CN113820815A - 一种具有环境监测功能的蝶缆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有环境监测功能的蝶缆，用于对监测区域内的待测参数进行实时监测，并将监测信号发送给监测系统；蝶缆包括外护套、紧套光缆、加强件和松套光缆，外护套的两侧各形成有两个V型撕裂槽；监测系统在接收到的监测信号为异常数据时，控制显示器进入异常显示模式：将显示器的显示界面划分为第一显示区域和第二显示区域，第一显示区域用于显示m个时间段内的m个图像及对应的时间起点和时间终点，每个时间段包括N个采样周期，第二显示区域用于显示m个图像叠加得到的视频；每个图像为用于表征N个预设采样周期内的蝶缆上的监测点和对应的监测信号之间的关系。本发明能够在显示界面直观的显示足够长的时间段内的监测信号。

Description

一种具有环境监测功能的蝶缆

技术领域

本发明涉及一种传感光缆领域，具体涉及一种具有环境监测功能的蝶缆。

背景技术

随着对抗电磁干扰、抗高温、长距离、分布式温度和应变传感光纤系统的需求日益增多，因具备温度、应变同测，高精度、高空间分辨率及远距离等优点，基于布里渊散射分析的光纤传感系统在行业领域中得到了快速发展。分布式光纤温度和应力传感器广泛应用于石化能源、交通隧道、城市综合管廊、电力电缆等，用于施工质量监测、长期健康监测和火灾报警等。光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。被测参数会被发送给后台的控制器，经过处理后会在显示设备上进行显示。目前的显示方式是，以光缆长度作为横轴，以采样时间为竖轴，绘制对应的图形，并按照每个采样周期进行显示，即显示设备每次只显示一个采样周期的采样数据，不能显示预设时间段内的采样数据，如果需要获取某个时间段的采样数据时，还需要从数据库中获取，使得数据获取不方便，显示不够直观。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明实施例提供一种具有环境监测功能的蝶缆，能够直观准确的显示预设时间段的监测数据。

本发明采用的技术方案为：

本发明实施例提供一种具有环境监测功能的蝶缆，所述蝶缆铺设在监测区域处，用于对监测区域内的待测参数进行实时监测，并将监测信号发送给监测系统；所述监测系统包括：信号接收设备、控制器和显示器，所述控制器分别与所述信号接收设备和所述显示器通信连接；信号接收设备，设置在监测区域处，用于按照预设采样周期获取蝶缆监测到的监测信号并发送给所述控制器；所述控制器用于接收所述监测信号，并根据监测信号建立表征蝶缆上的监测点和对应的监测信号之间的关系的图像并在所述显示器上进行显示，其中，在确定接收到的监测信号为异常数据时，控制所述显示器进入异常显示模式，所述异常显示模式包括：将所述显示器的显示界面划分为第一显示区域和第二显示区域，所述第一显示区域用于显示m个时间段内的m个图像及对应的时间起点和时间终点，每个时间段包括N个采样周期，所述第二显示区域用于显示m个图像叠加得到的视频；每个图像为用于表征N个预设采样周期内的蝶缆上的监测点和对应的监测信号之间的关系；其中，所述控制器在确定当前计算时刻t_i接收到的监测信号i为异常数据时， i的取值为1到n，n为采样周期数，按照如下方式进行显示：将当前计算时刻ti至计算时刻tj内接收到的监测信号依次按照每N个监测信号作为一个图像依次显示在所述第一显示区域内，并在第二显示区域内显示第一显示区域内的图像对应的视频，计算时刻tj为确定从异常显示模式进入正常显示模式时的时刻。

本发明实施例提供的具有环境监测功能的蝶缆，能够对监测区域的待测参数进行实时监测，并将监测信号发送给监测系统进行实时处理，其中，监测系统在接收到的监测信号为异常数据时，进入异常显示模式，将当前计算时刻ti至计算时刻tj内接收到的监测信号依次按照每N个监测信号作为一个图像依次显示在所述第一显示区域内，并在第二显示区域内显示第一显示区域内的图像对应的视频，从而能够在显示界面上直观显示预设时间段即多个采样周期内的监测信号。

附图说明

图1为本发明实施例提供的蝶缆的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的蝶缆的制备模具图；

图3为本发明实施例提供的具有环境监测功能的蝶缆与监测系统连接的结构示意图；

图4为本发明实施例的异常显示模式的示意图；

图5为本发明实施例的正常显示模式的示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种具有环境监测功能的蝶缆1，用于对监测区域（未图示）内的待测参数进行实时监测，并将监测信号发送给监测系统。

在本发明实施例中，蝶缆1可称之为蝶形光缆，也称之为光纤传感器，铺设在监测区域处，用于对监测区域内的待测参数进行实时监测。监测区域可为任何适合采用蝶缆进行监测的区域，例如，隧道、高架桥、燃气管道等。在一个示意性实施例中，本发明的蝶缆铺设在埋设在地下的燃气管道内表面。待测参数可根据实际情况确定，例如，可为温度、应力、振动等。

在本发明实施例中，待测参数可为温度或者应力，或者温度和应力。在待测参数为温度的情况下，蝶缆1为温度蝶缆。在待测参数为应力的情况下，蝶缆1为应力蝶缆。在待测参数为温度和应力的情况下，蝶缆1可为同时具备温度和应力测量功能的蝶缆。优选，本申请的蝶缆1为同时具备温度和应力测量功能的蝶缆。

在一具体实施例中，本申请的蝶缆1可为具有温度和应力传感功能的蝶形光缆。如图1所示，可包括外护套101、紧套光缆102、加强件103、松套光缆104和撕裂槽105。其中，外护套101可为扁平结构，方便接触面积大，可通过粘结剂进行表面粘贴安装。紧套光缆102、加强件103、松套光缆104依次设置在外护套101内，撕裂槽105设置在外护套101的两侧，可为V型撕裂槽，可包括2组对称放置的V型撕裂槽，2组对称设置的V型撕裂槽形成蝶形，使蝶缆易于手撕开剥紧套光缆和松套光缆。外护套和光纤单元的具体尺寸可根据实际情况确定，在一个示意性实施例中，光纤单元的直径可为0.9mm，外护套尺寸约为3.5*2.0mm，比常规的蝶缆尺寸3.0*2.0mm只大了0.5mm。

在本发明实施例中，紧套光缆为应力应变光缆紧套光缆102，包括紧套紧光纤和包裹在紧套光纤外部的紧套被覆层，紧套光纤与外护套是等长度的，即没有相对的光纤余长，若蝶缆产生应力变形则紧套光缆与整体变形的统一度较高。松套光缆104为温度应变光缆，可包括松套光纤和设置在松套光纤外部的松套管，松套光纤在松套管内有余长，即松套光纤的长度大于松套管的长度。松套光纤用于温度补偿，即当蝶缆受应力产生应变，松套管内的光纤由于有余长，可以不受应变影响，而只对温度变化敏感。本发明实施例中的蝶缆由于设置了一根有余长一根无余长的两根光纤，再利用布里渊频移测定方法做分析，即可准确区分温度、应变两方面物理量的变化。

影响应力测试结果准确度的最重要环节在于与光纤直接接触的材料，因此，为确保应力测试结果准确，紧套光缆应选择弹性变形区间大、变形应力均一的材料，例如，热塑性聚酯弹性体和尼龙。因此，本发明实施例中的紧套光缆的紧套被覆层采用高强度高硬度耐磨损的热塑性聚酯弹性体或者尼龙紧套制成。紧套被覆层的直径可为0.9mm。

温度传感依靠外界温度应力变化影响到光纤，所以温度传感光缆应选择温度传输快、隔温能力弱的材料，如金属材料形成的编织层、铠装层。因此，在本发明实施例中，松套光缆104可采用裸光纤外加一层直径0.9mm的柔性螺旋钢管铠装层制成，能够导热性能良好，响应速度快。

在本发明实施例中，外护套101可采用具有化学防鼠功能的低烟无卤阻燃聚烯烃或者阻燃聚乙烯材料。由于松套光缆采用的0.9mm的柔性螺旋不锈钢管铠装，紧套光缆采用高强度高硬度耐磨损的热塑性聚酯弹性体或者尼龙紧套光缆，两者可以有效提升蝶缆的防鼠抗压性能，单根0.9mm铠管抗侧压力可高达5000N/100mm，单根0.9mm尼龙紧套纤抗测压力也可以到达1000N/100mm，整根光缆的抗抗侧压力可达到2200N/100mm以上。

本实施例中的蝶缆1可通过如下步骤制成：

1、在紧套线按照现有工艺生产0.9mm热塑性聚酯弹性体或尼龙紧套纤，确保光缆外径符合0.9±0.05mm，壁厚均匀，同时紧套光纤处于紧包状态，光缆的剥离力应满足以下要求：a）同时剥离光纤涂覆层和光缆护套，一次性剥离长度为15mm； b）剥离力应在5N~18N。

2、在螺旋铠装生产线生产0.9mm柔性不锈钢管铠装松套光缆，光纤螺旋装铠管机是生产不锈钢窄带、小直径螺旋绕包装铠的防鼠、耐侧压柔软光缆的核心设备，主要功能是把不锈钢窄带在紧套光缆外围卷绕成小节距、小直径螺旋管，起到装铠作用。为使得光纤在0.9mm铠管内获得较大的正余长，在确保铠管正常生产的情况下，光纤放线的张力尽可能的小，而收线张力应尽可能的大。

3、准备好0.9mm紧套纤、0.9mm铠装松套纤和一根加强件，加强件可以是直径0.45*0.5mm的涂胶钢丝或者是0.5*0.6mm的KFRP，按照此配置可以在护套线生产出外径3.5*2.0mm的蝶形护套成缆即蝶缆。如果对蝶缆的拉力有特殊要求，可以调整加强件的直径或者数量，成缆外径随之调整，下面以上述外径3.5*2.0mm成缆为例说明护套工序。

4、0.9mm紧套纤、0.9mm铠装松套纤和一根加强件通过2路光纤放线架和1路加强件放线架设定特定的张力放线进入机头模具，通过挤塑机和模具挤出成型，经过冷却水槽，拉至牵引机，由此成缆。

5、将0.9mm紧套纤和加强件与外护套紧包在一起，而0.9mm铠装松套纤外护套适当松套即可，不需要紧包，否则护套料会通过铠管间隙流入铠管内部，对光纤造成挤压。所以护套模具采用一孔挤管两孔挤压，这有利于一松两紧结构的形成。该光缆尺寸小，结构较为复杂，2根光缆的护套松紧度需保持稳定，因此需要采用专门的一孔挤管两孔挤压的免调模具，以降低调模难度，减少调试浪费，并同时可以稳定2根光纤单元松紧度。

本发明实施例中，提供的一孔挤管两孔挤压的免调模具可如图2所示，包括免调外模20和免调内模21，免调外模20的两端形成有插入孔，免调内模21的两端形成有与插入孔相适配的插入件，以使得免调外模和免调内模相互配合在一起。免调外模20设有2组对称V型撕裂槽的扁平形状的空腔，外形与蝶形光缆类似。免调内模21的前端设有3个圆形通道，1根圆形通道加圆柱形长管，采用挤管方式，用于穿入0.9mm铠装松套纤，另外2根圆形通道不加管，采用挤压方式，用于穿入0.9mm紧套纤和加强件。内模和外模通过两根圆形柱进行连接对中，并且金属圆柱上附带金属圈垫片用来固定模间距，外模套内腔的内表面与内模的外表面间形成塑料挤出通道。

本发明实施例提供的蝶缆在具体应用时，可与监测系统连接。如图3所示，一示意性实施例的监测系统可包括信号接收设备2、控制器3和显示器4。控制器3分别与信号接收设备2和显示器4通信连接。

其中，在本发明实施例中，信号接收设备2设置在监测区域处，与蝶缆1的信号输出端连接，用于按照预设采样周期获取蝶缆1监测到的监测信号并发送给控制器3。监测信号包括蝶缆上所有监测点的数据，即包括多个监测数据。预设采样周期例如可为3~5s，优选可3s。信号接收设备2可通过交换机与控制器3通信连接。本发明的监测系统还包括位于蝶缆1的信号输入端的信号发射设备。信号发射设备和信号接收设备可均为现有技术。

在本发明实施例中，控制器3用于接收监测信号，并根据监测信号建立表征蝶缆上的监测点和对应的监测信号之间的关系的图像，并在显示器上进行显示。控制器3可基于现有技术例如布里渊频移原理来建立信号瀑布图，为避免赘述，本发明省略对该具体过程的详细介绍。其中，在确定接收到的监测信号为异常数据时，控制显示器4进入异常显示模式。图像可为表征蝶缆上的监测点和对应的监测信号之间的关系的曲线图，图像的横轴为光缆的长度位置，纵轴为监测的监测信号，监测信号可在图像中的相应位置使用预设图形进行表示，例如圆点、三角形、正方形等，优选可为实心圆点。监测点可根据实际情况进行确定，例如，2km长的光缆可每间隔1m设置一个监测点，光缆上的监测点对应于监测区域的对应监测位置。

在本发明实施例中，异常显示模式包括：

将显示器的显示界面划分为第一显示区域和第二显示区域，第一显示区域用于显示m个时间段内的m个图像及对应的时间起点和时间终点即每个图像中的监测信号的时间起点和时间终点，例如，时刻t1至时刻t2，每个时间段包括N个采样周期，第二显示区域用于显示m个图像叠加得到的视频，如图4所示。需要说明的是，图4中示出的是温度信号，但也可以是其它信号，例如，应力信号。此外，图4中的曲线仅是示例，并不代表实际图形。每个图像为用于表征N个采样周期内的蝶缆上的监测点和对应的监测信号之间的关系。在一个示例中，例如，N=10~20。这样，每个图像可包括多个采样信号，能够在显示界面内显示时间尽可能长的时间段内的监测信号。图像和视频均存储在数据库中。

在本发明实施例中，正常显示模式为在显示界面上将连续接收到的所有为正常数据的监测信号呈现在同一个图像上，如图5所示，即将接收到的正常数据均在同一个图像中进行显示。在一个示意性实施例中，在正常显示模式中，以不同的颜色显示不同的监测信号，例如，可按照预设颜色表依次进行显示，预设颜色表中存储有多种例如128种颜色，可按照时间顺序依次选择不同的颜色进行显示，例如，监测信号i对应颜色i，从而能够区分各个采样周期的采样信号。可设置显示的监测信号的数目，例如，图像上显示128个监测信号，如果信号超过128个，自动覆盖前面的信号，确保在同一图像中显示预设时间段内的正常数据。

在本发明实施例中，监测信号为单个待测参数的信号，例如，为温度信号或者应力信号。

在本发明实施例中，第二显示区域设置有视频控件，通过点击视频控件得到对应的视频。如图4所示，第二显示区域可位于显示界面的左上角位置，第二显示区域可设置为尽可能的小，以使得第一显示区域能够显示尽可能多的图像。通过设置显示多个图像的第一显示区域和显示视频的第二显示区域，这样，不仅能够直观地显示预设时间段内的图像，而且可以通过点击视频控件能够查看对应的视频，从而能够显示更多时间段内的图像。

进一步地，在本发明实施例中，控制器2在确定当前计算时刻t_i接收到的监测信号i为异常数据时， i的取值为1到n，n为采样周期数，按照如下方式进行显示：

将当前计算时刻ti至计算时刻tj内接收到的监测信号依次按照每N个监测信号作为一个图像依次显示在第一显示区域内，并在第二显示区域内显示第一显示区域内的图像对应的视频，计算时刻tj为确定从异常显示模式进入正常显示模式时的时刻。例如，如果在计算时刻ti至计算时刻tj内共接收到100个异常数据，则将接收到的异常数据按照接收时间，依次按照每15个信号为一组呈现在同一信号瀑布图中。每个图像中的不同监测信号可以采用相同颜色或者不同颜色进行显示。

在本发明实施例中，在每个计算时刻接收到的监测信号中的所有数据均满足预设条件时，确定对应的监测信号为正常数据，否则为异常数据；

预设条件包括同时满足：

条件1：监测信号中的每一个数据均位于预设范围[A-ΔA，A+ΔA]内；A为预设值，ΔA为预设误差值，可根据实际经验进行设置。在应用场景为燃气管道时，在其处于正常工作状态时，内部温度和应力是恒定的，因此，可基于监测数据是否位于该恒定温度/应力的附近来确定是否为正常数据。

条件2：

，dp为每个采样周期采集的监测信号d中的第p个数据，p的取值为1到n1，n1为监测信号d中的数据个数；Arg（d）为监测信号d中所有数据的均值，D0为预设阈值。

如果每次监测的信号中所有的数据均位于预设范围内并且每个数据与所有数据的均值差的绝对值小于预设阈值，则表示本次监测的信号是正常数据，否则，即只要任一个监测信号不同时满足上述条件1和2，则判定为异常数据。

进一步地，如果根据计算时刻ti至计算时刻tj内接收到的监测数据得到的图像个数大于m，则将得到的第m+1个至第m+k个图像依次显示在第一显示区域内的第1个至第k个图像处，即如果得到的图像个数大于m，则可利用超过的图像覆盖掉前面的图像。在本发明实施例中，m基于

得到，W和H分别为显示器的分辨率，W0和H0为每个图像的分辨率。

进一步地，还包括计数器C，计数器C的初始值为0。在本发明实施例中，计算时刻tj可基于如下步骤确定：

S100，如果在计算时刻tk第一次接收到的监测信号为正常数据，则启动计数器并设置C=C+1；i＜k＜j；

S110，判断自计算时刻tk起的每个计算时刻接收到的监测信号是否为正常数据，如果是，则C=C+1，执行S120；否则，C=0，并返回步骤S100；

S120，如果C=C0，则确定对应的计算时刻为tj，C0为预设次数阈值。即如果时间段tj-tk内，连续接收到的监测信号的个数达到预设次数阈值，采进入正常显示模式，能够避免多种原因例如客观环境或者设备工业误差等干扰带来的误差，从而使得监测数据更加准确。

在本发明实施例中，数据库中还存储有历史上预设时间段内的故障检测集列表F=（F1，F2，…，Fs，…，FM），Fs表示第s个故障，s的取值为1到M，M为故障总数。在本发明实施例中，故障是指实际确定为由于外界因素导致的故障，例如，燃气管道的确发生了泄露。在确定该故障的采样期间，每次采样信号可均为异常数据，也可夹杂正常数据，例如，在时刻t1和t2的采样数据为异常数据，在时刻t3至t5期间的采样数据为正常数据，而时刻t6至t20期间的采样数据为异常数据。

其中，在本发明实施例中，C0=k*max（C_正），k为预设系数，优选，k≥2。其中，C_正=（C₁，C₂，…，Cq，…，C_M），Cq为第q个故障中出现正常数据的次数，即在确定第q个故障的采样期间中正常数据出现的次数。这样，将C0设置为k*max（C_正），能够避免由于多种原因例如客观环境或者设备工业误差等干扰带来的误差，从而使得监测数据更加准确。

以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有环境监测功能的蝶缆，其特征在于，所述蝶缆铺设在监测区域处，用于对监测区域内的待测参数进行实时监测，并将监测信号发送给监测系统；所述蝶缆包括外护套、紧套光缆、加强件和松套光缆，所述紧套光缆、所述加强件和所述松套光缆依次设置在所述外护套中，所述外护套的两侧各形成有两个V型撕裂槽；

所述监测系统包括：信号接收设备、控制器和显示器，所述控制器分别与所述信号接收设备和所述显示器通信连接；信号接收设备，设置在监测区域处，用于按照预设采样周期获取蝶缆监测到的监测信号并发送给所述控制器；所述控制器用于接收所述监测信号，并根据监测信号建立表征蝶缆上的监测点和对应的监测信号之间的关系的图像并在所述显示器上进行显示，其中，在确定接收到的监测信号为异常数据时，控制所述显示器进入异常显示模式，所述异常显示模式包括：

将所述显示器的显示界面划分为第一显示区域和第二显示区域，所述第一显示区域用于显示m个时间段内的m个图像及对应的时间起点和时间终点，每个时间段包括N个采样周期，所述第二显示区域用于显示m个图像叠加得到的视频；每个图像为用于表征N个预设采样周期内的蝶缆上的监测点和对应的监测信号之间的关系；

其中，所述控制器在确定当前计算时刻t_i接收到的监测信号i为异常数据时， i的取值为1到n，n为采样周期数，按照如下方式进行显示：

将当前计算时刻ti至计算时刻tj内接收到的监测信号依次按照每N个监测信号作为一个图像依次显示在所述第一显示区域内，并在第二显示区域内显示第一显示区域内的图像对应的视频，计算时刻tj为确定从异常显示模式进入正常显示模式时的时刻。

2.根据权利要求1所述的具有环境监测功能的蝶缆，其特征在于，在每个计算时刻接收到的监测信号中的所有数据均满足预设条件时，确定对应的监测信号为正常数据，否则为异常数据；

所述预设条件包括同时满足：

条件1：监测信号中的每一个数据均位于预设范围[A-ΔA，A+ΔA]内；A为预设值，ΔA为预设误差值；

条件2：

，dp为每个采样周期采集的监测信号d中的第p个数据，p的取值为1到n1，n1为监测信号d中的数据个数；Arg（d）为监测信号d中所有数据的均值，D0为预设阈值。

3.根据权利要求1所述的具有环境监测功能的蝶缆，其特征在于，如果根据计算时刻ti至计算时刻tj内接收到的监测数据得到的图像个数大于m，则将得到的第m+1个至第m+k个图像依次显示在第一显示区域内的第1个至第k个图像处。

4.根据权利要求1所述的具有环境监测功能的蝶缆，其特征在于，第二显示区域设置有视频控件，通过点击所述视频控件得到对应的视频。

5.根据权利要求1所述的具有环境监测功能的蝶缆，其特征在于，m基于

得到，W和H分别为显示器的分辨率，W0和H0为每个图像的分辨率。

6.根据权利要求1所述的具有环境监测功能的蝶缆，其特征在于，还包括计数器C，计数器C的初始值为0；

计算时刻tj基于如下步骤确定：

S100，如果在计算时刻tk第一次接收到的监测信号为正常数据，则启动计数器并设置C=C+1；i＜k＜j；

S110，判断自计算时刻tk起的每个计算时刻接收到的监测信号是否为正常数据，如果是，则C=C+1，执行S120；否则，C=0，并返回步骤S100；

S120，如果C=C0，则确定对应的计算时刻为tj，C0为预设次数阈值。

7.根据权利要求6所述的具有环境监测功能的蝶缆，其特征在于，所述正常显示模式为在所述显示界面上将连续接收到的所有为正常数据的监测信号呈现在同一个图像上。

8.根据权利要求7所述的具有环境监测功能的蝶缆，其特征在于，在正常显示模式中，以不同的颜色显示不同的监测信号。

9.根据权利要求6所述的具有环境监测功能的蝶缆，其特征在于，还包括数据库，所述数据库中存储有历史上预设时间段内的故障检测集列表F=（F1，F2，…，Fs，…，FM），Fs表示第s个故障，s的取值为1到M，M为故障总数；

其中，C0=k*max（C_正），k为预设系数，C_正=（C₁，C₂，…，Cq，…，C_M），Cq为第q个故障中出现正常数据的次数。

10.根据权利要求1所述的具有环境监测功能的蝶缆，其特征在于，所述紧套光缆为应力应变光缆，所述松套光缆为温度应变光缆；所述待测参数为温度和/或者应力。

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