專利名稱：基于光纖應變傳感的纜索索力自感知智能纜索及測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種智能纜索及索力測量技術，尤其涉及一種基于光纖應變傳感的纜索索力 自感知智能纜索及測量方法。
背景技術：
橋梁拉索的受力情況是反映橋梁是否處于正常運營狀態(tài)的重要標志之一，準確測定橋梁 拉索索力具有重要的實際意義。
現(xiàn)有的索力測量方法主要有壓力傳感器法、振頻法、磁彈性法。壓力傳感器法中，由于 承力環(huán)與傳感器都承受纜索的持續(xù)性壓力，永無恢復的機會，極易造成承壓環(huán)及其傳感器疲 勞，所以使用壽命有限。振頻法由于測量結果受纜索自身的長度、密度、垂度等多個邊界條 件影響，而鋼纜索在錨固區(qū)的邊界條件往往具有較大的不確定性，導致計算結果差異很大。 磁彈性法則因為線圈的磁參數(shù)不僅受纜索的張力影響，還受纜索自身材料、纜索防護材料的 影響，更受環(huán)境溫度、濕度的影響，因此測量精度較低。
近年發(fā)展起來的復合筋法，是將埋有光纖應變傳感元件的纖維增強塑料筋布設到鋼纜索 中,利用復合筋與鋼絲的協(xié)調變形，實現(xiàn)對拉索索力的測量。該方法由于事先將光纖傳感元件植 于纜索內部，使其自身具備測量纜索張力的能力，所以在橋梁建設中，無需再添加外部檢測 部件，為使用方提供更優(yōu)的性能和更多的便利。復合筋法作為一種采用光纖傳感技術的索力 直接測量方法，使索力測量精度有較大提高。
然而由于復合筋法需在纜索全長進行敷設，在纜索扭絞過程中，復合筋要隨著單絲一起 扭絞，承受非常大的剪切力作用，極易造成對復合筋結構、傳感元件的破壞，對現(xiàn)場的工藝 控制要求非常高。常規(guī)制索工藝，3天即可制成一根纜索，但由于復合筋的埋入，對工藝要 求大大提高，制索周期增加到約一個星期。由于復合筋材料為有機材料，各向異性，短期可 用，長期較易發(fā)生蠕變，而一旦將復合筋埋入纜索，不可修復、更換，復合材料長期工作的 蠕變特性與纜索五六十年的長工作壽命之間也是相矛盾的。此外，為了測量纜索應變，必須 制造與纜索相同長度的復合筋，且在單根纜索內需埋設多根復合筋，所以成本較高。
對于纜索內某一根單絲而言，由于受到的張力相同，單絲全長上的應變分布近似均勻， 所以復合筋法全長埋入測量纜索應變的方法與局部埋入測量纜索應變的方法在本質上是一致 的?；谝陨系目紤]，提出了一種局部埋入光纖應變傳感元件，工藝實現(xiàn)簡單，適于鋼纜索 索力測量的智能纜索結構及光纖測量方法。
發(fā)明內容
本發(fā)明提出了一種基于光纖應變傳感的纜索索力測量方法，該方法將光纖應變傳感元件
4與鋼纜索上緊靠連接筒位置的單絲固定，通過測量光纖應變傳感元件的應變量間接計算得到 鋼纜索的索力。
該方法包括如下步驟
1) 制纜時，將光纖應變傳感元件與鋼纜索上緊靠連接筒位置的單絲固定；
2) 對鋼纜索進行預張拉，在預張拉過程中，利用張拉力對光纖應變傳感元件的測量值進 行標定，標定成功并測試合格后，即可用于索力測量。
步驟l)中，將經(jīng)過金屬化處理的光纖應變傳感元件利用焊接或其它金屬連接工藝與單絲 固定。
光纖應變傳感元件與單絲固定的方法包括l
在制備鋼纜索的扭絞階段，在緊靠連接筒的位置，將經(jīng)過金屬化處理的光纖應變傳感元 件與鋼纜索的外圍單絲固定；
光纖應變傳感元件與光纖應變傳感元件的傳輸光纖鋪設于外圍單絲之間的凹槽內；用高 強度復合帶將傳輸光纖與鋼纜索纏繞綁扎在一起進行固定，扭絞完后，對鋼纜索進行擠塑、
精下料；
本發(fā)明還提出了一種基于光纖應變傳感的纜索索力自感知智能纜索，其結構為在鋼纜 索上緊靠連接筒位置的單絲上固定連接有光纖應變傳感元件。
經(jīng)過金屬化處理的光纖應變傳感元件與緊靠連接筒的鋼纜索內的外圍單絲利用焊接或其 它金屬連接工藝固定；光纖應變傳感元件的傳輸光纖通過纏繞高強度復合帶與鋼纜索索身綁 扎固，，傳輸光纖延伸到錨固區(qū)外。
上述方法及結構中，光纖應變傳感元件的個數(shù)為1個或多個，各個光纖應變傳感元件分 別與鋼纜索索身的不同單絲固定。
本發(fā)明的有益技術效果本發(fā)明提供的智能纜索及索力測量方法，工藝實現(xiàn)容易、成活 率高、測量直接、測量精度高、成本低廉。
圖l，光纖應變傳感元件埋入位置示意圖2，埋入有光纖應變傳感元件的鋼纜索橫截面圖中鋼纜索索身1，連接筒2，錨固區(qū)3，保護外套4，高強度復合帶5，光纖應變傳 感元件6，傳輸光纖7，單絲8。
具體實施方式
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現(xiàn)有的成熟制纜及安裝工藝中，制成的纜索分為鋼纜索索身l、連接筒2、錨固區(qū)3三部分。 本發(fā)明中，在制纜時，將光纖應變傳感元件6與鋼纜索索身1上緊靠連接筒2位置的單絲8固定。
本發(fā)明中，將光纖應變傳感元件6與鋼纜索索身1上緊靠連接筒2位置的單絲8固定，因為 緊靠連接筒2位置的單絲8實際上已經(jīng)處于扭絞階段的末期，受扭絞過程中的破壞程度最小還可利用光纖的纖細特性，將光纖應變傳感元件6鋪設于外圍單絲8之間的凹槽內，光纖應變 傳感元件6就基本不受剪切力影響，極大的提高了光纖應變傳感元件6的存活率，大大的簡化 了工藝。光纖應變傳感元件6可以為1個或多個，各光纖應變傳感元件6分別與鋼纜索索身1內 的不同單絲8固定。
本發(fā)明另一個顯著特色在于，現(xiàn)有技術中光纖應變傳感元件6都利用有機膠固定，由于膠 自身的強度和疲勞度的缺陷，使其壽命不長。而光纖應變傳感元件6經(jīng)金屬化處理(如化學鍍、 磁控濺射等)后，從本質上改變了傳感元件的材料特性，故可利用金屬連接工藝(如釬焊等) 將其與鋼纜索內的單絲8固定，從而實現(xiàn)了固定工藝的無機化，從而有效克服了有機膠強度和 疲勞度的缺陷。
光纖應變傳感元件6和傳輸光纖7埋好后，用高強度復合帶5將傳輸光纖7進行固定， 扭絞完后，對鋼纜索進行擠塑、精下料(鋼制纜工藝)；最后，對鋼纜索進行預張拉，在預 張拉過程中，對光纖應變傳感元件6的測量值進行標定，標定成功并測試合格后，即可對索 力進行測量。利用光纖應變傳感元件6測量應變值可換算得纜索索力(還需與其它一些信號 采集、分析等設備連接，本文略)。進行預張拉測試的目的主要是為了避免各根單絲8以及連 接筒2不同位置之間受力存在的差異性，導致的索力測量值不準確的情況，也可以驗證光纖 應變傳感元件6的存活率。
采用本發(fā)明方法得到的鋼纜索，因為在纜索制作過程中，即將光纖應變傳感元件6與鋼纜 索融為一體，鋼纜索本身即具備索力自感知能力，故可稱為智能纜索。
將光纖應變傳感元件6單點固定于鋼纜索索身1的任意位置，由于非錨固段位置的鋼纜 索受力情況相同，光纖應變傳感元件6的測量效果和讀數(shù)基本一致。而單點埋入、單點測量 的方法，顯然要比復合筋全長埋入、單點測量的方法顯得直接與方便的多。但是，光纖應變 傳感元件6埋入的位置不同，其安裝難度和工藝難度卻大不相同，由于光纖應變傳感元件6 在制纜時就要埋入，并隨著單絲8 —起扭絞，光纖應變傳感元件6埋設位置離錨固段越遠， 傳輸光纖7長度越長，光纖應變傳感元件6及傳輸光纖7受到的剪切力越大，光纖應變傳感 元件6和傳輸光纖7就越容易被破壞。
而將光纖應變傳感元件6固定于纜索近連接筒2段的方法，由于近連接筒2段處于纜索 末端，受扭絞程度最低，傳輸光纖7長度最短，實現(xiàn)工藝最簡單，光纖應變傳感元件6及傳 輸光纖7受到的剪切力越小，光纖應變傳感元件6和傳輸光纖7也越不容易被破壞。另外巧 妙利用光纖傳感元件6及傳輸光纖7纖細的特點，將其巧妙敷設在單絲8之間的凹槽內，使 其不僅不會被單絲8外圍的復合帶及保護外套損壞，而且還能受到保護。
鋼纜索應變變化范圍與鋼光纖應變傳感元件6的應變工作區(qū)間又是一致的，所以避免了 選用特制光纖應變傳感元件6的麻煩，降低了成本。
本發(fā)明僅利用經(jīng)金屬化處理的光纖應變傳感元件6，而無需像復合筋那樣，將數(shù)個光纖
6應變傳感元件6埋在幾百米長度的復合材料中，所以應變傳遞環(huán)節(jié)更少，測量更直接，同時 成本也大大降低。
權利要求
1、一種基于光纖應變傳感的纜索索力測量方法，其特征在于將光纖應變傳感元件(6)與鋼纜索上緊靠連接筒(2)位置的單絲(8)固定，通過測量光纖應變傳感元件(6)的應變量間接計算得到鋼纜索的索力。
2、 根據(jù)權利要求l所述的基于光纖應變傳感的纜索索力測量方法，其特征在于該方法 包括如下步驟1) 制纜時，將光纖應變傳感元件(6)與鋼纜索上緊靠連接筒(2)位置的單絲(8)固定；2) 對鋼纜索進行預張拉，在預張拉過程中，利用張拉力對光纖應變傳感元件(6)的測 量值進行標定，標定成功并測試合格后，即可用于索力測量。
3、 根據(jù)權利要求2所述的基于光纖應變傳感的纜索索力測量方法，其特征在于歩驟l) 中，將經(jīng)過金屬化處理的光纖應變傳感元件(6)利用焊接或其它金屬連接工藝與單絲(8) 固定。
4、 根據(jù)權利要求l、 2或3所述的基于光纖應變傳感的纜索索力測量方法，其特征在于 光纖應變傳感元件(6)與單絲(8)固定的方法包括在制備鋼纜索的扭絞階段，在緊靠連接筒(2)的位置，將經(jīng)過金屬化處理的光纖應變傳感元件(6)與鋼纜索的外圍單絲(8)固定；光纖應變傳感元件(6)與光纖應變傳感元件(6)的傳輸光纖(7)鋪設于外圍單絲(8) 之間的凹槽內；用高強度復合帶(5)將傳輸光纖(7)與鋼纜索纏繞綁扎在一起進行固定， 扭絞完后，對鋼纜索進行擠塑、精下料:。
5、 根據(jù)權利要求4所述的基于光纖應變傳感的纜索索力測量方法，其特征在于光纖應 變傳感元件(6)的個數(shù)為l個或多個，各個光纖應變傳感元件(6)分別與鋼纜索的不同單絲(8)固定。
6、 一種基于光纖應變傳感的纜索索力自感知智能纜索，其特征在于在鋼纜索上緊靠連 接筒(2)位置的單絲(8)上固定連接有光纖應變傳感元件(6)。
7、 根據(jù)權利要求6所述的基于光纖應變傳感的纜索索力自感知智能纜索，其特征在于 經(jīng)過金屬化處理的光纖應變傳感元件(6)與緊靠連接筒(2)的鋼纜索內的外圍單絲(8)利 用焊接或其它金屬連接工藝固定；光纖應變傳感元件(6)的傳輸光纖(7)通過纏繞高強度 復合帶(5)與鋼纜索索身(1)綁扎固定，傳輸光纖(7)延伸到錨固區(qū)(3)夕卜。
8、 根據(jù)權利要求6或7所述的基于光纖應變傳感的纜索索力自感知智能纜索，其特征在 于光纖應變傳感元件(6)的個數(shù)為1個或多個，各個光纖應變傳感元件(6)分別與鋼纜索索身(1)的不同單絲(8)固定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光纖應變傳感的纜索索力測量方法，該方法將光纖應變傳感元件與鋼纜索上緊靠連接筒位置的單絲固定，通過測量光纖應變傳感元件的應變量間接計算得到鋼纜索的索力。本發(fā)明還公開了一種基于光纖應變傳感的纜索索力自感知智能纜索。本發(fā)明的有益技術效果是提供了一種工藝實現(xiàn)容易、成活率高、測量直接、測量精度高、成本低廉的智能纜索及索力測量方法。
文檔編號G01L1/24GK101539469SQ20091010364
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月20日 優(yōu)先權日2009年4月20日
發(fā)明者琳 劉, 劉小亮, 俊 吳, 鵬 章, 陳偉民 申請人:重慶大學