專利名稱：橋梁用智能纜索的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種可適用于斜拉橋、懸索橋、拱橋等纜索承重結(jié)構(gòu)的智能纜索系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
纜索系統(tǒng)是斜拉橋和懸索橋的核心構(gòu)件，纜索的受力情況是反映橋梁是否處于正常營運(yùn)狀態(tài)的重要標(biāo)志之一，對纜索索力監(jiān)測具有重要意義。目前工程中常用的索力測試方法有壓力傳感器法、振頻法、磁彈性法。但是這些方法都是屬于纜索體外監(jiān)測方式，且在實(shí)際工程使用時(shí)均有不足之處。將應(yīng)變傳感元件在纜索制作過程中植入拉索中，使纜索從單純承力的構(gòu)件上升成為具有自動(dòng)感知能力的智能纜索，無需增加外部檢測構(gòu)件，可實(shí)現(xiàn)纜索從出廠、運(yùn)輸、施工、運(yùn)營階段的全過程索力監(jiān)測。智能纜索的實(shí)現(xiàn)具有重要的社會(huì)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而要實(shí)現(xiàn)智能纜索的目標(biāo)，其核心關(guān)鍵是如何在不影響纜索原有的力學(xué)與理化性能的前提下，既不影響纜索原有的制造工藝，又保證光纖光柵及其傳輸光纖在纜索制造及應(yīng)用過程中的成活率，還保證光纖光柵傳感器的長期可靠性。近年來已有多種智能纜索的報(bào)道，但光纖光柵-纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合筋的方案是最為成功的一種。光纖光柵-纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合筋的方案是事先制作出一根與纜索中的鋼絲尺寸相同的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合筋，并在纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合筋的制作過程中植入光纖光柵傳感器，以利用纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合筋作為光纖光柵的保護(hù)套。然后再在拉索的制造過程中，將一根鋼絲用光纖光柵-纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合筋代替，并與其余鋼筋一起扭絞、成纜，以纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合筋將纜索的索力傳遞給光纖光柵。顯然此種方法是用纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合筋既作為光纖光柵的保護(hù)結(jié)構(gòu)、又作為索力的傳力機(jī)構(gòu)。即它既確保了光纖光柵及其傳輸光纖在纜索制造及應(yīng)用過程中的成活率，還保證了光纖光柵傳感器的測量的準(zhǔn)確性。但是它在對纜索的力學(xué)性能、制造工藝方面有一定影響。此外復(fù)合筋材料為有機(jī)材料，存在明顯的各向異性特性，長期受力較易發(fā)生蠕變， 長期可靠性尚待考察。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種提高光纖光柵及其傳輸光纖在纜索制造及應(yīng)用過程中的成活率，保證傳感器的敏感度，同時(shí)兼顧傳感器的長期可靠性的智能纜索系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種橋梁用智能纜索，包括錨杯、分絲板、連接筒、內(nèi)置于連接筒部位的金屬化的光纖光柵傳感器以及索體，在所述分絲板上穿孔，在所述連接筒和錨杯內(nèi)預(yù)先埋入預(yù)留鋼管，該預(yù)留鋼管由所述分絲板上的穿孔引出，將所述金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖接入光纖線纜，該光纖線纜通過所述預(yù)留鋼管從纜索中引出，將從纜索中引出的光纖線纜接入一光纖光柵解調(diào)儀，其特點(diǎn)是將金屬化的光纖光柵傳感器通過低溫鍵合方式固定于連接筒部位的外層鋼絲上。本發(fā)明橋梁用智能纜索，所述金屬化的光纖光柵傳感器，是指是將光纖光柵經(jīng)過金屬鍍膜工藝處理，構(gòu)成金屬化的光纖光柵傳感器；所述金屬低溫鍵合方式是指利用兩根連續(xù)送進(jìn)的金屬原材作為自耗電極，在其端部產(chǎn)生電弧作為熱源，用定向壓力場將熔化了的金屬絲材霧化，并以超音速噴向連接筒部位的鋼絲形成金屬鍵合膜層的光纖光柵金屬化連接方法。光纖光柵表面進(jìn)行鍍膜處理有兩個(gè)目的為后續(xù)的金屬化連接工藝在光纖表面提供金屬基層；增強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)而提高光纖光柵的應(yīng)變測量能力。鍍膜能夠提高光纖光柵的應(yīng)變測量量程的原因在于光纖光柵的極限機(jī)械強(qiáng)度與光纖光柵表面的裂紋擴(kuò)散長度有直接關(guān)系。通過在光纖表面鍍膜，可利用金屬膜對光纖的握裹作用，大大降低應(yīng)力對光纖光柵表面裂紋擴(kuò)散效益的影響，提高光纖光柵的機(jī)械強(qiáng)度，從而最終提高光纖光柵應(yīng)變測量量程。將金屬化的光纖光柵傳感器固定在連接筒部位的外層鋼絲上，向光纖光柵傳感器、連接筒部位的外層鋼絲噴射高能氣化金屬微粒，高能氣化金屬微粒冷卻后形成將金屬化的光纖光柵傳感器和連接筒部位的外層鋼絲完全包裹的金屬結(jié)合體，使金屬化的光纖光柵傳感器與索內(nèi)鋼絲有效結(jié)合為一體。通過監(jiān)測光纖光柵中心波長的變化，可實(shí)現(xiàn)對纜索的整體受力情況及纜索內(nèi)鋼絲的應(yīng)力分布狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。鍵合指同質(zhì)金屬在高溫、高壓情況下同質(zhì)金屬中離子鍵級作用的一種工藝，鍵合的溫度可達(dá)幾百甚至一千多度。由于光纖光柵器件本身承受溫度的能力有限，所以開發(fā)的技術(shù)溫度僅為200度左右，整個(gè)過程是在此低溫狀態(tài)下完成，通過金屬結(jié)合體中微粒間的鍵合力將金屬化的光纖光柵傳感器與索體內(nèi)鋼絲緊密結(jié)合為一體。金屬化的光纖光柵傳感器與鋼絲之間的連接固定方式是關(guān)鍵技術(shù)。已有的固定連接方式是膠粘或機(jī)械連接的方式，本發(fā)明提供了一種金屬低溫鍵合技術(shù)，通過金屬結(jié)合體中微粒間的鍵合力，使纜索鋼絲、金屬化后的光纖光柵和金屬鍵合材料結(jié)合為一體，從而替代環(huán)氧粘結(jié)劑，達(dá)到使光纖光柵傳感器與索內(nèi)鋼絲緊密融合、協(xié)同變形的目的。由于這種方法使光纖光柵與纜索鋼絲融為一個(gè)整體，取消了應(yīng)力傳遞的中間環(huán)節(jié)，使得光纖光柵可以不經(jīng)任何機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)或者中間粘接劑進(jìn)行應(yīng)力傳遞而直接感受纜索鋼絲的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)智能纜索的索力測量目標(biāo)，因此大幅度消除了表面粘接、裝架工藝中，不同材料特性差異帶來的應(yīng)力集中、材料蠕變等問題，大大提高界面間力學(xué)傳遞的精確性與穩(wěn)定性，提高了測力精度。此方案具有應(yīng)力測量準(zhǔn)確度高、可靠性好、壽命長的特點(diǎn)。本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明提供一種在纜索內(nèi)部植入光纖光柵傳感器的智能纜索系統(tǒng)。采用金屬低溫鍵合技術(shù)，在纜索的連接筒部位將鍍膜光纖光柵與纜索的鋼絲有效結(jié)合為一體，通過外接光纖光柵解調(diào)儀，測量光纖光柵中心波長的變化，可對纜索的受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。采用鍍膜工藝將光纖光柵金屬化，在提供了光纖光柵封裝的同時(shí)又大大提高了其應(yīng)變極限范圍；采用金屬低溫鍵合技術(shù)將具備大應(yīng)變測量能力的光纖光柵固定在纜索鋼絲上，大大提高界面間力學(xué)傳遞的精確性與穩(wěn)定性，提高了測力精度。


圖1為本發(fā)明的光纖光柵金屬化處理工藝示意圖。圖2為常用纜索的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的纜索分絲板截面示意圖。圖4為本發(fā)明的纜索內(nèi)預(yù)留鋼管示意圖。圖5為氣化金屬微粒定向加速噴射示意圖。圖6為本發(fā)明的低溫鍵合技術(shù)原理示意圖。圖7為本發(fā)明的金屬化的光纖光柵傳感器與鋼絲固定連接示意圖。圖8為本發(fā)明橋梁用智能纜索結(jié)構(gòu)示意圖。圖中附圖標(biāo)記
錨杯1、環(huán)氧鑄錨填料2、鋼絲3、連接筒4、分絲板5、孔5-1、連接筒密封填料6、索體7、 預(yù)留鋼管8、金屬化的光纖光柵傳感器9、金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖10、傳感元件11、 被測鋼絲12、鍍膜層13、定向加速高能氣化金屬微粒14、水浴鍋15、水16、第一固定架17、 第二固定架18、FBG19、膠粘物20、光纖光柵的柵區(qū)部分21、燒杯22。
具體實(shí)施例方式
大應(yīng)變光纖光柵的金屬化封裝工藝有化學(xué)鍍、真空鍍等方式，形成金屬化的光纖光柵傳感器。圖1為本發(fā)明的光纖光柵金屬化處理工藝示意圖。常用纜索的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，該纜索由錨杯1、環(huán)氧鑄錨填料2、鋼絲3、連接筒4、分絲板5、連接筒密封填料6和索體7組成。在纜索的分絲板5上預(yù)留幾個(gè)孔5-1，如圖3所示。將預(yù)留鋼管8穿過預(yù)留的孔5-1內(nèi)，為金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖10引出預(yù)留通道，如圖4所示。對預(yù)留鋼管8的要求是能夠承受一定的折度和灌環(huán)氧鑄錨填料2時(shí)需承受的側(cè)向壓力。向錨杯1內(nèi)灌入環(huán)氧鑄錨填料2，將錨杯1放入加熱爐內(nèi)加熱固化，使錨杯與內(nèi)部的鋼絲成為一體。在灌錨工序結(jié)束后，將金屬化的光纖光柵傳感器9采用低溫鍵合技術(shù)鍵合在連接筒外層的鋼絲3表面，使金屬化的光纖光柵傳感器9與連接筒部位的外層鋼絲有效地結(jié)合為一體，從而使鋼絲3上所受的力有效地傳遞到金屬化的光纖光柵傳感器上。如圖5、6所示，金屬化的光纖光柵傳感器與鋼絲固定連接示意圖如圖7所示。將所述金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖接入光纖線纜，該光纖線纜通過所述預(yù)留鋼管8從纜索中引出，套上連接筒4，灌入連接筒密封填料6，進(jìn)行連接筒的常溫固化環(huán)節(jié)。最終的智能纜索結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。將從纜索中引出的光纖線纜接入一光纖光柵解調(diào)儀，通過監(jiān)測光纖光柵中心波長的變化，可對纜索的整體受力狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。參見圖8，圖8為本發(fā)明橋梁用智能纜索結(jié)構(gòu)示意圖。由圖8可以看出，本發(fā)明橋梁用智能纜索結(jié)構(gòu)，包括錨杯1、分絲板5、連接筒4、內(nèi)置于連接筒部位的光纖光柵傳感器以及索體7，將光纖光柵傳感器進(jìn)行金屬化處理，然后再通過低溫鍵合技術(shù)將其固定于連接筒4部位的外層的鋼絲3上，在所述分絲板5上穿孔，在所述連接筒4和錨杯1內(nèi)預(yù)先埋入預(yù)留鋼管，該預(yù)留鋼管由所述分絲板5上的穿孔引出，將所述金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖接入光纖線纜，該光纖線纜通過所述預(yù)留鋼管從纜索中引出，將從纜索中引出的光纖線纜接入一光纖光柵解調(diào)儀。通過監(jiān)測光纖光柵中心波長的變化，可實(shí)現(xiàn)對纜索的整體受力情況及纜索內(nèi)鋼絲的應(yīng)力分布狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。所述光纖光柵傳感器金屬化處理方法是將大應(yīng)變光纖光柵經(jīng)過金屬鍍膜工藝處理，形成金屬化的光纖光柵傳感器。
所述金屬低溫鍵合技術(shù)是
利用兩根連續(xù)送進(jìn)的鋅作為自耗電極，在其端部產(chǎn)生電弧作為熱源，用壓縮空氣將熔化了的鋅絲霧化，并以超音速噴向鋼絲形成一種涂層的熱噴涂方法。所述金屬化的光纖光柵傳感器9的個(gè)數(shù)為1個(gè)或多個(gè)，各個(gè)金屬化的光纖光柵傳感器9分別與不同的單根鋼絲3固定。本發(fā)明橋梁用智能纜索，所述鍍膜，是指利用化學(xué)鍍或真空鍍等方法，在光纖傳感元件表面形成金屬鍍層的一種方法。膜層的厚度一般為幾十 幾百微米。
權(quán)利要求
1.一種橋梁用智能纜索，包括錨杯(1)、分絲板(5)、連接筒(4)、內(nèi)置于連接筒部位的金屬化的光纖光柵傳感器(9)以及索體(7)，在所述分絲板(5)上穿孔，在所述連接筒(4) 和錨杯(1)內(nèi)預(yù)先埋入預(yù)留鋼管，該預(yù)留鋼管由所述分絲板(5)上的穿孔引出，將所述金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖(10)接入光纖線纜，該光纖線纜通過所述預(yù)留鋼管從纜索中引出，將從纜索中弓丨出的光纖線纜接入一光纖光柵解調(diào)儀，其特征在于將金屬化的光纖光柵傳感器(9)通過低溫鍵合方式固定于連接筒(4)部位的外層鋼絲(3)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種橋梁用智能纜索，其特征在于所述金屬化的光纖光柵傳感器，是指是將光纖光柵經(jīng)過金屬鍍膜工藝處理，構(gòu)成金屬化的光纖光柵傳感器；所述金屬低溫鍵合方式是指利用兩根連續(xù)送進(jìn)的金屬原材作為自耗電極，在其端部產(chǎn)生電弧作為熱源，用定向壓力場將熔化了的金屬絲材霧化，并以超音速噴向連接筒部位的鋼絲形成金屬鍵合膜層的光纖光柵金屬化連接方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種橋梁用智能纜索，其特征在于所述金屬化的光纖光柵傳感器(9)的個(gè)數(shù)為1個(gè)或多個(gè)，如為多個(gè)則各個(gè)金屬化的光纖光柵傳感器(9)分別與不同的單根鋼絲(3)固定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種橋梁用智能纜索，可適用于斜拉橋、懸索橋、拱橋等纜索承重結(jié)構(gòu)。包括錨杯(1)、分絲板(5)、連接筒(4)、內(nèi)置于連接筒部位的金屬化的光纖光柵傳感器(9)以及索體(7)，在所述分絲板(5)上穿孔，在所述連接筒(4)和錨杯(1)內(nèi)預(yù)先埋入預(yù)留鋼管，該預(yù)留鋼管由所述分絲板(5)上的穿孔引出，將所述金屬化的光纖光柵傳感器的尾纖(10)接入光纖線纜，該光纖線纜通過所述預(yù)留鋼管從纜索中引出，將從纜索中引出的光纖線纜接入一光纖光柵解調(diào)儀，將金屬化的光纖光柵傳感器(9)通過低溫鍵合方式固定于連接筒(4)部位的外層鋼絲(3)上。本發(fā)明保證光纖光柵及其傳輸光纖在纜索制造過程中的成活率、纜索大應(yīng)變測試有效性，提高智能纜索測力精度與穩(wěn)定性。
文檔編號G01L1/24GK102392414SQ20111025576
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者劉浩, 劉禮華, 劉立, 吉俊兵, 吳俊 , 周祝兵, 張恩隆, 趙霞, 陳偉民 申請人:江蘇法爾勝泓昇集團(tuán)有限公司, 重慶大學(xué)