[发明专利]一种长距离分布式光纤空间姿态监测传感器及工程实现方法

说明书

技术领域

本发明属于结构监测领域，涉及一种长距离分布式光纤空间姿态监测传感器及工程实现方法。

背景技术

诸如长输管道、海底光缆和长距离路基等线性结构属于重大基础设施，其正常运营与国民经济和生活密切相关。这些长距离线性结构在长期的服役过程中受人为因素、自然灾害和环境的变迁等影响，会发生影响结构安全的大变形，最终导致结构失效。如地基沉降过大引起的管道变形爆管，路基不均匀沉降引起的行车不平顺性或脱轨事故，因潮汐、轮船抛锚挂缆引起的海底光缆断缆断电等事故，都造成了一定的财产损失和人员伤亡。结构失效是一个损伤演化过程，采用有效手段监测结构变形，把握结构整体姿态，对结构的安全状况进行评估，对灾害事故提前预警，具有重要的工程意义。

目前这类重大基础设施大多建立了结构安全监测或检测系统，主要包括人工巡检、局部变形(纵向应变或沉降)监测、GPS变形监测以及全分布式纵向应变监测等。人工巡检属于检测技术，存在人工检测周期长、劳动强度高以及检测效果与检测人员素质相关等缺点；局部变形监测技术，如局部光纤光栅技术和单点沉降传感器只能对结构局部形态进行监测，不适合长距离线性工程全尺度监测；GPS变形监测属于表层变形监测，同样不能覆盖长距离线性结构。分布式光纤布里渊传感技术具有测试距离长、抗电磁场干扰、耐久性好等特点，在长距离、大体积结构安全监测中得到了应用，但是目前大多数分布式传感器侧重于结构纵向应力应变测试，而对于结构空间形态的监测，需要同时布设多个分布式光纤传感器，造成监测系统集成费用高，难度大等困难。对于长距离线性结构安全监测，急需一种满足工程化安装需求的长距离分布式空间姿态监测传感器。目前有相关文献报道了采用离散的光纤光栅传感器开展小尺度结构的空间姿态监测(朱晓锦，陆美玉，赵晓瑜等，太空机械臂振动形态三维重构算法及可视化分析，系统仿真学报，2009,21(15)：4706-4709)，该方法因只有几个离散测点，难以开展大尺度结构空间姿态监测，采用分布式光纤布里渊传感技术开展大尺度结构空间姿态监测的研究还未见相关报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种长距离分布式光纤空间姿态监测传感器及工程实现方法，该传感器将四根单模光纤、一根带有松护套的单模光纤和一束7丝钢绞线内嵌在一根直径为5-8mm的高分子复合筋中，4根单模光纤作为应变传感光纤测量光纤相应位置的应变和温度信息；工程实现方法是对传感器中应变测试数据进行温度修正及突变识别处理，基于应变-曲率几何关系，分段分区域解析该传感器的空间姿态。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种长距离分布式光纤空间姿态监测传感器，包括四根单模应变光纤1、一根带有松护套的单模温度光纤2、一束七丝钢绞线3、高分子复合筋4、两个光纤分线盒5和两根传输光缆6。

所述的单模应变光纤1、单模温度光纤2和七丝钢绞线3在高分子复合筋4热成型过程中布设于高分子复合筋4内部。

所述的四根单模应变光纤1间隔90度周向布设于高分子复合筋4中，距高分子复合筋4的外圆周1.5mm，每根单模应变光纤1作为传感器中的应变传感单元，用于结构上下左右4个方向的应变测试和应变-曲率姿态重构。所述的一根带有松护套的单模温度光纤2和一束直径为2mm的七丝钢绞线3布设于高分子复合筋4的中间位置，且单模温度光纤2位于中心线上；单模温度光纤2作为传感器中的温度传感单元，用于测试所处环境温度和4个应变传感单元的温度补偿；七丝钢绞线3用于增强传感器的抗拉及抗剪强度。高分子复合筋4的两端与光纤分线盒5连接，光纤分线盒5中的光纤相互熔接形成一条光路，并与传输光缆6连接。

所述的高分子复合筋4中的高分子材料为聚乙烯、聚丙烯等耐久性好的材料，在热成型过程中与玻璃纤维复合，根据监测需要，高分子复合筋4的内径为5-8mm。

采用上述长距离分布式光纤空间姿态监测传感器的工程实现方法，包括以下步骤：

第一步，长距离分布式光纤空间姿态监测传感器布设在结构中，与结构协同变形。

第二步，长距离分布式光纤空间姿态监测传感器中的四根单模应变光纤1实时测试第i个测点四个方向的初始应变值。

第三步，带有松护套的单模温度光纤2对四根单模应变光纤1测试的初始应变值进行温度修正，修正后的应变值与传感器的初始应变值进行差分，分段标定应变突变区域，基于应变-曲率关系，分段重构传感器的空间姿态。