TWI840344B - 用於複合強度元件之偵詢的系統、方法和工具 - Google Patents

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Abstract

本發明提供用於複合強度元件之偵詢的系統、方法和工具以便評定該等強度元件之結構完整性。該等系統和方法使用將光發射通過沿著該等強度元件之長度埋設的多數光纖。無法偵測到光通過該等光纖中之一或多數光纖可表示該強度元件之結構完整性被破壞。該等系統和方法可在沒有大困難的情形下實施且可在該強度元件由生產至安裝之壽命週期中的任何時間實施。該等系統和方法可特別應用於包括一纖維強化強度元件之多數裸架空電纜。

Description

用於複合強度元件之偵詢的系統、方法和工具
本揭示係有關於纖維強化複合強度元件之領域，且特別有關於該等纖維強化複合強度元件之結構完整性測試的領域。
因為纖維強化複合強度元件具有比較高之強度對重量比及其他所需性質，它們用於各種結構應用中是有利的。例如，使用許多長形纖維強化複合強度元件被用來作為如橋樑及鐵路電纜吊線之結構中的抗拉元件，藉此取代如鋼之以往使用材料。
最近出現之纖維強化複合強度元件的一此種應用係將它們用於裸架空電纜以便輸送及分配電力。該等電纜通常包括包覆一中心強度元件且被該中心強度元件支持的多數導電金屬束。以往，該強度元件係由鋼製成。近年來，已開始使用纖維強化複合材料作為該強度元件。相較於鋼，該等複合材料提供明顯之優點，包括重量較輕、尺寸較小(可使用一較大橫截面積之導體)、熱下垂較小及許多其他好處。具有此種纖維強化強度元件之一架空電纜例係可由美國加州Irvine市之GTC Global公司取得之ACCC®裸架空電纜。請參見，例如Hiel等人之美國專利第7,368,162號，且該專利在此全部加入作為參考。
與大部分金屬材料不同，纖維強化複合材料通常具有一低延展性。因此，在製造、處理及/或安裝該強度元件及/或該電纜時會產生該纖維強化複合強度元件之結構被破壞(例如，破裂)的問題。用習知方式難以偵測該強度元件中之小裂縫。因為該架空電纜之長度極長且因為事實上該強度元件在該等導電束包覆該強度元件後看不到該強度元件，所以架空電纜特別會有這困難。
目前已有人提出用於在使用一纖維強化強度元件時監看該強度元件之情況的多數方法和系統。例如，已有人建議可在使用時使用如光時域反射術(OTDR)之複雜技術監看在一架空電纜中之一強度元件上的溫度及應變。但是，該等系統和方法需要複雜設備，需要使用一同調光源(例如，一雷射)且需要準確對齊該同調光源及附接在該強度元件上之光纖；這些在該現場，例如在建構電氣輸送及分配線通過之室外環境中都難以實施。
在此揭露的是可偵詢多數纖維強化複合強度元件來確定該等複合強度元件之結構事否完整，例如偵測是否在該強度元件中存在如裂縫之缺陷的系統、方法、組件和工具。該等系統、方法、組件和工具可在該等強度元件之製程中，安裝時及/或安裝後，比較簡單地且低成本地偵詢該等強度元件。
在此揭露之系統、方法、組件和工具包括，但不限於： (i)一種用於偵測一纖維強化複合強度元件中之一缺陷的系統； (ii)一種用於偵測一纖維強化複合強度元件中之一缺陷的方法； (iii)一種用於製備一纖維強化複合強度構件以便使用一光源來偵詢的方法； (iv)一種包括一光纖之長形纖維強化複合強度元件； (v)一種用於將光發射進入一光纖之一端的裝置，該光纖係埋在一長形結構元件中； (vi)一種用於偵測由一光纖之一端發射之光的裝置，該光纖係埋在一長形結構元件中； (vii)一種用於切割及拋光之工具；及 (viii)一種用於製造一長形纖維強化複合強度構件的方法，該長形纖維強化複合強度構件係組配成用於一抗拉強度元件中。
因此，在一實施例中，揭露一種組配成偵測一纖維強化複合強度元件中之一缺陷的系統。該系統包括一纖維強化複合強度元件，該強度元件包含至少一第一強度構件。該第一強度構件包含：一黏結基質；多數強化纖維，其操作地設置在該黏結基質內以形成一纖維強化複合材；及至少一第一光纖，其埋在該纖維強化複合材內且由該纖維強化複合材之一第一端延伸至該纖維強化複合材之一第二端。一光發射裝置與該強度元件之一第一端操作地連接，該光發射裝置包含一光源，該光源係組配成發射具有至少大約300 nm且不大於1700 nm之一波長的光通過該第一光纖之一第一端。一光偵測裝置係與該強度元件之一第二端操作地連接，該光偵測裝置包含一光偵測器，該光偵測器係組配成偵測由該光發射裝置通過該第一光纖之一第二端的光。
前述系統之特性可為具有可單獨地或任意組合地實施的多數特徵改良及/或另外之特徵。在一特性中，該光源係組配成發射具有在紅外線區域中之一主要波長的光。在一改良中，該光源係組配成發射具有至少大約800 nm之一主要波長的光。在另一改良中，該光源係組配成發射具有不大於大約1000 nm之一主要波長的光。
在另一特性中，該強度構件包括至少一第二光纖，該至少一第二光纖係埋在該纖維強化複合材中且沿著該纖維強化複合材之長度延伸。在一改良中，該強度構件包括至少一第三光纖，該至少一第三光纖係埋在該纖維強化複合材中且沿著該纖維強化複合材之長度延伸。在另一改良中，該強度構件包括至少一第四光纖，該至少一第四光纖係埋在該纖維強化複合材中且沿著該纖維強化複合材之長度延伸。
在另一特性中，該電纜具有至少大約100公尺之一長度。在又一特性中，該電纜具有不大於大約3500公尺之一長度。在一特性中，一導電體設置成環繞該強度元件且被該強度元件支持以形成一電纜。
在另一特性中，該第一光纖係一單模光纖。在另一特性中，該光源包含一發光二極體(LED)。在另一特性中，該光偵測裝置包含一凹透鏡，該凹透鏡係設置在該複合強度元件之該端與該光感測器之間且組配成將該發射光聚焦在該光感測器上。在另一改良中，該光感測器係選自於一CCD感測器及一CMOS感測器。
在另一實施例中，揭露一種用於纖維強化複合強度元件之偵詢的方法。該強度元件包含至少一第一強度構件，該強度構件包含一黏結基質及多數強化纖維，該等強化纖維操作地設置在該黏結基質內以形成一纖維強化複合材。至少一第一光纖埋在該纖維強化複合材中且沿著該纖維強化複合材之一長度延伸。該方法包含以下步驟：將一光發射裝置操作地附接在該強度元件之一第一端上；將一光偵測裝置操作地附接在該強度元件之一第二端上；由該光發射裝置發射光通過該第一光纖且朝向該光偵測裝置，其中該發射光非同調；及藉由該光偵測裝置偵測該非同調發射光之存在。
前述方法之特性可為具有可單獨地或任意組合地實施的多數改良及/或另外之方法步驟。在一特性中，該發射光具有在紅外線區域中之一波長。在一改良中，該發射光具有至少大約800 nm之一主要波長的光。在另一改良中，該發射光具有不大於大約1000 nm之一主要波長的光。在另一特性中，該第一強度構件包括至少一第二光纖，該至少一第二光纖係埋在該纖維強化複合材中且沿著該纖維強化複合材之長度延伸，且該發射該光之步驟發射該光通過該第二光纖。在另一改良中，該強度構件包括至少一第三光纖，該至少一第三光纖係埋在該纖維強化複合材中且沿著該纖維強化複合材之長度延伸，且該發射該光之步驟發射該光通過該第三光纖。在另一改良中，該強度構件包括至少一第四光纖，該至少一第四光纖係埋在該纖維強化複合材中且沿著該纖維強化複合材之長度延伸，且該發射該光之步驟發射該光通過該第四光纖。
在另一特性中，該複合強度元件具有至少大約500公尺之一長度。在另一改良中，該複合強度元件具有至少大約3500公尺之一長度。在另一特性中，該複合強度元件具有不大於大約7500公尺之一長度。在另一特性中，在該等發射該光及偵測該光之步驟時，該複合強度元件係捲繞在一捲軸上。在另一特性中，該方法包含在該等發射及偵測光之步驟前對該複合強度構件進行應力測試之步驟。
在另一特性中，一導電體成束環繞該複合強度元件以形成一架空電纜。在一改良中，該等發射及偵測光之步驟係在使該複合強度元件與該導電體成束後且在將該架空電纜安裝在多數支持塔上前實行。在另一改良中，該等發射及偵測光之步驟係在將該架空電纜安裝在多數支持塔上後實行。
在另一特性中，該光纖係一單模光纖。在另一特性中，該發射光之步驟包含供電給一發光二極體(LED)。在一改良中，該發射光之步驟包含當發射該光時使該LED機械地旋轉。在另一改良中，該LED係以至少大約5 rpm之一速度旋轉。
在另一特性中，將一折射率匹配材料施加在該強度元件之該第一端上以便將光發射至該光纖中。
本揭示之另一實施例係有關於用於製備一纖維強化複合強度構件以便使用一光源來偵詢的方法。該纖維強化複合材包含一黏結基質及設置在該黏結基質中之多數加強纖維，至少一第一光纖設置在該纖維強化複合材中，該第一光纖由該纖維強化複合材之一第一端延伸至該纖維強化複合材之一第二端。該方法包含以下步驟：靠近一長形纖維強化複合材之一第一端切割該纖維強化複合材，藉此形成實質平坦之一第一切割端表面。該方法亦包括以下步驟：拋光該第一切割端表面以形成包含該纖維強化複合材及該光纖之一第一端的一拋光第一端表面。製得之纖維強化複合強度構件係組配成被一非同調光源偵詢。
前述方法之特性可為具有可單獨地或任意組合地實施的多數改良及/或另外之步驟。在一改良中，該方法包含以下步驟：靠近該長形纖維強化複合材之該第二端切割該纖維強化複合材以形成實質平坦之一第二切割端表面；及拋光該第二切割端表面以形成包含該纖維強化複合材及該第一光纖之一第二端的一拋光第二端表面。
在另一特性中，該纖維強化複合強度構件具有至少大約100公尺之一長度。在又一特性中，該纖維強化複合強度構件具有不大於大約7500公尺之一長度。
在另一特性中，該(等)切割纖維強化複合材之步驟包含用一電動含砂切割邊緣來切割。在一改良中，該含砂切割邊緣包含具有至少大約30 mm之一砂尺寸的研磨砂。在另一改良中，在該切割步驟時該含砂切割邊緣藉由一馬達旋轉。另一改良包括以下步驟：在至少該切割步驟時固定該纖維強化複合材之該第一端使得該第一端設置成在該切割步驟時相對該切割邊緣實質地正交。在另一改良中，該拋光步驟包含用一含砂拋光表面拋光該第一切割端表面。在又一改良中，該含砂拋光表面包含具有不比大約25 mm粗之一砂尺寸的研磨砂。在另一改良中，更包含在該拋光步驟前及/或時冷卻該長形纖維強化複合材料之該第一端的步驟。
在另一實施例中，揭露一種長形纖維強化複合強度元件。該強度元件包含具有一縱中心軸之至少一第一纖維強化複合強度構件。該強度構件包含：一黏結基質；多數強化纖維，其設置在該黏結基質內以形成一纖維強化複合材；及至少一第一長形且連續光纖，其埋在該纖維強化複合材內且由該強度構件之一第一端延伸至該強度構件之一第二端。至少該強度構件之該第一端包含一第一端表面，該第一端表面包含該纖維強化複合材料且其中該第一光纖未延伸超出該纖維強化複合材之該第一端表面。
前述強度元件之特性可為具有可單獨地或任意組合地實施的多數特徵改良及/或另外之特徵。在一特性中，該強度構件之第二端包含一第二端表面，其中該第一光纖未延伸超出該纖維強化複合材之該第二端表面。
在另一特性中，該強度構件包含埋在該纖維強化複合材內之至少一第二長形且連續光纖，且其中該第二光纖未延伸超出該纖維強化複合材之該第一端表面。在一改良中，該強度構件包含設置在該纖維強化複合材內之至少一第三長形且連續光纖，且其中該第三光纖未延伸超出該纖維強化複合材之該第一端表面。在另一改良中，該強度構件包含設置在該纖維強化複合材內之至少一第四長形且連續光纖，且其中該第四光纖未延伸超出該纖維強化複合材之該第一端表面。在另一改良中，該等光纖同心地設置成環繞該強度構件之該縱中心軸。在又一改良中，該強度構件之該縱中心軸沒有光纖。
在一特性中，該(等)光纖係一單模光纖。在另一特性中，該(等)光纖係玻璃光纖。在一改良中，該(等)玻璃光纖包含一透射玻璃芯及環繞該透射玻璃芯之一單一聚合塗層。在另一改良中，該單一聚合塗層具有至少大約1000 MPa之一彈性模數。
在一特性中，該強度元件具有至少大約100公尺之一長度。在一改良中，該強度元件具有至少大約3500公尺之一長度。在另一特性中，該強度元件具有不大於大約7500公尺之一長度。在另一特性中，該強度元件係捲繞在一捲軸上。
在另一特性中，該強度元件具有一實質圓形橫截面。在一改良中，該強度元件具有至少大約1.0 mm之一直徑。在另一改良中，該強度元件具有不大於20 mm之一直徑。在另一特性中，該等強化纖維包含多數縱向延伸碳纖維。在一改良中，該強度元件更包含包圍該等碳纖維之一絕緣層。在另一改良中，該絕緣層包含多數玻璃纖維。在另一改良中，該(等)光纖係設置在該等碳纖維與該絕緣層之間。
在一特性中，該強度元件具有至少大約1900 MPa之額定抗拉強度。在另一特性中，該強度元件具有不大於大約30´10-6 /℃之一熱膨脹係數。
在另一特性中，該纖維強化複合材之該第一端表面係一拋光表面。在一改良中，該纖維強化複合材之該第二端表面係一拋光表面。在另一改良中，該第一端表面與該強度元件之該縱中心軸實質地正交。在又一改良中，該第一光纖之一第一端與該纖維強化複合材之該第一端表面實質地共平面。
在一特性中，該強度元件包含一單一強度構件。在另一特性中，該強度元件包含多數強度構件。
在另一特性中，揭露一種架空電纜，其中該架空電纜包含包括任何特性及改良的依據前述實施例之該強度元件，及包圍該強度元件之一導電層。在一改良中，該導電層包含設置成環繞該強度元件之多數導電束。
在另一實施例中，揭露一種用於將光射入一光纖之一端的裝置，且該光纖係埋在一長形結構元件中。該裝置包含：一實質剛性結構體；一內孔，其設置成至少部份地穿過該結構體且在該內孔之一第一端具有一孔，該孔及該內孔係組配成可收納一長形結構元件之一端，且該長形結構元件具有沿著該結構元件之一長度埋設之至少一第一光纖。一光源設置成至少部份地在該結構體內且靠近該內孔之一第二端，該光源係組配成當該長形元件放在該內孔之該第一端中時，將光射入該內孔且朝向該長形元件之該端。一電源操作地附接在該光源上。
前述裝置之特性可為具有可單獨地或任意組合地實施的多數特徵改良及/或另外之特徵。在一特性中，該光源係一非同調光源。在一改良中，該光源包含一發光二極體(LED)。在另一改良中，該LED係組配成發射在至少大約300 nm且不大於大約1000 nm之一波長範圍內的光。在另一改良中，該LED係組配成發射在至少大約800 nm且不大於大約900 nm之一波長範圍內的光。
在另一特性中，一馬達與該光源操作地連接且組配成當該光源將光射入該內孔中時，使該光源移動。在一改良中，該馬達係組配成使該光源環繞該光源之一中心軸旋轉。
在另一特性中，一擋止構件係設置成當該結構元件放在該內孔之該第一端中時，維持該光源與該結構元件之該端間的一距離。在一改良中，該擋止構件包含設置在該內孔內的一肩部，其中該肩部係組配成防止該結構元件沿著朝向該光源之一方向移動通過該肩部。在一改良中，該擋止構件係組配成在該結構元件之該端與該光源間維持至少大約0.1 mm且不大於大約150 mm的一距離。在一特性中，該剛性結構體包含一金屬。在一改良中，該金屬包含鋁。
依據本揭示之另一實施例係用於偵測由一光纖之一端發射之光的裝置，且該光纖埋在一長形結構元件中。該裝置包括：一實質剛性結構體；及一內孔，其設置成部份地穿過該結構體且在該內孔之一第一端具有一孔。該孔及內孔係組配成可收納一長形結構元件之一端，且該長形結構元件具有沿著該結構元件之一長度埋設之至少一第一光纖。一光偵測器設置在該結構體內且靠近該內孔之一第二端，該光偵測器係組配成當該長形元件放在該內孔之該第一端中時，接收且偵測來自該光纖之光。一電源操作地附接在該光偵測器上。
前述裝置之特性可為具有可單獨地或任意組合地實施的多數特徵改良及/或另外之特徵。在一特性中，該光偵測器係選自於一CCD感測器及一CMOS感測器。在另一特性中，該裝置包含一光阻擋構件，該光阻擋構件係設置在該內孔之該第一端且組配成當該結構元件放入該內孔時密封環繞該結構元件。在一改良中，該光阻擋構件包含一彈性材料。
在另一特性中，該裝置包含一擋止構件，該擋止構件係組配成當該結構元件放在該內孔之該第一端中時，維持該光偵測器與該結構元件之該端間的一距離。在一改良中，該擋止構件包含設置在該內孔內的一肩部，且該肩部係組配成防止該結構元件沿著朝向該光偵測器移動通過該肩部。在另一改良中，該擋止構件係組配成在該結構元件之該端與該光偵測器間維持至少大約5 mm且不大於大約300 mm的一距離。
在另一特性中，該裝置包含一透鏡，該透鏡係組配成將由該光纖發射之光聚焦在該光偵測器上。在另一特性中，該剛性結構體包含一金屬。在一改良中，該金屬包含鋁。
在另一實施例中，揭露一種用於切割及拋光之工具。該工具包括：一平面本體，其包含沿著該平面本體之至少一邊緣設置之一切割邊緣；及一拋光表面，其覆蓋該平面本體之至少一部份。一對齊元件與該平面本體操作地聯結且組配成使具有一縱軸之一長形結構元件與該平面本體操作地對齊，使得該平面本體之該切割邊緣係組配成與該縱軸實質地正交地移動且切割該長形結構元件以形成一切割表面。該拋光表面係組配成當該切割邊緣切割且移動通過該長形結構元件時拋光該切割表面。
前述用於切割及拋光之工具的特性為具有可單獨地或任意組合地實施的多數特徵改良及/或另外之特徵。在一特性中，該平面本體係實質圓形。在一改良中，一馬達與該平面本體操作地連接且組配成使該平面本體環繞該平面本體之一中心軸旋轉。在另一改良中，該切割邊緣包含多數切割齒。在又一改良中，該切割邊緣包含一含砂表面。在另一改良中，該含砂表面包含具有少大約35 mm之一尺寸的研磨砂。在另一特性中，該拋光表面包含研磨拋光砂。在一改良中，該拋光砂具有不大於大約25 mm之一尺寸。該拋光表面在該平面本體之該表面上方凸起至少大約0.1 mm且不大於大約1.2 mm。在另一特性中，一致動機構係組配成將該拋光表面推向該長形結構元件之該端。在一改良中，該致動機構包含一彈簧。
在另一特性中，一電池驅動該平面本體移動。在一改良中，該電池具有不大於大約18伏特之一電壓。在另一改良中，工具係一手持工具，且該手持工具包含用於抓握及自由地操作該工具之一抓握元件。在一改良中，該工具包含一捕捉機構，該捕捉機構係組配成用於捕捉來自切割及拋光步驟之粉塵。
依據另一實施例，揭露一種用於製造一長形纖維強化複合強度構件之方法，且該長形纖維強化複合強度構件係組配成用於一抗拉強度元件中。該方法包括以下步驟：形成具有一縱中心軸之一長形纖維強化複合材，該長形纖維強化複合材包含一黏結基質及設置在該黏結基質中之多數強化纖維。在形成該纖維強化複合材之步驟中，將至少一第一光纖埋入該纖維強化複合材中，該第一光纖由該纖維強化複合材之一第一端延伸至該纖維強化複合材之一第二端。靠近該纖維強化複合材之該第一端切割該纖維強化複合材，且該切割形成實質平坦之一第一切割端表面。接著拋光該第一切割端表面以形成具有一拋光第一端表面之一長形纖維強化複合強度構件，該拋光第一端表面包含該纖維強化複合材及該光纖之一第一端。
前述方法之特性可為具有可單獨地或任意組合地實施的多數改良及/或另外之步驟。在一特性中，該方法包括以下步驟：靠近該纖維強化複合材之該第二端二次切割該纖維強化複合材，該二次切割形成實質平坦之一第二切割端表面；及拋光該第二切割端表面以形成一第二拋光端表面，該第二拋光端表面包含該纖維強化複合材及該第一光纖之一第二端。
在另一特性中，該方法包含以下步驟：在形成該纖維強化複合材之步驟中，將至少一第二光纖埋入該纖維強化複合材，該第二光纖由該纖維強化複合材之該第一端延伸至該纖維強化複合材之該第二端。在另一改良中，該方法包含以下步驟：將至少一第三光纖埋入該纖維強化複合材，該第三光纖由該纖維強化複合材之該第一端延伸至該纖維強化複合材之該第二端。在又一改良中，該方法包含以下步驟：將至少一第四光纖埋入該纖維強化複合材，該第四光纖由該纖維強化複合材之該第一端延伸至該纖維強化複合材之該第二端。
在另一特性中，該等光纖同心地設置成環繞該強度構件之一縱中心軸。在另一改良中，該強度構件之一縱中心軸沒有光纖。在另一特性中，該強度構件具有至少大約3500公尺之一長度。在又一特性中，該強度構件具有不大於大約7500公尺之一長度。在另一特性中，該方法更包含以下步驟：在該等切割及拋光步驟前，將該纖維強化複合材捲繞在一捲軸上。在另一特性中，該等強化纖維包含多數縱向延伸碳纖維。在另一特性中，形成該長形纖維強化複合材及埋入該等光纖之步驟包含拉動該等強化纖維及該(等)光纖通過一拉擠成形設備。在另一改良中，切割該纖維強化複合材之該(等)步驟包含用一電動含砂切割邊緣來切割。在另一特性中，該含砂切割邊緣包含具有至少大約30 mm之一尺寸的研磨砂。在另一改良中，在該切割步驟時藉由一馬達旋轉該電動含砂切割邊緣。
在另一特性中，該方法包含以下步驟：固定該纖維強化複合材之該第一端使得在該切割步驟時該第一端設置成相對該切割邊緣實質地正交。在另一改良中，該拋光步驟包含用一拋光表面拋光該第一切割端表面。在又一改良中，該拋光表面包含具有不大於大約25 mm之一砂尺寸的研磨砂。在另一特性中，該方法包含以下步驟：在該拋光步驟前及/或時冷卻該纖維強化複合材之該第一端。
本揭示係有關於可偵詢一纖維強化複合強度元件以決定該複合強度元件之結構完整性的系統、方法、組件和工具。
作為在這揭示中使用之用語，一纖維強化複合強度元件係例如因其相較於例如鋼之輕量及良好機械性質(例如，高抗拉強度)而在一應用(例如，一裸架空電纜)中使用的一纖維強化複合結構。該纖維強化複合材包括在一黏結基質中之多數強化纖維。一強度元件可包含一單一(即，不大於1)強度構件(例如，一單件式纖維強化複合強度元件)，或可由數個複合強度構件構成，且該等複合強度構件組合(例如，扭絞、成束或以其他方式一起成束敷設)以形成該強度元件。因此，本揭示可互換地使用強度元件及強度構件之用語，特別是在該強度元件包括一單一強度構件時。
在此揭露之用於偵詢的系統和方法可具有獨特地組配成用於該等系統和方法中及用於類似系統和方法中的一強度元件。在一實施例中，揭露用於纖維強化複合強度元件之偵詢的系統和方法，其中該複合強度元件包括：一纖維強化複合強度構件，其具有設置在該強度構件內之至少一第一光纖；一光發射裝置，其與該強度構件之一第一端操作地連接；及一光感測裝置，其與該強度構件之一第二端操作地連接。該等系統和方法係組配成偵詢該強度元件以決定該強度元件是否被結構性地破壞。該等系統和方法符合經濟效益且在製造及安裝該強度元件之過程中的任一點比較容易實施。
依據本揭示，該纖維強化複合強度元件可具有可在該偵詢系統和方法中偵詢該強度元件之一或多數特性，但在此揭露之纖維強化複合強度元件之特性亦有助於它用於其他系統中及其他方法中。
該等強度元件可在各種結構應用中使用，特別是作為一抗拉強度元件。在一特定實施例中，一長形纖維強化複合強度元件係組配成用於一架空電纜，例如一裸架空電纜中。如上所述，用於輸送及/或分配電力之架空電纜通常包括一中心強度元件及一導電體，且該導電體係設置成環繞該強度元件且被該強度元件支持。雖然該強度元件以往係由鋼製成，但越來越多該等鋼強度元件被由提供許多明顯優點之複合材料，特別是由纖維強化複合材料製成的強度元件取代。該等纖維強化複合強度元件可包括一單一纖維強化複合強度元件(例如，一單一桿)，如圖1A所示。該構態之一例揭露在上述Hiel等人之美國專利第7,368,162號中。或者，該複合強度元件可由操作地組合(例如，扭絞或成束在一起)以形成該強度元件之多數獨立纖維強化複合強度構件(例如，多數獨立桿)構成，如圖1B所示。該等多構件複合強度元件之例子包括，但不限於：McCullough等人之美國專利第6,245,425號中所示之多構件鋁基質複合強度元件；Tosaka等人之美國專利第6,015,953號中所示之多構件碳纖維強度元件；及Daniel等人之美國專利第9,685,257號中所示之多構件強度元件。這些美國專利中之各專利在此全部加入作為參考。亦可使用用於該纖維強化複合強度元件之其他構態。
請再參閱圖1A，該架空電纜120A包括一第一導電層122a，該第一導電層122a包含螺旋地包覆一纖維強化複合強度元件126之多數導電束124a，且該纖維強化複合強度元件126包含一單一纖維強化複合強度構件127。該等導電束124a可由如銅或鋁之導電金屬製成，且用於裸架空電纜時通常由例如固化鋁、退火鋁及/或鋁合金之鋁製成。當架設在多數支持塔之間以形成用於輸送及/或分配電力之一架空輸電線時，例如鋁之導電材料沒有足以自支撐之機械性質(例如，足夠抗拉強度)。因此，當該架空電纜120A在高機械張力下架設在該等支持塔之間時，該架空電纜120A包括該強度元件126以支持該等導電層124a/124b。
如圖1A所示，該等導電束124a/124b具有一實質梯形橫截面，但亦可使用其他構態，例如圓形橫截面。對相同有效電纜直徑而言，例如，相較於具有一圓形橫截面之多數束，使用如梯形橫截面之多邊形橫截面有利地增加導電金屬之橫截面積。如圖1A所示，該架空電纜120A包括一第二導電層122b，且該第二導電層122b通常包含螺旋地包覆該第一導電層122a之多數導電束124b。可了解的是依據該架空電纜之所需用途，該等架空電纜可包括一單一導電層或二以上之導電層。
圖1B顯示類似於圖1A所示之電纜的一架空電纜120B的一實施例，其中該強度元件128包含成束或扭絞在一起以形成該強度元件128之多數獨立纖維強化強度構件(例如，強度構件129)。雖然圖1B顯示為包括七條獨立強度構件，但可了解的是一多構件強度元件可包括適用於一特定應用之任何數目的強度構件。
圖2A與2B顯示一纖維強化複合強度構件之二例子的橫截面圖。圖2A顯示具有一內芯228A之一纖維強化強度構件220A，該內芯228A包括在一聚合物基質中，例如在一熱塑性聚合物或一熱固性聚合物中之多數縱向延伸碳強化纖維。該內芯228A被一外聚合物層230A包圍，且該外聚合物層230A係由如PEEK(聚醚醚酮)之一絕緣(例如，高介電)聚合物製成。該層230A保護該內芯228A之碳纖維不與該導電層接觸(請參見圖1)，而與該導電層接觸會造成鋁之電蝕。在圖2B所示之實施例中，該強度構件220B包括一聚合物基質中之縱向延伸碳纖維的一內芯228B及一聚合物基質中之絕緣玻璃纖維(例如，連續玻璃纖維)之一外層230B。該玻璃纖維之外層230B堅固地保護該等碳纖維不與該導電層接觸且增加該強度構件220B之撓性使得該強度構件及該電纜可捲繞在一捲軸上以便貯存及運送而不破壞該強度構件220B。通常，當該強度元件由多數強度構件構成時，該等獨立強度構件可具有比一單一元件強度元件小的一直徑。請參見以上圖1A與1B。該等強度元件可包括包圍該強度構件束之一層(例如，一包覆材)。可了解的是非全部強度元件都需要一絕緣層。
如上所述，構成該等強度構件之該纖維強化複合材包括操作地設置在一黏結基質中多數強化纖維。該等強化纖維可為沿著該纖維強化複合材之長度延伸的多數實質連續強化纖維，及/或可包括分散在該黏結基質中之多數短強化纖維(例如，多數纖維鬚或多數短纖)。該等強化纖維可選自於多種材料，但不限於：碳、玻璃、硼、金屬氧化物、金屬碳化物、例如聚芳醯胺纖維或氟聚合物纖維之高強度聚合物、及玄武岩纖維等。因為碳纖維之非常高抗拉強度及/或因為碳纖維之比較低熱膨脹係數(CTE)，所以碳纖維在許多應用中特別有利。
該黏結基質可包括，例如，如一熱塑性聚合物或熱固性聚合物之一塑膠(例如，聚合物)。例如，該黏結基質包含包括半結晶熱塑性塑膠之一熱塑性聚合物。可使用熱塑性塑膠之特定例子包括，但不限於：聚醚醚酮(PEEK)、聚丙烯(PP)、聚苯硫(PPS)、聚醚醯亞胺(PEI)、液晶聚合物(LCP)、聚甲醛(POM，或縮醛)、聚醯亞胺(PA，或尼龍)、聚乙烯(PE)、氟聚合物及熱塑性聚酯。一黏結基質可使用之聚合材料的其他例子可包括加成固化酚樹脂，例如，雙馬來醯亞胺(BMI)、聚醚醯胺、各種酸酐或醯亞胺。
該黏結基質亦可包括一熱固性聚合物。可使用之熱固性聚合物的例子包括，但不限於：苯并 、熱固性聚醯亞胺(PI)、聚醚醯胺樹脂(PEAR)、酚樹脂、環氧基乙烯酯樹脂、聚氰酸樹脂及氰酸酯樹脂。在一示範實施例中，在該黏結基質中使用一乙烯酯樹脂。另一實施例包括使用一環氧樹脂，例如表氯醇與雙酚A之一反應產物的一環氧樹脂，即雙酚A二環氧丙酯(DGEBA)。用於環氧樹脂之固化劑(例如，硬化劑)可依據該纖維強化複合強度元件之所需性質及處理方法來選擇。例如，固化劑可選自於脂族聚醯胺、聚醯胺及這些化合物之修飾型式。酸酐及異氰酸酯亦可作為固化劑使用。
該黏結基質亦可為一金屬基質，例如一鋁基質。一鋁基質纖維強化複合材之一例顯示在上述McCullough等人之美國專利第6,245,425號中。
特別有利之用於一架空電纜的一複合強度元件構態係可由加州Irvine市之GTC Global公司取得且顯示在上述Hiel等人之美國專利第7,368,162號中的ACCC®複合材構態。在該ACCC®電纜之市售實施例中，該強度元件係實質圓形橫截面之一單一構件強度元件，其包括設置在一聚合物基質中之一實質連續強化碳纖維的一內芯。該碳纖維之芯被亦設置在一聚合物基質中的一堅固玻璃纖維絕緣層包圍，且選擇成使該等碳纖維與周圍導電鋁束絕緣。請參見圖2B。該等玻璃纖維亦具有比該等碳纖維高之彈性模數且提供彎曲性使得該強度元件及該電纜可捲繞在一捲軸上以便貯存及運送。
可在架空電纜中使用之纖維強化複合強度元件可在數種方面具有特性。一特性可為該強度元件之長度。例如，用於架空電纜之強度元件通常作成非常長。在某些特性中，製成之強度元件可具有至少大約1000公尺，例如至少大約3500公尺，例如至少大約5000公尺，或甚至至少大約7500公尺之一長度。通常，緊接在製造該強度元件後，該強度元件通常捲繞在一捲軸(例如，一捲線軸)上以便貯存及/或運送該強度元件，例如運送至使該強度元件與一導電體成束以形成一電纜之一成束設備。雖然本揭示之強度元件之長度沒有特別限制，但實際上該貯存/運送捲軸可具有不大於大約9000公尺，例如不大於大約8000公尺之該強度元件的一最大容量。可了解的是該捲軸之最大容量取決於捲繞在該捲軸上的該強度元件直徑(或，例如，構成該強度元件之強度構件數目)。
當形成該電纜時，例如當該強度元件與一電纜成束時，該纖維強化複合強度元件之長度亦可成為特性。如上所述，這通常在一成束操作時發生，其中該強度元件由一捲軸拉出，與一導電體(例如，與多數導電束)成束，且如此形成之電纜捲繞在另一捲軸上以便貯存及/或運送該電纜。因為除了該強度元件以外，該等導電束亦使體積增加，所以相較於只有該強度元件，可貯存在一捲軸上之電纜長度減少。因此，例如，在這狀態中該電纜之長度及該強度元件之長度通常不大於大約4500公尺，例如不大於大約4000公尺。
當該電纜安裝在多數支持塔上以形成輸電線時，該電纜之長度及該底層纖維強化複合強度元件之長度亦可成為特性。為形成該輸電線，由一捲軸拉出該電纜且使其操作地附接在多數支持塔(例如，高壓電纜鐵塔)上使得該電纜懸吊在地面上方一安全距離。該電纜必須沿著該輸電線之路徑用某種間距切斷且使用如多數導電接頭及/或終端結構重新連接。該電纜之長度可如二相鄰支持塔間之距離一樣短(例如，當該輸電線轉彎時)，或可在被切斷且使用硬體重新連接前跨接數個支持塔。因此，該安裝之電纜及該底層強度元件可具有至少大約50公尺，例如至少大約100公尺，例如至少大約等於或大於250公尺，或例如至少大約等於或大於500公尺之一長度。某些輸電線，例如跨越河流或山谷以一單一跨距架設之線或跨越連續地形且被產生多數跨距之多數塔支持的線可具有多達大約3000公尺之一長度。
如上所述，該纖維強化複合強度元件可具有多種直徑，例如，一圓形橫截面之直徑、一非圓形橫截面之有效直徑、或形成該強度元件之多數成束或扭絞複合強度構件的有效直徑。雖然該直徑沒有特別限制，但該直徑通常為至少大約1 mm，例如至少大約2 mm或至少大約3 mm。類似地，雖然該強度元件之直徑沒有特定上限，但該直徑通常不大於大約30 mm，例如不大於大約20 mm，例如不大於大約15 mm，例如不大於大約11 mm。
組配成用於一架空電纜中之纖維強化複合強度元件亦可在高機械張力下安全地安裝在該等支持塔上所需的一最小抗拉強度方面具有特性。在這情形中，通常該強度元件必須具有至少大約1900 MPa，例如至少大約2000 MPa，例如至少大約2050 MPa之一抗拉強度。該強度元件之拉抗強度沒有特定上限，因為它通常必須具有一儘可能高之抗拉強度。因此，該抗拉強度之上限只受限於可用之材料，例如可用之強化纖維之抗拉強度。就現有可用之強化纖維的抗拉強度而言，該抗拉強度之實際上限係大約3500 MPa。
雖然抗拉強度係該纖維強化複合強度元件之一主要特性，但用於如一架空電纜之應用中時可能需要其他特性。例如，在一架空電纜中之強度元件需要具有一低熱膨脹係數(CTE)以減少當該輸電線過熱時發生線下垂之情形。例如，該強度元件可具有不大於大約30´10-6 /℃，例如不大於大約20´10-6 /℃，例如不大於大約10´10-6 /℃，例如不大於大約7.5´10-6 /℃，例如不大於大約5´10-6 /℃，例如不大於大約2.5´10-6 /℃之一CTE。在一特性中，該強度元件之CTE係不大於大約2.0´10-6 /℃。在某些實施例中，該強度元件可甚至具有，例如低至大約-0.5´10-6 /℃之一稍微負的CTE。
雖然一纖維強化強度元件之前述特性係揭露為在一架空電纜中使用所需，但當在如橋接電纜及支吊線中使用在此揭露之強度元件時亦需要類似特性。
依據本揭示，該纖維強化複合材強度元件包括至少一纖維強化複合強度構件，且該強度構件包括至少一長形且連續之光纖。該光纖可埋在該纖維強化複合材內(在該黏結基質內)且可由該強度構件之一第一端延伸至該強度構件之一第二端。該光纖係組配成將光由該強度構件之第一端傳送至該強度構件之第二端。藉由適當地選擇該(等)光纖、放置該(等)光纖及製備該纖維強化複合強度構件之該等該端，可使用在此揭露之系統和方法來偵詢該強度構件以評定該強度構件之結構完整性，例如評定包括該強度構件之強度元件的結構完整性。雖然可使用一單一光纖，但可藉由以分開方式在該纖維強化複合材內包括多數光纖來改善在此揭露之系統和方法的效率。因此，本揭示可說是使用多數光纖(例如，複數光纖)，但本揭示不限於此。
在此使用之用語「光纖」表示組配成可沿著該纖維之全長傳送入射光之一長形且連續的纖維。通常，光纖可包括透射芯及包圍該芯之一包覆層，該包覆層由一不同材料(例如，具有一不同折射率)製成以減少例如透過該光纖外部離開該透射芯之光損失。這與例如一結構纖維(例如一結構玻璃纖維)不同，該結構纖維具有一均勻組成且通常放在一複合材料中形成一纖維束，即，一未扭絞獨立長纖維束。
在該強度構件中使用之光纖可為例如單模光纖或一多模光纖。一單模光纖具有一小直徑透射芯(例如，大約9 mm之直徑)，且該小直徑透射芯被具有大約125 mm之一直徑的一包層包圍。單模纖維係組配成只容許一種光傳播模式。一多模光纖具有容許多種光傳播模式之一較大直徑透射芯(例如，大約等於或大於50 mm之直徑)。本揭示之一優點係用於偵詢之系統和方法事實上可使用任一種光纖，且因此相較於多模光纖，單模光纖可因其比較低之成本而較佳。該等光纖可完全由一或多數聚合物製成。但是，聚合物光纖可能沒有足以耐受該強度構件之製造及/或使用的耐熱性，且目前使用單模玻璃纖維是較佳的。
該等光纖可沿著該強度構件之長度直線地設置。換言之，該等光纖可縱向地定向且與該強度構件之一中心縱軸共線。在另一配置中，該等光纖中之一或多數光纖可為非直線，即，可相對該強度構件之中心縱軸捲繞(例如，螺旋地扭絞)。
依據本揭示之纖維強化複合強度構件的一特性係該強度構件之至少一端具有一端表面，且該端表面係組配成便於將光(例如，紅外光)傳送通過該強度構件，例如，進入設置在該纖維強化複合材內之光纖且不必隔離(例如，分開)該光纖及該纖維強化複合材。因為光纖非常小(例如，包括一外塗層只具有大約250 mm之一直徑)，所以它們難以輕易地定位在該纖維強化複合材內。依據本揭示，不需要隔離該光纖(例如，該光纖之該端)及包圍用於欲實施該偵詢系統和方法之該光纖的纖維強化複合材。即，該強度構件可組配成使得該光纖埋在該纖維強化複合材中且未延伸超出該纖維強化複合材之端表面。對大部份應用而言，該強度構件之各端必須組配成使該光可在一第一端傳送進入該強度構件，且在一第二端傳送離開該強度構件並被偵測。
在另一特性中，該強度構件之端表面可說是非常平滑。例如，該端表面之特性可為一拋光端表面，例如，已拋光以移除凸脊、刮痕或其他小表面形貌體。如下所述地，該強度構件之端表面可用一比較細研磨砂來拋光以便移除可由用一切割刀切割該強度構件產生之多數表面形貌體。
在另一特性中，該強度構件之端表面可說是與該強度構件之一中心縱軸實質地正交。即，該端表面之特性為定向成相對該縱軸在或非常接近90°之一平面。在此使用之實質地正交表示該端表面係定向成相對該縱軸在90°之±5°內。在一特性中，該端表面係定向成相對該強度構件之縱軸在90°之±2°內。例如，該端表面可定向成相對該縱軸在90°之±1°內，例如在90°之±0.5°內。該正交端表面可例如藉由當將該複合材相對用於切割該複合材之端的切割刀保持(例如，抓握)在該正交位置時，切割該纖維強化複合材之端來形成。已發現的是形成與該強度構件之縱軸具有一正交關係的一端表面可有助於將光傳送進入及離開該等光纖且該光源不需要與該光纖直接地(例如，實體地)耦合且該光纖不需要定位(例如，目視地辨識)在該複合材內。以下說明可用於形成該端表面之一工具例。
在此所述之用於偵詢一強度構件的系統和方法可用於評定該強度構件之結構完整性，例如，以便決定例如由該強度構件之製造或處理開始，該強度構件(例如，該纖維強化複合材)是否包括任何裂縫或其他類似缺陷。為提供一可靠評定，且依據該強度構件之尺寸及構態(例如，直徑及/或橫截面)，該強度構件亦必須包括例如埋在該纖維強化複合材內的至少一第二長形且連續之光纖。該強度構件亦可包括至少一第三光纖或甚至至少一第四光纖以提供一可靠評定，例如以便增加該纖維強化複合材中之一裂縫亦使一光纖斷裂(例如，破裂)，例如使該光纖之光傳送變成大幅減少或中斷的可能性。當使用一單一強度構件作為一強度元件時，多數光纖特別有用。該等光纖必須符合上述特性，例如該等光纖未延伸超出該纖維強化複合材之該(等)端表面。
當該纖維強化複合強度構件包括三或三以上之光纖時，該等光纖可同心地設置成環繞該強度構件之縱中心軸，且可設置成與該縱軸等距及/或互相等距。這可藉由均勻地分配該等光纖通過該強度構件之橫截面來增加該系統和方法偵測該纖維強化複合材中之缺陷的能力。在一特定實施例中，該強度構件包括以一同心方式設置成環繞該縱軸且環繞該強度構件之橫截面互相大致相等地分開例如大約90°角度。在一特性中，該強度構件之縱中心軸沒有光纖，例如該強度構件未包括一中心設置光纖。吾人認為因為一裂縫靠近該強度構件之中心軸通過而亦未非常靠近通過並中斷設置成環繞且與該中心軸分開之一或多數光纖的可能性非常低，所以沿著該中心軸放置一光纖不會特別地增加該偵詢系統和方法的效率。
在該強度構件包含如包含多數碳纖維之一芯的一強化纖維中心複合材芯及如該黏結基質中之一玻璃纖維層的包圍該中心芯之一絕緣層的上述實施例中，該等光纖可有利地埋在該纖維強化複合材內之不同位置，即，在相對該中心軸之不同距離及/或在該中心芯與該絕緣層之介面相對該芯之中心軸的不同角度。放在這介面可改善當在該強度構件中產生一裂縫時該等光纖斷裂之可能性。
請參閱圖3A至3F，顯示依據本揭示實施例之強度構件的橫截面圖。該強度構件326A至326F之纖維強化段的構態類似於圖2B所示之強度構件，且包括被一絕緣材料之一外層包圍的多數高抗拉強度纖維之一內芯，例如，被包含多數玻璃纖維之一外層包圍的包含多數碳纖維之一內芯。如圖3A所示，該強度構件326A包括同心地設置在該強度構件426中環繞且與該中心軸分開的四光纖323a至d。如圖3A所示，該等纖維323a至d係放置成在或非常靠近該內芯328A與該外層330A間之一介面329A。該等四光纖亦環繞該中心軸均等地分開，例如徑向地分開大約90°。如圖3B所示，光纖323e至g係放置成非常靠近該強度構件326B之外表面且徑向地分開大約120°。放置成非常靠近該外表面對於提早偵測在該外表面上產生(例如，開始產生)之裂縫是有利的。但是，該等光纖323e至g不應放置成太靠近該外表面而使得它們暴露且例如由於與該外導電層直接接觸而受到破壞。圖3C顯示一強度構件326C之一實施例，其中四光纖323h至323k埋在該內芯328C中。圖3D顯示一強度構件326D之一實施例，其中五光纖放在該內芯328D與該外層330D間之介面329D。該等五光纖與該強度構件之一中心軸實質地等距且實質相等地分開，即徑向地分開大約72°。圖3D顯示該強度構件可包括任何數目之光纖，包括五或五以上之光纖。圖3E顯示一強度構件326E之一實施例，其中一第一組光纖設置成相對該強度構件之一中心軸具有一第一距離，且一第二組光纖設置成相對該中心軸具有一第二距離，其中該第二距離與該第一距離不同。圖3F顯示一強度構件326F之一實施例，其中一光纖沿著該強度構件326F之一中心軸設置且被與該中心軸分開之多數光纖包圍。可了解的是圖3A至3F所示之強度構件內的光纖之配置只是可能配置例，且本揭示不限於這些特定配置。
如上所述，例如藉由拋光一端表面形成一平滑端表面以便將光傳送進入及離開該光纖是有利的。已發現許多市售光纖包括包圍該透射芯及包層之二或二以上聚合層，即一比較軟聚合材料之內層及一較硬聚合物之外層以便保護該玻璃芯。該較軟聚合物層之功能係減少由於在某些應用中該光纖之微彎曲產生的光損失。但是，已發現當包括該光纖之一端的一強度構件之一端表面進行拋光時，由於該拋光程序產生之機械動作及/或熱，該較軟聚合物層會移動且至少部份地包覆該光纖之透射玻璃芯。即使被該移動聚合物之一小包覆量亦會阻礙光傳送進入及/或離開該光纖。因此，在一特性中，該等光纖未包括一較軟聚合物層。例如，該光纖可包括一透射玻璃芯及包層以便傳送該光，及例如在沒有中間材料層之情形下包圍該玻璃芯及包層的一單一保護(例如，硬)聚合物層。因此，可減少或避免該玻璃芯之端被移動聚合物包覆的傾向，且可促進光傳送進入及離開該光纖。在一特性中，該單一保護聚合物層具有至少大約1000 MPa，例如多達大約4500 MPa之一抗拉模數。該等聚合物之例子可包括以丙烯酸酯為主之聚合物及聚醯亞胺。在另一特性中，該光纖可沒有任何聚合(例如，保護)層。
上述強度構件可藉由包括上述美國專利中所述方法之所屬技術領域中具有通常知識者習知的手段製成。在一特定實施例中，該強度構件係藉由拉擠製程形成，藉此將多束連續強化纖維(例如，碳及玻璃纖維)拉動通過一黏結基質材料(例如，通過一環氧樹脂浴)，接著該黏結基質材料固化以黏結該等纖維並形成一纖維強化複合材。光纖係由製造商以類似於該等纖維束(例如，碳纖維束及玻璃纖維束)之方式連續多段(例如，數千公尺之長度)地設置在捲軸上。因此，該等光纖可在沒有大困難的情形下與該等強化纖維一起整合在該拉擠製程中。
因此，本揭示之一實施例係有關於用於製造組配成用於一強度元件中之一長形纖維強化複合強度構件的一方法。該方法可包括以下步驟：形成一長形纖維強化複合材，該長形纖維強化複合材具有一縱中心軸且包含一黏結基質及設置在該黏結基質中之多數強化纖維。例如在形成該複合材時，至少一第一光纖埋入該纖維強化複合材中，使得該光纖由該複合材之一第一端延伸至該複合材之第二端。例如，該等光纖可整合在一拉擠製程中，其中該等強化纖維束用一樹脂浸漬，且該樹脂固化形成該黏結基質。通常以類似於該等強化纖維束之一方式在捲軸(捲線軸)上設置多數光纖，且因此可以一類似方式拉動該等光纖通過一拉擠系統。在一實施例中，該等光纖具有一或多數聚合物層，且在該等光纖與該等強化纖維結合並用一樹脂浸漬前移除該等聚合物層。例如，該等光纖可進行一熱處理步驟以移除(例如，揮發)該聚合物層。在一實施例中，該熱處理步驟包括在該光纖與該等強化纖維混紡前，將一雷射照射在該光纖上。
如上所述，該等光纖可直線地定向(例如，與該強度構件之中心縱軸共線)，或可相對該強度構件之中心縱軸包覆(例如，螺旋地捲繞)。
在(例如，藉由拉擠)形成一適當長度之纖維強化複合材後，接著靠近該複合材之第一端切割該複合材以形成實質平坦之一第一切割端表面。拋光該切割端以形成具有一拋光第一端表面之一長形纖維強化複合強度構件，該拋光第一端表面包含纖維強化複合材及該光纖之一第一端。由於前述方法，包括該光纖的該強度構件之拋光端具有透過該光纖有效地接收及發射光的能力，且例如該光纖不需要與該包圍纖維強化複合材實體地隔離。
如上所述，該強度構件可包括一或多數(例如，四或四以上)光纖，且該等多數光纖可將該纖維強化複合材組配(例如，埋入)成可改善該等光纖由於該包圍複合材中之一裂縫或其他缺陷而斷裂之可能性。因此，前述方法可包括如上所述地埋入例如二或二以上光纖之多數光纖。
在一拉擠製程中，在該黏結基質已充分固化後，通常將該拉擠纖維強化複合材收集在一捲軸上。當該等纖維束及該等光纖之長度超過複合材可貯存在一捲軸上之長度時，在超過該捲軸之貯存容量前切割該長形複合材。通常，該切割係藉由一單一剪切動作(例如，使用螺栓切割機)或產生該纖維強化複合材之一粗且參差端的一有齒(鋸齒)鋸子來達成。依據一實施例，需要在該強度構件設置在該捲軸上時偵詢該強度構件。因此，該纖維強化複合材可捲繞在該捲軸上使得該複合材之第一與第二端通常藉由將一或兩端穿過該捲軸中之一側孔而暴露，例如兩端都與該捲繞複合材之整體分開。因此，在一實施例中，(例如，如上所述地)切割及拋光該纖維強化複合材之至少一端且最好是兩端以形成該強度構件，使得該偵詢系統和方法可在該強度構件設置在該捲軸上時應用於該強度構件。
在一實施例中，該強度構件之製造商必須在運送該強度構件前，例如在該強度構件運送至用於使由該強度構件形成之一強度元件與一導體成束以形成一電纜的一成束設備前，對該強度構件進行「應力測試」。該應力測試可包括由一捲軸解捲該強度構件並將它捲繞在另一捲軸上，其中該強度構件通過該等二捲軸間之一或多數輪(例如，小滑輪)。適當地選擇輪尺寸且放置輪使一已知應力施加在該強度構件上以確認該強度構件未在該已知應力下破裂，例如以便確認該強度構件中沒有明顯製造缺陷。因此，依據一實施例，用於偵詢該強度構件之系統和方法在該應力測試後應用於該強度構件以決定該強度構件是否通過該應力測試，例如以便決定該強度構件是否在應力測試時破裂。例如，可在該強度構件捲繞在該第二捲軸上時在該應力測試後應用該系統和方法。若使用該偵詢系統和方法決定該強度構件通過該應力測試，可運送該捲繞強度構件以便成束。
無論如何，在一實施例中，可以具有如上所述地形成一正交端表面之一高可能性的一方式來實施該切割步驟。例如，該切割步驟可包括用一機械致動(例如，電動)之切割邊緣切割該纖維強化複合材。透過主要在該切割邊緣上具有研磨砂之一材料(即，一高硬度微粒材料)來切割的一含砂切割邊緣通常優於包括切割齒之一切割邊緣。雖然未排除使用細切割齒來切割該纖維強化複合材，但吾人相信該等切割齒會產生比研磨砂粗之表面，使該切割步驟後之拋光步驟更困難(例如，更耗時)。在一特性中，該含砂切割邊緣包含具有超細或較粗之一尺寸，例如至少大約30 mm(大約600粒度)，例如至少大約40 mm(大約360粒度)或甚至至少大約68 mm(大約220粒度)之一尺寸的研磨砂。可了解的是可藉由考慮該切割邊緣之速度(例如，旋轉速度)及一快速切割及拋光之需求來選擇切割砂，即，一較粗砂可較快地切割，但需要一較長後續拋光時間。
為如以上某些特性中所述地形成一實質正交端表面，該切割步驟可包括(例如，機械地固定)該纖維強化複合材之第一端使得在該切割步驟時該第一端設置成相對該切割邊緣(例如，該切割刀)實質地正交。例如，可機械地夾持該纖維強化複合材使得該複合材設置成與該切割邊緣正交且在該切割步驟時無法以任何顯著之方式偏軸地移動。
在切割後，可拋光該端表面以提供一平滑端表面。例如，該拋光步驟可包括用一拋光表面拋光該切割端表面。例如，該拋光表面可包括具有一超細尺寸，例如不大於大約25 mm(800粒度)或甚至不大於大約22 mm(1000粒度)之一砂尺寸的研磨砂。在另一特性中，該拋光步驟可用比在該切割步驟中使用之研磨砂小的研磨砂來實行。
如上所述，某些光纖由製造商提供一軟聚合物層以減少微彎曲損失，且該軟聚合物會在該等切割及/或拋光步驟時包覆該光纖透射芯之該端。若該光纖包括該層，用於減少或避免該包覆之一技術係使該軟聚合物層暫時硬化以減少其移動及包覆該光纖之透射芯的敏感性。例如，可在該切割及拋光步驟前及/或時冷卻該端表面以使該聚合物層硬化。在一特性中，藉由施加一冷卻液體或冷卻氣體至該端表面來冷卻該端表面。例子包括在該切割及拋光步驟前及/或時施加一壓縮氣體(例如，壓縮氮氣、二氧化碳氣體、碳氫化合物氣體或氟氯烷等)至該端表面。
形成該強度構件之端表面的方法如上所述地包括例如使用一切割邊緣及一拋光表面機械地切割及拋光該纖維強化複合材之該端。但是，可預期的是可藉由其他手段形成具有所需端表面之一強度構件。例如，可使用一水刀或一雷射來獲得具有所需性質之一端表面以便在此所述之該等偵詢系統和方法中有效地傳送光。
前述者說明了具有一(多數)端表面之一強度構件的製造，且該(等)端表面係組配(例如，切割及拋光)成有助於將光傳送進入及離開埋在該強度構件中之一光纖。這允許該強度構件之製造商在該強度構件運送至終端使用者或運送至如使該強度構件與一導體成束以形成一電纜之一設備的一中間機構前偵詢該強度構件。除了該製造商以外或取代該製造商，該系統和方法亦可在其他地點實施。該實施需要該終端使用者及/或該中間機構亦依據前述說明準備該強度構件之該等端。例如，如上所述，當一強度元件(例如，包括一或多數強度構件)與一導電體成束而形成一電纜時，該強度元件由一捲軸拉出且與多數導電束成束。因為該等導電束在該強度元件以外再增加體積，所以相較於單獨用於一強度元件之捲軸容量，可貯存在一捲軸上之電纜長度減少。因此，必須在某一點，例如，當該電纜捲軸到達其容量時切斷該強度元件。因此，該成束機希望依據前述方法來準備該強度構件之該等端以使該成束機或該成束機之顧客在該電纜捲繞在一捲軸後偵詢該電纜。
類似地，如上所述，當安裝該強度元件時(例如，當包括該強度元件之一架空電纜架設在支持塔上時)，特別地考慮布設該輸電線時之多次轉彎(例如，角度)，電纜之長度必須切割很多次以配合支持塔間之距離。因此，在某些實施例中，可依據前述方法在將該電纜安裝在支持塔上時切割及拋光該(等)強度構件。
在本揭示之一實施例中，揭露對於切割及拋光一強度構件特別有用之一工具。該工具係組配成在一單一步驟中切割及拋光一纖維強化複合材之該端，藉此在切割及拋光以形成用於偵詢之一強度構件時減少工作量及錯誤之可能性。該工具包括一平面本體，該平面本體具有沿著該平面本體之至少一邊緣設置之一切割邊緣；及一拋光表面，其覆蓋該平面本體之至少一部份。一對齊元件與該平面本體操作地聯結且組配成使具有一縱軸之一長形纖維強化複合材與該平面本體操作地對齊，使得該平面本體之該切割邊緣係組配成移動且切割與該縱軸實質地正交之該複合材以形成一切割表面，且該拋光表面係組配成當該切割邊緣移動通過該複合材時拋光該切割表面。
實行該切割及拋光之該平面本體可採用各種形式，例如，如可在一帶式砂磨機中找到之一連續移動多邊形表面。在一特性中，該平面本體實質呈圓形且(例如，藉由一電動馬達)旋轉以切割該纖維強化複合材。在這情形中，該馬達可操作地連接於該平面本體，其中該馬達係組配成使該平面本體環繞該平面本體之一中心軸快速地旋轉。雖然該切割邊緣可包括多數切割齒，但有利的是該切割邊緣如上所述地形成一含砂表面以減少該複合材之一粗及/或參差端的形成。在一特性中，該含砂切割邊緣包含具有超細或更粗之一尺寸，例如，至少大約30 mm(大約600粒度)，例如至少大約40 mm(大約360粒度)或甚至至少大約68 mm(大約220粒度)之一尺寸的研磨砂。可了解的是可藉由考慮該切割邊緣之速度(例如，旋轉速度)及一快速切割及拋光之需求來選擇研磨切割砂，即，一較粗砂可較快地切割，但需要一較長拋光時間。
該平面本體包括覆蓋該平面本體之全部表面或其一部份的一拋光表面。該拋光表面可包括具有一超細尺寸，例如不大於大約25 mm(800粒度)或甚至不大於大約22 mm(1000粒度)之一砂尺寸的研磨砂。在另一特性中，該拋光表面可包含比在該切割邊緣上使用之研磨砂細的研磨砂。在一特性中，該拋光表面包括至少二不同研磨砂尺寸，其中較靠近該拋光表面之一外部份施加一較粗砂且較靠近該拋光表面之一中心部份施加一較細砂。依此方式，該切割表面可先遇到該較粗砂以便快速地移除較大表面形貌體，且接著遇到該較細砂以便移除較小表面形貌體。
為有助於藉由該拋光表面在該纖維強化複合材之端表面上施加一少量壓力，該拋光表面可在該平面本體之下方表面上方凸起。例如，該拋光表面可在該平面本體之表面上方稍微凸起至少大約0.1 mm，例如至少大約0.3 mm且不大於大約1.2 mm，例如不大於大約1.0 mm。例如，該拋光表面可包含設置在一薄基材(例如，一紙基材)上的研磨砂，且該薄基材係附接(例如，黏接)在另一平滑平面上。或者，除了該凸起拋光表面以外，該工具亦可包括組配成將該拋光表面推向欲拋光之纖維強化複合材之該端的一機構(例如，一彈簧)。
該工具可有利地為一手持工具，例如一操作者可在各種環境中攜帶及操作之一工具。例如，在安裝一架空電纜時，在該操作者必須位在地面上高處，通常在一可垂直移動斗中時切割該電纜。提供操作者可在該小空間中輕易地攜帶且可操作之一工具提供一明顯優點。在這情形中，該工具可包括用以使該平面本體移動，例如使該切割邊緣及拋光表面移動之一電池。該電池可為例如一可充電電池。例如，為改善可攜性及容易使用該工具，可使用具有在大約2安培-小時至大約12安培-小時之範圍內之一容量的一電池。在另一特性中，該電池可具有大約12伏特至大約20伏特之一電壓。具有這些特性之電池可為該工具提供適當電力以便可靠地操作一合理量之時間，同時維持該工具在一操作者可輕易地攜帶及操作之一形態。
該工具亦可包括一抓握部份(例如，一握把)以便例如類似一手持鑽機地被該操作者抓握且自由地操作該工具。
某些纖維強化複合材會包括當該切割邊緣及該拋光表面由該表面以粉塵之形式移除時會對一操作者產生危險的多數材料(例如，碳纖維)。在一特性中，該工具包括組配成捕捉在切割及拋光時產生之粉塵的一機構。例如，該機構可與該平面本體耦合，因此產生一部份真空以便在該平面本體移動時，例如該平面本體旋轉時捕捉粉塵。
可了解的是在此所述之切割及拋光工具可具有各種不同應用，且不限於如上所述地切割及拋光纖維強化複合材以形成多數強度構件。
上述設有一或多數光纖之強度構件可使用在許多不同應用中，特別是作為各種結構中之抗拉強度元件。在本揭示之一實施例中，該等強度構件係使用在用於架空電纜之強度元件中。
在一實施例中，揭露用於偵詢一纖維強化複合強度元件，例如組配成用於與一架空電纜一起使用之強度元件的一方法。該強度元件包括由一纖維強化複合材形成之一強度構件，該複合材包括一黏結基質及設置在該黏結基質內之多數強化纖維。如上所述，至少一第一光纖埋在該複合材中且沿著該纖維強化複合材之一長度延伸。該偵詢方法包括以下步驟：將一光發射裝置操作地附接在該強度元件之一第一端上；將一光偵測裝置操作地附接在該強度元件之一第二端上；將光由該光發射裝置發射通過該第一光纖且朝向該光偵測裝置；及藉由該光偵測裝置偵測該發射光。在一特性中，若未由該等光纖中之一或多數光纖偵測到該發射光，因為缺少由該等光纖中之一或多數光纖發射之光表示該強度元件之結構完整性已被破壞，所以可進一步評定該強度元件之結構完整性。
該發射光可包含通過一寬光譜之光。例如，可見光(例如，具有大約400 nm至大約700 nm之一波長)適用於較短長度之一複合強度構件，或若該光源之光度非常高。但是，可見光對大部份應用而言，特別是在大長度上衰減太多。
有利地，該發射光之波長可主要位在紅外線區域中。例如，該發射光之波長(例如，該尖峰波長)可為至少大約700 nm，例如至少大約800 nm。此外，該發射光之波長可不大於大約1200 nm，例如不大於大約1000 nm。吾人相信具有大於大約1200 nm之一波長的光難以使用習知光感測器，例如一CCD或CMOS光感測器在該強度構件之該第二端偵測。特別有利的是相較於如一雷射之一同調(例如，單相)光源，該光源可為一非同調光源。由於該同調光之小直徑，雷射需要與一獨立光纖之一強耦合，因此使用雷射會有困難。相反地，在此揭露之方法可有利地使用如一發光二極體(LED)或一鹵素燈等之一非同調光源。
在一特性中，該光源係一LED且發射該光之步驟包含例如使用一電池或其他電源供電給該LED。LED極便宜且具有機械堅固性。因為該強度構件可包括設置在通過該強度構件之橫截面的不同位置的數條光纖，所以必須朝向該強度構件之實質全部橫截面發射該光使得足夠之光射入全部光纖以便在該強度構件之相對端進行偵測。在一特性中，這可藉由使該光源(例如，該LED)在發射該光時移動來達成。例如，當發射光時，可旋轉 (例如，使用一馬達機械地旋轉)或致動(例如，來回移動或擺動)該光源。在一特定特性中，當朝向該強度構件之該端發射該光時，以至少大約5 rpm(每分鐘轉數)，例如至少大約10 rpm之一速度旋轉該光源。
在一實施例中，該強度構件可具有實質如上所述之特性，且可如上所述地製造。例如，該強度構件之端表面可包括該纖維強化複合材及該(等)光纖，其中該(等)光纖未延伸超出該端表面。該端表面可被拋光。
替代前述者地，或除了前述者以外，一折射率匹配材料(例如，如一凝膠之一流體)可放在該端表面上(例如，在該等光纖之該端上)以促使光發射進入及/或離開該等光纖。一折射率匹配材料係具有一折射率之一流體材料，且因為波長減少會產生一較高折射率，所以該流體材料之折射率在關注之波長與例如該光纖之透射芯之另一材料的折射率相同或非常類似。在一實施例中，該方法包括在發射該光前將少量折射率匹配凝膠放在該強度構件之端表面上，其中該折射率匹配凝膠具有與該光纖芯之折射率實質相同的一折射率。在一實施例中，該折射率匹配材料具有至少大約1.40，例如至少大約1.42或甚至至少大約1.44之一折射率。該折射率匹配材料之折射率可不大於大約1.50，例如不大於大約1.48。已發現的是即使放在該端表面上之少量折射率匹配凝膠亦可大幅促進光發射進入該等光纖。
該偵詢方法可在製造該強度構件後，例如當該強度構件設置在一捲軸上時實施。亦可如上所述地在一應力測試(例如，一彎曲測試)後實施。可在製造一最終產品後(例如，在使該(等)強度構件與一導體成束後)實施，且可在安裝後，例如安裝該架空電纜後實施，以確保該電纜之結構完整性。
在另一實施例中，揭露用於強度構件之偵詢的一系統。雖然不限於此，但該系統可用於實施用於強度構件之偵詢的前述方法。例如，該系統可組配成用於偵測在一纖維強化強度元件，例如一架空電纜之組件之一強度元件中的一缺陷。在這實施例中，該系統包括一架空電纜，該架空電纜包含一纖維強化複合強度元件。該強度元件包括：一黏結基質；多數強化纖維，其操作地設置在該黏結基質內以形成一纖維強化複合材段；及至少一第一光纖，其完全地設置在該纖維強化複合材段內且沿著該強度元件之一長度設置。一導電體設置成環繞該強度元件且被該強度元件支持以形成該電纜。一光發射裝置操作地連接於該強度元件之一第一端，其中該光發射裝置包含一光源，該光源係組配成將光發射進入該光纖之該第一端。例如，該光可具有至少大約300 nm且不大於大約1700 nm之一波長。一光偵測裝置操作地連接於該強度元件之一第二端且包括一光感測器，該光感測器係組配成偵測由該光發射裝置通過該光纖之一第二端的光。
如上所述，該光源可組配成發射具有在紅外線區域中之一波長，例如具有至少大約700 nm，如至少大約800 nm之一波長的光。此外，該光源可組配成發射具有不大於大約1200 nm，如不大於大約1000 nm之一波長的光。該光源可為任何可使用之非同調光源，包括但不限於：一鹵素燈或一LED。有利地，該光源可包括組合以增加該光發射之面積(例如，橫截面積)的多數LED(例如，多數LED面板)。該光源亦可操作地附接在如一馬達之一機構上，該機構係組配成當該光源發射光時使該光源移動(例如，旋轉或擺動)。依此方式，一實質均一光柱或束朝向該強度構件之端表面發射，藉此實質地增加該強度構件中之各光纖接收足以在該強度構件之第二端被偵測之一光量的可能性。
該光源可藉由任何習知手段供電。在一實施例中，該光源係由例如一可充電電池之一電池供電。例如，為增加該光源之可攜性及容易使用性，可使用具有在大約2安培-小時至大約12安培-小時之範圍內的一電池。在另一特性中，該電池可具有大約12伏特至大約20伏特之一電壓。具有這些特性之電池可為該光源提供適當電力以便可靠地操作一合理量之時間，同時維持該光源在一操作者可輕易地攜帶及操作之一形態。
該光源在使用時亦可遠離該強度構件之該端。雖然分開，但該光源仍可透過該強度構件端之結構如上所述地通入該(等)光纖。在一特性中，該光源(例如，該光源之前表面)在使用時遠離該強度構件之端表面至少大約0.1 mm，例如至少大約1.0 mm。在另一特性中，該光源遠離該端表面不大於大約150 mm，例如不大於大約100 mm，例如不大於大約30 mm。
該強度元件包括如上所述之一或多數強度構件，包括具有設置在該複合材料中之多數光纖，例如至少大約二，至少大約三或至少大約4光纖的多數強度構件。該強度元件可具有如上所述之多種長度，且可在製造及安裝該強度元件時在不同點使用。
該光偵測裝置可包括用於偵測該發射光之一光感測器。雖然在某些情形中一使用者可直接檢查該光(例如，用肉眼)，但包括一光感測器之一光偵測裝置可偵測比較弱之光，且可記錄影像及/或資料以達成遠端分析及/或歸檔之目的。例如，該光感測器可為一電荷耦合裝置(CCD)或一互補金屬氧化物半導體(CMOS)裝置。該光偵測裝置可包括例如一凹透鏡，該凹透鏡係設置在該複合強度元件之該端與該光感測器間且組配成將該發射光聚焦在該光感測器上。該光感測器亦可連接於用於分析及/或顯示由該感測器產生之影像的一運算裝置。該連接可為一有線連接或可為例如透過使用一天線促成之一無線連接。
以下說明可在前述系統或一類似系統中使用之一光發射裝置及一光偵測裝置的非限制例。
在一實施例中，揭露用於將光射入埋在一長形結構元件(例如在此所述之一強度構件)中之一光纖的一端的一裝置。該裝置可包括一實質剛性結構本體及一內孔，該內孔係設置成至少部份地穿過該結構本體且在該內孔之一第一端具有一孔。該孔及內孔係組配成(例如形狀與尺寸作成)可收納一長形結構元件之一端，該長形結構元件具有沿著該結構元件之一長度埋設之至少一第一光纖。該裝置至少部份地設置在該結構本體內且靠近該內孔之一第二端的一光源，且該光源係組配成當該長形元件放在該內孔之該第一端中時，將光射入該內孔且朝向該長形元件之該端。一電源(例如，一電池)操作地附接在該光源上。
在一特性中，該光源係，例如，與如一雷射之一同調光(例如，一單相光源)相反的一非同調光源。該光源可為例如一鹵素燈或LED，且在一特性中該光源包括一LED。該LED可組配成發射在至少大約300nm且不大於大約1200 nm之一波長範圍內的一波長，例如在至少大約700nm且不大於大約1000 nm之範圍內的一波長的光。吾人相信具有大於大約1200 nm之一波長的光難以使用習知光偵測裝置偵測。在一特定特性中，該LED係組配成發射主要在紅外線區域中之光，例如在至少大約800 nm且不大於大約900 nm之一主要波長的光。
在另一特性中，該裝置包括一馬達，該馬達操作地連接於該光源且組配成當該光源將光射入該內孔時，例如藉由擺動該光源或環繞該光源之一中心軸旋轉該光源使該光源移動。
在另一特性中，該裝置包括一擋止構件，該擋止構件係組配成當該結構元件放在該內孔之該第一端中時，維持該光源與該結構元件之該端間的一距離。該構態可防止一操作者強迫該強度構件之該端與該光源直接接觸，藉此減少破壞該光源之可能性。該擋止構件可組配成在該結構元件之該端與該光源間維持至少大約0.1 mm，例如至少大約1.0 mm且不大於大約150 mm，例如不大於大約100 mm或甚至不大於大約30 mm的一距離。例如，該擋止構件可包含設置在該內孔內的一肩部(例如，一階部)，且該肩部係組配成當該元件插入該內孔時防止該結構元件移動通過該肩部。該擋止構件亦可包含設置在該強度構件之該端與該光源間之一透明(例如，玻璃)板，其中該強度構件可向上推抵該玻璃板。在這情形中，如果需要，可在該玻璃板與該強度構件之間施加一透明凝膠以便光發射通過該板且進入該(等)光纖。該擋止構件亦可加入該光源中，例如，其中該發光表面設置在一透明板後方。
該內孔可具有一單一尺寸(例如，一固定直徑)，或可藉由提供插入套筒來提供一可調整直徑內孔以便配合不同直徑之強度構件。
為提供耐用性但仍維持一比較輕重量，該裝置本體可由如一輕量金屬之一金屬製成。在一特性中，該本體係由鋁製成。
在另一實施例中，揭露組配成用於偵測由埋在一長形結構元件中之一光纖的一端射出之光的一裝置。該裝置包括一實質剛性結構本體及設置成至少部份地穿過該結構本體的一內孔。該內孔具有在該內孔之一第一端的一孔，該孔及內孔係組配成(例如，尺寸及形狀作成)可收納一長形結構元件之一端，且該長形結構元件具有沿著該結構元件之一長度埋設之至少一第一光纖。一光偵測器設置在該結構體內且靠近該內孔之一第二端，該光偵測器係組配成當該長形元件放在該內孔之該第一端中時，接收且偵測來自該光纖之光。一電源可操作地附接在該光偵測器上。
在一特性中，該光偵測器係選自於一CCD感測器及一CMOS感測器。在另一特性中，一光阻擋構件設置在該內孔之該第一端。該光阻擋構件係組配成防止雜散光(例如，外來光)進入該內孔及降低該光感測器偵測來自該等光纖之光的能力。例如，該光阻擋構件可為如一彈性材料之材料，且該材料係組配成當該結構元件放在該內孔中時密封環繞該結構元件。
如同該光發射裝置一般，該光偵測裝置包括擋止構件以便在該結構元件放在該內孔之該第一端中時，維持該光偵測器與該結構元件之該端間的一距離。該擋止構件可包含例如設置在該內孔內的一肩部(例如，一階部)，且該肩部係組配成防止該結構元件移動通過該肩部。該擋止構件可組配成在該結構元件之該端與該光偵測器間維持至少大約5 mm，例如至少大約10 mm且不大於大約300 mm，例如不大於大約200 mm或甚至不大於大約100 mm的一距離。
在一特性中，該裝置亦包含如一凹透鏡之一透鏡，該透鏡係組配成將由該光纖發射之光聚焦在該光偵測器上。在這情形中，用於維持該光偵測器與該結構元件之該端間之距離的前述擋止構件可維持該結構元件之該端與該透鏡間之一適當距離以便增加該等透鏡之效率。
如同該光發射裝置一般，該光偵測裝置之本體可由一金屬製成，該金屬包含如鋁之一輕量金屬。
以下圖顯示依據本揭示之不同實施例，且只意圖顯示該等實施例而非限制本揭示之範圍。
請參閱圖3A至3F，顯示依據本揭示實施例之強度構件的橫截面圖。該等強度構件326A至326F之纖維強化段之構態類似於圖2B所示之強度構件且包括被一絕緣材料之一外層包圍的多數高抗拉強度纖維之一內芯，例如，被包含多數玻璃纖維之一外層包圍的包含多數碳纖維之一內芯。如圖3A所示，該強度構件326A包括同心地設置在該強度構件426中環繞且與該中心軸分開的四光纖323a至d。如圖3A所示，該等纖維323a至d係放置成在或非常靠近該內芯328A與該外層330A間之一介面329A。該等四光纖亦環繞該中心軸均等地分開，例如徑向地分開大約90°。如圖3B所示，光纖323e至g係放置成非常靠近該強度構件326B之外表面且徑向地分開大約120°。放置成非常靠近該外表面對於提早偵測在該外表面上產生(例如，開始產生)之裂縫是有利的。但是，該等光纖323e至g不應放置成太靠近該外表面而使得它們暴露且例如由於與該外導電層直接接觸而受到破壞。圖3C顯示一強度構件326C之一實施例，其中四光纖323h至323k埋在該內芯328C中。圖3D顯示一強度構件326D之一實施例，其中五光纖放在該內芯328D與該外層330D間之介面329D。該等五光纖與該強度構件之一中心軸實質地等距且實質相等地分開，即徑向地分開大約72°。圖3D顯示該強度構件可包括任何數目之光纖，包括五或五以上之光纖。圖3E顯示一強度構件326E之一實施例，其中一第一組光纖設置成相對該強度構件之一中心軸具有一第一距離，且一第二組光纖設置成相對該中心軸具有一第二距離，其中該第二距離與該第一距離不同。圖3F顯示一強度構件326F之一實施例，其中一光纖沿著該強度構件326F之一中心軸設置且被與該中心軸分開之多數光纖包圍。可了解的是圖3A至3F所示之強度構件內的光纖之配置只是可能配置例，且本揭示不限於這些特定配置。
依據本揭示之一偵詢系統的一實施例示意地顯示在圖4中。廣義之特性係該系統440包括一光發射裝置450、一光感測裝置460及例如上述之一強度構件426。
如圖4所示，該強度構件426包括四縱向延伸之光纖，其中二光纖432a/432b可在圖4中看到。該等光纖係單模光纖且放在該強度構件426內，例如偏離該中心軸434，例如，如圖3A所示。
請參閱圖5，更詳細地顯示一光發射裝置550。該裝置550包括用於發射一偵詢光之一光發射器552。該發射器552包括與一電源568操作地耦合之一光源566。該光源566係具有大約850 nm之一主要波長的一發光二極體(LED)。該電源568係一電池以便例如在安裝該架空電纜時或後增進移動性及在現場使用之方便性。該LED光源566係組配成可旋轉(例如，透過未圖示之一馬達)使得一足夠量之光由該光源566進入各光纖。該光發射裝置550之組件封閉在一本體558中，該本體558係例如由如鋁之一金屬或一塑膠製成以便在現場使用時保護該等組件不受到破壞。該本體558包括在一第一端具有一孔之一內孔560，且該孔係組配成可將一強度構件收納在該內孔560中。一肩部564之尺寸係作成可防止該強度構件貫穿該內孔至該強度構件與該光源566接觸之一點(請參見圖4)。換言之，該肩部564維持該強度構件之該端與該光源566間之一預定距離。
請再參閱圖4，該系統亦包括一光感測裝置460，且該光感測裝置460設置在與該光發射裝置450相對的該架空電纜420之一端。圖6中更詳細地顯示一光偵測裝置。該裝置660包括用於偵測來自該光發射裝置之光的一光感測器664。如同該光發射裝置一般，該光偵測裝置660之組件封閉(例如，密封)在一本體658中，該本體658係由如鋁或塑膠之一金屬製成以便在現場使用時保護該等組件不受破壞。該本體658包括在一第一端具有一孔之一內孔670，且該孔組配成可收納一強度構件在該內孔670中。設置在通入該內孔670之該孔上的是一光屏蔽件676，且該光屏蔽件676係由一彈性材料製成且具有穿過其中之一孔。當一強度元件插入該內孔670時，該光屏蔽件676向內移動且環繞該強度元件形成一光密封以減少可由外部環境進入該內孔670之雜散光量。
一肩部674之尺寸係作成因為該肩部674維持該強度構件之該端與該光感測器664間之一預定距離，所以可防止該強度構件貫穿該內孔670至該強度構件與該光感測器664接觸之一點(請參見圖4)。該光感測器係例如可在一數位相機中找到之一CCD/CMOS感測器。如圖6所示，該光偵測裝置660包括將由該光源接收之光引導至該光感測器664的一凹透鏡662。但是，適當之光偵測不一定需要一凹透鏡。
圖7A與7B顯示依據本揭示一實施例之用於切割及拋光一強度構件或類似工作件的一工具700。該工具700包括一平坦且可旋轉之刀704，且該刀704包括一切割邊緣708及一拋光表面706。該拋光表面706在該刀704之表面714上方稍微凸起(例如，大約1 mm)。一對齊元件710附接在該702上且組配成(例如，繞軸716樞轉)使該強度構件720相對該切割刀704移動。該對齊元件710使該強度構件720與該切割刀704對齊，使得該切割邊緣708可與該強度構件720之縱軸實質正交地切割該強度構件720。當該切割邊緣移動通過該強度構件時，該拋光表面706拋光該強度構件720之新近切割表面。該工具700係組配成可被一使用者抓握，且該使用者可使用致動按鈕712致動該切割刀704。一可充電電池718提供電力至該工具。
雖然已詳細說明了用於強度構件之偵詢的一系統、方法和工具的各種實施例，但可了解的是所屬技術領域中具有通常知識者可想到這些實施例之多數修改及調整。但是，可特別了解的是該等修改及調整係在本揭示之精神與範圍內。
120A,120B,420‧‧‧架空電纜 122a‧‧‧第一導電層 122b‧‧‧第二導電層 124a,124b‧‧‧導電束 126‧‧‧纖維強化複合強度元件 127‧‧‧單一纖維強化複合強度構件 128‧‧‧強度元件 129,220B,326A-326F,426,720‧‧‧強度構件 220A‧‧‧纖維強化強度構件 228A,228B,328A,328C,328D‧‧‧內芯 230A‧‧‧外聚合物層 230B,330A,330D‧‧‧外層 323a-323k,432a,432b‧‧‧光纖 329A,329D‧‧‧介面 434‧‧‧中心軸 440‧‧‧系統 450,550‧‧‧光發射裝置 460‧‧‧光感測裝置 552‧‧‧發射器 558,658‧‧‧本體 560,670‧‧‧內孔 564,674‧‧‧肩部 566‧‧‧光源 568‧‧‧電源 660‧‧‧光偵測裝置 662‧‧‧凹透鏡 664‧‧‧光感測器 676‧‧‧光屏蔽件 700‧‧‧工具 704‧‧‧刀 706‧‧‧拋光表面 708‧‧‧切割邊緣 710‧‧‧對齊元件 712‧‧‧致動按鈕 714‧‧‧表面 716‧‧‧軸 718‧‧‧可充電電池
圖1A與1B顯示裸架空電纜之立體圖。
圖2A與2B顯示組配成用於一架空電纜中的多數複合強度構件的橫截面圖。
圖3A至3F顯示依據本揭示實施例之包括多數光纖的多數複合強度構件的橫截面圖。
圖4顯示依據本揭示一實施例之用於偵詢一複合強度元件的一系統的示意圖。
圖5顯示依據本揭示一實施例之一光發射裝置。
圖6顯示依據本揭示一實施例之一光偵測裝置。
圖7A與7B顯示依據本揭示一實施例之一切割及拋光工具。
323a-323d‧‧‧光纖
326A‧‧‧強度構件
328A‧‧‧內芯
329A‧‧‧介面
330A‧‧‧外層

Claims (40)

  1. 一種組配成用於偵測在一纖維強化複合強度元件中之一缺陷的系統，其包含：一纖維強化複合強度元件，該纖維強化複合強度元件包含至少一第一強度構件，該第一強度構件包含：一黏結基質；多數強化纖維，其操作地設置在該黏結基質內以形成一纖維強化複合材；及至少一第一光纖，其埋在該纖維強化複合材內且由該纖維強化複合材之一第一端表面延伸至該纖維強化複合材之一第二端表面，該第一光纖具有一第一端及一第二端，且其中該第一光纖未延伸超出該纖維強化複合材之該第一端表面及該第二端表面；及一光發射裝置，其與該纖維強化複合強度元件之一第一端操作地連接，該光發射裝置包含一光源，該光源係與一電源操作地連接並且組配成射出具有至少大約300nm且不大於1700nm之一波長的光至該第一光纖之第一端內；及一光偵測裝置，其與該纖維強化複合強度元件之一第二端操作地連接，該光偵測裝置包含一光偵測器，該光偵測器係組配成偵測藉由該光源射出通過該第一光纖之第二端的光。
  2. 如請求項1之系統，其中該光源係組配成發射具有在紅外線區域中之一主要波長的光。
  3. 如請求項1或2之系統，其中該光源係組配成發射具有至少大約800nm之一主要波長的光。
  4. 如請求項1或2之系統，其中該光源係組配成發射具有不大於大約1000nm之一主要波長的光。
  5. 如請求項1或2之系統，其中該強度構件包括至少一第二光纖，該至少一第二光纖係埋在該纖維強化複合材中且沿著該纖維強化複合材之長度延伸。
  6. 如請求項5之系統，其中該強度構件包括至少一第三光纖，該至少一第三光纖係埋在該纖維強化複合材中且沿著該纖維強化複合材之長度延伸。
  7. 如請求項6之系統，其中該強度構件包括至少一第四光纖，該至少一第四光纖係埋在該纖維強化複合材中且沿著該纖維強化複合材之長度延伸。
  8. 如請求項1或2之系統，其中一導電體設置成環繞該纖維強化複合強度元件且被該纖維強化複合強度元件支持以形成一電纜。
  9. 如請求項8之系統，其中該電纜具有至少大約100公尺之一長度。
  10. 如請求項8之系統，其中該電纜具有至少大約3500公尺之一長度。
  11. 如請求項1或2之系統，其中該第一光纖係一單模光纖。
  12. 如請求項1或2之系統，其中該光源包含一發光二極體(LED)。
  13. 如請求項1或2之系統，其中該光偵測裝置包含一凹透鏡，該凹透鏡係設置在該纖維強化複合強度元件之端與光感測器之間且組配成將該發射光聚焦在該光感測器上。
  14. 如請求項1或2之系統，其中該光感測器係選自於一CCD感測器及一CMOS感測器。
  15. 一種用於一纖維強化複合強度元件之偵詢的方法，該纖維強化複合強度元件包含：至少一第一強度構件，該強度構件包含一黏結基質及多數強化纖維，該等強化纖維操作地設置在該黏結基質內以形成一纖維強化複合強度元件；及至少一第一光纖，其埋在該纖維強化複合強度元件中且沿著該第一強度構件之一長度自該第一強度構件之一第一端表面延伸至該第一強度構件之一第二端表面，該第一光纖具有一第一端及一第二端，其中該第一光纖之該第一端未延伸超出該第一強度構件之該第一端表面，且該第一光纖之該第二端未延伸超出該第一強度構件之該第二端表面，該方法包含以下步驟：將一光發射裝置操作地附接在該纖維強化複合強度元件之一第一端上，該光發射裝置包含一光源，該光源係與一電源操作地連接並且組配成射出具有至少大約300nm且不大於1700nm之一波長的光至該第一光纖之一第一端內；將一光偵測裝置操作地附接在該纖維強化複合強度元件之一第二端上； 使該光發射裝置發射光並使其通過該第一光纖且朝向該光偵測裝置，其中該發射光係為非同調；及藉由該光偵測裝置偵測非同調之該發射光之存在。
  16. 如請求項15之方法，其中該發射光具有在紅外線區域中之一波長。
  17. 如請求項15或16之方法，其中該發射光具有至少大約800nm之一主要波長的光。
  18. 如請求項15或16之方法，其中該發射光具有不大於大約1000nm之一主要波長的光。
  19. 如請求項15或16之方法，其中該第一強度構件包括至少一第二光纖，該至少一第二光纖係埋在該纖維強化複合材中且沿著該纖維強化複合材之長度延伸，且其中發射該光之該步驟係發射該光通過該第二光纖。
  20. 如請求項19之方法，其中該強度構件包括至少一第三光纖，該至少一第三光纖係埋在該纖維強化複合材中且沿著該纖維強化複合材之長度延伸，且其中發射該光之該步驟係發射該光通過該第三光纖。
  21. 如請求項20之方法，其中該強度構件包括至少一第四光纖，該至少一第四光纖係埋在該纖維強化複合材中且沿著該纖維強化複合材之長度延伸，且其中發射該光之該步驟係發射該光通過該第四光纖。
  22. 如請求項15或16之方法，其中該纖維強化複合強度元件具有至少大約500公尺之一長度。
  23. 如請求項22之方法，其中該纖維強化複合強度元件具有至少大約3500公尺之一長度。
  24. 如請求項15或16之方法，其中該纖維強化複合強度元件具有不大於大約7500公尺之一長度。
  25. 如請求項15或16之方法，其中在該等發射該光及偵測該光之步驟中，該纖維強化複合強度元件係捲繞在一捲軸上。
  26. 如請求項15或16之方法，更包含以下步驟：在發射及偵測光之該等步驟之前，對該纖維強化複合強度元件進行應力測試。
  27. 如請求項15或16之方法，其中一導電體成束環繞該纖維強化複合強度元件以形成一架空電纜。
  28. 如請求項27之方法，其中該等發射及偵測該光之步驟係在使該纖維強化複合強度元件與該導電體成束後且在將該架空電纜安裝在多數支持塔上前實行。
  29. 如請求項28之方法，其中該等發射及偵測該光之步驟係在將該架空電纜安裝在多數支持塔上後實行。
  30. 如請求項15或16之方法，其中該光纖係一單模光纖。
  31. 如請求項15或16之方法，其中該發射光之步驟包含供電給一發光二極體(LED)。
  32. 如請求項31之方法，其中該發射光之 步驟包含當發射該光時使該LED機械地旋轉。
  33. 如請求項32之方法，其中該LED係以至少大約5rpm之一速度旋轉。
  34. 如請求項15或16之方法，更包含以下步驟：將一折射率匹配凝膠施加在該纖維強化複合強度元件之該第一端上以便將光發射至該光纖中。
  35. 一種用於製備一長形纖維強化複合強度構件的方法，該長形纖維強化複合強度構件係於一架空電纜中供使用一光源來偵詢，該架空電纜包含該長形纖維強化複合強度構件及一導電體，該導電體設置成環繞一包含該長形纖維強化複合強度構件的強度元件，且被該強度元件支持及/或強化，該方法包含以下步驟：靠近該長形纖維強化複合強度構件之一第一端來切割該長形纖維強化複合強度構件，其中：該長形纖維強化複合強度構件具有至少約100公尺的長度；纖維強化複合材包含一黏結基質及設置在該黏結基質中之多數加強纖維，至少一第一光纖設置在該纖維強化複合材中，該第一光纖由該纖維強化複合材之一第一端延伸至該纖維強化複合材之一第二端，該切割形成實質平坦之一第一切割端表面；及拋光該第一切割端表面以形成包含該纖維強化複合材及該光纖之一第一端的一拋光第一端表面，以形成組配 成可被一非同調光源偵詢之一纖維強化複合強度構件。
  36. 一種架空電纜，其包含一長形纖維強化複合強度元件及一導電體，該導電體設置成環繞該長形纖維強化複合強度元件且被該長形纖維強化複合強度元件支持及/或強化，該長形纖維強化複合強度元件包含：具有一縱中心軸之至少一第一纖維強化複合強度構件，該第一纖維強化複合強度構件包含：一黏結基質；多數強化纖維，其設置在該黏結基質內以形成一纖維強化複合材；至少一第一長形且連續光纖，其埋在該纖維強化複合材內且由該第一纖維強化複合強度構件之一第一端延伸至該第一纖維強化複合強度構件之一第二端；其中至少該第一纖維強化複合強度構件之該第一端包含一第一端表面，該第一端表面包含纖維強化複合材料且其中該第一光纖未延伸超出該纖維強化複合材之該第一端表面。
  37. 一種用於將光射入一光纖的一端的裝置，且該光纖係埋在一長形結構元件中，該裝置包含：一實質剛性結構體；一內孔，其設置成至少部份地穿過該結構體且在該內孔之一第一端具有一孔，該孔及該內孔係經定尺寸及塑形成可收納一長形結構元件之一端，且該長形結構元件具有 沿著該長形結構元件之一長度埋設之至少一第一光纖；一非同調光源，其設置成至少部份地在該結構體內且靠近該內孔之一第二端，該光源係組配成當該長形結構元件放在該內孔之該第一端中時，將光射入該內孔且朝向該長形結構元件之該端；及一電源，其操作地附接在該光源上。
  38. 一種用於偵測由一光纖之一端發射的光的裝置，且該光纖係埋在一長形結構元件中，該裝置包含：一實質剛性結構體；及一內孔，其設置成部份地穿過該結構體且在該內孔之一第一端具有一孔，該孔及內孔係經定尺寸及塑形成可收納一長形結構元件之一端，且該長形結構元件具有沿著該長形結構元件之一長度埋設之至少一第一光纖；一光偵測器，其設置在該結構體內且靠近該內孔之一第二端，該光偵測器係組配成當該長形結構元件放在該內孔之該第一端中時，接收且偵測來自該光纖之光；及一電源，其操作地附接在該光偵測器上。
  39. 一種用於切割及拋光之工具，其包含：一平面本體，其包含：一切割邊緣，其沿著該平面本體之至少一邊緣設置；及一拋光表面，其覆蓋該平面本體之至少一部份；一對齊元件，其與該平面本體操作地聯結且組配成使 具有一縱軸之一長形結構元件與該平面本體操作地對齊，使得該平面本體之該切割邊緣係組配成與該縱軸實質正交地移動且切割該長形結構元件以形成一切割表面，且該拋光表面係組配成當該切割邊緣切割且移動通過該長形結構元件時拋光該切割表面；及一致動機構，其係組配成將該拋光表面推向該長形結構元件之該端。
  40. 一種用於製造一長形纖維強化複合強度構件之方法，且該長形纖維強化複合強度構件係組配成用於一抗拉強度元件中，該方法包括以下步驟：形成具有一縱中心軸之一長形纖維強化複合材，該纖維強化複合材包含一黏結基質及設置在該黏結基質中之多數強化纖維並且具有至少約500公尺之長度；在形成該纖維強化複合材之該步驟中，將至少一第一光纖埋入該纖維強化複合材中，該第一光纖由該纖維強化複合材之一第一端延伸至該纖維強化複合材之一第二端；靠近該纖維強化複合材之該第一端來切割該纖維強化複合材，且該切割形成實質平坦之一第一切割端表面；拋光該第一切割端表面以形成具有一拋光第一端表面之一長形纖維強化複合強度構件，該拋光第一端表面包含該纖維強化複合材及該光纖之一第一端。
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