刘礼华 (中国江苏省江阴市通江北路203号, Jiangsu 3, 214433, CN)
ZHAO, Xia (No.203 Tongjiang North Road, Jiangyin, Jiangsu 3, 214433, CN)
赵霞 (中国江苏省江阴市通江北路203号, Jiangsu 3, 214433, CN)
JIANG, Desheng (No.122 Luoshi Road, Wuhan, Hubei 0, 430070, CN)
姜德生 (中国湖北省武汉市珞狮路122号, Hubei 0, 430070, CN)
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薛花娟 (中国江苏省江阴市通江北路203号, Jiangsu 3, 214433, CN)
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| 权 利 要 求 1、 一种内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统， 包括锚杯 (1)、 分丝 板 (5)、连接筒 (4)、 内置于连接筒 (4)部位的光纤光栅传感器以及索体 (11)， 所述 光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器 (9)和光纤光栅温度传感器 (10)，其特 征在于： 将光纤光栅应变传感器 (9)和光纤光栅温度传感器 (10)先进行封装， 并 将光纤光栅应变传感器 (9)和光纤光栅温度传感器 (10)的尾纤引出，封装后的光 纤光栅应变传感器 (9)固定连接于连接筒 (4)部位的外层钢丝 (3)上， 封装后的光 纤光栅温度传感器 (10)悬置于连接筒部位的钢丝 (3)上，在所述分丝板 (5)上穿孔 (5-1), 在所述连接筒 (4)和锚杯 (1)内预先埋入预留钢管 ， 该预留钢管 (7)由所 述分丝板 (5)上的穿孔 (5-1)引出， 将光纤光栅应变传感器 (9)和光纤光栅温度传 感器 (10)的尾纤接入一光纤线缆 (8)， 该光纤线缆 (8)通过所述预留钢管 (7)从缆 索中引出， 将从缆索中引出的光纤线缆 (8)接入一光纤光栅解调仪 (12); 所述光 纤光栅传感器的封装结构是： 所述光纤光栅应变传感器 (9)包括第一光纤光栅 (9-1)、第一钢管 (9-3)、第二钢管 (9-2)、第一保护钢管 (9-6)以及支座 (9-4)， 所述 第一保护钢管 (9-6)有一件，第一钢管 (9-3)、支座 (9-4)和第二钢管 (9-2)均有二件， 二件第一钢管 (9-3)、二件支座 (9-4)和二件第二钢管 (9-2)左右对称布置于所述第 一保护钢管 (9-6)的左右两边，其中第二钢管 (9-2)的直径 <第一钢管 (9-3)的直径 <第一保护钢管 (9-6)的直径，所述第二钢管 (9-2)中间轴向开槽，支座 (9-4)上部 区域穿孔，第一钢管 (9-3)中间穿过所述支座 (9-4)上部区域穿孔连接在支座 (9-4) 上，将第一保护钢管 (9-6)的两端分别套装在所述二件第一钢管 (9-3)的一端，第 一钢管 (9-3)的另一端套装在所述第二钢管 (9-2)的一端， 将第一光纤光栅 (9-1) 穿过第二钢管 (9-2)、第一钢管 (9-3)和第一保护钢管 (9-6)，光栅栅区在第一保护 权利 要 求 1、 一种内置光纤光栅传感器的桥梁用智能缆索系统， 包括锚杯 (1)、 分丝 板 (5)、连接筒 (4)、 内置于连接筒 (4)部位的光纤光栅传感器以及索体 (11)，所述 光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器 (9)和光纤光栅温度传感器 (10)，其特 征在于： 将光纤光栅应变传感器 (9)和光纤光栅温度传感器 (10)先进行封装， 并 将光纤光栅应变传感器 (9)和光纤光栅温度传感器 (10)的尾纤引出，封装后的光 纤光栅应变传感器 (9)固定连接于连接筒 (4)部位的外层钢丝 (3)上， 封装后的光 纤光栅温度传感器 (10)悬置于连接筒部位的钢丝 (3)上，在所述分丝板 (5)上穿孔 (5-1), 在所述连接筒 (4)和锚杯 (1)内预先埋入预留钢管 (7)， 该预留钢管 (7)由所 述分丝板 (5)上的穿孔 (5-1)引出， 将光纤光栅应变传感器 (9)和光纤光栅温度传 感器 (10)的尾纤接入一光纤线缆 (8)， 该光纤线缆 (8)通过所述预留钢管 C 从缆 索中引出， 将从缆索中引出的光纤线缆 (8)接入一光纤光栅解调仪 (12); 所述光 纤光栅传感器的封装结构是： 所述光纤光栅应变传感器 (9)包括第一光纤光栅 (9-1)、第一钢管 (9-3)、第二钢管 (9-2)、第一保护钢管 (9-6)以及支座 (9-4)， 所述 第一保护钢管 (9-6)有一件，第一钢管 (9-3)、支座 (9-4)和第二钢管 (9-2)均有二件， 二件第一钢管 (9-3)、二件支座 (9-4)和二件第二钢管 (9-2)左右对称布置于所述第 一保护钢管 (9-6)的左右两边，其中第二钢管 (9-2)的直径 <第一钢管 (9-3)的直径 <第一保护钢管 (9-6)的直径，所述第二钢管 (9-2)中间轴向开槽，支座 (9-4)上部 区域穿孔，第一钢管 (9-3)中间穿过所述支座 (9-4)上部区域穿孔连接在支座 (9-4) 上，将第一保护钢管 (9-6)的两端分别套装在所述二件第一钢管 (9-3)的一端，第 一钢管 (9-3)的另一端套装在所述第二钢管 (9-2)的一端， 将第一光纤光栅 (9-1) 穿过第二钢管 (9-2)、第一钢管 (9-3)和第一保护钢管 (9-6)，光栅栅区在第一保护 钢管 (9-6)中心位置， 将第一光纤光栅 (9-1)两端用胶固定在所述二件第二钢管 (9-2)的槽内， 第二钢管 (9-2)开槽处外套第二热缩套 (9-5)， 所述第一光纤光栅 (9-1)两端尾纤由所述第二钢管 (9-2)的另一端引出， 光纤光栅应变传感器 (9)的 支座与所述缆索的钢丝相连接， 光纤光栅应变传感器 (9)外罩保护罩保护， 用 胶泥密封保护罩与钢丝密封处， 胶泥密封后的钢丝空隙处外面再用胶带密封， 形成完全封装后的光纤光栅应变传感器； 所述的光纤光栅温度传感器 (10)封装 结构是： 所述光纤光栅温度传感器 (10)包括第二光纤光栅 (10-1)、 第二保护钢 管 (10-2)和第二热缩套 (10-3)， 第二光纤光栅 (10-1)悬置于第二保护钢管 (10-2) 内， 第二光纤光栅 (10-1)从第二保护钢管 (10-2)内引出尾纤， 弓 I出处用胶固定， 并套上第二热縮套 (10-3)。 8 |
(一） 技术领域
本发明涉及的是一种可适用于斜拉桥、悬索桥 、拱桥等缆索承重结构的内 置传感器的智能缆索系统。
(二） 背景技术
现代大跨度桥梁的缆索系统是斜拉桥和悬索桥 的核心构件，大跨径桥梁结 构的自重和桥上动载， 绝大部分是通过缆索系统传递到塔柱上， 缆索的工作状 态是直接反映桥梁是否处于安全状态的重要标 志之一。但由于构造设计、环境 腐蚀、疲劳积累等原因， 缆索在服役期间难免出现不同程度的损伤和劣 化。若 能将传感器有机地集成到缆索内部，使其自身 能够测量内部应力、温度等参数， 使其从一个单纯承力的缆索上升为具有自动感 知能力的智能缆索，同时也实现 兼顾缆索的整体受力与局部丝受力监测的可能 ，将更有利于人们掌握缆索自身 以及全桥的结构安全与运营状态， 及时发现事故先兆、 防止突发性事故发生。
光纤光栅是一种性能优良的敏感元件，可通过 布拉格反射波长的移动来感 应外界微小应变变化而实现对结构应力、温度 等参数实现在线监测。它具有不 怕恶劣环境、 不受环境噪声干扰、抗电磁干扰、 集传感与传输于一体、 构造简 单、 使用方便、 测量精度高等特点。但是未经特殊处理的光纤 光栅很脆弱， 直 接布设于缆索中， 容易被破坏。将光纤光栅与缆索相结合， 涉及到如何将光纤 光栅以何种封装形式进行封装，提高光纤光栅 传感器及光纤在缆索制造及应用 过程中的存活率； 如何将封装的光纤光栅传感器内置于缆索内部 ， 确保光纤光 栅传感器埋植工艺可靠；如何有效地将光纤光 栅信号无失真地引出缆索体外等 问题。
(三）发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能 提高光纤光栅传感器及光纤 在缆索制造及应用过程中的存活率、确保光纤 光栅传感器埋植工艺可靠以及能 有效地将光纤光栅信号无失真地引出缆索体外 的内置光纤光栅传感器的桥梁 用智能缆索系统。
本发明的目的是这样实现的：一种内置光纤光 栅传感器的桥梁用智能缆索 系统， 包括锚杯、分丝板、连接筒、 内置于连接筒部位的光纤光栅传感器以及 索体， 所述光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器 和光纤光栅温度传感器， 将所述光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传 感器先进行封装，并将光纤光栅 应变传感器和光纤光栅温度传感器的尾纤引出 ，封装后的光纤光栅应变传感器 固定连接于连接筒部位的外层钢丝上，封装后 的光纤光栅温度传感器悬置于连 接筒部位的钢丝上，在所述分丝板上穿孔，在 所述连接筒和锚杯内预先埋入预 留钢管，该预留钢管由所述分丝板上的穿孔引 出，将光纤光栅应变传感器和光 纤光栅温度传感器的的尾纤接入光纤线缆，该 光纤线缆通过所述预留钢管从缆 索中引出，将从缆索中引出的光纤线缆接入一 光纤光栅解调仪；通过监测光纤 光栅中心波长的变化，可实现对缆索内温度、 缆索的整体受力情况及缆索内钢 丝的应力分布状况进行实时监测。
所述光纤光栅应变传感器的封装结构是：所述 光纤光栅应变传感器包括第 一光纤光栅、 中间轴向第二钢管、第一钢管、直径略粗的第 一保护钢管以及用 于与缆索用钢丝连接的支座， 所述第一保护钢管有一件， 第二钢管、 支座、第 一钢管均有二件， 二件第二钢管、二件支座、二件第一钢管左右 对称布置于所 述第一保护钢管的左右两边，其中第二钢管的 直径<第一钢管的直径<第一保 护钢管的直径，所述第二钢管中间轴向开槽， 将支座上部区域穿孔， 将一定标 距的第一钢管中间穿过所述支座上部区域穿孔 连接在支座上。将直径略大、长 度合适的第一保护钢管的两端分别套装在所述 二件第一钢管的一端，第一钢管 的另一端套装在所述第二钢管的一端，将第一 光纤光栅穿过第二钢管、第一钢 管和第一保护钢管，光栅栅区在第一保护钢管 中心位置，将第一光纤光栅两端 用胶固定在二个第二钢管的槽内，第二钢管开 槽处外套第二热缩套保护开槽部 位，所述第一光纤光栅两端尾纤由所述第二钢 管的另一端引出，将光纤光栅应 变传感器的支座与所述缆索的钢丝相连接，光 纤光栅应变传感器外罩保护罩保 护，用胶泥密封保护罩与钢丝密封处，胶泥密 封后的钢丝空隙处外面再用胶带 密封， 形成完全封装后的光纤光栅应变传感器。
所述的光纤光栅温度传感器的封装结构是：所 述的光纤光栅温度传感器包 括第二光纤光栅、第二保护钢管和第二热縮套 ，第二光纤光栅悬置于第二保护 钢管内， 从第二保护钢管内引出尾纤， 引出处用胶固定， 并用第二热缩套热缩 保护。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种在缆索的连接筒部位内置光纤 光栅传感器的智能缆索系 统， 通过外接光纤光栅解调仪， 测量光纤光栅中心波长的变化， 可对缆索内应 力分布状况及缆索的整体受力状况进行实时监 测，满足特大桥梁的健康监测要 求， 提高大桥的安全性。
(四） 附图说明
图 1为本发明的光纤光栅应变传感器结构示意图 图 2为本发明的第二钢管示意图。
图 3为本发明的支座零件图。
图 4为图 3的 A-A剖示图。
图 5为本发明的光纤光栅应变传感器与缆索的钢 连接示意图。
图 6为本发明的光纤光栅温度传感器结构示意图
图 7为常用缆索的结构示意图。
图 8为本发明的缆索分丝板截面示意图。
图 9为本发明的缆索内预留钢管示意图。
图 10为本发明内置光纤光栅传感器的桥梁用智能 索系统结构示意图。 图 11为本发明内置光纤光栅传感器的桥梁用智能 索系统监测示意图。 图中附图标记：
锚杯 1、 环氧铸锚填料 2、 钢丝 3、 连接筒 4、 分丝板 5、 孔 5-1、 连接筒 密封填料 6、 预留钢管 7、 光纤线缆 8、 光纤光栅应变传感器 9、 光纤光栅温度 传感器 10、 索体 11、 光纤光栅解调仪 12;
第一光纤光栅 9-1、 第二钢管 9-2、 第一钢管 9-3、 支座 9-4、 第二热缩套 9-5、 第一保护钢管 9-6;
第二光纤光栅 10-1、 第二保护钢管 10-2、 第二热缩套 10-3。
(五） 具体实施方式
内置传感器测量缆索的受力状态一直是研究的 难点，缆索内置光纤光栅应 变传感器 9的封装结构如下：
参见图 1， 图 1为本发明涉及的光纤光栅应变传感器结构示 图。 由图 1 可以看出， 本发明涉及的光纤光栅应变传感器 9包括第一光纤光栅 9-1、 第二 钢管 9-2、第一钢管 9-3、直径略粗的第一保护钢管 9-6以及用于与缆索用钢丝 连接的支座 9-4， 所述第一保护钢管 9-6有一件， 第一钢管 9-3、 支座 9-4和第 二钢管 9-2均有二件， 二件第一钢管 9-3、 二件支座 9-4和二件第二钢管 9-2 左右对称布置于所述第一保护钢管 9-6的左右两边， 其中第二钢管 9-2的直径 <第一钢管 9-3的直径 <第一保护钢管 9-6的直径， 所述第二钢管 9-2中间轴 向开槽， 如图 2。 将支座 9-4上部区域穿孔， 如图 3和图 4， 将一定标距的第 一钢管 9-3中间穿过所述支座 9-4上部区域穿孔连接在支座 9-4上， 所述第一 钢管 9-3中间径向切开分成两件， 切割的目的是将力直接传递到光纤光栅上， 即直接拉光纤光栅， 避免了第一钢管 9-3直接承受大应变。 将直径略大、 长度 合适的第一保护钢管 9-6的两端分别套装在所述二件第一钢管 9-3的一端， 保 护细钢管 9-3切开后连接位置，第一钢管 9-3的另一端套装在所述第二钢管 9-2 的一端， 将第一光纤光栅 9-1穿过第一钢管 9-3、 第二钢管 9-2和第一保护钢 管 9-6， 光栅栅区在第一保护钢管 9-6中心位置， 将第一光纤光栅 9-1两端用 胶固定在第二钢管 9-2的槽内， 第二钢管 9-2外套第二热缩套 9-5保护开槽部 位， 所述第一光纤光栅 9-1两端尾纤由所述第二钢管 9-2的另一端引出。
所述的光纤光栅温度传感器的封装结构是： 如图 6， 所述的光纤光栅温度 传感器 10包括第二光纤光栅 10-1、第二保护钢管 10-2和第二热缩套 10-3，第 二光纤光栅 10-1悬置于第二保护钢管 10-2内，从第二保护钢管 10-2内引出尾 纤， 引出处用胶固定， 并用第二热缩套 10-3热缩保护。
将光纤光栅应变传感器 9和光纤光栅温度传感器 10布置于缆索内部， 涉 及到如何将光纤光栅应变传感器 9和光纤光栅温度传感器 10的传感信号有效 引出索体外的问题。 常用缆索的结构示意图如图 7所示， 该缆索由锚杯 1、 环 氧铸锚填料 2、 钢丝 3、 连接筒 4、 分丝板 5、 连接筒密封填料 6和索体 11组 成。 在缆索的分丝板 5上预留几个孔 5-1， 如图 8所示。 将合适长度、 合适直 径的预留钢管 7穿过预留的孔 5-1内， 为光纤线缆 8引出预留通道。 对预留钢 管 7的要求是能够承受一定的折度和灌环氧铸锚 料 2时需承受的侧向压力。 向锚杯 1内灌入环氧铸锚填料 2， 将锚杯 1放入加热炉内加热固化， 使锚杯与 内部的钢丝成为一体。在灌锚工序结束后， 将光纤光栅应变传感器 9通过其支 座 9-4与缆索的连接筒 4部位的外层钢丝 3连接， 如图 5和图 9， 使钢丝 3上 所受的力有效地传递到光纤光栅应变传感器 9的光纤光栅上。将光纤光栅应变 传感器 9用保护罩保护，用胶泥密封保护罩与钢丝空 处，外面再用胶带密封， 保护光纤光栅应变传感器， 形成完全封装后的光纤光栅应变传感器 9， 如图 9 所示。 将封装后的光纤光栅温度传感器 10悬置于所述连接筒 4内钢丝上， 将 光纤线缆 8穿入预留钢管 7内。 套上连接筒 4， 灌入连接筒密封填料 6， 进行 连接筒的常温固化环节。 最终的智能缆索结构示意图如图 10所示。
将智能缆索锚端引出的光纤线缆 8接入光纤光栅解调仪 12，如图 11所示， 通过监测光纤光栅中心波长的变化，通过内置 的光纤光栅温度传感器， 实时监 测缆索内温度变化； 通过内置的光纤光栅应变传感器， 并结合光纤光栅温度补 偿的结果， 对缆索内钢丝的应力分布状况及缆索的整体受 力进行实时监测。