方法，电缆设有至少一个外围机械不对称强度构件。
文档编号H01B7/32GK102640232SQ200980161475
公开日2012年8月15日 申请日期2009年9月18日 优先权日2009年9月18日
发明者A-G·卡尔, B·克尼普费尔, C·克姆尼茨, D·萨尔基, G·考勒塔, R·埃瓦尔德, T·基特尔 申请人:普睿司曼股份公司