本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域，涉及一種長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器及工程實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

諸如長輸管道、海底光纜和長距離路基等線性結(jié)構(gòu)屬于重大基礎(chǔ)設(shè)施，其正常運營與國民經(jīng)濟(jì)和生活密切相關(guān)。這些長距離線性結(jié)構(gòu)在長期的服役過程中受人為因素、自然災(zāi)害和環(huán)境的變遷等影響，會發(fā)生影響結(jié)構(gòu)安全的大變形，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。如地基沉降過大引起的管道變形爆管，路基不均勻沉降引起的行車不平順性或脫軌事故，因潮汐、輪船拋錨掛纜引起的海底光纜斷纜斷電等事故，都造成了一定的財產(chǎn)損失和人員傷亡。結(jié)構(gòu)失效是一個損傷演化過程，采用有效手段監(jiān)測結(jié)構(gòu)變形，把握結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)，對結(jié)構(gòu)的安全狀況進(jìn)行評估，對災(zāi)害事故提前預(yù)警，具有重要的工程意義。

目前這類重大基礎(chǔ)設(shè)施大多建立了結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測或檢測系統(tǒng)，主要包括人工巡檢、局部變形(縱向應(yīng)變或沉降)監(jiān)測、GPS變形監(jiān)測以及全分布式縱向應(yīng)變監(jiān)測等。人工巡檢屬于檢測技術(shù)，存在人工檢測周期長、勞動強度高以及檢測效果與檢測人員素質(zhì)相關(guān)等缺點；局部變形監(jiān)測技術(shù)，如局部光纖光柵技術(shù)和單點沉降傳感器只能對結(jié)構(gòu)局部形態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，不適合長距離線性工程全尺度監(jiān)測；GPS變形監(jiān)測屬于表層變形監(jiān)測，同樣不能覆蓋長距離線性結(jié)構(gòu)。分布式光纖布里淵傳感技術(shù)具有測試距離長、抗電磁場干擾、耐久性好等特點，在長距離、大體積結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中得到了應(yīng)用，但是目前大多數(shù)分布式傳感器側(cè)重于結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力應(yīng)變測試，而對于結(jié)構(gòu)空間形態(tài)的監(jiān)測，需要同時布設(shè)多個分布式光纖傳感器，造成監(jiān)測系統(tǒng)集成費用高，難度大等困難。對于長距離線性結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測，急需一種滿足工程化安裝需求的長距離分布式空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器。目前有相關(guān)文獻(xiàn)報道了采用離散的光纖光柵傳感器開展小尺度結(jié)構(gòu)的空間姿態(tài)監(jiān)測(朱曉錦，陸美玉，趙曉瑜等，太空機(jī)械臂振動形態(tài)三維重構(gòu)算法及可視化分析，系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009,21(15)：4706-4709)，該方法因只有幾個離散測點，難以開展大尺度結(jié)構(gòu)空間姿態(tài)監(jiān)測，采用分布式光纖布里淵傳感技術(shù)開展大尺度結(jié)構(gòu)空間姿態(tài)監(jiān)測的研究還未見相關(guān)報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器及工程實現(xiàn)方法，該傳感器將四根單模光纖、一根帶有松護(hù)套的單模光纖和一束7絲鋼絞線內(nèi)嵌在一根直徑為5-8mm的高分子復(fù)合筋中，4根單模光纖作為應(yīng)變傳感光纖測量光纖相應(yīng)位置的應(yīng)變和溫度信息；工程實現(xiàn)方法是對傳感器中應(yīng)變測試數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正及突變識別處理，基于應(yīng)變-曲率幾何關(guān)系，分段分區(qū)域解析該傳感器的空間姿態(tài)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器，包括四根單模應(yīng)變光纖1、一根帶有松護(hù)套的單模溫度光纖2、一束七絲鋼絞線3、高分子復(fù)合筋4、兩個光纖分線盒5和兩根傳輸光纜6。

所述的單模應(yīng)變光纖1、單模溫度光纖2和七絲鋼絞線3在高分子復(fù)合筋4熱成型過程中布設(shè)于高分子復(fù)合筋4內(nèi)部。

所述的四根單模應(yīng)變光纖1間隔90度周向布設(shè)于高分子復(fù)合筋4中，距高分子復(fù)合筋4的外圓周1.5mm，每根單模應(yīng)變光纖1作為傳感器中的應(yīng)變傳感單元，用于結(jié)構(gòu)上下左右4個方向的應(yīng)變測試和應(yīng)變-曲率姿態(tài)重構(gòu)。所述的一根帶有松護(hù)套的單模溫度光纖2和一束直徑為2mm的七絲鋼絞線3布設(shè)于高分子復(fù)合筋4的中間位置，且單模溫度光纖2位于中心線上；單模溫度光纖2作為傳感器中的溫度傳感單元，用于測試所處環(huán)境溫度和4個應(yīng)變傳感單元的溫度補償；七絲鋼絞線3用于增強傳感器的抗拉及抗剪強度。高分子復(fù)合筋4的兩端與光纖分線盒5連接，光纖分線盒5中的光纖相互熔接形成一條光路，并與傳輸光纜6連接。

所述的高分子復(fù)合筋4中的高分子材料為聚乙烯、聚丙烯等耐久性好的材料，在熱成型過程中與玻璃纖維復(fù)合，根據(jù)監(jiān)測需要，高分子復(fù)合筋4的內(nèi)徑為5-8mm。

采用上述長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器的工程實現(xiàn)方法，包括以下步驟：

第一步，長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器布設(shè)在結(jié)構(gòu)中，與結(jié)構(gòu)協(xié)同變形。

第二步，長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器中的四根單模應(yīng)變光纖1實時測試第i個測點四個方向的初始應(yīng)變值。

第三步，帶有松護(hù)套的單模溫度光纖2對四根單模應(yīng)變光纖1測試的初始應(yīng)變值進(jìn)行溫度修正，修正后的應(yīng)變值與傳感器的初始應(yīng)變值進(jìn)行差分，分段標(biāo)定應(yīng)變突變區(qū)域，基于應(yīng)變-曲率關(guān)系，分段重構(gòu)傳感器的空間姿態(tài)。

本發(fā)明的效果和益處是長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器直接通過內(nèi)部四根單模光纖測量傳感器4個方向的應(yīng)變，基于應(yīng)變-曲率幾何關(guān)系，解析傳感器的空間形態(tài)，同時內(nèi)部的帶有松護(hù)套的單模光纖僅測量環(huán)境溫度，對四根單模光纖測量的應(yīng)變值進(jìn)行溫度補償。長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器布設(shè)于長輸管道、海底光纜和路基等線性結(jié)構(gòu)中，可以直接獲取相應(yīng)結(jié)構(gòu)的空間幾何變形信息，對結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測及評定具有重要的意義。

附圖說明

圖1是長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為沿A-A面的剖視圖。

圖3是長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器第i個微段工作示意圖；(a)為傳感器第i個微段未受力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)圖；(b)為傳感器第i個微段受力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)圖。

圖中：1單模應(yīng)變光纖；2單模溫度光纖；3七絲鋼絞線；4高分子復(fù)合筋；5光纖分線盒；6傳輸光纜。

具體實施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實施方式。

圖1為長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

所述的一種長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器在高分子復(fù)合筋4熱成型過程中，將四根單模應(yīng)變光纖1作為應(yīng)變傳感單元間隔90度周向布設(shè)于高分子復(fù)合筋4中，距高分子復(fù)合筋4的外圓周1.5mm；同時將一根帶有松套管的單模溫度光纖2和一根直徑2mm的7絲鋼絞線3布設(shè)于高分子復(fù)合筋4的圓心位置，出線端接入光纖分線盒5，光纖分線盒5中的光纖相互連接形成一條光路并與傳輸光纜6熔接，其中高分子復(fù)合筋4的直徑根據(jù)監(jiān)測需要可為5-8mm。其中帶有松護(hù)套的單模溫度光纖2作為溫度傳感單元，直徑2mm的7絲鋼絞線3為傳感器的增強單元。

圖3是長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器第i個微段工作示意圖。

所述的長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器布設(shè)于結(jié)構(gòu)中，與結(jié)構(gòu)協(xié)同變形。圖(a)中，傳感器第i個微段長度為L_i，傳感器的直徑為D。圖(b)為傳感器的第i個微段彎曲時傳感器ab剖面的示意圖，四根應(yīng)變感知單元第i個測點實時測試的應(yīng)變分別為ε_ai，ε_bi，ε_ci，ε_di。由變形幾何關(guān)系，可知：

L_i＝ρ_abi×α_abi (1)

式(1)-(3)中，k_abi，ρ_abi，α_abi分別為傳感器第i個微單元ab剖面的曲率、撓度以及微元形變時圓弧對應(yīng)的中心角；ΔL_i為傳感器發(fā)生的形變量。

如上推導(dǎo)，傳感器第i個微段彎曲時cd剖面的曲率k_cdi，推導(dǎo)結(jié)果如下：

式中，ρ_cdi為傳感器第i個微段彎曲時cd剖面的撓度。

所述的長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器在實際工程中，環(huán)境溫度發(fā)生改變時，還需要對四根應(yīng)變感知單元測試應(yīng)變進(jìn)行溫度修正。傳感器中溫度傳感單元的溫度靈敏度系數(shù)為K_T，應(yīng)變傳感單元的應(yīng)變靈敏度系數(shù)為K_ε。圖(b)中傳感器第i個微元溫度測點增量為ΔT_i，則布里淵頻移增量Δf_ti＝ΔT_i×K_T，傳感器中應(yīng)變傳感單元同時感知溫度和應(yīng)力荷載，光纖布里淵解調(diào)儀不加區(qū)分解析出總體布里淵頻移增量為ΔF_i，則有應(yīng)力引起的布里淵頻移增量為：Δf_εi＝ΔF_i-Δf_ti，相應(yīng)的應(yīng)變增量(傳感單元感知應(yīng)變值)ε＝Δf_εi/K_ε，代入式(3)和式(4)即可得到溫度修正后的曲率值。

所述的長距離分布式光纖空間姿態(tài)監(jiān)測傳感器在監(jiān)測到傳感器兩個方向的曲率值k_abi,k_cdi，將兩個方向的曲率轉(zhuǎn)化為空間曲率依據(jù)上述推導(dǎo)過程，就可以獲得傳感器任意測點位置處的空間曲率i＝1-n，n為傳感器的應(yīng)變測點數(shù)，然后基于數(shù)學(xué)微分幾何關(guān)系，利用空間曲率信息和傳感器測點距離重構(gòu)傳感器的空間姿態(tài)，即已知傳感器第i個測點的坐標(biāo)(x_i,y_i,z_i)以及第i點的曲率分量k_abi,k_cdi，基于傳感器的幾何變形關(guān)系，可以求得第(i+1)個測點的坐標(biāo)(x_i+1,y_i+1,z_i+1)，繼而重構(gòu)傳感器整個位置信息。

所述的長距離分布式光纖姿態(tài)監(jiān)測傳感器及工程實現(xiàn)方法在工程應(yīng)用中，在空間應(yīng)變曲率轉(zhuǎn)化前，傳感器中傳感單元的應(yīng)變值除了溫度修正外還需要進(jìn)行預(yù)處理，應(yīng)變值溫度修正完后與傳感器初始應(yīng)變值進(jìn)行差值，對應(yīng)變有明顯增量的區(qū)域進(jìn)行分段，然后分段進(jìn)行上述姿態(tài)重構(gòu)。