CN103270400B

CN103270400B - 应变传感器设备和应变传感方法

Info

Publication number: CN103270400B
Application number: CN201280003629.0A
Authority: CN
Inventors: 丹纳·杜特瓦
Original assignee: Omnisens SA
Current assignee: Omnisens SA
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2032-01-11
Also published as: EP2666001A2; WO2012098036A3; BR112013018219A2; US20130286378A1; WO2012098036A2; CA2819157A1; EP2666001B1; RU2013138568A; US9109968B2; CN103270400A; RU2540258C1

Abstract

根据本发明，提供一种应变传感器装置，该装置包括：两个或更多个应变传感器，其能够测量应变，且其每个被设置使得其可被布置成与待测量的结构协作，使得可通过应变传感器测量该结构中的应变；以及一个或多个位置基准，其被布置在相对于所述两个或更多个应变传感器的预定位置上，且其中，一个或多个位置基准的每个被设置成，使得其适用于与测量装置协作；一个或多个测量装置，其包括用于测量的装置角定向的装置，其中，一个或多个测量装置，其被设置成与所述一个或多个位置基准协作，从而可以确定所述一个或多个位置基准的角定向。本发明还提供一种用于传感结构中的应变的对应的方法。

Description

应变传感器设备和应变传感方法

技术领域

本发明涉及一种应变传感器设备，且特别地，但非排他地涉及应变传感器设备，其包括用于敏感确定通过该应变传感装置所传感的应变方向的装置。

背景技术

在很多应用领域中，如管道、电力电缆或海底，已知使用测量设备连续监测结构和/或功能参数。测量设备也可用于土木工程方面，且特别用在大尺寸结构的建筑领域中。

测量设备通常用于控制各结构随时间的温度或应变趋势，即，由压力导致的变形或伸长的几何测量，和限定沿着纤维的拉伸或压缩量。更详细地，这些测量设备适用于给出局部特性信息，且因此其可用于监测作为时间函数的与待监测的工程结构的多个部分和/或部件结合的温度或应变且提供该结构的裂缝、地层移动、变形等方面的信息。

在用于监测工程或建筑结构的状态的测量设备中，基于光纤的光电装置具有很大的意义。特别地，这些装置通常包括电子测量装置，其设置有通常为几十千米量级的光纤探头。使用中，光纤稳定地连接至工程结构的部分或部件，且保持基本接触，所述结构的各物理参数应被监测。例如，该光纤可沿油管的管延伸，或其可以嵌入建筑物的混凝土柱中，使得其可以被用于显示这些结构的温度或应变的局部趋势。换句话说，这些光电装置包括光纤传感器，即，使用光纤作为传感元件的传感器。光纤传感器可以是：

-点传感器，其中，仅沿着光纤的一个位置对温度和/或应变敏感；

-准分布式传感器或多路复用传感器，其中，多个点传感器通过光纤相互连接，且沿着光纤的长度多路复用；或

-分布式或完全分布式传感器，其中，光纤是长的非中断线性传感器。

这些基于光纤的测量仪器可根据其适于测量的物理量和用于测量这些物理量的物理原理被分成各种类型。

当已知作为泵的、波长为λ₀（或频率为ν₀=c/λ₀，其中，c是光速）的强光脉冲通过光纤传播时，由于光纤内的局部非均质性，少量的入射功率散射在各个方向上。若光纤为单模纤维（SMF），即，光纤仅设计用于携载单一光线（模式），则仅涉及向前和向后的散射，因为在其它方向上散射的光不被引导。向后散射是特别有益的，因为其传播回光纤端部，在该处激光被初始射入到光纤中。

散射过程源于材料杂质（瑞利散射），热激发的分子振动：声子（布里渊散射）以及光子（拉曼散射）。

分布式传感技术依赖于在沿着光纤的不同位置处产生的向后散射信号。

瑞利散射是光脉冲与材料杂质的相互作用。其是石英纤维中的三个向后散射信号中最大的，且具有跟入射光相同的波长。瑞利散射是光时域反射计（OTDR）依据的物理原理。

布里渊散射是光脉冲与热激发的声波（也称为生热子）的相互作用。声波通过传播的压力，轻微地、局部地且周期性地调节折射率。相应的运动光栅反射回少量的入射光，且由于多普勒效应使其频率（或波长）频变。该频变取决于光纤中的声速，同时，其符号取决于行进的声波的传播方向。因此，在入射光附近的两个不同频率处产生布里渊散射，称为斯托克斯分量和反斯托克斯分量。在石英纤维中，布里渊频率频变在11GHz的范围中（在1550nm波长范围中的0.1nm），且取决于温度和应变。

拉曼散射是光脉冲与热激发的原子或分子振动（光频声子）的相互作用，且在强度方面是三个向后散射信号中的最小的。拉曼散射呈现在石英纤维中的典型为13THz的大频率频变，对应于1550nm波长下的100nm。拉曼反斯托克斯分量强度取决于温度，其中，斯托克斯分量对温度几乎不敏感。

图4示意性地示出当激光射入光纤中时，在沿着光纤的每个点处产生的向后散射光的频谱。在对应于单模激光波长的波长λ₀处，较高峰值为瑞利峰值，源于材料的杂质。所谓的斯托克斯分量和所谓的反斯托克斯分量分别为瑞利峰值右侧和左侧的峰值。源于光频声子的反斯托克斯拉曼峰值，具有取决于温度T的振幅。由热激发的声波产生的斯托克斯和反斯托克斯布里渊峰值，具有取决于温度T和应变ε的频率。

布里渊频变（相对于原始激光的波长位置）是光纤材料的固有物理特性，且提供了关于由光纤经受的应变和温度分布的重要信息。

布里渊向后散射光的频率信息可被用于测量沿着光纤的局部温度或应变信息。标准的或特定的单模远程通信光纤或电缆可被用作为传感单元。测量局部温度或应变的技术被称为基于频率的技术，因为温度或应变信息包括在布里渊频率频变中。基于频率的技术固有地比任何基于强度的技术（例如拉曼效应）更可靠和更稳定，其对衰减的频变、损耗和变化敏感。因此，基于布里渊的技术提供长期稳定性且大程度抗衰减性。将光脉冲传播进入光纤且测量向后散射信号的该过程称为自发布里渊散射（SPBS）：其是导致低强度散射光的弱处理。

该布里渊散射处理的特性在于，除了称为泵的产生散射的第一光学信号以外，其可以被称为探头的第二光学信号激励，假定该探头满足特定相位匹配条件。该特性特别对于传感应用有益，且可以通过使用相对于泵反向传播的探头而实现。当泵和探头频率（或波长）由布里渊频变精确分开时，最大化激励。在这种情况下，从泵传输给探头（或反之亦然，取决于所选择的斯托克斯/反斯托克斯向后散射信号）的能量导致大为增强的向后散射强度，且因此导致更大的信号噪声比（SNR）。这被认为是谐振现象，其中，当满足谐振条件时，即，当泵与探头之间的频率差匹配局部布里渊频率时，以泵为代价发生探头功率的放大。

在已知的解决方案中，泵由一个或几个纳秒长的光学脉冲构成，且探头由连续波-CW光构成，如将讨论的。

基于受激布里渊向后散射（SBS）的光电测量装置已知为布里渊光学时域分析仪或BOTDA，不同于基于自发布里渊散射（SPBS）的布里渊光时域反射计（BOTDR）。

基于BOTDA的光电测量装置通常执行频域分析和时域分析。

频域分析：温度/应变信息在布里渊频率频变中被编码。相对于泵扫描探头，同时监测向后散射信号的强度，允许发现布里渊增益峰值，且由此发现对应的布里渊频变，从该布里渊频变中可以计算出温度或应变。这可以通过两个光源实现，例如激光器或信号光源，通过其产生泵频信号和探头信号。在此情况下，光电调制器（典型地，远程通信部件）用于以受控的方式扫描探头频率。

时域分析：由于泵的脉冲性，泵/探头相互作用在不同时间在沿着光纤的不同位置处发生。对于任何给定的位置，探头信号与泵相互作用的部分在等于两倍于从光纤输入至特定位置的行进时间的时间延迟后达到测量器。

因此，相对于时间监测向后散射强度，同时已知在光纤中的光速度，则提供发生散射的位置信息。

基于BOTDA的典型商业光电测量装置可利用具有1m的空间分辨率（等效于30000不同的独立传感器）测量30km的光纤上的温度/应变。温度方面的分辨率典型小于1K，且应变方面的分辨率典型为20με。

除了基于光纤的分布式测量，可以通过例如使用光纤布拉格光栅（FBG）或机械应变测量仪逐点地测量应变信息。

两个或多个光纤可被布置成与结构的不同部分协作；例如，两个或多个光纤可被布置成沿着管道的长度延伸，每个光线定位在该管道圆周的不同点上，例如分别在12点钟位置和3点钟位置。使用每个光纤执行分布式传感技术，可以测定沿着管道的应变的大小和位置，其在相对于该管道的竖直平面中，即在12点钟位置，且在相对于该管道的水平平面中，即在3点钟位置。在井（油井或地热井）或任何钻孔（例如采矿）中，测量应变的方向是特别有益的。在这些情况下，由于在不同深度处的地层运动，相关信息必须进行横向移位处理（剪切应变）。其对于被监测疲劳的如海底立管、脐带缆或甚至流线和管道的其它结构也是有益的。

然而，当被监测的结构扭曲时出现问题；例如，10km的海底管道在安装期间很容易扭曲。管道的扭曲将致使光纤不再分别位于12点钟位置和3点钟位置。因此，由于管道的扭曲，由初始位于管道的圆周上的12点钟位置上的光纤显示的应变不能够推断为施加在相对于该管道的竖直平面中的应变。类似地，由于管道扭曲，由初始位于管道的圆周上的3点钟位置上的光纤显示的应变不能够推断为施加在相对于该管道的水平平面中的应变。因此，现有的应变传感器设备不能精确监测施加至结构的应变方向。因此，也不能使用现有应变传感器设备精确确定结构的弯曲朝向。

US2006/013523公开了一种光纤位置和形状传感设备以及使用方法。该设备包括光纤装置。光纤装置包括至少两个单芯光纤或具有至少两个光纤纤芯的多芯光纤。在任何一种情况中，光纤纤芯间隔开使得最小化光纤纤芯之间的模式耦合。在每个光纤纤芯内设置光纤光栅阵列。以与每个光纤光栅可操作的关系设置宽频基准反射器，其中对于每个反射器/光栅关系建立光程长度。以与光纤装置可操作的关系设置频域反射计。使用时，设备贴附到物体上。测量光纤应变并且应变测量与局部弯曲测量相关联。积分局部弯曲测量从而确定物体的位置或形状。

发明内容

根据本发明，提供一种应变传感器设备，其包括：

两个或多个应变传感器，其中每个能够测量应变，且其每个被设置使得其沿着细长管状结构的长度可与待测量的细长管状结构协作，使得可通过应变传感器测量该结构中的应变；以及

一个或多个位置基准，其沿着细长管状结构的长度被布置在相对于所述两个或多个应变传感器的预定位置上，且其中，所述一个或多个位置基准中的每个被设置成使得其适于与测量装置协作；

一个或多个测量装置，其被设置成与一个或多个位置基准协作，使得可以确定相对于位置基准的所述一个或多个位置基准的角定向

例如，应变传感器设备可以被并入管道，例如海底管道。例如，三个应变传感器可被布置成沿着海底管道的圆周均匀分布（例如，分别在下述位置，即，在相对于基准位置的0°处（即，在“12点钟”处），在相对于基准位置的120°处（即，在“4点钟”处），和在相对于基准位置的240°处（即，在“8点钟”处）），且该一个位置基准可被设置成沿着海底管道的长度延伸，这允许测量在该海底管道的长度上的应变。三个应变传感器和一个位置基准可以使得它们每个与海底管道是整体的。在例如10km的海底管道的长度上，海底管道的至少一部分可以未知角度扭曲。由于这三个应变传感器与海底管道是整体的，应变传感器将与海底管道一起扭曲，使得它们不再分别位于“12点钟”、“4点钟”、和“8点钟”位置；因此由应变传感器测量的应变将无法精确地反应在管道圆周上应变出现的位置，即，施加至海底管道的应变的方向。例如，若初始位于“12点钟”位置（0°）的应变传感器测量到应变出现在海底管道的扭曲部分上，由于管道的扭曲，测量的应变不必被施加在海底管道的圆周的顶部（即，位于“12点钟”位置）。本发明通过使用测量装置解决该问题，该测量装置用于确定在管道的扭曲部分中的基准位置的角定向；因为该基准位置相对于三个应变传感器处于固定已知的角定向，从该基准位置的测量的角定向中可以确定三个应变传感器的角定向。已知三个应变传感器的角定向，可以精确确定应变施加至海底管道的方向。例如，如果测量装置显示该基准位置由于海底管道的扭曲已经移动了180°，则可以推断出初始位于“12点钟”位置的应变传感器也已经移动了180°；因此可以推断出初始位于“12点钟”位置的应变传感器在管道的扭曲部分上测量的应变为施加至海底管道底部的应变，即，在管道圆周上的“6点钟”位置处。因此，本发明使得在结构中的应变方向可被精确地确定。

本发明允许确定安装引起的扭曲，使得可以限定应变传感器的位置。因此，可确定弯曲应变和弯曲方向。

应变是表示本体材质中质点之间的相对位移的变形的几何测量，即，测量给定位移局部不同于刚体位移多少。

应变传感器设备可被布置成与管状结构协作。在本发明中，术语“管”或“管状”表示细长结构；其包括但不限制于空心的细长圆柱形结构，例如立管、管道、流管或管线，且也包括空心或非空心的细长圆柱形结构，例如脐带缆和线缆，例如电缆或电力电缆。

两个或多个应变传感器中的每个可设置成细长的。两个或多个应变传感器中的每个可被布置成沿着该管状结构的长度与管状结构协作，使得其可以测量沿着管状结构的长度的应变方向。每个应变传感器可包括中心轴线，且每个应变传感器可沿着各自轴线延伸，使得每个应变传感器具有细长的设置。

一个或多个位置基准中的每个可被设置成细长的。一个或多个位置基准中的每个可被设置成沿着管状结构的长度与管状结构协作。每个位置基准可包括中心轴线，且每个位置基准可沿着该中心轴线延伸，使得每个位置基准具有细长的设置。

管状结构可包括纵向轴线，且两个或多个应变传感器以及一个或多个位置基准中的每个可被设置成平行于管状结构的纵向轴线延伸。一个或多个位置基准中的每个可被设置成以螺旋形设置沿着管状结构延伸。两个或多个应变传感器可被设置成以螺旋形设置沿着管状结构延伸和/或平行于管状结构的纵向轴线延伸。

两个或多个应变传感器中的每个可包括至少一个光纤。两个或多个应变传感器中的每个可包括多个光纤。

两个或多个应变传感器中的每个的至少一个光纤可被设置成与待被监测应变的结构协作，使得在该结构中的应变将在光纤中施加应变。该两个或更多个应变传感器中的每个的至少一个光纤可以被布置成与待被测量应变的结构是整体的。该两个或更多个应变传感器中的每个的至少一个光纤可沿着待监测的管状构件的圆周对称地定位。

两个或更多个应变传感器中的每个的光纤可围绕待监测应变的管状构件的圆周对称地定位。

两个或更多个应变传感器可包括用于执行分布式纤维光学分析的装置。该用于执行分布式纤维光学分析的装置可以是询问器，其可以执行布里渊散射分析。两个或更多个应变传感器中的每个可包括被布置成与待监测的结构协作的至少一个光纤，其中，每个光纤可被布置成与询问器单元光学通信，该询问器单元被设置成执行分布式光纤光学分析，以测量光纤中的应变。

分布式光纤光学分析可包括布里渊散射分析。该分布式光纤光学分析可包括连贯瑞利散射。布里渊散射分析可包括自发布里渊散射分析，由于调制的泵频信号其依赖于向后散射信号的测量和分析。布里渊散射分析可包括受激布里渊散射分析，其依赖于对向后散射的光波的测量和分析，该向后散射的光波为泵频信号和探头信号相互作用的产物。

用于执行分布式光纤光学分析的装置可包括询问器单元。该询问器单元可包括布里渊光时域反射计、光频域反射计（BOFDR）、布里渊光相关域反射计（BOCDR）、布里渊光时域分析仪和/或用于执行的布里渊光频域分析（BOFDA）的装置和/或用于执行布里渊光相关域分析（BOCDA）的装置。

为了实施自发布里渊散射，布里渊光时域反射计可产生光学泵频信号，该光学泵频信号沿着应变传感器的光纤被发送。当该泵频信号沿着光纤传播时，该泵频信号的一部分由于在光纤中的热激发的音频声子而向后散射，从而提供向后散射的信号。在光纤上引发的应变将影响光纤的光学特性，因此导致向后散射信号的特征的至少局部改变。测量该向后散射的信号，对向后散射光的光学特性中的局部变化的测量将显示沿着光纤存在的应变。应注意，光纤将被固定至待监测应变的结构，例如海底管道，该结构中存在的应变将引发光纤中的应变。通过分析在其光学特性方面局部变化的向后散射光部分的行进时间，可以确定应变沿着光纤存在的精确位置，且因此可以确定应变沿着该结构存在的精确位置。

例如，为了实施受激布里渊散射，使用布里渊光时域分析仪产生光学泵频信号，其在第一方向上通过每个应变传感器的光纤的第一端发送。该布里渊光时域分析仪也产生探头信号，其在第二方向上通过每个应变传感器的光纤的第二相对端发送。探头信号将促使产生向后散射信号，使得向后散射信号更容易测量。在沿着光纤的点处的应变将改变光纤在该点处的光学特性；光纤的光学特性的这种改变将局部改变光纤内的泵频信号和探头信号的相互作用。泵频信号和探头信号的相互作用的改变将导致向后散射信号的特性的至少局部改变。测量向后散射信号，对向后散射光的光学特性的局部变化的测量将显示沿着光纤存在的应变。应注意，光纤被固定至待监测应变的结构，例如，管道，该结构中存在的应变将引发光纤中的应变。通过分析在其光学特性方面局部变化的向后散射光部分的行进时间，可以确定应变沿着光纤存在的精确位置，且因此可以确定应变沿着该结构存在的精确位置。

一个或多个位置基准中的每个可被设置成，使得它们可以被布置成与待监测的结构协作。该一个或多个位置基准中的每个可与待监测应变的结构是整体的。

应变传感器装置可包括多个位置基准。

一个或多个位置基准可包括基准标记，该基准标记设置成使得在摄像机图像上标记是可视的。该基准标记可以是彩色带，或彩色标记、槽、通道、或凸起中的至少一个。彩色带或彩色标记具有不同于与其协作的结构的表面颜色。一个或多个位置基准可包括测量装置可沿其运动的轨道。可通过下述方式中的一个或多个限定该轨道：一个或多个槽；一个或多个突起；一个或多个轨；一个或多个磁体，其可被设置成提供磁引导；或测量装置可跟踪的标记，例如光学标记，其被设置成提供光学引导。一个或多个槽可具有任何合适的横截面；例如一个或多个槽可具有V形、正方形、矩形、和/或曲线形横截面。一个或多个突起可具有V形、正方形、矩形、和/或圆形横截面。

一个或多个位置基准可定位在待监测应变的结构的内表面上。例如，一个或多个位置基准可被定位在海底管道的内表面上。一个或多个位置基准可被定位在待监测应变的结构的外表面上。一个或多个位置基准可以与待监测应变的结构是整体的和/或嵌入其中。

应变传感器装置可包括多个测量装置。

测量装置可包括用于与限定位置基准的轨道协作的装置，使得测量装置可沿着该轨道运动。用于与轨道协作的装置可是轨，其可接收该轨道的一部分。

测量装置可包括摄像机。

测量装置可包括用于测量角定向的装置。用于测量角定向的装置可以是选择下述组的至少一个：陀螺仪，加速计，GPS，或用于导航目的的任何惯性平台。例如，三个加速计可被定位在运载工具上的三个不同方向上，该运载工具机械地与一个或多个位置基准协作，从而沿着一个或多个位置基准运动。三个加速计被布置在该运载工具上，从而测量该运载工具沿着三个不同轴线的加速度。当该运载工具沿着一个或多个位置基准运动时，加速计测量运载工具沿着这三个不同轴线的加速度；通过使用由加速计提供的加速信息，当该运载工具沿着一个或多个位置基准运动时，可以确定该运载工具的运动轨迹，且由此确定该运载工具的角定向。因为该运载用具协作，从而沿着一个或多个位置基准运动，该运载工具的角定向将对应于一个或多个位置基准的角定向。优选地，用于测量角定向的装置包括陀螺仪。用于测量角定向的装置优选被设置成测量位置基准的角变化，且作为沿着该位置基准的距离的函数。

测量装置可包括马达，其被设置成使用于测量角定向的装置沿着限定位置基准的轨道运动。该马达可以设置成可远程操控。测量装置可包括运载工具，该运载工具携载用于测量角定向的装置。该运载工具可被设置为可远程控制。用于测量角定向的装置可被设置成，当运载工具沿着限定位置基准的轨道运动时测量运载工具的角定向。可从测量的运载工具的角定向中确定位置基准的角定向。马达和/或运载工具可设置为水下使用和/或陆地使用。术语“运载工具”包括任何可运动的组件，或可运动的载体。运载工具可携载测量装置，例如陀螺仪，且可机械地连接至一个或多个位置基准，使得该运载用具可沿着一个或多个位置基准运动。当运载工具沿着一个或多个位置基准运动时，陀螺仪测量该运载工具的角定向；该运载工具的角定向对应于一个或多个位置基准的角定向。

用于测量角定向的装置可以是用于在机械方面、磁方面或光学方面测量一个或多个位置基准的角位移的任何装置。对于机械连接，当位置基准扭曲时，测量装置将跟踪位置基准且旋转；通过测量装置测量该旋转，且使用旋转角的角度确定传感器的角位置。例如，机械连接的测量装置可包括运载工具，该运载工具包括附接至其的陀螺仪，其中，一个或多个位置基准限定运载工具在机械方面与其协作且沿其运动的轨道。对于磁方面和电学方面联接的系统，可使用致动器旋转测量装置，使得基准总是相对于测量装置在同一位置。因此，测量装置改变其角定向，从而跟踪位置基准。测量测量装置的旋转。

测量装置还可包括用于存储通过用于测量角定向的装置实施的角定向测量。测量装置还可包括存储器，其存储借助于用于测量角定向的装置在被监测应变的结构的长度上实施的角定向测量。测量装置还可包括传输系统，从而将角信息输送至用于在线信号处理的操作器。测量装置还可包括下述装置，其使通过用于测量角定向的装置实施的角定向测量进行通信。

测量装置可包括：用于测量角位移的装置以及用于移动用于测量角位移的装置的装置。用于移动用于测量角位移的装置的装置可以是马达，其被设置成移动用于测量角位移的装置，使得用于测量角位移的装置可沿着位置基准跟踪。例如，测量装置可包括摄像机以及马达，该摄像机包括固定至其的陀螺仪，使得可以确定摄像机的角定向，该马达可沿着位置基准的长度线性移动该摄像机。可以提供沿着位置基准的长度线性移动该摄像机的装置，例如摄像机附接至其的轮询器（poll），或马达，其与摄像机协作。摄像机将为用户提供图像，且用户可通过使用马达或轮询器操纵该摄像机，使得位置基准在摄像机提供的图像中保持可视。例如，在位置基准位移的区域中，可使用马达或轮询器操纵该摄像机，使得位置基准在摄像机提供的图像中保持可视。当摄像机移动跟踪位移的位置基准时，陀螺仪可记录摄像机的定向。同样地，一个或多个磁性元件可限定一个或多个位置基准。测量装置可包括磁传感器，其可测量由磁性元件提供的磁场；陀螺仪可附接至磁传感器，使得可测量磁传感器的角定向。磁传感器可被移动，从而跟踪由磁性元件提供过的磁场，所述磁性元件限定一个或多个位置基准；当磁传感器移动时，由陀螺仪测量其角定向。

两个或更多个应变传感器中的每个可包括光纤。两个或更多个应变传感器中的每个可包括光纤布拉格光栅（FBG）和/或应变仪。

组合测量的应变信息允许计算弯曲半径和定向。重建3维弯曲定向。现有技术已知如何计算弯曲半径和定向。例如，可通过测量在三个不同的纤维传感器中传播的向后散射信号的布里渊频率频变推导弯曲半径和定向。这些传感器沿着结构固定在“12点钟”、“4点钟”和“8点钟”的位置处。在发生弯曲的结构部分中，每个传感器将经历具有不同量和不同符号的不同应变效应：正符号针对光纤牵引，且负符号针对光纤压缩。可通过有三个应变传感器测量的三个不同应变值之间的三角关系确定感兴趣的未知参数（弯曲半径和定向）。沿着位置基准的长度测量的位置基准的角定向将提供关于结构扭曲度的信息，位置基准与该结构协作。可使用测量的应变计算沿着该结构的弯曲方向。可使用测量的应变计算结构的弯曲定向和弯曲半径。该结构的数学模型可用在计算弯曲方向和弯曲半径中。

根据本发明的另一方面，提供一种应变传感器设备部件，其包括：

两个或更多个应变传感器，其每个能够测量应变，且其每个被设置使得其可被布置成与待测量的结构协作，使得可通过应变传感器测量该结构中的应变；以及

一个或多个位置基准，其被布置在相对于两个或更多个应变传感器的预定位置上，且其中，一个或多个位置基准每个被设置成，使得其适用于与测量装置协作，使得测量装置可以确定一个或多个位置基准的角定向。

根据本发明的另一方面，提供一种组件，该组件包括：待监测应变的结构，以及根据上述应变传感器设备中的任一个的应变传感器设备。

根据本发明的另一方面，提供一种用于传感结构中的应变的方法，该方法包括以下步骤：

提供根据上述应变传感器中的任一个的应变传感器设备；

使用一个或多个应变传感器测量结构中的应变，且确定结构中所测量的应变存在的位置；

使用测量装置在结构中应变存在的位置处测量一个或多个位置基准的角定向；

从一个或多个基准的所测量的角定向中确定两个或更多个应变传感器的角定向；

从两个或更多个应变传感器的所确定的角定向中确定施加应变的方向。

测量结构中的应变和确定在结构中应变存在的位置的步骤包括下述步骤，即，对在应变传感器的光纤中传播的向后散射信号执行分布式光纤光学分析。

该方法可以还包括下述步骤，即，计算结构的弯曲定向和/或弯曲半径。如前所述的，在现有技术中已知可执行这些步骤的方式。

附图说明

借助于通过示例性给出的且由附图图示的实施例将更好地理解本发明，其中：

图1提供根据本发明的一个实施例的应变传感器装置的立体图，其已经被集成入管状结构中；

图2提供根据本发明的另一个实施例的应变传感器装置的横截面图；

图3提供根据本发明的另一个实施例的应变传感器装置当在海底脐带缆上运行时的立体图，

图4示意性地示出当激光射入光纤中时沿着光纤的每个点产生的向后散射光的频谱。

具体实施方式

图1提供根据本发明的一个实施例的应变传感器设备的立体图，该应变传感器设备已经被集成入管状结构3中。在图1所示的示范实施例中，管状结构3为设置成用在海底应用中的管，例如海底钻油。管状结构3包括纵向轴线‘A’，该管状结构沿着该纵向轴线‘A’延伸，使得该管状结构为具有长度‘L’的细长结构。

应变传感器装置1包括三个应变传感器5a-c，其每个能够测量应变。三个应变传感器5a-c与管状结构3是整体的，且等距地围绕管状结构3的圆周分布；应变传感器5a位于“12点钟”位置（0°），应变传感器5b位于“4点钟”位置（120°），且应变传感器5c位于“8点钟”位置（240°）。应变传感器5a-c中的每个包括中心轴线‘a’，且应变传感器5a-c中的每个沿着该中心轴线‘a’延伸，使得应变传感器5a-c中的每个具有细长的设置。应变传感器5a-c中的每个沿着管状结构3的整个长度‘L’，平行于管状结构3的中心轴线‘A’延伸。应理解，备选地，应变传感器5a-c沿着管状结构3的长度可被设置成螺旋形式。

传感装置1还包括槽9形式的位置基准，其也与管状结构3是整体的。槽9位于相对于三个应变传感器5a-c的预定位置处；在该示例中，槽9位于管状结构3的圆周上的“9点钟”位置。槽9也包括中心轴线‘g’，且槽9沿着该中心轴线‘g’延伸，使得槽9具有细长的设置。该槽9也沿着管状结构3的整个长度‘L’，平行于管状结构的纵向轴线‘A’延伸。

任何合适的测量装置可被用于与槽9协作，使得在沿着该结构的任何纵向位置处可确定槽9的角定向。例如，摄像机13具有附接至其的陀螺仪15，该摄像机可沿着管状结构3的内侧13运动，从而通过提供槽9的图像而与槽9协作。摄像机13可被布置成，为控制摄像机的角定向的用户提供实时图像。该摄像机包括可远程控制的马达17；该马达17允许操作该摄像机。应理解，摄像机不必须具有马达17；该摄像机可附接至轮询器的一端，且用户通过使用该轮询器操作该摄像机。该摄像机13沿着管状结构3的内侧运动，且由用户移动摄像机13的定向，使得槽9一直在摄像机13提供的图像上保持为可视。因此，若由于管状结构3中的扭曲，槽9的角位置已经位移，用户移动该摄像机13从而跟踪该槽9。在摄像机13移动跟踪槽9时，陀螺仪15将记录该摄像机13的角位移。因此，摄像机13的角位移将对应于槽9的角位移；且因此，由陀螺仪15记录的角位移将对应于由于管状结构3中的扭曲造成的槽9的角位移。在摄像机13沿着管状结构3的整个长度‘L’移动跟踪槽9时，陀螺仪15将记录该摄像机的角位置；因此，在沿着管状结构3的任何位置可确定槽9的角位置。

因为槽9具有相对于三个应变传感器5a-c已知的固定位置，在沿着管状结构的长度‘L’的任何点处，可从槽9确定的角定向中可确定三个应变传感器5a-c中每个的角定向。例如，若应变传感器5a测量应变存在于沿着管状结构3的长度‘L’的特定点，则应变传感器5a在该特定点处的角定向可基于槽9在管状结构的该特定点处的角定向（如由摄像机上的陀螺仪测量的）而确定。应变传感器5a的角定向将显示在该点处管状结构3上的应变方向。例如，若应变传感器5a测量的应变存在于沿着管状结构3的长度‘L’的特定点50米处，且在沿着管状结构3的长度‘L’的特定点50米处确定应变传感器5a的角定向为90°（即，在管状结构3的圆周7上的“3点钟”位置）；则可以确定，存在于沿着管状结构3的长度‘L’的特定点50米处的应变被施加在管状结构3的圆周7上的“3点钟”位置处，即，垂直于管状结构3施加应变。

应理解，位置基准不限制于槽9。位置基准可采用任何合适的形式。例如，位置基准可以是轨道。该轨道可由任何合适的装置限定，例如槽或凸起可限定轨道。该轨道可被设置成与测量装置协作，该测量装置在其沿着该轨道运动时可测量角定向。也应理解，测量装置不限制于具有陀螺仪的摄像机。测量装置例如可以是包括陀螺仪的运载工具。该运载工具可被设置成，使得其可以沿着轨道形式的位置基准运动。例如，该运载工具可包括可与该轨道协作的轨或轮。在运载工具沿着轨道运动时，陀螺仪测量运载工具的角定向。运载工具的所测量的角定向将对应于轨道（即，位置基准）的角定向。从轨道（即，位置基准）的角定向中可以进而确定应变传感器的角定向。

图2提供根据本发明的另一实施例的应变传感器装置20的横截面图。该应变传感器装置20具有一些与图1中所示的应变传感器装置相同的特征，且相同的参考标记表示相同的特征。如图1中所示的传感装置1，在图2中示出的该应变传感器装置20与管状结构是整体的。

图2中所示的应变传感器设备20与图1中所示的应变传感器设备1的不同之处在于，位置基准采用细长凸起19的形式，其沿着管状结构3的长度延伸。凸起19固定至管状结构3的内表面21上。凸起19位于相对于三个应变传感器5a-c的预定角位置处。凸起19也包括轴线‘g’，且凸起19沿着该中心轴线‘g’延伸，使得凸起19具有细长的设置。凸起19也平行于管状结构3的纵向轴线‘A’，沿着管状结构3的整个长度‘L’延伸。

凸起19限定轨道，测量装置可沿着该轨道运动。例如，凸起19可限定轨道，包括陀螺仪的运载工具可沿着该轨道运动；在运载工具沿着该轨道运动时，陀螺仪测量该运载工具的角定向。该运载工具的被测量的角定向将对应于该轨道的角定向；因为凸起19（即，轨道）位于相对于应变传感器5a-c已知固定的位置，在沿着管状结构3的长度‘L’的任何点处，可以从在该点由运载工具的陀螺仪获取的角定向测量中得出应变传感器5a-c中每个的角定向。因此，可以确定沿着管状结构3的长度的应变的方向。

图3示出根据本发明的另一实施例的应变传感器设备30的立体图。该应变传感器设备30具有一些与图1中所示出的应变传感器设备1和图2中所示出的应变传感器设备20相同的特征，且相同的参考标记表示相同的特征。

在图3所示的特定示范实施例中，应变传感器设备30被装入从近海船33延伸出的海底脐带缆31中。分别如图1和2中所示的应变传感器装置1和20，应变传感器装置30包括三个应变传感器（未示出），它们与脐带缆是整体的，且被设置成使得它们围绕海底脐带缆31的圆周相同地分布。分别如图1和2中所示的应变传感器设备1和20，应变传感器中的每个具有细长的设置，且每个平行于海底脐带缆31的纵向轴线，沿着海底脐带缆31的整个长度延伸。

图3中所示的应变传感器设备30分别与图1和2中所示的应变传感器设备1和20的不同之处在于，位置基准采用轨道39的形式，其沿脐带缆31的外表面35延伸。轨道39位于相对于与海底脐带缆31是整体的三个应变传感器的预定角位置处。

轨道39设置成接收运载工具40形式的测量装置，其包括陀螺仪（未示出）或一些其它合适的装置，这些装置用于测量运载40工具的角定向。该运载工具40设置成使得其可以沿着轨道30运动。该运载工具40被设置成使得其沿着轨道30的运动可被远程控制；因此，用户可从近海船33通过使用合适的控制装置控制运载工具40沿着轨道39的运动。当运载工具40沿着轨道39运动时，陀螺仪（未示出）记录运载工具40的角定向。该运载工具40的被测量的角定向将对应于轨道39的角定向。因为该轨道39相对于应变传感器位于已知固定的位置处，在沿着海底脐带缆31的长度的任何点处，可以从由陀螺仪获取的角定向测量中得出变传感器的每个的角定向。因此，可以在沿着海底脐带缆31的长度的任何点处确定施加至海底脐带缆31的应变的方向。

在不脱离在所附的权利要求书中限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员清楚，可对本发明所描述的实施例进行各种修改和变型。尽管结合具体优选实施例描述了本发明，应理解地是，要求保护的本发明不应被不适当地限制于这样的具体实施例。

Claims

1.一种应变传感器装置，该装置包括：

两个或多个应变传感器，其每个能够测量应变，且其每个被设置使得其可被布置成沿着细长管状结构的长度与待检测的细长管状结构协作，使得可通过应变传感器测量该细长管状结构中的应变；以及

一个或多个位置基准，其沿着细长管状结构的长度被布置在相对于所述两个或多个应变传感器的预定位置上，且其中，所述一个或多个位置基准中的每个被设置成，使得其适用于与测量装置协作；

一个或多个测量装置，其包括用于测量的装置角定向的装置，其中，一个或多个测量装置被设置成与所述一个或多个位置基准协作，使得可以确定所述一个或多个位置基准的角定向。

2.如权利要求1所述的应变传感器装置，其特征在于，所述两个或多个应变传感器中的每个包括至少一个光纤，所述光纤被布置成与待监测的结构协作，其中，每个光纤被布置成与用于执行分布式光纤光学分析以测量光纤中的应变的装置通信。

3.如权利要求2所述的应变传感器装置，其特征在于，所述两个或多个应变传感器中的每个的至少一个光纤被布置成与待监测的结构是整体的。

4.如上述权利要求中任一项所述的应变传感器装置，其特征在于，所述至少一个或多个位置基准包括轨道，所述轨道被设置成使得运载工具可沿着其运动。

5.如权利要求1至3中任一项所述的应变传感器装置，其特征在于，所述至少一个或多个位置基准包括标记，所述标记被设置成使得在该标记的摄像机图像上是可视的。

6.如权利要求1至3中任一项所述的应变传感器装置，其特征在于，所述至少一个或多个位置基准包括一个或多个磁性元件，所述磁性元件可与磁场测量装置协作。

7.如权利要求1所述的应变传感器装置，其特征在于，所述测量装置包括运载工具，其中，该运载工具设置成使得其可以沿着限定位置基准的轨道运动，且其中，角定向测量装置被布置成与该运载工具协作，使得在该运载工具沿着所述轨道运动时可以测量其角定向。

8.如权利要求1所述的应变传感器装置，其特征在于，所述测量装置包括：摄像机，其可设置成提供位置基准的图像；以及移动该摄像机的装置，使得该摄像机可移动跟踪位置基准，且其中，所述角定向测量装置布置成与该摄像机协作，使得在该摄像机移动跟踪所述位置基准时可以测量该摄像机的角定向。

9.如权利要求1所述的应变传感器装置，其特征在于，所述测量装置包括：磁场测量装置，其设置成测量限定位置基准的一个或多个磁性元件的磁场；以及用于移动该磁场测量装置的装置，使得该磁场测量装置可移动至一个或多个磁性元件的磁场存在的位置，且其中，所述角定向测量装置被布置成与所述磁场测量装置协作，使得在磁场测量装置移动跟踪一个或多个磁性元件的磁场时，可测量该磁场测量装置的角定向。

10.如权利要求1所述的应变传感器装置，其特征在于，所述测量装置还包括用于存储由角定向测量装置执行的角定向测量的装置。

11.如权利要求7所述的应变传感器装置，其特征在于，所述角定向测量装置包括陀螺仪。

12.如权利要求1所述的应变传感器装置，其特征在于，每个位置基准被布置成沿着待监测的结构的长度延伸。

13.一种用于传感结构中的应变的方法，该方法包括以下步骤：提供如权利要求1所述的应变传感器装置；

使用一个或多个应变传感器测量所述结构中的应变，且确定结构中所测量的应变存在的位置；

14.如权利要求13所述的方法，提供的所述应变传感器装置中的所述两个或更多个应变传感器中的每一个包含至少一个光纤，其中测量结构中的应变和确定在结构中应变存在的位置的步骤包括下述步骤，即，对在应变传感器的光纤中传播的向后散射信号执行分布式光纤光学分析。

15.如权利要求13或14所述的方法，其还包括下述步骤，即，计算结构的弯曲定向和/或弯曲半径。