基于光纖曲率傳感器的水下管纜變形自檢系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋管纜監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種基于光纖曲率傳感器的水下管纜變形自檢系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]水下纜繩在海洋調(diào)查研究以及海洋工程中應(yīng)用廣泛，是水面控制系統(tǒng)、水下設(shè)備的連接橋梁，為水下設(shè)備提供能源、控制與通信信號(hào)。受水流等復(fù)雜環(huán)境的影響，水下纜繩易于發(fā)生纏繞以及過(guò)度彎曲，甚至斷裂，從而無(wú)法正?？刂扑略O(shè)備，甚至發(fā)生水下設(shè)備丟失等情況?，F(xiàn)有水下纜繩的檢測(cè)方式按所用檢測(cè)傳感器可分為視覺(jué)檢測(cè)、聲學(xué)檢測(cè)、磁學(xué)檢測(cè)以及融合檢測(cè)。視覺(jué)檢測(cè)是基于攝像機(jī)獲得光學(xué)圖像，由于水下的環(huán)境復(fù)雜以及能見(jiàn)度低等問(wèn)題，高清圖像難以獲得，限制了視覺(jué)檢測(cè)。聲學(xué)檢測(cè)基于側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶等聲學(xué)設(shè)備獲得聲學(xué)圖像，在淺水區(qū)以及近海岸地帶，環(huán)境的干擾會(huì)嚴(yán)重影響檢測(cè)的準(zhǔn)確度。磁學(xué)檢測(cè)是基于水下纜繩對(duì)磁場(chǎng)分布的影響，受限于檢測(cè)平臺(tái)的噪聲干擾以及信號(hào)快速衰弱。融合檢測(cè)集成視覺(jué)、聲學(xué)、磁學(xué)傳感器于同一平臺(tái)，有助于提高檢測(cè)的可靠性以及精度。但是上述所提到的檢測(cè)方式均是基于R0V/AUV等平臺(tái)，具有成本代價(jià)高，檢測(cè)范圍受限，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。此外，若是對(duì)每根纜繩進(jìn)行攝像、聲學(xué)或磁學(xué)檢測(cè)，不現(xiàn)實(shí)亦無(wú)必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光纖曲率傳感器水下管纜變形自檢系統(tǒng)，使之能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下管纜的彎曲扭轉(zhuǎn)情況。
[0004]為解決技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0005]本發(fā)明提供了一種基于光纖曲率傳感器的水下管纜變形自檢系統(tǒng)，包括由內(nèi)芯和包裹于外部的硫化橡膠層組成的水下管纜；沿水下管纜一側(cè)的長(zhǎng)度方向，在硫化橡膠層的中間層布置了長(zhǎng)條帶狀的光纖曲率傳感器；光纖曲率傳感器與控制盒相接；
[0006]所述控制盒的電路結(jié)構(gòu)包括:依次連接的函數(shù)發(fā)生器、光發(fā)射器和光纖分束器，以及依次連接的光探測(cè)器陣列、濾波器、放大器和數(shù)據(jù)采集卡；其中，光纖分束器和光探測(cè)器陣列分別與光纖曲率傳感器連接，數(shù)據(jù)采集卡連接通過(guò)數(shù)據(jù)線連接至主控計(jì)算。
[0007]本發(fā)明中，所述長(zhǎng)條帶狀的光纖曲率傳感器是由在帶狀基底上等間隔布置的多個(gè)光纖傳感器組成的，各光纖傳感器均分別通過(guò)導(dǎo)線連接至所述的光探測(cè)器陣列和光纖分束器(光纖分束器與光探測(cè)器陣列均有多個(gè)接口，每個(gè)接口連接一條光纖傳感器，各光纖傳感器之間沒(méi)有相互連接)。
[0008]本發(fā)明中，所述光纖曲率傳感器在硫化橡膠層中的位置固定是通過(guò)下述方式實(shí)現(xiàn)的:由硫化橡膠以注塑的方式實(shí)現(xiàn)一體化固定，或通過(guò)在兩層硫化橡膠層之間設(shè)置安裝槽以箝位方式實(shí)現(xiàn)固定。
[0009]本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理:
[0010]光發(fā)射器由函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)，將光信號(hào)通過(guò)光纖分束器送入光纖曲率傳感器。長(zhǎng)條帶狀的光纖曲率傳感器陣列在發(fā)生扭曲或變形時(shí)，不同位置的光纖傳感器會(huì)因變形不同而產(chǎn)生不同強(qiáng)度的光信號(hào)衰減；光纖曲率傳感器的各路光信號(hào)由光探測(cè)器陣列接收后轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號(hào)，再經(jīng)濾波器以及放大器輸出到數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡將采集到的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)線送至主控計(jì)算機(jī)，由主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、計(jì)算建模，最終實(shí)時(shí)顯示水下管纜的彎曲變形或纏繞情況。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0012]本發(fā)明能實(shí)時(shí)對(duì)水下管纜的形狀、受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)過(guò)度彎曲、扭轉(zhuǎn)、纏繞等情況實(shí)時(shí)預(yù)警，提高水下管纜的可靠性以及安全性。整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程基于水下管纜本身就能實(shí)現(xiàn)，無(wú)需額外的監(jiān)測(cè)平臺(tái)以及視覺(jué)、聲學(xué)、電磁學(xué)等的監(jiān)控設(shè)備，具有成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)亦可實(shí)現(xiàn)全纜監(jiān)測(cè)。
[0013]本發(fā)明不僅適用于水下管纜扭轉(zhuǎn)、纏繞等形狀實(shí)時(shí)監(jiān)控，同樣適用于礦山工程，隧道工程等不具備視像條件下的各種纜系監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是水下管纜的軸向剖視圖；
[0015]圖2是圖1中水下管纜的縱向布置局部示意圖；
[0016]圖3是控制盒的內(nèi)部電路連接示意圖；
[0017]圖4是系統(tǒng)布置示意圖；
[0018]圖中附圖標(biāo)記:1光纖曲率傳感器，2硫化橡膠層；41主控計(jì)算機(jī)，42控制盒，43水面，44水下管纜，45水下設(shè)備。
【具體實(shí)施方式】
[0019]結(jié)合附圖，下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]基于光纖曲率傳感器的水下管纜變形自檢系統(tǒng)，包括由內(nèi)芯和包裹于外部的硫化橡膠層2組成的水下管纜44 ;沿水下管纜44 一側(cè)的長(zhǎng)度方向，在硫化橡膠層2的中間層布置了長(zhǎng)條帶狀的光纖曲率傳感器I ;光纖曲率傳感器I與控制盒3相接；
[0021]控制盒42的電路結(jié)構(gòu)包括:依次連接的函數(shù)發(fā)生器、光發(fā)射器和光纖分束器，以及依次連接的光探測(cè)器陣列、濾波器、放大器和數(shù)據(jù)采集卡；其中，光纖分束器和光電探測(cè)器陣列分別與光纖曲率傳感器2連接，數(shù)據(jù)采集卡連接通過(guò)數(shù)據(jù)線連接至主控計(jì)算41。
[0022]所述長(zhǎng)條帶狀的光纖曲率傳感器是由在帶狀基底上等間隔布置的多個(gè)環(huán)狀光纖傳感器組成的，各光纖傳感器分別通過(guò)導(dǎo)線與光纖分束器及光探測(cè)器陣列相連。帶狀基底可選用聚酰亞胺介電膜膠帶。
[0023]光纖曲率傳感器2在硫化橡膠層中的位置固定是通過(guò)下述方式實(shí)現(xiàn)的:由硫化橡膠以注塑的方式實(shí)現(xiàn)一體化固定，或由在兩層硫化橡膠層I之間設(shè)置安裝槽以箝位方式實(shí)現(xiàn)固定。
[0024]本發(fā)明中，硫化橡膠層I具有良好的防水作用，便于光纖曲率傳感器2在水下應(yīng)用。本發(fā)明所使用的光纖傳感器、函數(shù)發(fā)生器、光發(fā)射器、光纖分束器、光探測(cè)器陣列、濾波器、放大器和數(shù)據(jù)采集卡均為現(xiàn)有技術(shù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員均可基于本發(fā)明實(shí)現(xiàn)目的以市場(chǎng)采購(gòu)或自行制作的方式獲得。其中，本實(shí)施例中的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的是IKHz的正弦波，光發(fā)射器采用LED，光纖分束器采用微型光分路器。光探測(cè)器陣列可采用APD光探測(cè)器陣列。本發(fā)明中的光纖傳感器可選用選用的是加拿大Measurand公司生產(chǎn)的S1280CSShapeTape?型號(hào)的產(chǎn)品。
[0025]下面結(jié)合附圖介紹本實(shí)施例的使用步驟:
[0026](I)在制作水下管纜44時(shí)，根據(jù)前述方式將光纖曲率傳感器2嵌入管纜的硫化橡膠層I。
[0027](2)在使用前，連接好系統(tǒng)電路:包括水下管纜44與控制盒42、主控計(jì)算機(jī)41依次連接。
[0028](3)控制盒42中數(shù)據(jù)采集卡采集光纖曲率傳感器2的彎曲、扭轉(zhuǎn)信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)線將信號(hào)傳輸給主控計(jì)算機(jī)41，主控計(jì)算機(jī)41通過(guò)計(jì)算每段纜變形形狀再將各纜變形形狀整合，顯示水下管纜全纜變形形狀。每段纜的形狀視為圓弧且弧長(zhǎng)已知(自設(shè))，根據(jù)光纖傳感器得到的彎曲以及扭轉(zhuǎn)角度計(jì)算其三維空間形狀。水下管纜段與段間的彎曲曲率以及扭轉(zhuǎn)信號(hào)通過(guò)線性插值獲得。
[0029]本發(fā)明中，主控計(jì)算機(jī)41所用的分析計(jì)算軟件可由本領(lǐng)域技術(shù)人員依據(jù)據(jù)現(xiàn)有技術(shù)自行完成設(shè)計(jì)和編程，具體實(shí)現(xiàn)方式和手段可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整或完善。該部分技術(shù)內(nèi)容不屬于本發(fā)明保護(hù)范圍，故不再贅述。
[0030]最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有很多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容中直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于光纖曲率傳感器的水下管纜變形自檢系統(tǒng)，包括由內(nèi)芯和包裹于外部的硫化橡膠層組成的水下管纜；其特征在于，沿水下管纜一側(cè)的長(zhǎng)度方向，在硫化橡膠層的中間層布置了長(zhǎng)條帶狀的光纖曲率傳感器；光纖曲率傳感器與控制盒相接； 所述控制盒的電路結(jié)構(gòu)包括:依次連接的函數(shù)發(fā)生器、光發(fā)射器和光纖分束器，以及依次連接的光探測(cè)器陣列、濾波器、放大器和數(shù)據(jù)采集卡；其中，光纖分束器和光探測(cè)器陣列分別與光纖曲率傳感器連接，數(shù)據(jù)采集卡連接通過(guò)數(shù)據(jù)線連接至主控計(jì)算。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述長(zhǎng)條帶狀的光纖曲率傳感器是由在帶狀基底上等間隔布置的多個(gè)光纖傳感器組成的，各光纖傳感器均分別通過(guò)導(dǎo)線連接至所述的光探測(cè)器陣列和光纖分束器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖曲率傳感器在硫化橡膠層中的位置固定是通過(guò)下述方式實(shí)現(xiàn)的:由硫化橡膠以注塑的方式實(shí)現(xiàn)一體化固定，或通過(guò)在兩層硫化橡膠層之間設(shè)置安裝槽以箝位方式實(shí)現(xiàn)固定。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及海洋管纜監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，旨在提供一種基于光纖曲率傳感器的水下管纜變形自檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括由內(nèi)芯和包裹于外部的硫化橡膠層組成的水下管纜，沿水下管纜一側(cè)的長(zhǎng)度方向，在硫化橡膠層的中間層布置了長(zhǎng)條帶狀的光纖曲率傳感器；光纖曲率傳感器與控制盒相接，控制盒通過(guò)數(shù)據(jù)線連接至主控計(jì)算。本發(fā)明能實(shí)時(shí)對(duì)水下管纜的形狀、受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)過(guò)度彎曲、扭轉(zhuǎn)、纏繞等情況實(shí)時(shí)預(yù)警，提高水下管纜的可靠性以及安全性。整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程基于水下管纜本身就能實(shí)現(xiàn)，無(wú)需額外的監(jiān)測(cè)平臺(tái)以及視覺(jué)、聲學(xué)、電磁學(xué)等的監(jiān)控設(shè)備，具有成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)亦可實(shí)現(xiàn)全纜監(jiān)測(cè)。本發(fā)明同樣適用于礦山工程，隧道工程等不具備視像條件下的各種纜系監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
【IPC分類(lèi)】G01B11/16
【公開(kāi)號(hào)】CN105222721
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510603470
【發(fā)明人】陳家旺, 徐春鶯, 嚴(yán)東旭, 張磊, 姚超玲
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2015年9月21日