专利名称：高灵敏度宽量程应力应变传感光缆及其监测方法
高灵敏度宽量程应力应变传感光缆及其监测方法技术领域
本发明属于信号检测和分析技术领域，涉及一种用于结构物安全监测的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆及其监测方法。
背景技术：
近年来，在结构健康监测和地质灾害监测中，利用布里渊分布式光纤监测技术的光纤传感监测系统得到了迅速的发展，目前工程上广泛采用基于常规电测式传感器的人工采集数据方法，这种方法监测范围小、工作量大、效率低、投入大，无法保证监测数据的长期稳定性与准确性。光纤传感器具有抗电磁干扰、防水、抗腐蚀、耐久性长、测量范围广、便于铺设安装等特点，将其植入监测对象中不存在匹配的问题，对监测对象的性能和力学参数等影响较小；光纤本身既是传感介质又是信号传输介质，可实现对监测对象的远程分布式监测。
目前传统的传感光缆主要分为两类，一类为紧套结构的传感光缆，主要用于规则物体的应力应变监测，缺点是监测范围小、易受环境影响；第二类为冗余结构的传感光缆， 主要用于复杂结构物、复杂环境的监测，缺点是监测灵敏度低。发明内容
针对现有技术问题，本发明的目的在于提出一种用于结构物安全监测的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆及其监测方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现
一种高灵敏度宽量程应力应变传感光缆，包括外护层和插设在所述外护层内的绞合结构加强构件、半紧套传感单元和松套传感单元。
优选的，所述绞合结构加强构件用于控制测试灵敏度，半紧套传感单元用于精密监测，松套传感单元用于增加应力应变传感光缆量程。
优选的，所述绞合结构加强构件的绞合节径比范围在40 100之间；绞合元件数量为2 7根，单根元件的直径为O. 4 I. 2_，绞合形式为同心绞合。
优选的，所述半紧套传感单元由内及外依次为1-4根第一传感光纤、阻水材料和光纤束管；所述松套传感单元由内及外依次为4-12根第二传感光纤、阻水材料、PBT松套管和外铠装层。
优选的，松套传感单元中的第二传感光纤的余长范围为应力应变传感光缆长度的 O. 2% O. 5%。
优选的，第二传感光纤的监测范围的下限值大于第一传感光纤的监测范围的下限值且小于或等于第一传感光纤的监测范围的上限值，第二传感光纤的监测范围的上限值大于第一传感光纤的监测范围的上限值。
优选的，所述加强构件、半紧套传感单元和松套传感单元平行放置。
高灵敏度宽量程应力应变传感光缆的监测方法，包括当应力应变传感光缆受力发生应变时，首先半紧套传感单元内的第一传感光纤监测应变；在该工作阶段，松套传感单兀内的第二传感光纤因存在余长并未发生应变，而绞合结构加强构件随着应力应变传感光缆的受力逐渐伸展；第二传感光纤的监测范围的下限值大于第一传感光纤的监测范围的下限值且小于或等于第一传感光纤的监测范围的上限值，第二传感光纤的监测范围的上限值大于第一传感光纤的监测范围的上限值；当半紧套传感单元内的第一传感光纤在其监测范围内或到达监测范围上限时，松套传感单元内的第二传感光纤余长正好被应变所抵消，松套管传感单元内的第二传感光纤没有余长之后，开始监测应变。
优选的，第一传感光纤的应变监测范围为O O. 5%，第二传感光纤的应变监测范围为O. 3% I. 0%。
优选的，绞合结构加强构件在第一传感光纤监测范围内，随着应力应变传感光缆的受力而逐渐伸展，但不承受应力应变传感光缆承受的主要作用力；在第二传感光纤的监测范围内，绞合加强构件随着应力应变传感光缆的受力逐渐伸展达到极限，且开始承受应力应变传感光缆承受的主要作用力。
相对于现有技术，本发明具有以下优点
在结构物变化初期都会发生极微小的应力应变，普通传感光缆由于本身余长和加强构件的原因并不易检测出这些微小应力应变，而本发明的传感光缆的一个特点就是采用绞合结构加强构件，增加半紧套传感单元传感光纤的应力应变灵敏度，因绞合结构加强构件使传感光缆存在着拉伸窗口，在该拉伸窗口范围内传感光缆受力时加强构件非主要受力部分，提高了传感光缆本身的应力应变灵敏度，故而提高了半紧套传感单元内传感光纤的应力应变灵敏度。通过调节加强构件的绞合节径比范围(40 100)，可以改变传感光纤的高灵敏度的测试范围(O. 05% O. 3%)。
本发明通过调节松套传感单元内传感光纤的余长范围，结合半紧套传感单元的监测范围，增加了传感光缆整体的监测范围。
应力应变传感光缆工作分为两个阶段，半紧套传感单元工作阶段和松套传感单元工作阶段。
半紧套传感单元工作阶段半紧套传感单元内的传感光纤监测应变，应变监测范围为O O. 5 %，在该工作阶段，松套传感单元内的传感光纤因存在余长并未发生应变，但该光纤可感应温度变化，消除该阶段温度变化引起的误差，提高监测精度。
松套传感单元工作阶段半紧套传感单元内的传感光纤因应变达到一定程度而失效或接近失效，此时松套传感单元内的传感光纤余长正好被该范围的应变所抵消，松套管内的传感光纤没有余长之后，开始监测应变，其应变监测范围为O. 3% 1.0%。通过调整松套传感单元传感光纤的余长及松套管成缆结构调节应力应变传感光缆的测试量程，使传感光缆的量程达到O I. 0%。
本发明可用于多种测量场合，并有极大的测量量程，同时兼顾测试灵敏度，减少了传感光缆的种类，节约了成本，减小敷设难度。
图I、图2是本发明的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆两种实施例的径向结构剖面图。
图3是传感光缆半紧套传感单元的结构示意图。
图4是传感光缆松套传感单元的结构示意图。
图5是分别采用绞合加强构件和非绞合加强构件传感光缆的拉伸曲线示意图。
图6是本发明的传感光缆内第一传感光纤和第二传感光纤与普通结构紧套传感光纤的应力应变曲线对比示意图。
图7是本发明的传感光缆伸长率与第一传感光纤和第二传感光纤的应变曲线示意图。
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
参见图I、图2，本发明用于结构物安全监测的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆，其包括外护层I和设置于外护层I内的一根绞合结构的加强构件2、一根半紧套传感单元3和松套传感单元4。加强构件2、半紧套传感单元3和松套传感单元4平行放置。
传感光缆内的加强构件2可以采用金属材料或非金属材料，加强构件2的结构尺寸与松套传感单元4的尺寸保持一致。绞合的节径比范围在40 100之间；绞合元件数量为2 7根；单根元件的直径为O. 4 I. 2mm ;绞合形式为同心绞合。
参见图3，半紧套传感单元3由内及外依次为第一传感光纤31、阻水材料32、光纤束管33。半紧套传感单元3内的第一传感光纤31可以是单模光纤，也可以是多模光纤，第一传感光纤31的数量I 4根；第一传感光纤31与光纤束管33间隙填充阻水纱或油膏等阻水材料32,防止第一传感光纤31由于水分侵入而破坏。
参见图4，松套传感单元4由内及外依次为第二传感光纤41、阻水材料42、PBT松套管43、外铠装层44。松套传感单元4内的第二传感光纤41可以是单模光纤，也可以是多模光纤，第二传感光纤41的数量4 12根；第二传感光纤41与PBT松套管43间隙填充阻水纱或油膏等阻水材料42，防止第二传感光纤41由于水分侵入而破坏；PBT松套管43的材料采用PBT材料；松套管外铠装层44采用不锈钢带螺旋绕包而成，保证松套传感单元4的抗侧压性能。
参见图5，采用绞合加强构件传感光缆的拉伸曲线示意图(线b)与采用非绞合加强构件传感光缆的拉伸曲线示意图(线a)，通常加强构件在光缆中的作用主要是增加光缆的抗拉强度、保护内部光纤不被损坏，绞合结构加强构件2由于有绞入系数的存在，使加强构件的长度比传感光缆稍长，在光缆拉伸时，拉伸长度小于加强构件2的绞合长度，则加强构件2不承受主要的作用力，只有当拉伸长度大于加强构件2的绞合长度时，加强构件2才开始承受主要的作用力，而在加强构件2不承受主要作用力的阶段在光缆的拉伸曲线上呈现出一段拉伸窗口 211。
参见图6，采用绞合结构加强构件传感光缆内半紧套传感单元3内的第一传感光纤31 (线e)和松套传感单元4内的第二传感光纤41 (线c)与普通结构紧套传感光纤(线 d)的应力应变曲线对比示意图。在传感光缆拉伸窗口 211的范围内，传感光缆包括其中的传感光纤应力应变灵敏度增加。而半紧套传感单元中第一传感光纤31与传感光缆长度相同，其应力应变灵敏度也随之提高，故此灵敏度提高的区间为高灵敏度区间311 ;松套传感单元内的第二传感光纤41因自身存在余长，而存在着自身的拉伸窗口 411，并且其范围大于传感光缆的拉伸窗口 211的范围，故在该范围内第二传感光纤41只是余长减小。通过调节加强构件2的绞合节径比可调节加强构件拉伸窗口 211的范围，节径比的调节范围为 40 100，对应的拉伸窗口范围即高灵敏度区间311的范围为O. 05% 0.3%。
参见图7，当传感光缆受力发生应变时，应力应变传感光缆工作分为两个阶段，半紧套传感单元工作阶312 (线g)和松套传感单元工作阶段412 (线h)。
半紧套传感单元工作阶段312 :半紧套传感单元3内的第一传感光纤31监测应变，应变监测范围为O O. 5%，在该工作阶段，松套传感单元4内的第二传感光纤41因存在余长并未发生应变，但第二传感光纤41可感应温度变化，消除该阶段温度变化引起的误差，提高监测精度。
松套传感单元工作阶段412 :半紧套传感单元3内的第一传感光纤31因应变达到一定程度而失效或接近失效，此时松套传感单元4内的第二传感光纤41余长正好被该范围的应变所抵消，松套管内的第二传感光纤41没有余长之后，开始监测应变，其应变监测范围为O. 3% I. 0%。通过调整松套传感单元传感光纤的余长及松套管成缆结构调节应力应变传感光缆的测试量程，使传感光缆的量程达到O I. 0%。
以上具体实施方式
仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。
权利要求
1.一种高灵敏度宽量程应力应变传感光缆，其特征在于包括外护层(I)和插设在所述外护层(I)内的绞合结构加强构件(2)、半紧套传感单元(3)和松套传感单元(4)。
2.根据权利要求I所述的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆，其特征在于所述绞合结构加强构件(2 )用于控制测试灵敏度，半紧套传感单元(3 )用于精密监测，松套传感单元(4)用于增加应力应变传感光缆量程。
3.根据权利要求I所述的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆，其特征在于所述绞合结构加强构件(2)的绞合节径比范围在40 100之间；绞合元件数量为2 7根，单根元件的直径为O. 4 I. 2mm,绞合形式为同心绞合。
4.根据权利要求I所述的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆，其特征在于所述半紧套传感单元(3)由内及外依次为1-4根第一传感光纤(31)、阻水材料和光纤束管(33);所述松套传感单元(4)由内及外依次为4-12根第二传感光纤(41)、阻水材料、PBT松套管(43)和外铠装层(44)。
5.根据权利要求4所述的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆，其特征在于松套传感单元(4)中的第二传感光纤(41)的余长范围为应力应变传感光缆长度的O. 2% O. 5%。
6.根据权利要求4所述的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆，其特征在于第二传感光纤(41)的监测范围的下限值大于第一传感光纤(31)的监测范围的下限值且小于或等于第一传感光纤(31)的监测范围的上限值，第二传感光纤(41)的监测范围的上限值大于第一传感光纤(31)的监测范围的上限值。
7.根据权利要求I所述的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆，其特征在于所述加强构件(2)、半紧套传感单元(3)和松套传感单元(4)平行放置。
8.权利要求I至7中任一项所述的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆的监测方法，其特征在于，包括 当应力应变传感光缆受力发生应变时，首先半紧套传感单元(3)内的第一传感光纤(31)监测应变；在该工作阶段，松套传感单元(4)内的第二传感光纤(41)因存在余长并未发生应变，而绞合结构加强构件(2)随着应力应变传感光缆的受力逐渐伸展； 第二传感光纤(41)的监测范围的下限值大于第一传感光纤(31)的监测范围的下限值且小于或等于第一传感光纤(31)的监测范围的上限值，第二传感光纤(41)的监测范围的上限值大于第一传感光纤(31)的监测范围的上限值；当半紧套传感单元(3)内的第一传感光纤(31)在其监测范围内或到达监测范围上限时，松套传感单元(4)内的第二传感光纤(41)余长正好被应变所抵消，松套管传感单元内的第二传感光纤(41)没有余长之后，开始监测应变。
9.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于，第一传感光纤(31)的应变监测范围为O O. 5%，第二传感光纤(41)的应变监测范围为O. 3% 1.0%。
10.根据权利要求8或9所述的监测方法，其特征在于，绞合结构加强构件(2)在第一传感光纤(31)监测范围内，随着应力应变传感光缆的受力而逐渐伸展，但不承受应力应变传感光缆承受的主要作用力；在第二传感光纤(41)的监测范围内，绞合加强构件随着应力应变传感光缆的受力继续伸展达到极限，且开始承受应力应变传感光缆承受的主要作用力。
全文摘要
本发明公开了一种用于结构物安全监测的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆及其监测方法，包括外护层、加强构件、半紧套传感单元和松套传感单元，所述加强构件采用绞合结构；所述加强构件、半紧套传感单元和松套传感单元平行放置。本发明通过绞合结构的加强构件增加了半紧套传感单元的测试灵敏度；通过调节松套传感单元的余长结合半紧套传感单元的测试范围增加应力应变传感光缆的量程范围；本发明可用于多种测量场合，并有极大的测量量程，同时兼顾测试灵敏度，减少了传感光缆的种类，节约了成本，减小敷设难度。
文档编号G02B6/44GK102981230SQ201210533930
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者陈勇, 是溪明, 张富县, 査云飞 申请人:中国西电集团公司