一种光纤传感钢索及其制造方法
技术领域
本发明涉及光纤传感与工程机械及其制造领域，具体涉及一种光纤传感钢索及其制造方法。
背景技术
钢索是由多根或多股细钢丝拧成的挠性绳索。特点是强度高、自重轻、工作平稳、不易骤然整根折断、工作可靠，主要作为提升、牵引、拉紧和承载等抗拉力元件。广泛应用于桥梁、矿山、钻井平台、码头、索道和重型机械制造等领域。
钢索的损伤和疲劳检测至关重要。以大型钢索结构桥梁为例，承载桥梁重量的钢索的破断寿命通常少于20年，在桥梁全寿命期内，钢索将多次破断或拆换。然而目前的钢索损伤检测，基于钢索导电原理，利用电学信号与钢丝损伤的相关关系，通过直接采集钢索的电学信号，从而确定钢索的损伤情况，以排除服役钢索骤断、桥梁损毁垮塌的危险。这种方法的局限在于只有等到钢索发生断丝后，电学信号发生变化，才能感知到钢索的质量变化，无法在断丝前对钢索的疲劳情况进行精准的分析。
目前迫切需要对承重钢索进行全长度实时的信号检测，尤其在钢索发生损伤前，对钢索的应变、蠕变和疲劳情况进行分析，从而精准的评估钢索的使用寿命和断裂概率。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种光纤传感钢索及其制造方法，该光纤传感钢索可以在钢索发生损伤前，对钢索的应变、蠕变和疲劳情况进行分析，从而精准的评估钢索的使用寿命和断裂概率。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种光纤传感钢索，其包括：
光单元，所述光单元包括紧套层和至少一根光纤；所有的所述光纤作为整体，在其外围套设所述紧套层；
电单元，所述电单元绞合于所述光单元外围；所述电单元包括数据线和偶数根的电源线；
钢丝铠装层，所述钢丝铠装层绞合于所述电单元外围，且其绞合方向与所述电单元绞合方向相同。
进一步地，所述光单元还包括低摩擦系数涂层，所述低摩擦系数涂层包覆于所述紧套层外表面。
进一步地，所述低摩擦系数涂层采用热固化或光固化涂料。
进一步地，所述光单元还包括保护管，所述保护管套设于所述低摩擦系数涂层外围。
进一步地，所述紧套层采用热塑性聚氨酯弹性体、聚酯弹性体或尼龙12。
进一步地，所述光纤传感钢索还包括耐腐蚀层，所述耐腐蚀层包覆于所述钢丝铠装层外围。
进一步地，所述耐腐蚀层采用橡胶、聚氨酯弹性体或交联聚乙烯材料。
本发明还提供了一种如上所述的光纤传感钢索的制造方法，其包括如下步骤：
S1：将所述光纤在线烘烤，通过塑料挤出机挤出紧套料，所述紧套料均匀包覆于所述光纤外围并形成所述紧套层，得到所述光单元；
S2：以所述光单元为中心，将所述数据线和所述电源线单向绞合于所述光单元外围，形成缆芯；
S3：在所述缆芯外单向绞合多根钢丝和/或多根钢绞线形成所述钢丝铠装层，且其绞合方向与步骤S2中绞合方向相同。
进一步地，所述光单元还包括低摩擦系数涂层，所述低摩擦系数涂层包覆于所述紧套层外表面；
步骤S1还包括：在形成所述紧套层之后，通过表面涂覆设备将低摩擦涂料气雾化，气雾化的低摩擦涂料从表面涂覆设备上的环形喷嘴喷出，包覆有所述紧套层的光纤从该环形喷嘴穿过，使气雾化的低摩擦涂料附着在所述紧套层表面，固化后形成所述低摩擦系数涂层，得到所述光单元。
进一步地，所述光单元还包括保护管，所述保护管套设于所述低摩擦系数涂层外围；
步骤S1还包括：在形成所述低摩擦系数涂层之后，将包含所述低摩擦系数涂层的光纤气吹入所述保护管，得到所述光单元。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供的光纤传感钢索内含有光单元和电单元。光单元采用连续分布式实时测量，监测距离远、寿命长、抗干扰和可靠性好，尤其是在恶劣环境下的监测中具有独特的优势。光单元可根据具体需要，采用单模、多模或者二者混合的光纤，光纤数量也可以根据需要选择，如1-12根。光单元中采用多模光纤，多模光纤拉曼信号中反斯托克斯光强对温度变化非常敏感，因此根据拉曼散射的信号强度，可以准确的测量整根钢索的温度，通过光纤拉曼散射的传感网络，测量钢索的温度分辨率0.1℃，精度1℃，10km传感范围响应时间少于一分钟。光单元中采用单模光纤，单模光纤布里渊信号对光纤的应力应变非常敏感，因此根据受激布里渊散射的信号强度，可以精确的测量光纤的应力应变量，通过布里渊信号的光纤传感网络，准确的测量出钢索的形变量，通过钢索的形变情况，对钢索的蠕变和疲劳进行分析，从而准确的计算出钢索的使用寿命和断裂概率。
本发明提供的光纤传感钢索中的电单元分为两类，一类为电源线，为视频拍摄器、红外线发生器等提供电源，另外一类为数据线，可以传输视频信号和红外信号，以及收集固定在桥梁顶部对桥墩振动监测的传感器回传信号，从而实时监测桥面的交通量、车速、风向和雨雪量等负载情况，桥墩震动情况。针对不同环境荷载情况，对比钢索的形变情况，建立钢索受力模型，建立钢索寿命和断裂概率曲线图，综合监测桥梁健康安全情况。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光纤传感钢索端面结构示意图。
图中：1、光单元；10、光纤；11、紧套层；12、低摩擦系数涂层；13、保护管；2、电单元；20、数据线；21、电源线；22、保护层；23、绝缘层；3、钢丝铠装层；4、耐腐蚀层。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参见图1所示，本发明实施例提供一种光纤传感钢索，其包括光单元1、电单元2和钢丝铠装层3；光单元1包括紧套层11以及至少一根光纤10；所有的光纤10作为整体，在其外围套设紧套层11；电单元2绞合于光单元1外围；电单元2包括数据线20和偶数根的电源线21；钢丝铠装层3绞合于电单元2外围，且其绞合方向与电单元2绞合方向相同。
本发明实施例提供的光纤传感钢索内含有光单元1和至少一个电单元2。光单元1采用连续分布式实时测量，监测距离远、寿命长、抗干扰和可靠性好，尤其是在恶劣环境下的监测中具有独特的优势。光单元1可根据具体需要，采用单模、多模或者二者混合的光纤10，光纤数量也可以根据需要选择，如1-12根。光单元1中采用多模光纤，多模光纤拉曼信号中反斯托克斯光强对温度变化非常敏感，因此根据拉曼散射的信号强度，可以准确的测量整根钢索的温度，通过光纤拉曼散射的传感网络，测量钢索的温度分辨率0.1℃，精度1℃，10km传感范围响应时间少于一分钟。光单元1中采用单模光纤，单模光纤布里渊信号对光纤的应力应变非常敏感，因此根据受激布里渊散射的信号强度，可以精确的测量光纤的应力应变量，通过布里渊信号的光纤传感网络，准确的测量出钢索的形变量，通过钢索的形变情况，对钢索的蠕变和疲劳进行分析，从而准确的计算出钢索的使用寿命和断裂概率。
本发明实施例提供的光纤传感钢索中的电单元2分为两类，一类为电源线21，为视频拍摄器、红外线发生器等提供电源，另外一类为数据线20，可以传输视频信号和红外信号，以及收集固定在桥梁顶部对桥墩振动监测的传感器回传信号。从而实时监测桥面的交通量、车速、风向和雨雪量等负载情况，桥墩震动情况。针对不同环境荷载情况，对比钢索的形变情况，建立钢索受力模型，建立钢索寿命和断裂概率曲线图，综合监测桥梁健康安全情况。
本发明中，紧套层11可以采用弹性体材料，弹性体材料为热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚酯弹性体(TPEE)或尼龙12等。钢丝铠装层3可以采用多根钢丝绞合而成，钢丝采用单股或多股细钢丝绞成的钢绞线，还可以单独采用钢丝，或者钢绞线与钢丝同时使用。
本发明中，电源线21可根据具体需要，采用2根、4根或6根导线；电源线21可以采用单股或者多股铜导体，参见图1所示，电源线21外表面包覆绝缘层23，绝缘层23可以采用XLPE(交联聚乙烯)、FEP(聚全氟乙丙烯)或者PE(绝缘聚乙烯)；数据线20可根据具体需要，采用超5类、6类或者7类数据线，参见图1所示，数据线20外围包覆有保护层22，对其进行保护，保护层22材质可以采用与绝缘层23相同的材质。
实施例2
参见图1所示，本发明实施例提供一种光纤传感钢索，本实施例与实施例1的区别在于：光单元1还包括低摩擦系数涂层12，低摩擦系数涂层12包覆于紧套层11外表面。低摩擦系数涂层12采用热固化或光固化涂料，如热固化硅橡胶、光固化的丙烯酸环氧树脂。低摩擦系数涂层12的作用是降低摩擦，提高气吹效率，提高占空比，确保光纤与保护管的长度相等，从而光纤与探测钢索的形变率相同。
实施例3
参见图1所示，本发明实施例提供一种光纤传感钢索，本实施例与实施例2的区别在于：光单元1还包括保护管13，保护管13套设于低摩擦系数涂层12外围。保护管13可以采用金属材质，如不锈钢管或铝包钢管，用来保护涂覆了低摩擦系数涂层12的光纤，承受钢索加工过程和施工布放后的拉伸力和侧压力。
实施例4
参见图1所示，本发明实施例提供一种光纤传感钢索，本实施例与实施例1的区别在于：光纤传感钢索还包括耐腐蚀层4，耐腐蚀层4包覆于钢丝铠装层3外围。耐腐蚀层4作为最外侧的保护层，可以采用橡胶、聚氨酯弹性体或交联聚乙烯材料(XLPE)。
实施例5
参见图1所示，本发明实施例提供一种光纤传感钢索的制造方法，其中，光纤传感钢索包括光单元1、电单元2和钢丝铠装层3；光单元1包括紧套层11以及至少一根光纤10；所有的光纤10作为整体，在其外围套设紧套层11；电单元2绞合于光单元1外围；电单元2包括数据线20和偶数根的电源线21，数据线20外围包覆有保护层22，电源线21外围包覆有绝缘层23；钢丝铠装层3绞合于电单元2外围，且其绞合方向与电单元2绞合方向相同；
其包括如下步骤：
S1：将着色的光纤10在线烘烤、精确控制放线张力和速度，通过塑料挤出机在高温条件下挤出紧套料，紧套料均匀包覆于光纤10外围并形成紧套层11，得到光单元1；
实施本步骤时，将光纤10的放线角度与挤出机机头呈圆锥形中心对称，确保每根光纤10进入机头的角度和所受的张力相同；同时，挤出机头的真空度控制与挤出模具精确配合，确保光纤10与紧套层11的包覆力恰到好处，紧套层11不能包覆太松，太松导致紧套光纤出现后收缩；也不能包覆太紧，太紧导致光纤衰减超标。精确控制包覆松紧度的检测方法是紧套层11后收缩小于1％，光纤附加衰减小于0.1dB/km。
S2：以光单元1为中心，将数据线20和电源线21单向绞合于光单元1外围，形成缆芯；
当然了，还可以如附图1中所示，将数据线20和电源线21以及钢丝单向绞合于光单元1外围，形成缆芯；
S3：在缆芯外单向绞合多根钢丝和/或多根钢绞线形成钢丝铠装层3，且其绞合方向与步骤S2中绞合方向相同。
实施步骤S2和S3时，其关键是同心绞合技术，该同心绞合技术采用管绞工艺技术，外层的数据线20和电源线21实现80％的退扭；该同心绞合技术还采用了绞合单元的定位技术，钢丝、数据线20和电源线21的外径不同，绞合过程中相互挤压，容易交叉或错位，需要精确控制放线张力和绞合节距，确保每个绞合单元之间紧密接触无缝隙，又不会交叉和错位；该同心绞合技术还采用了绞合工艺的预扭技术，一般的双层铠装光缆，两层绞合的绞向是相反的，从而扭力平衡，其缺陷是两层绞合单元之间的内应力很大，光缆的抗拉性能下降，而本发明的双层绞合的绞向是同向的，通过绞合工艺的预扭技术，两层绞合单元之间几乎无缝隙，结构稳定、无内应力，钢索剪断后，断口处平整，钢丝、数据线20和电源线21都不会弹开散开，钢索的抗拉、弯曲、扭转和卷绕等机械性能显著提升。
实施例6
参见图1所示，本发明实施例提供一种光纤传感钢索的制造方法，本实施例与实施例5的区别在于：光单元1还包括低摩擦系数涂层12，低摩擦系数涂层12包覆于紧套层11外表面；
步骤S1还包括：在形成紧套层11之后，通过表面涂覆设备将低摩擦涂料气雾化，气雾化的低摩擦涂料从表面涂覆设备上的环形喷嘴喷出，包覆有紧套层11的光纤10从该环形喷嘴穿过，使气雾化的低摩擦涂料附着在紧套层11表面，固化后形成低摩擦系数涂层12，得到光单元1。
如果低摩擦系数涂层12采用热固化涂料并使用热固化方式，则在线通过高温固化炉，固化后形成低摩擦系数涂层12；如果采用光固化涂料并使用光固化方式，则在线通过紫外光固化炉，固化后形成低摩擦系数涂层12。本步骤关键在于低摩擦系数涂层12的配方体系和溶液浓度，确保气雾高速喷出，在紧套表面形成均匀的液膜，热固化和光固化方式，分别选择对应的配方体系；此外，涂层工艺需要精确控制紧套光纤的放线速度、喷嘴的压力、固化炉的温度或者固化炉的紫外光强度、有效固化区域的长度，确保紧套层11表面的液体薄膜均匀并且完全固化，又不能由于固化强度太高而损伤到光纤10和紧套层11。均匀固化后，包含低摩擦系数涂层11的光纤束表面摩擦力下降75％，表面摩擦系数小于0.15。
实施例7
参见图1所示，本发明实施例提供一种光纤传感钢索的制造方法，本实施例与实施例6的区别在于：光单元1还包括保护管13，保护管13套设于低摩擦系数涂层12外围；
步骤S1还包括：在形成低摩擦系数涂层12之后，将包含低摩擦系数涂层12的光纤10气吹入保护管13，得到光单元1。
使用标准的气吹设备把光纤10吹入金属管内，光纤10表面摩擦力下降75％，同等条件下气吹长度增加200％，气吹平均速度提高100％。本步骤的关键技术是气吹光纤10与保护管13的占空比达到70％-75％。(占空比为光纤10截面积与保护管13内孔截面积的比值)。光纤束与保护管13内壁的空间很小，从而光纤束在保护管13内为零余长，同时光纤在光纤束内也是零余长，也就是光纤与保护管13的长度相等，从而保护管13的微小应变造成光纤相同幅度的应变，实现钢索的精准监测。
总之，本发明提供的光纤传感钢索，含有光单元和电单元。光单元采用连续分布式实时测量，对钢索的温度、索力、应变、形变、蠕变、线形等参数进行精确测量，准确计算钢索的使用寿命和断裂概率。电单元提供电源和数据线，传输视频、红外和桥墩震动信号，实时监测桥面的车速、交通量、风速、风向、雨雪量等负载情况，桥墩震动情况，对比钢索的形变情况，建立钢索的受力模型，从桥梁所处的环境荷载情况，建立钢索的寿命和断裂概率曲线图，综合监测桥梁健康安全情况，提前拆换钢索，防患于未然。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
