CN101526409B - 基于光纤应变传感的超大索力自感知智能缆索及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤应变传感的超大索力自感知测量方法，该方法将光纤应变传感元件预埋入钢缆索的锚固区内，通过测量光纤应变传感元件的应变量实现对钢缆索索力的测量；本发明还公开了一种基于光纤应变传感的超大索力自感知智能缆索；本发明的有益技术效果是：将缆索的大应变测量转变为锚固区的小应变测量，使一般的光纤应变传感器即可满足大应变测量范围要求，适于特大桥梁用缆索索力测量，大大降低测量难度与成本，减小对光纤应变传感器的破坏，延长光纤应变传感器的使用寿命。

Description

基于光纤应变传感的超大索力自感知智能缆索及测量方法

技术领域：

本发明涉及一种钢缆索索力自感知测量技术，尤其涉及一种基于光纤应变传感的超大索力自感知智能缆索及测量方法。

背景技术：

桥梁拉索的受力情况是反映桥梁是否处于正常运营状态的重要标志之一，准确测定桥梁拉索索力具有重要的实际意义。

现有的的索力测量方法主要有压力传感器法、振频法、磁弹性法。压力传感器法中，由于承力环与传感器都承受缆索的持续性压力，永无恢复的机会，极易造成承压环及其传感器疲劳，所以使用寿命有限。振频法由于测量结果受缆索自身的长度、密度、垂度等多个边界条件影响，而钢缆索在锚固区的边界条件往往具有较大的不确定性，导致计算结果差异很大。磁弹性法则因为线圈的磁参数不仅受缆索的张力影响，还受缆索自身材料、缆索防护材料的影响，更受环境温度、湿度的影响，因此测量精度较低。

近年发展起来的复合筋法，是将埋有光纤应变传感元件的纤维增强塑料筋布设到钢缆索中，利用复合筋与钢丝的协调变形，实现对拉索索力的测量。该方法事先将光纤传感元件植于缆索内部，使缆索自身具备检测张力的能力，所以在缆索索力监测过程中，无需再添加外部检测部件，为使用方提供更优的性能和更多的便利，且由于其对索力进行直接测量，使测量精度大大提高。

对于复合筋索力测量方法而言，当将其用于特大桥梁用缆索的超大索力测量时，将会出现缆索应变大大超出复合筋应变工作区间的问题。对于特大型桥梁缆索，由于缆索牵引力大，缆索的变形较常规缆索要大的多，据测算，缆索索身部分的实际工作应变值达到5000με以上，而现有常规光纤应变传感元件的稳定应变工作区间仅在4000με以下，特大桥梁用缆索的应变范围已经大大超出利用光纤应变传感技术的索力测量方法的应变工作范围。如果超负荷工作，不仅会对光纤应变传感元件造成破坏，而且会影响复合筋内光纤传感元件与复合材料粘接界面的应变传导特性，影响最终索力测量的精度。而如果选用特制的大应变光纤应变传感元件制作复合筋，传感元件及其解调仪成本都会成十倍增加，根本不宣于在桥梁索力工程应用中推广使用。

针对超大索力测量的技术现状，提出了一种在缆索锚固段预埋普通应变传感元件，就可实现超大索力测量的智能缆索及光纤测量方法。

发明内容

本发明提出了一种基于光纤应变传感的超大索力自感知测量方法，该方法将光纤应变传感元件预埋入钢缆索的锚固区内，通过测量光纤应变传感元件的应变量实现对钢缆索索力的测量。

具体步骤如下：

1)制缆时，将光纤应变传感元件预埋入钢缆索的锚固区内，并灌锚；

2)对缆索进行预张拉，在预张拉过程中，对光纤应变传感元件的应变测量值与张拉力进行标定，标定成功并测试合格后，即可通过测量光纤应变传元件应变值实现对缆索的索力测量。

光纤应变传感元件预埋入锚固区的方法，包括：灌锚之前，

将光纤应变传感元件与锚固区内的缆索的单丝固定后，进行灌锚；

或者，将光纤应变传感元件与锚固区的锚杯内壁固定后，进行灌锚；

或者，将光纤应变传感元件与锚固区的锚杯外壁固定后，在固定处铺覆保护层，将光纤应变传感元件与锚杯外壁紧密覆盖；

或者，在灌锚时，将光纤应变传感元件悬浮在锚杯中空位置，灌锚完成后，光纤应变传感元件与灌锚料紧密结合，且光纤应变传感元件应变方向与缆索延伸方向平行。

采用焊接或其它金属连接工艺时，对光纤应变传感元件采用电镀、溅射方法进行金属化处理。

可以在一个或多个位置埋设一个或多个光纤应变传感器。

金属化处理的光纤应变传感元件与单丝/锚杯内壁/锚杯外壁采用焊接或其它金属连接工艺固定；

本发明还提出了一种基于光纤应变传感的超大索力自感知智能缆索，其结构为：在锚固区内埋有光纤应变传感元件。

锚固区内的缆索的单丝上通过焊接及其它金属连接工艺固定有经金属化处理的光纤应变传感元件；

或者，承力锚固区的锚杯的内/外壁上通过焊接及其它金属连接工艺固定有经金属化处理的光纤应变传感元件；

或者承力锚固区内的灌锚料中悬浮有经金属化处理的光纤应变传感元件，光纤应变传感元件、单丝、锚杯、灌锚料四者锚铸成一整体。

在单丝、锚杯内/外壁和灌锚料中，可分别设置1个或多个光纤应变传感元件。

本发明的有益技术效果：1、在受同样力的情况下，由于锚固区受力面积增大，承力元件增多，锚固区的应变值较缆索的应变要小得多；2、测量锚固区应变，不仅可将缆索的大应变测量转变为锚固区的小应变测量，而且还可以根据各根缆索不同的应变工作范围，能动的调节光纤应变传感器在锚固区内的埋设深度，使光纤应变传感元件始终处于最佳应变工作区间，从而达到提高测量精度、降低对光纤应变传感元件的要求、降低传感器及解调仪成本、简化工艺、提高光纤成活率、提高了光纤应变传感元件的长期工作稳定性和可靠性等目的。

附图说明

图1、钢缆索结构示意图

图2、锚固区剖面示意图

图3、锚固区内应力随锚固深度的递减变化示意图

图中：缆索1、连接筒2、锚固区3、单丝4，锚固料5，锚杯6，光纤应变传感元件7。

具体实施方式

现有的成熟制缆及安装工艺中，钢缆索主要分为缆索1，连接筒2，锚固区3。本发明与现有技术相比最明显的特征在于，将光纤应变传感元件7预埋入缆索1的锚固区3，将应变式索力测量区域由缆索1下移至锚固区3。

参见图示，在制作钢缆索时，光纤应变传感元件7埋入锚固区3的位置和方法可以有以下几种：1)、将光纤应变传感元件7与锚固区3内的缆索1的单丝4固定后，进行灌锚；2)、将光纤应变传感元件7与锚固区3的锚杯6内壁固定后，进行灌锚；3)将光纤应变传感元件7与锚固区3的锚杯6外壁固定后，在固定处铺覆保护层，将光纤应变传感元件7与锚杯6外壁紧密覆盖；4)在灌锚时，将光纤应变传感元件7悬浮在锚杯6中空位置，灌锚完成后，光纤应变传感器7与灌锚料紧密结合，且光纤应变传感元件7应变方向与缆索1延伸方向平行。

光纤应变传感元件7可以同时在锚固区3内不同深度的上述提及的所有位置埋设，也可以选择其中1个、2个或3个位置埋设，也可以分别或同时在上述位置埋设1个或多个光纤应变传感元件7。

其中，光纤应变传感元件7与单丝4、锚杯6内壁、锚杯6外壁采用焊接或其它金属连接工艺固定。采用焊接或其它金属连接工艺时，对光纤应变传感元件7采用电镀、溅射方法进行金属化处理。

按前述方法固定好光纤应变传感元件7后，对钢缆索进行预张拉，在预张拉过程中，利用张拉力对光纤应变传感元件7的应变测量值进行标定，标定成功并测试合格后，利用光纤应变传感元件7测量应变值可换算得缆索索力(还需与其它一些信号采集、分析等设备连接，本文略)。进行预张拉测试的目的主要是为了避免各根缆索1以及锚杯6、灌锚料不同位置之间受力存在的差异性，导致的索力测量值不准确的情况，也可以验证光纤应变传感器7的存活率。

采用本发明方法得到的钢缆索，因为在缆索制作过程中，即将光纤应变传感元件7与钢缆索融为一体，钢缆索本身即具备索力自感知能力，故可称为智能缆索。

如图1所示的钢缆索结构中，钢缆索索身内部的各根单丝扭绞在一起，断面直径最小；单丝4在连接筒2与锚固区3内渐渐被分开，锚固区3内的单丝4空隙处充满锚固料，高温加热固化后使单丝4、锚固料、锚杯6成一整体共同受力。所以在受同样力的情况下，由于锚固区3受力面积增大，承力元件增多，锚固区3的应变值较缆索1的应变要小得多。

如图3所示，通过力学分析可知，锚固区3内随着锚固深度的增加，锚固区3断面的受力是不断递减的，所以测量锚固区3应变，不仅可将缆索1的大应变测量转变为锚固区3的小应变测量，而且还可以根据各根缆索1不同的应变工作范围，能动的调节光纤应变传感元件7在锚固区3内的埋设深度，使光纤应变传感元件7始终处于最佳应变工作区间，从而达到提高测量精度、降低对光纤应变传感元件7的要求、降低传感器及解调仪成本、简化工艺、提高光纤成活率、提高了光纤应变传感元件7的长期工作稳定性和可靠性。

Claims (8)

1.一种基于光纤应变传感的超大索力自感知测量方法，其特征在于：将光纤应变传感元件(7)预埋入钢缆索的锚固区(3)内，通过测量光纤应变传感元件(7)的应变量实现对钢缆索索力的测量；

具体步骤如下：

1)制缆时，将光纤应变传感元件(7)预埋入钢缆索的锚固区(3)内，并灌锚；

2)对缆索(1)进行预张拉，在预张拉过程中，对光纤应变传感元件(7)的应变测量值与张拉力进行标定，标定成功并测试合格后，即可通过测量光纤应变传感元件(7)应变值实现对缆索的索力测量。

2.根据权利要求1所述的基于光纤应变传感的超大索力自感知测量方法，其特征在于：光纤应变传感元件(7)预埋入锚固区(3)的方法，包括：灌锚之前，

将光纤应变传感元件(7)与锚固区(3)内的缆索(1)的单丝(4)固定后，进行灌锚；

或者，将光纤应变传感元件(7)与锚固区(3)的锚杯(6)内壁固定后，进行灌锚；

或者，将光纤应变传感元件(7)与锚固区(3)的锚杯(6)外壁固定后，在固定处铺覆保护层，将光纤应变传感元件(7)与锚杯(6)外壁紧密覆盖；

或者，在灌锚时，将光纤应变传感元件(7)悬浮在锚杯(6)中空位置，灌锚完成后，光纤应变传感元件(7)与灌锚料紧密结合，且光纤应变传感元件(7)应变方向与缆索(1)延伸方向平行。

3.根据权利要求2所述的基于光纤应变传感的超大索力自感知测量方法，其特征在于：采用焊接或其它金属连接工艺时，对光纤应变传感元件(7)采用电镀、溅射方法进行金属化处理。

4.根据权利要求2所述的基于光纤应变传感的超大索力自感知测量方法，其特征在于：在一个或多个位置埋设一个或多个光纤应变传感元件(7)。

5.根据权利要求2或3所述的基于光纤应变传感的超大索力自感知测量方法，其特征在于：金属化处理的光纤应变传感元件(7)与单丝(4)、锚杯(6)内壁或锚杯(6)外壁采用焊接或其它金属连接工艺固定。

6.一种基于光纤应变传感的超大索力自感知智能缆索，其特征在于：在锚固区(3)内埋有光纤应变传感元件(7)；制缆时，光纤应变传感元件(7)预埋入钢缆索的锚固区(3)后，对钢缆索进行预张拉，在预张拉过程中，利用张拉力对光纤应变传感元件(7)的应变测量值进行标定，标定成功并测试合格后，通过测量光纤应变传感元件(7)的应变值，实现对钢缆索索力的测量。 

7.根据权利要求6所述的基于光纤应变传感的超大索力自感知智能缆索，其特征在于：锚固区(3)内的缆索(1)的单丝(4)上通过焊接及其它金属连接工艺固定有经金属化处理的光纤应变传感元件(7)；

或者，承力锚固区(3)的锚杯(6)的内、外壁上通过焊接及其它金属连接工艺固定有经金属化处理的光纤应变传感元件(7)；

或者承力锚固区(3)内的灌锚料中悬浮有经金属化处理的光纤应变传感元件(7)，光纤应变传感元件(7)、单丝(4)、锚杯(6)、灌锚料四者锚铸成一整体；

光纤应变传感元件(7)应变方向与缆索延伸方向平行。

8.根据权利要求6所述的基于光纤应变传感的超大索力自感知智能缆索，其特征在于：在单丝(4)上、锚杯(6)内、外壁和灌锚料中，分别设置1个或多个光纤应变传感元件(7)。 

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