TW202242364A - 使用光纖傳感器監測繩索和繩索狀結構中張力的系統和方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供了一種用於監測繩索和繩索狀結構的張力的系統，其特徵在於：多個傳感器組件之每一側上包括開口，該開口可拆卸地容納光學傳感元件；每一傳感器組件安裝至繩索；容納於傳感器組件上之每一光學傳感元件藉由光纖連接至傳感器分析器；其中光學傳感元件可拆卸地連接至繩索之每一外股線，其中傳感器組件之感測軸線與繩索軸線完全對準。每一傳感器組件之該側面的內表面包括兩個側面，該等側面是有彈性的且略微小於繩索之直徑，從而形成複雜凹形曲度，且與繩索表面之凸形曲度互補，因此綁定在一起時其界面是匹配的。傳感器組件無需額外的固定裝置即可輕鬆夾在並自動固定在繩索上。繩索的缺陷會影響不同外股線上之張力分佈，且因此可由監測繩索和繩索狀結構的張力的系統和方法識別。

Description

使用光纖傳感器監測繩索和繩索狀結構中張力的系統和方法

本發明係關於一種用於使用光纖傳感器量測承重繩索和繩索狀結構之張力的系統和方法。該系統包括將傳感器組件安裝在結構之表面上的精確位置處，藉此結構之張力可藉由光纖傳感器產生之光學信號的改變來指示。

繩索和繩索狀結構為支撐拉力負載之有效結構。其歸因於其彎曲靈活性而廣泛地用於建築行業中之起重及建築物中之升吊載客。繩索典型地由多個平行承重股線形成，該等股線以成螺旋形方式絞擰在一起以允許組件作為緊密整體操作。每一承重股線由鋼絲、聚醯胺纖維或其複合物製成。繩索之張力為當今關鍵安全性問題之一。繩索之缺陷可削弱操作期間之承重能力，此可導致相當嚴重的後果。

繩索狀態通常藉由實體外觀及操作時段來評估。儘管通常在一定操作時段後丟棄繩索，但過去偶爾仍有繩索缺陷事件發生。因此，此等方法可能並未準確評估實際繩索使用壽命。

已在先前技術中揭示了繩索缺陷檢測之若干方法。第101259931B號中國專利揭示了一種用於檢查鋼索之設備及一種用於量測繩 索外徑之方法。在升降器繩索之兩側處設置水平雷射線及光偵測裝置。雷射光束在入射至偵測裝置之前部分被繩索阻擋。由裝置產生之信號提供繩索之直徑資訊。當信號存在偏差時，反映了光入射位置處存在潛在缺陷。另外，第102015016416A1號德國專利揭示了一種用於識別編結繩索中之缺陷且在編結過程期間校正該等缺陷之檢測系統及方法。呈徑向佈置之多對發光源及攝影機用以在不同角度位置捕獲繩索影像、如斷線及編結不規則等缺陷。然而，該等檢測系統無法識別繩索之面下缺陷。因此，需要提供一種用於檢測繩索上之缺陷的有效且高效之方法。

第7,123,030號美國專利揭示了一種用於偵測具有導電性張力部件之升降器繩索的方法及設備，藉此張力部件中之所量測電阻指示缺陷。磁通量激磁機用以磁化受測試之繩索，而使該繩索變成磁性電路之部分。理想情況下，磁通量平行於繩索，且若金屬線中存在諸如破裂、斷線或曲折之缺陷，則此等缺陷可造成磁通量之局部邊緣效應，因此可藉由使用磁通量傳感器來識別。該方法適用於僅由鐵磁性材料製成之繩索。

第5,182,779號美國專利揭示了一種用於監測繩索結構及含有繩索之剛性結構上之應變及應力的系統，其中光纖包含於繩索結構中。監測光纖中由光纖上之應變及應力引起之光透射或反射性質的改變。當光學信號射入至作為細長部件併入於繩索中的光纖之一端時，可藉由偵測射出光纖之光學信號而觀測到由繩索上之缺陷引起的應變所引起之刺激。然而，該系統可能需要複雜的步驟以在編結過程期間將幼細的玻璃光纖跟鋼絲一同編織於繩索內。

根據現有先前技術，需要具有一種改良之繩索張力監測系 統，其為監測沿繩索或繩索狀結構分佈之張力以識別其中缺陷的簡單、容易安裝且因此有效之方法。

本發明之目的在於提供一種用於使用光纖傳感器監測繩索和繩索狀結構中張力的改良且有效之系統和方法。

本發明之目的亦在於提供一種用於監測繩索和繩索狀結構中張力的簡單且輕鬆之方法。

本發明之另一目的在於提供一種將傳感器組件安裝至繩索和繩索狀結構之簡單且有效的方法。

因此，此等目的可藉由遵循本發明之教示來達成。本發明係關於一種用於監測繩索和繩索狀結構之張力的系統，其特徵在於：多個傳感器組件之每一側上包括開口；多個光學傳感元件可拆卸地容納於傳感器組件之開口上；光纖連接多個光學傳感元件與傳感器分析器；其中傳感器分析器經由光纖自光學傳感元件接收信號；且多個傳感器組件安裝至繩索之外股線。

100:繩索及繩索狀結構/繩索監測系統

102:傳感器組件

102a:開口

102b:光學傳感元件

104:繩索

104a:核心股線

104b:外股線

106:傳感器分析器

108:光纖

110:繩索狀態指示器

112:控制系統

114:遠端資料中心

200:感測軸線

202:繩索軸線

204:α角

A,B,C,D,E:時間槽

當結合本發明之較佳具體實例之隨附圖式閱讀時，自以下詳細描述將更容易地理解及瞭解本發明之特徵，其中：

圖1展示用於繩索或繩索狀結構之光纖張力監測系統之示意圖；

圖2展示繩索之結構及傳感器組件在該繩索上之設置的透視圖；

圖3展示傳感器組件在繩索之各別外股線上之設置；

圖4展示由圖3中所設置之傳感器組件產生的信號之時序圖；

圖5展示本發明之繩索監測系統之方塊圖。

出於增進及理解本發明之原理的目的，現將參考圖式中所說明及以下書面說明書中所描述之具體實例。應理解，本發明包含對所說明之具體實例的任何變更及修改，且包含如熟習本發明所屬領域者通常將意識到的本發明之原理之進一步應用。

本發明提出一種用於監測繩索和繩索狀結構100中張力的系統，其特徵在於：多個傳感器組件102之每一側上包括開口102a，該開口可拆卸地容納多個光學傳感元件102b；光纖108連接多個光學傳感元件102b與傳感器分析器106；其中傳感器分析器106經由光纖108自光學傳感元件102b接收信號；且多個傳感器組件102安裝至繩索104之外股線104b上。

在本發明之較佳具體實例中，該傳感器組件102之內表面包括略微小於繩索104之直徑的兩個側面，其中該等側面由彈性材料製成以施加極小力即可夾在並緊緊固定在繩索104上。

在本發明之較佳具體實例中，傳感器組件102進一步包括內部複雜凹形曲度。該形狀與繩索104表面之凸形曲度互補，藉此其界面可極佳地綁定在一起。

在本發明之較佳具體實例中，光學傳感元件102b藉由遍及傳感器組件102之外表面上的開口102a的黏合劑而黏附至繩索104之外股線104b。光學傳感元件102b經導引至繩索104之正確位置，其中光學傳感元件 之感測軸線200與繩索軸線202對準以量測一個外股線104b之張力。

在本發明之較佳具體實例中，傳感器分析器106進一步連接至繩索狀態指示器110、控制系統112及遠端資料中心114。繩索狀態指示器110提供監測下之繩索104之狀態的聽覺或視覺指示。控制系統112基於所量測之繩索104狀態而調整操作參數。遠端資料中心114出於資料儲存及維護排程之目的接收量測資料。

本發明亦進一步提出一種用於監測繩索和繩索狀結構100中張力的方法，其包括以下步驟：將光學傳感元件102b容納於多個傳感器組件102之每一開口102a上；將多個傳感器組件102之內表面安裝至繩索104之每一外股線104b；黏附光纖108以將多個光學傳感元件102b連接至傳感器分析器106；以及根據由多個光學傳感元件102b產生之信號分析張力狀態。

在本發明之較佳具體實例中，傳感器組件102之安裝使感測軸線200與繩索軸線202對準以用於量測張力。

在本發明之較佳具體實例中，光學傳感元件102b藉由遍及開口102a塗敷黏合劑而黏附於多個傳感器組件102之外表面上。黏合劑包含但不限於環氧樹脂。

在本發明之較佳具體實例中，張力狀態之分析包括對繩索104之不同外股線104b之張力進行比較。

在本發明之較佳具體實例中，一個光學傳感元件102b安裝至繩索104之外股線104b中之每一者以量測繩索104之一個特定外股線104b的張力。所有光學傳感元件102b藉由光纖108連接至傳感器分析器106，以用於量測繩索104之所有外股線104b的張力，同時監測同一繩索104以及其 他繩索104之不同區段處的張力。

圖1中展示用於繩索或繩索狀結構100之光纖張力監測系統之示意圖。參看圖1，多個懸掛繩索104用於懸掛升降車且導引升降車上下移動。多個傳感器組件102安裝至繩索104之外股線104b。根據圖1，兩個傳感器組件102安裝於同一繩索104上。可拆卸地容納於傳感器組件102之開口102a上的多個光學傳感元件102b經由光纖108連接至傳感器分析器106。來自汽車重量之靜態負載及/或來自乘客之動態負載引起繩索104之張力變化，因此擾動了所貼附之傳感器組件102。傳感器組件102之該光學傳感元件102b產生對應於繩索104之張力變化的光學信號。傳感器分析器106判定所有所連接傳感器組件102之張力，且在分析光學信號後產生必要的控制及指示。

圖2展示繩索104之結構及傳感器組件102在繩索104上之設置的透視圖。圖2中展示包括一個芯部股線104a及八個外股線104b之典型的9股單層繩索104。外股線104b以α角204圍繞芯部股線104a成螺旋形地捲繞，其中多束股線104b結合在一起。通常，添加至繩索104之一端的負載固有地由所有外股線104b分擔，且直接對應於外股線104b之張力。歸因於直接使用及由於環境曝露之撕裂，外股線104b易於削弱。因此，與光纖108連接之光學傳感元件102b必需固定在繩索104之精確專用位置中以用於有效且高效地量測繩索104之每一外股線104b的張力。

進一步參看圖2，傳感器組件102之每一側上包括開口102a。光學傳感元件102b可拆卸地容納於傳感器組件102之開口102a上，其中光學傳感元件102b經導引至繩索104之正確位置，其中光學傳感元件之感測軸線 200與繩索軸線202對準以用於量測一個外股線104b的張力。同時，傳感器組件102之內表面具有複雜凹形曲度，其中與繩索104表面之凹形曲度互補，因此其界面可極佳地綁定在一起。傳感器組件102亦包括略微小於繩索104之直徑的兩個側面，其中傳感器組件無需額外的固定機構即可輕鬆夾在並自動固定在繩索104上。

傳感器組件102在繩索104之各別外股線104b上的設置展示於圖3中。多個傳感器組件102安裝於繩索104之短區段上。每一傳感器組件102用以量測繩索104之一個特定外股線104b的張力。參看圖3，八個傳感器組件102用於繩索104之八個外股線104b，即分別為第一股線至第八股線。傳感器組件102之開口102a上的所有光學傳感元件102b係藉由光纖108連接至傳感器分析器106。因此，該設置為綜合量測組態，其中同時量測區段中之繩索104的所有外股線104b之張力。諸如缺陷之繩索104之狀態可藉由分析每一外股線104b之張力量測值來識別。

在圖4中展示由圖3中之所設置傳感器組件102產生的信號之時序圖。當不同負載量施加至繩索104時，時間槽A及B展示繩索104之所有各別外股線104b的負載量相似。類似負載量及張力指示用於槽A及B兩者之繩索104為安全繩索104。相比而言，時間槽C展示在繩索104之外股線104b斷裂之情況下的傳感器信號之輸出。張力在第六外股線104b斷裂時降至零，而其他傳感器組件102之張力展示張力量測值增大，此係因為最初由第六外股線104b承載之負載重新分佈至剩餘其他七個外股線104b。此外，當存在細微缺陷，諸如股線中的線斷裂或編結不規則時，預期橫越外股線104b之負載分佈逐漸發生改變。因此，當第七外股線104b中之張力逐漸增大而 所有其他股線中之張力減小時，槽D中之量測值展示第七外股線104b具有缺陷。此外，當同時操作多個繩索104時，時間槽E表明在其他繩索104中存在缺陷時之傳感器信號。繩索104中之所有傳感器組件102的張力逐漸增大，此係由於其他繩索104之承重能力同時減弱。

圖5展示本發明之繩索監測系統100之方塊圖。圖5中之繩索監測系統100展示四個傳感器組件102之設置且該等傳感器組件與傳感器分析器106連接。該傳感器分析器106自所連接傳感器組件102收集信號，且因此基於嵌入於光學信號中之資訊執行張力計算及缺陷識別。傳感器分析器106進一步連接至繩索狀態指示器110，該繩索狀態指示器提供繩索104之狀態的可聽或視覺指示；控制系統112，其基於所量測繩索104之狀態調整操作參數；以及遠端資料中心114，以接收量測資料以用於資料儲存及維護排程。

本發明中之監測系統100可高效且有效地量測繩索104上之缺陷，特別是在繩索104上之股線104b中之每一者與傳感器組件102固定在一起時。此允許可同時且連續地量測繩索104之每一股線104b的張力。亦可同時量測多個繩索104之張力。除此之外，監測繩索及繩索狀結構100中張力之方法簡單且易於使用。

上文所解釋之本發明不限於前述具體實例及圖式，且對於所屬領域中具一般知識者而言將顯而易見的是，可在不脫離本發明之範疇的情況下進行各種替代、變形及改變。

100:繩索及繩索狀結構/繩索監測系統

102:傳感器組件

102a:開口

102b:光學傳感元件

104:繩索

106:傳感器分析器

108:光纖

Claims (10)

1. 一種用於監測一繩索和繩索狀結構中張力的系統，其特徵在於：

   多個傳感器組件之每一側上包括一開口；

   多個光學傳感元件可拆卸地容納於該傳感器組件之該開口上；

   一光纖連接該多個光學傳感元件與一傳感器分析器；其中

   該傳感器分析器經由該光纖自該光學傳感元件接收信號；且

   該多個傳感器組件安裝至繩索之一外股線。
2. 如請求項1之系統，其中該傳感器組件之一內表面包括兩個側面，該等側面略微小於該繩索之直徑且由彈性材料製成以施加極小力即可夾在並緊緊固定在該繩索上。
3. 如請求項2之系統，其中該傳感器組件進一步包括用於與繩索表面之凹形曲度綁定的一內部複雜凹形曲度。
4. 如請求項1之系統，其中該光學傳感元件藉由遍及該傳感器組件之外表面上的該開口的黏合劑而黏附至繩索之該外股線。
5. 如請求項1、2、3或4之系統，其中該傳感器組件之一感測軸線與一繩索軸線完全對準。
6. 如請求項1之系統，其中該傳感器分析器進一步連接至繩索狀態指示器、控制系統及遠端資料中心。
7. 一種用於監測一繩索和繩索狀結構中張力的方法，其包括以下步驟：

   將一光學傳感元件容納於多個傳感器組件之每一開口上；

   將該多個傳感器組件之內表面安裝至繩索之每一外股線；

   黏附一光纖以將多個光學傳感元件連接至一傳感器分析器；以及

   根據由多個光學傳感元件產生之信號分析張力狀態。
8. 如請求項7之方法，其中該安裝該傳感器組件之步驟進一步包括將該傳感器組件之感測軸線與繩索軸線對準以用於量測張力的步驟。
9. 如請求項7之方法，其中該黏附一光纖之步驟進一步包括遍及該開口施加黏合劑以將該光學傳感元件黏附於多個傳感器組件之外表面上的步驟。
10. 如請求項7之方法，其中該分析張力狀態之步驟進一步包括對繩索之不同外股線之張力進行比較的步驟。

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