CN112595446B - 一种应力检测防护围栏 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应力检测防护围栏，包括多个结构相同的控制杆，控制杆之间设置有多根防护线缆，内部设置有应变梁，在应变梁的两端还分别连接有动滑轮，上方的第一动滑轮上套装有第一钢丝线缆，下方的第二动滑轮上套装有第二钢丝线缆，第一钢丝线缆和第二钢丝线缆的两端分别连接外部的防护线缆；在应变梁上设置有光纤光栅传感器，两端通过光纤连接到光纤光栅解调仪。因此，任意一条防护线缆被拉伸后，可以由应变梁产生相同的形变，并被光纤光栅传感器感知，对外力入侵具有相同的感知度，通过光纤连接光纤光栅传感器，一个光纤光栅解调仪就可以对多个控制杆进行测量，还具有节省能耗、精准度高、监控范围大优势。

Description

一种应力检测防护围栏

技术领域

本发明涉及安防监控技术领域，尤其涉及一种应力检测防护围栏。

背景技术

现有技术中，周界安防围栏通常有多个防护线缆，由这些防护线缆感应入侵外力，从而对入侵行为进行识别和判断。但是，存在这些防护线缆对外力感应识别的准确度和一致性缺乏有效的检测手段，并且当每一防护线缆使用不同的感应设备时，显然也需要较多的感应设备，这些设备之间也存在差异，导致对外力感应检测的不一致性。

另外，在现有技术中的安防围栏，对于风雨天气、鸟兽触碰、环境共振等现象，都会影响监测效果，误报率非常高，无法有效的实现准确监测目标。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种应力检测防护围栏，解决现有技术中存在的多个防护线缆对入侵应力检测不一致，以及检测设备组成复杂、成本高、检测门限不能灵活选择设置、有效检测距离受限、虚警率高等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种应力检测防护围栏，包括多个结构组成相同的控制杆，包括多个结构组成相同的控制杆，控制杆之间设置有防护线缆，所述控制杆的壳体的内部设置有应变梁，在所述应变梁的两端还分别连接有动滑轮；其中，位于上方的第一动滑轮上套装有第一钢丝线缆，所述第一钢丝线缆的两端分别穿过设置在控制杆侧壁上的第一过线孔和第二过线孔用于连接防护线缆；位于下方的第二动滑轮上套装有第二钢丝线缆，所述第二钢丝线缆的两端分别穿过设置在控制杆侧壁上的第三过线孔和第四过线孔用于连接防护线缆；所述控制杆的壳体的内部竖直设置有应变梁，在所述应变梁的两端还分别连接有动滑轮；其中，位于上方的第一动滑轮上套装有第一钢丝线缆，所述第一钢丝线缆的两端分别穿过设置在控制杆侧壁上的第一过线孔和第二过线孔；位于下方的第二动滑轮上套装有第二钢丝线缆，所述第二钢丝线缆的两端分别穿过设置在控制杆侧壁上的第三过线孔和第四过线孔；在所述应变梁上设置有光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器的两端通过光纤连接到光纤光栅解调仪；当第一钢丝线缆的两端和/或第二钢丝线缆的两端连接的防护线缆受到外力牵拉，所述应变梁对应产生形变，进而由光纤光栅传感器感应形变并由光纤光栅解调仪进行检测测量。

优选的，所述光纤光栅传感器固定在应变梁上。

优选的，在所述控制杆的内部，所述第一钢丝线缆和/或第二钢丝线缆上串接有弹簧。

优选的，在所述控制杆的壳体内部的竖直方向上设置有第一定位柱和第二定位柱，所述应变梁设置在所述第一定位柱和第二定位柱之间，所述应变梁的上端通过橡皮绳连接所述第一定位柱，下端通过橡皮绳连接所述第二定位柱。

优选的，在不同的所述控制杆内设置的所述光纤光栅传感器对应检测不同的光波波长。

优选的，所述光纤光栅解调仪连接一芯或多芯干线光纤，在每一芯干线光纤上接入多组分支光纤，每一组分支光纤包括两根光纤，分别连接光纤光栅传感器的两端并接入到干线光纤。

优选的，在所述控制杆的内部，第一钢丝线缆的第一端还套装第三定滑轮，通过第三定滑轮使第一钢丝线缆的第一端由垂直状态转化为水平状态，进而水平延伸为第一水平线缆；第一钢丝线缆的第二端套装第四定滑轮，通过第四定滑轮使第一钢丝线缆的第二端由垂直状态转化为水平状态，进而水平延伸为第二水平线缆；第二钢丝线缆的第一端还套装第五定滑轮，通过第五定滑轮使第二钢丝线缆的第一端由垂直状态转化为水平状态，进而水平延伸为第三水平线缆；第二钢丝线缆的第二端套装第六定滑轮，通过第六定滑轮使第二钢丝线缆的第二端由垂直状态转化为水平状态，进而水平延伸为第四水平线缆；第三定滑轮至第六定滑轮均固定在控制杆的壳体内。

优选的，在所述第一水平线缆至第四水平线缆上均设置有限位块，所述第一过线孔至第四过线孔内均套装有阻挡所述限位块移动的过线嘴，第一水平线缆至第四水平线缆分别穿过对应的过线嘴。

优选的，相邻设置的两个控制杆之间，其中第一个控制杆中的第一水平线缆至第四水平线缆，通过对应的第一防护线缆至第四防护线缆连接到第二个控制杆。

优选的，相邻设置的两个控制杆之间，其中第一个控制杆中的至少一根水平线缆对应连接一根防护线缆后，所述防护线缆的自由端通过在第二个控制杆上设置的转向滑轮，回转延伸并固定在第一个控制杆上。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种应力检测防护围栏，包括多个结构相同的控制杆，控制杆之间设置有多根防护线缆，内部设置有应变梁，在应变梁的两端还分别连接有动滑轮，上方的第一动滑轮上套装有第一钢丝线缆，下方的第二动滑轮上套装有第二钢丝线缆，第一钢丝线缆和第二钢丝线缆的两端分别连接外部的防护线缆；在应变梁上设置有光纤光栅传感器，两端通过光纤连接到光纤光栅解调仪。本发明能够对连接的任意一条防护线缆被拉伸后，由应变梁产生相同的形变并被感知，对外力入侵具有相同的感知度，通过光纤连接光纤光栅传感器，一个光纤光栅解调仪就可以对多个控制杆进行测量，还具有节省能耗、精准度高、监控范围大优势。

附图说明

图1是根据本发明应力检测防护围栏一实施例的组成图；

图2是根据本发明应力检测防护围栏另一实施例的控制杆组成示意图；

图3是根据本发明应力检测防护围栏另一实施例的控制杆中应变梁的立体示意图；

图4是根据本发明应力检测防护围栏另一实施例的控制杆中应变梁的截面示意图；

图5是根据本发明应力检测防护围栏另一实施例的控制杆中主干光纤与分支光纤及光纤光栅传感器的连接示意图；

图6是根据本发明应力检测防护围栏另一实施例的控制杆内部组成示意图；

图7是图6所示实施例的立体示意图；

图8是根据本发明应力检测防护围栏另一实施例的应变梁的连接示意图；

图9是根据本发明应力检测防护围栏另一实施例的支撑杆组成示意图；

图10是根据本发明应力检测防护围栏另一实施例的底座组成示意图；

图11是根据本发明应力检测防护围栏另一实施例的防护线缆被掀开的检测信号图；

图12是根据本发明应力检测防护围栏另一实施例的防护线缆被剪断的检测信号图；

图13是根据本发明应力检测防护围栏另一实施例的组成图；

图14是根据本发明应力检测防护围栏另一实施例的组成图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1和图2所示，应力检测防护围栏包括多个结构组成相同的控制杆1，控制杆之间设置有防护线缆。在控制杆1的壳体K的内部设置有应变梁Y，优选竖直设置，在应变梁Y的两端还分别连接有动滑轮。

其中，位于上方的第一动滑轮D1上套装有第一钢丝线缆G1，第一钢丝线缆G1的两端分别穿过设置在控制杆侧壁上的第一过线孔和第二过线孔用于连接设置在控制杆外部的防护线缆，通常是每一个过线孔对应连接一根防护线缆；位于下方的第二动滑轮D2上套装有第二钢丝线缆G2，第二钢丝线缆G2的两端分别穿过设置在控制杆1侧壁上的第三过线孔和第四过线孔用于连接另外的防护线缆；第一钢丝线缆G1和第二钢丝线缆G2通过这两个动滑轮拉住应变梁Y的两端；在应变梁Y上设置有光纤光栅传感器，光纤光栅传感器通过光纤连接到光纤光栅解调仪3。

如图3和图4所示，这里的应变梁为金属制的金属条、金属杆或金属片。优选的，该应变梁为弹性钢制应变梁，例如材料为65MN的弹簧钢，该应变梁的两端在外界作用力的牵拉作用下会发生微观形变，例如该应变梁将会被微观拉长，当作用力取消后，该应变梁的微观形变消失，应变梁又恢复其原始状态。进一步的，当作用力作用到应变梁两端时，其应变变化量能够被固定其上的光纤光栅传感器感知测量。优选的，光纤光栅传感器贴覆在应变梁的外表面。

可以看出该应变梁Y具有对称结构，两端分别向中间延伸出逐渐靠拢的V形梁，两个V形梁最终和处于正中间的中间梁连接。在中间梁的一个侧壁的外表面贴覆有光纤光栅传感器30，该光纤光栅传感器30的光栅区位于应变梁外表面中间位置，可以通过环氧AB胶进行牢固粘接，在光纤光栅传感器30的两端通过两根光纤31连接，光纤光栅传感器30具有对称性无需对其两端进行区分，因此这样有利于两根光纤31无需区分而接入到干线光纤中。

优选的，通过钢丝线缆在应变梁两端施加预拉力200N，应变梁上的光纤光栅传感器预应变约770微应变；改变钢丝线缆最大受力400N，此时应变梁的光纤光栅传感器应变增大至1540微应变，对应的光栅波长偏移920pm。

进一步的，第一钢丝线缆G1和第二钢丝线缆G2通过两个动滑轮（第一动滑轮D1和第二动滑轮D2）使得应变梁Y处于固定拉紧状态，当第一钢丝线缆G1的两端和第二钢丝线缆G2的两端与相邻两个控制杆之间的防护线缆连接后，防护线缆因入侵而被拉伸后，将会牵拉引起应变梁Y产生形变，进而由光纤光栅传感器感应形变并由光纤光栅解调仪进行检测测量。

通过第一动滑轮D1可以将对第一钢丝线缆G1的两端牵拉产生的作用力传递作用到应变梁Y的上端，而通过第二动滑轮D2可以将对第二钢丝线缆G2的两端牵拉产生的作用力传递作用到应变梁Y的下端，并且无论作用力来自应变梁Y的上端还是下端，均会使得应变梁Y发生形变，进而被光纤光栅传感器感应该形变，因此通过上述方式可以分别通过第一钢丝线缆G1的两端和第二钢丝线缆G2的两端，分别连接四根防护线缆的一致性检测，即四根防护线缆的检测灵敏度相同，任意一条防护线缆被牵拉或者剪断时，都会引起应变梁Y的相同的形变。也即是，四条防护线缆中有任一条被拉伸均会被光纤光栅传感器感应，并且任一条上防护线缆的施加的相同的作用力所引起的应变梁Y的形变是相同的，这样就可以保证对四条防护线缆的一致性检测。

优选的，可以对应变梁拉伸作用力产生的形变设置一个形变门限，当小于该形变门限时，可以认为是外界干扰，而只有大于或等于该形变门限时才认为是有效入侵。通过这种设置门限的方式，可以去除掉防护线缆因风晃动、小鸟驻停晃动等微小作用力的影响，减少和避免虚警的产生。

进一步优选的，当控制杆外部连接的四条防护线缆中有任两条或三条，或者四条同时被拉伸时，可以进一步增大应变梁Y的形变，实际是可以形成对在每一条防护线缆上应力的叠加，这样更加容易超出设定的形变门限，由此进一步增强了检测外力的准确度。

优选的，在本发明中光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG）。该光纤光栅传感器利用光纤材料的光敏特性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用形成折射率的永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，从而改变和控制光在其中的传播行为。它的折射率沿光纤轴向呈固定的周期性调制分布，是一种均匀光栅，具有良好的波长选择性。当宽带光进入光纤后，满足特定条件波长的入射光在光栅处被耦合反射，其余波长的光会全部通过而不受影响，反射光谱在FBG中心波长

处出现峰值。优选的，该中心波长

满足：

其中，

为反射光的中心波长；

为传感器中纤芯的有效折射率；

为光纤光栅折射率调制的空间周期。外界应力会引起折射率和栅距的变化，导致该波长

的移位，满足以下线性关系：

其中，

为波长变化量，

为该传感器中光纤轴向受外力后的应变，

为温度变化，

为该传感器中光纤光弹系数，

为该传感器中光纤热膨胀系数，

为光纤热光系数。

在本实施例中，就是将施加在防护线缆的作用力转换为应变梁Y的形变，进而由光纤光栅传感器探测出这种形变，反映到中心波长的变化，而中心波长的改变能够通过光纤光栅解调仪进行解调检测。

优选的，每个光纤光栅传感器分别对应检测不同的光波波长，也就是说，每个应变梁所贴覆的光纤光栅传感器所感应的光波的波长有所区别，由此可以通过波长不同而区分不同的光纤光栅传感器和对应的应变量。优选的，在不同的所述控制杆内设置的所述光纤光栅传感器对应检测不同的光波波长，所述光纤光栅传感器对应感应的波长包括1530nm、1534nm、1538nm、1542nm、1546nm、1550nm、1554nm、1558nm、1562nm、1566nm，也就是说分别以这些波长为中心波长进行波长变化的感应检测，应变梁受防护线缆钢丝绳拉力产生的波长变化不超过±1nm，而这些光纤光栅传感器之间的波长间隔是4nm，因此相互不会产生干扰，可以有效实现波分复用。

优选的，结合图1和图5所示，所述光纤光栅解调仪连接一芯或多芯干线光纤32，在每一芯干线光纤32上接入多组分支光纤31，每一组分支光纤31包括两根光纤，分别连接光纤光栅传感器30的两端并接入到干线光纤32。当干线光纤32有多芯时，每一芯可以连接多组分支光纤，由此可以连接更多的分支光纤，增加检测的控制杆的数量和距离。并且每个光纤光栅传感器均通过一组分支光纤31连接至干线光纤32，即把分支光纤31中的两根光纤分别串接到同一芯干线光纤32，这两根光纤的另一端分别连接光纤光栅传感器30的两端，再由干线光纤32连接至光纤光栅解调仪3。这里的干线光纤32实际上可以是一芯光纤，而分支光纤31则是串接到该干线光纤32上。

通过光纤总线32和分支光纤31将多个不同反射波长的光纤光栅传感器串联起来使用，每个光纤光栅传感器的反射峰都只会在一定的波长区间内变化，彼此不会发生重叠或者交叉。采用这种波分复用方式实现了单个光纤光栅解调仪3对多个光纤光栅传感器感应不同波长的光信号进行检测。

优选的，相邻的两个控制杆之间的距离根据监控的精度的要求不同，可以有10米、20米、30米、40米的间隔进行安装。优选的，一芯干线光纤可以连接10个不同波长的光纤光栅传感器，因此对应的监控距离范围是900米-3600米，而一个光纤光栅解调仪可以同时接4芯-32芯干线光纤，因此可以对应设置40-320个控制杆，对应的监控距离可以达到3.6km-115.2km。由此可见，一个光纤光栅解调仪可以监控的距离范围是比较大的，并且通过光纤的方式进行监控，传输的是光信号，对光信号的波长变化进行检测，可以实现节省能耗、精准度高、监控范围大。

优选的，结合图6和图7，在控制杆1的内部，第一钢丝线缆G1的第一端还套装第三定滑轮D3，通过第三定滑轮D3使第一钢丝线缆G1的第一端由垂直状态转化为水平状态，进而水平延伸为第一水平线缆X1；

第二钢丝线缆G2的第二端套装第四定滑轮D4，通过第四定滑轮D4使第一钢丝线缆G1的第二端由垂直状态转化为水平状态，进而水平延伸为第二水平线缆X2。

第二钢丝线缆G2的第一端还套装第五定滑轮D5，通过第五定滑轮D5使第二钢丝线缆G2的第一端由垂直状态转化为水平状态，进而水平延伸为第三水平线缆X3；

第二钢丝线缆G2的第二端套装第六定滑轮D6，通过第六定滑轮D6使第二钢丝线缆G2的第二端由垂直状态转化为水平状态，进而水平延伸为第四水平线缆X4。

第三定滑轮D3至第六定滑轮D6均固定在控制杆1的壳体K内。

优选的，本发明分别在第一水平线缆至第四水平线缆施加拉力，并对应变梁上的光纤光栅传感器进行光栅波长偏移测量，结果如表1所示：

表1 应变梁形变对应的光纤光栅传感器的光栅波长偏移量

	初始力160N	180N	200N
				第一水平线缆	1539.026	1539.103	1539.181
第二水平线缆	1539.022	1539.101	1539.175
				第三水平线缆	1539.018	1539.100	1539.169
第四水平线缆	1539.028	1539.111	1539.183

其中，光栅波长的计量是小数点后保留三位，最低位对应的测量单位是pm，例如其中的1539.026nm，其中6对应的是6pm，可以看出对四个线缆的拉力敏感度基本一致；每20N力产生平均约80pm的波长偏移。

优选的，这四根水平线缆（即对应其中的两个钢丝线缆）可以被事先安装在壳体的内部，在该控制杆安装使用时，这四根水平线缆再分别通过与外部的防护线缆进行连接，防护线缆就是围栏用于阻挡和感应入侵外力的线缆，通常也是由钢丝线缆制成。这样有利于将本发明中的控制杆单独作为一个产品进行加工制作，安装时只需要将外部的防护线缆与控制杆内部的水平线缆连接拉紧即可。

优选的，相邻设置的两个控制杆之间，其中第一个控制杆中的第一水平线缆至第四水平线缆，通过对应的第一防护线缆至第四防护线缆连接到第二个控制杆。

优选的，对于每一个控制杆而言，在控制杆的一个侧壁上设置有第一过线孔至第四过线孔，用于第一水平线缆至第四水平线缆伸出连接对应第一防护线缆至第四防护线缆。而这里的第一防护线缆至第四防护线缆又连接到相邻的第二个控制杆上，但是并不是连接到第二个控制杆的第一水平线缆至第四水平线缆，而是连接到第二个控制杆的另一个侧壁上，该侧壁上可以设置有连接体，例如连接孔或连接柱、连接线缆等。

由此可以看出，对于每一个控制杆，一方面是通过一个侧壁伸出的第一水平线缆至第四水平线缆连接第一防护线缆至第四防护线缆，进而连接前一个控制杆；另一方面通过另一个侧壁的连接体连接来自后一个控制杆对应连接的第一防护线缆至第四防护线缆，由此把这些控制杆和防护线缆依次相互连接在一起。

进一步的，第一钢丝线缆G1或第二钢丝线缆G2上串接有弹簧。在图6和图7中，第一钢丝线缆G1被分割为钢丝线缆G11和钢丝线缆G12，钢丝线缆G11和钢丝线缆G12通过弹簧T连接。连接弹簧T后，在任意一根水平线缆被牵拉时，弹簧T也会发生形变，弹簧T会拉伸变长，延展了水平线缆的形变量。但由于弹簧T又具有恢复作用，在水平线缆不再被牵拉后，在弹簧T恢复的作用下，水平线缆恢复至原来的平衡状态。

通过增加弹簧T有利于增强整个水平线缆被外力作用时的韧性，减少和避免由于仅仅是钢丝线缆连接而因刚性太强容易把拉断。另外，通过设置弹簧还可以灵活调整和设置应变梁的初始应变状态，这是因为，当弹簧被设置后，弹簧初始被拉伸的状态可以根据检测的灵敏度而选择设置。当弹簧初始状态拉伸量较小时，则作用在应变梁两端的作用力就较小，这时应变梁的形变就比较小，当以此为初始状态时，就可以使得检测的初始门限设置的较小；而当弹簧初始状态拉伸量较大时，则作用在应变梁两端的作用力就较大，这时应变梁的形变就比较大，当以此为初始状态时，就可以使得检测的初始门限设置的较大；因此，通过合理调整弹簧被拉伸的初始状态，有利于合理选择应变梁检测的作用力的门限。

进一步的，在第一水平线缆X1至第四水平线缆X4上均设置有限位块W，第一过线孔至第四过线孔内均套装有阻挡限位块W移动的过线嘴Z，第一水平线缆X1至第四水平线缆X4分别穿过对应的过线嘴Z。

优选的，限位块W位于在控制杆1的内部，当任意一根水平线缆被向外拉伸时，限位块W会发生移动，最终被过线嘴Z或者定滑轮（第四定滑轮D4和第五定滑轮D5）阻挡，防止水平线缆被进一步拉伸，导致应变梁Y和弹簧T发生损伤形变。限位块W起到保护应变梁Y和弹簧T的作用。

优选的，设置在第一水平线缆X1上的限位块W，在该线缆上设置在第三定滑轮和对应的过线嘴Z之间，这样该限位块的移动范围是在第三定滑轮和对应的过线嘴Z之间的距离；设置在第二水平线缆X2上的限位块W，在该线缆上设置在第一动滑轮和第四定滑轮之间，这样该限位块的移动范围是在第一动滑轮和第四定滑轮之间的距离；设置在第三水平线缆X3上的限位块W，在该线缆上设置在第二动滑轮和第五定滑轮之间，这样该限位块的移动范围是在第二动滑轮和第五定滑轮之间的距离；设置在第四水平线缆X4上的限位块W，在该线缆上设置在第六定滑轮和对应的过线嘴Z之间，这样该限位块的移动范围是在第六定滑轮和对应的过线嘴Z之间的距离。

实际上，设置限位块W也是进一步限定了弹簧被拉伸的最大限位位置，以及由此也是限定了应变梁的最大应变值，因此弹簧在初始的拉伸状态设置到限位块W限定弹簧的最大拉伸状态，由此也就决定了应变梁的应变区间，这个应变区间也就对应了外界侵限作用力的区间，这个区间的起始点不能选择太小，否则会因为灵敏度太高而产生较多的虚警，起始点也不能选择太大，否则会造成一些非法侵限检测不到。

优选的，在控制杆1的第一水平线缆X1至第四水平线缆X4位于对应的过线嘴Z的外部，设置有外部限位块或打有外部限位结，该外部限位结的直径大于过线嘴的口径，当任意一根水平线缆连接的外部的防护线缆被剪断时，外部限位块或外部限位结移动，但最终被设置的过线嘴Z阻挡；防止防护线缆被剪断后，应变梁发生松脱。

结合图8，光纤光栅传感器C设置在应变梁Y上。在控制杆1的壳体K内部设置有第一定位柱A1和第二定位柱A2，应变梁Y设置在第一定位柱A1和第二定位柱A2之间，应变梁Y的上端通过橡皮绳P连接第一定位柱A1，下端通过橡皮绳P连接第二定位柱A2。在应变梁Y的两端设置有横向通孔，橡皮绳P穿过该横向通孔后，两端系紧，挂在第一定位柱A1和第二定位柱A2上，方便应变梁Y安装，同时当外部的防护线缆被牵拉时，由于橡皮绳P能进行弹性形变，应变梁Y可以在竖直方向上进行上下移动。当外部的防护线缆被剪断后，橡皮绳P也能牵拉应变梁Y，防止应变梁Y坠落损坏。

可以看出，应变梁Y的上端连接第一动滑轮D1，下端连接第二动滑轮D2，上端和下端分别向中间延伸出逐渐靠拢的V形梁，两个V形梁最终和处于正中间的中间梁连接，形状具体参看图3和图4。

进一步的，第一水平线缆X1至第四水平线缆X4通过相同的预应力进行拉紧固定，使应变梁Y处于平衡受力状态。预应力的大小为100N~400N。优选的，在图1中，在控制杆1的壳体外部设置有四个紧线器11，第一水平线缆X1至第四水平线缆X4的末端拉紧后分别固定在对应的紧线器11上。

结合图9，在任意两个控制杆1之间还设置有至少一个用于支撑第一防护线缆至第四防护线缆的支撑杆2。在支撑杆2上竖直设置有对应支撑第一防护线缆至第四防护线缆的线缆限位器21，每个线缆限位器21的高度与对应的紧线器20的高度相适配。

优选的，控制杆1和支撑杆2底部均设置有金属底座22，金属底座包括竖直侧面和水平底面，竖直侧面设置有螺母固定孔，由此通过螺栓与控制杆的壳体固定连接，水平底面也设置有螺母固定孔，由此通过螺栓与地面或墙体固定连接。

进一步优选的，如图10所示，该金属底座的竖直侧面41设置有竖直孔411，水平底面42设置有水平孔421，对于竖直孔411而言包括沿圆周设置的多个圆周孔4111和在该圆周中心设置的中心孔4112。在具体的使用中，可以根据应用场景不同，合理从竖直孔411中选择对应的圆周孔4111，例如当需要控制杆与地面完全竖直垂直时，则使用中心孔4112和在竖直方向上的两个圆周孔4111与控制杆的外壳固定连接，当需要控制杆与地面具有倾斜角度时，则使用中心孔4112和在竖直方向有对应夹角的两个圆周孔4111与控制杆的外壳固定连接。

优选的，控制杆的壳体采用1.5mm不锈钢制作，增加强度。应变梁为厚度大于或等于1.5mm的金属板，钢丝线缆的直径为1.5mm，弹簧T的长度50mm、线径2.0mm、外径20mm。底座设计为可调角度，采用2.5mm不锈钢。支撑杆采用1.5mm铝合金，直径24mm。

优选的，在安装使用时，先将光纤光栅传感器固定在应变梁Y上，然后将应变梁Y的两端通过橡皮绳P固定在第一定位柱A1和第二定位柱A2之间。第一动滑轮D1和第二动滑轮D2可事先分别固定在应变梁Y的两端，具体而言就是通过应变梁Y的两端的圆形过孔与分别与两个动滑轮的中轴进行固定连接。

钢线线缆的布设，将第一钢丝线缆G1套装在第一动滑轮D1上，第一钢丝线缆的第一端绕过第三定滑轮D3后形成第一水平线缆X1，第一钢丝线缆的第二端绕过第四定滑轮D4后形成第二水平线缆X2，第一水平线缆X1和第二水平线缆X2分别穿过过线嘴Z，通过对应的第一防护线缆将相邻两个控制杆的第一水平线缆X1连接，通过对应的第二防护线缆将相邻两个控制杆的第二水平线缆X2连接。将第二钢丝线缆G2以同样的方式进行布设，最后形成第三水平线缆X3和第四水平线缆X4，以及通过对应的第三防护线缆将相邻两个控制杆的第三水平线缆X3连接，通过对应的第四防护线缆将相邻两个控制杆的第四水平线缆X4连接。弹簧T也预先串接在第一钢丝线缆G1上，此时，第一钢丝线缆和第二钢丝线缆均处于松弛状态。

预紧，将第一防护线缆至第四防护线缆对应连接的第一水平线缆X1至第四水平线缆X4以相同的预应力进行拉紧，使应变梁处于平衡受力的状态，并将第一水平线缆X1至第四水平线缆X4的末端固定在相应的紧线器11上。

安装限位块，将限位块W安装在第一水平线缆X1至第四水平线缆X4上。然后使用扳手旋转紧线器上的紧线装置，控制好锁紧状态所使用的力量（此处通过大量实验验证，得到一个固定的施力值，使水平线缆处于绷紧状态，同时弹簧位移量一定，以确保当被入侵时，设定的信号参数值可控），使用同样的方式将平行的其他水平线缆调试好，此时应变梁处于一种平衡状态。

安装完成后，光纤光栅传感器通过光纤连接到光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通电，连接到后台控制系统。

打开后台控制系统，读取识别目前光纤光栅解调仪采集到的信号，同时将前期通过大量实验得到的预设变量值输入系统，现场进行试验调试，修改参数值，所有系统及数值调试好之后，整个护栏系统完成。

当有异物入侵，拉动防护线缆，防护线缆拉动对应的水平线缆，进而拉动应变梁，造成应变梁变形，处于应变梁上光纤光栅传感器会瞬间采集形变信号，发送给光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪在汇总给后台控制系统，将变化信号值与调试后的预设值进行比对，如果变化值达到或者超过预设值，则视为有人员入侵，同时后台开始报警；如果变化信号小于预设值，则视为无人员入侵，此种方法可有效的屏蔽掉一些“假信号”，例如猫、鸟等动物，大雨大风天、树枝等植物茎秆造成的钢丝线缆形变，可提高监测的准确性。

对外部入侵情况建立对应的检测感知模式。优选的，当防护线缆被牵拉掀开时，入侵人员或超过一定重量的异物压到或拉开防护线缆时，牵动控制杆内部的应变梁发生形变，该形变模式为图11所示的阶跃信号，持续时间为入侵人员或异物对防护线缆的作用时间，例如常见作用时间超过2s。人员入侵离开或者动物触动拉动防护线缆离开，弹簧会将水平线缆及应变梁拉回原状态，使系统恢复原有平衡。

图11中的信号强度0对应的是应变梁的初始状态，即在应变梁相连的水平线缆在安装后的初始拉紧状态下，没有外界应力作用的情况下对应的状态。而当有外力作用时，将会产生这样的阶跃信号，而该阶跃信号的最大幅度值，对应代表了外力的最大值，横坐标的时间代表了外力作用的时长。因此，通过观测阶跃信号的幅度、时间信息，可以对外界入侵外力的情况进行有效识别。也可以通过设置门限的方式，将测阶跃信号的幅度较小的干扰信号可以滤除掉。

因此，图11中显示的阶跃信号的左边一端表示的防护线缆未被牵拉的状态，当被牵拉后则形成一个门形的阶跃信号，该阶跃信号的幅度代表了防护线缆被牵拉的幅度，当该牵拉动作结束后，该阶跃信号回复，因此在阶跃信号的右边一端表示防护线缆在牵拉结束后的状态。

在图11中，横坐标显示的是时间，纵坐标显示的光纤光栅传感器信号强度的变化，可以看出在与应变梁相连的任一水平线缆被牵拉后，导致该信号强度变化为一阶跃信号，并且该阶跃信号的阶跃幅度与水平线缆被牵拉的作用力呈线性关系，据此可以设定阶跃幅度的门限值，只有当阶跃信号的幅度值等于或大于该门限值时，才进行有效的识别报警，而小于该门限值时则认为是无效信号，可以滤除而不必进行告警。

因此，优选的，光纤光栅解调仪探测解调的信号中包括水平线缆被牵拉后所对应的牵拉阶跃信号，通过设置牵拉检测门限，对牵拉阶跃信号的有效性进行判断。

优选的，阶跃信号的强度可以进行叠加，当拉动两根以上的水平线缆时，阶跃信号的幅度会增大。

进一步优选的，在控制杆的壳体的侧壁，即对向防护线缆的侧壁上设置有微型监控摄像头，例如手机中使用的监控摄像头，这种摄像头具有体积小、低功耗和宽视场的特点，也便于在壳体的侧壁隐蔽安装。并且，通常情况下该监控摄像头并不开机工作，而是当光纤光栅解调仪探测解调到的牵阶跃信号大于或等于牵拉检测门限后，则触发该摄像头开机工作，对监控场景进行拍照或录像。另外，控制杆上还可以设置有声光报警器，该声光报警器通常情况下也并不开机工作，而是当所述光纤光栅解调仪探测解调到的牵拉阶跃信号大于或等于牵拉检测门限后，则触发声光报警器开机工作，实现声光告警威慑，减少和避免入侵发生。

因此在本发明中，针对扰动护栏而牵拉防护线缆的行为，根据形变大小设置变化阈值，对量级较低的形变进行过滤，例如鸟类站立在钢丝线缆上造成的护栏应力检测变化会因为达不到报警阈值而进行过滤，从而实现对树枝、小鸟、风雨等不需要报警的微小扰动行为进行有效滤除，减少系统误报率。

优选的，当防护线缆被剪断时，当入侵人员采用剪断防护线缆入侵时，应变梁会发生反向回弹，这时应变梁的两端的作用力减小，弹簧也会由拉伸状态而回缩，这时应变梁的应变值比初始状态值要小，因此对应的信号幅度也就低于0。并且，由于剪断后应变梁的两端的作用力不会恢复到弹簧拉伸张紧的状态，因此这种变化是不可逆的，

内置的光纤光栅传感器检测到持续的应力变化，该变化在防护线缆断开后为阶跃变化且不可逆，剪断测试信号如图12所示。

在图12所示实施例中，包括有1根防护线缆被剪断的监测信号变化图，可以看出，被剪断一根防护线缆后，该阶跃信号的幅度将保持，而不会返回到剪断之前对应的信号状态，这是与牵拉防护线缆有明显区别之处。并且剪断后的信号状态为负向的阶跃信号，相对于牵拉造成的正向的阶跃信号可以明显的区分出来。

可以建立单根防护线缆被剪断的的阶跃信号数据，并对该数据进行存储，在实际检测中可以根据阶跃信号变化的特点，而与存储的阶跃信号数据进行对比，由此判断防护线缆被剪断的情况。因此，优选的，光纤光栅解调仪探测解调的信号中包括防护线缆被剪断后所对应的剪断阶跃信号，通过设置剪断检测门限，对剪断阶跃信号的有效性进行判断。

优选的，前述的微型监控摄像头和声光报警器的开机工作也适用于对剪断阶跃信号的检测，即当光纤光栅解调仪探测解调的剪断阶跃信号大于或等于剪断检测门限时，触发微型监控摄像头和声光报警器开机工作。

本发明中，针对剪断防护线缆的行为，根据应变梁的形变大小设置变化阈值，对量级较低的松动形变进行过滤，例如防护线缆的热胀冷缩造成的围栏应力检测变化会因为达不到报警阈值而进行过滤，从而实现对自然环境缓慢变化导致应变变化等不需要报警的行为进行有效滤除，减少系统误报率。

如果是有人员剪断线缆入侵，或者有树枝之类的异物，连接防护线缆的弹簧会拉动水平线缆和应变梁，使应变梁一直处于一种不变的形变状态，此时光纤光栅传感器会实时记录信号，传递给光纤光栅解调仪一个恒定不变的信号变化值，光纤光栅解调仪会根据此状态进行预警提示，根据信号变化量的大小，判断是人员入侵还是树枝挂压，后台系统有预设的剪断线缆时，应变梁形变信号变化量。

优选的，该应力探测护栏在需要安防的建筑物周围进行铺设，每10米-30米安装一个控制杆，每两个控制杆之间设立若干个支撑杆，用于架设支撑防护线缆。

优选的，控制杆高度600mm，从上至下设立四组防护线缆，防护线缆连接着应变梁及弹簧，安装完成后，防护线缆的拉力与弹簧的拉力处于一个平衡的状态，应变梁基本保持非形变的竖直状态。

所有的系统安装完成后，启动后台总控制系统，开始周界安全实时监测，此时系统会记录一个应变梁形变量信号，作为初始的标准参量信号，然后再根据前期大量的实验结果，设定一个判断为人员入侵所表现出的信号变化量值。

当有人员入侵，拉动防护线缆，弹簧会有位移，同时拉动感应弹片产生形变；松开后，弹簧的拉力会将水平线缆及应变梁拉回原状态，保持平衡，而固定在应变梁上的光纤光栅传感器会瞬间记录信号，分析信号变化量，与预设值进行对比，从而断定是否有人员入侵。

另外，如果有人员剪断防护线缆进行入侵，由于防护线缆剪断，受弹簧拉力作用，防护线缆反向移动，外部限位块会阻挡在过线嘴上，阻止防护线缆的进一步反向移动。该过程中，应变梁反向变形，应变梁上的传感器会瞬间记录形变信号信息，传输给解调仪和后台总机，进行分析、比对，判断为有人员入侵的情况，同时根据传输信号的分析系统的编号判断入侵人员位置。此外，可以设定阈值，有效的过滤掉干扰信息，例如动物拉拽线缆，植物支杆脱落、大风大雨等。可提高监测的效率，减少误报。

优选的，相邻设置的两个控制杆之间，其中第一个控制杆中的至少一根水平线缆对应连接一根防护线缆后，所述防护线缆的自由端通过第二个控制杆外部设置的转向滑轮，回转延伸并固定在第一个控制杆上。

具体而言，如图13所示，作为本发明的另一个实施例。控制杆1的内部组成与上述实施例保持一致，其区别在于在控制杆1的壳体上还设置有第一转向滑轮51至第八转向滑轮58。第一转向滑轮51至第八转向滑轮58自上而下间隔设置在控制杆1的壳体上。可以看出，控制杆1上的第一防护线缆F1绕过另一控制杆1上的第一转向滑轮51后，向下延伸并绕过第二转向滑轮52，最终第一防护线缆F1延伸为第五防护线缆F5，第五防护线缆F5的末端固定在原来的控制杆1上。在本实施例中，采用了两个较小的转向滑轮（第一转向滑轮51和第二转向滑轮52）将第一防护线缆F1延伸为第五防护线缆F5，当然该过程也可通过一个较大的转向滑轮等效代替两个较小的转向滑轮，来实现该目的。

同理，第二防护线缆F2绕过第三转向滑轮53和第四转向滑轮54后延伸为第六防护线缆F6；第三防护线缆F3绕过第五转向滑轮55和第六转向滑轮56后延伸为第七防护线缆F7；第四防护线缆F4绕过第七转向滑轮57和第八转向滑轮58后延伸为第八防护线缆F8；由此可以形成八根防护线缆的结构，增加防护线缆的密度。

基于上述实施例，如果需要五根防护线缆结构，可以在控制杆1的壳体上设置两个转向滑轮，由第一防护线缆F1至第四防护线缆F4任意一根绕过两个转向滑轮延伸形成第五防护线缆F5，其余防护线缆直接固定在相邻的控制杆上；如果需要六根防护线缆结构，可以在控制杆1的壳体上设置四个转向滑轮，由第一防护线缆F1至第四防护线缆F4任意两根分别绕过两个转向滑轮，最终延伸形成第五防护线缆F5和第六防护线缆F6，其余防护线缆直接固定在相邻的控制杆上；如果需要七根防护线缆结构，可以在控制杆1的壳体上设置六个转向滑轮，由第一防护线缆F1至第四防护线缆F4任意三根分别绕过两个转向滑轮，最终延伸形成第五防护线缆F5至第七防护线缆F7，另外一根防护线缆直接固定在相邻的控制杆上。

优选的，当采用五根防护线缆结构至七根防护线缆结构时，可以在控制杆1内部调整第三定滑轮D3至第六定滑轮D6、以及外部控制杆壳体上转向滑轮的位置，使得每根防护线缆之间的间距保持一致。

优选的，如图14所示。作为本发明的另一个实施例。在控制杆1内设置有两个应变梁，其余结构与图2中的实施例保持一致。在该实施例中，通过一个控制杆1就能够向左右方向各延伸出四根连接防护线缆的水平线缆，能够提高控制杆1的使用空间，节省控制杆1的使用数量，达到节省成本的目的。

由此可见，本发明公开了一种应力检测防护围栏，包括多个结构相同的控制杆，控制杆之间设置有多根防护线缆，内部设置有应变梁，在应变梁的两端还分别连接有动滑轮，上方的第一动滑轮上套装有第一钢丝线缆，下方的第二动滑轮上套装有第二钢丝线缆，第一钢丝线缆和第二钢丝线缆的两端分别连接外部的防护线缆；在应变梁上设置有光纤光栅传感器，两端通过光纤连接到光纤光栅解调仪。本发明能够对连接的任意一条防护线缆被拉伸后，由应变梁产生相同的形变并被感知，对外力入侵具有相同的感知度，通过光纤连接光纤光栅传感器，一个光纤光栅解调仪就可以对多个控制杆进行测量，还具有节省能耗、精准度高、监控范围大优势。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种应力检测防护围栏，包括多个结构组成相同的控制杆，控制杆之间设置有防护线缆，其特征在于，所述控制杆的壳体的内部设置有应变梁，在所述应变梁的两端还分别连接有动滑轮；其中，位于上方的第一动滑轮上套装有第一钢丝线缆，所述第一钢丝线缆的两端分别穿过设置在控制杆侧壁上的第一过线孔和第二过线孔用于连接防护线缆；位于下方的第二动滑轮上套装有第二钢丝线缆，所述第二钢丝线缆的两端分别穿过设置在控制杆侧壁上的第三过线孔和第四过线孔用于连接防护线缆；在所述应变梁上设置有光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器的两端通过光纤连接到光纤光栅解调仪；当第一钢丝线缆的两端和/或第二钢丝线缆的两端连接的防护线缆受到外力牵拉，所述应变梁对应产生形变，进而由光纤光栅传感器感应形变并由光纤光栅解调仪进行检测测量；所述光纤光栅传感器固定在应变梁上；在所述控制杆的内部，所述第一钢丝线缆和/或第二钢丝线缆上串接有弹簧；在所述控制杆的壳体内部的竖直方向上设置有第一定位柱和第二定位柱，所述应变梁设置在所述第一定位柱和第二定位柱之间，所述应变梁的上端通过橡皮绳连接所述第一定位柱，下端通过橡皮绳连接所述第二定位柱；在同一根光纤连接的不同的所述控制杆内设置的所述光纤光栅传感器对应检测不同的光波波长；所述光纤光栅解调仪连接一芯或多芯干线光纤，在每一芯干线光纤上接入多组分支光纤，每一组分支光纤包括两根光纤，分别连接光纤光栅传感器的两端并接入到干线光纤；在所述控制杆的内部，第一钢丝线缆的第一端还套装第三定滑轮，通过第三定滑轮使第一钢丝线缆的第一端由垂直状态转化为水平状态，进而水平延伸为第一水平线缆；第一钢丝线缆的第二端套装第四定滑轮，通过第四定滑轮使第一钢丝线缆的第二端由垂直状态转化为水平状态，进而水平延伸为第二水平线缆；第二钢丝线缆的第一端还套装第五定滑轮，通过第五定滑轮使第二钢丝线缆的第一端由垂直状态转化为水平状态，进而水平延伸为第三水平线缆；第二钢丝线缆的第二端套装第六定滑轮，通过第六定滑轮使第二钢丝线缆的第二端由垂直状态转化为水平状态，进而水平延伸为第四水平线缆；第三定滑轮至第六定滑轮均固定在控制杆的壳体内。

2.根据权利要求1所述的应力检测防护围栏，其特征在于：在所述第一水平线缆至第四水平线缆上均设置有限位块，所述第一过线孔至第四过线孔内均套装有阻挡所述限位块移动的过线嘴，第一水平线缆至第四水平线缆分别穿过对应的过线嘴。

3.根据权利要求1所述的应力检测防护围栏，其特征在于：相邻设置的两个控制杆之间，其中第一个控制杆中的第一水平线缆至第四水平线缆，通过对应的第一防护线缆至第四防护线缆连接到第二个控制杆。

4.根据权利要求1所述的应力检测防护围栏，其特征在于：相邻设置的两个控制杆之间，其中第一个控制杆中的至少一根水平线缆对应连接一根防护线缆后，所述防护线缆的自由端通过在第二个控制杆上设置的转向滑轮，回转延伸并固定在第一个控制杆上。

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