CN102246001B - 光学曲率监测装置的校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性深海管线的扶强材(18)的曲率的监测装置的校正方法，所述监测装置设有变形杆(26)，所述变形杆(26)具有中心轴(C)和被保持压接于所述杆(26)的周边的至少三个光学传感器(29、30、31)，所述方法针对绕所述中心轴的弯曲面的不同的连续定向包括如下步骤：使杆(26)根据相同的曲率半径弯曲；测量传感器(29、30、31)在所述弯曲期间的变形；根据弯曲面的定向，使用所测量的变形外推为每个传感器的变形的正弦函数；根据外推出的正弦函数之间的角偏移并且根据外推出的正弦曲线的幅值计算误差校正系数。

Description

光学曲率监测装置的校正方法

技术领域

本发明涉及以光学方法监测变形的领域，并且特别地，涉及对结构比如深海柔性管或者构造的检测领域。

背景技术

深海柔性管通常用于输送从离岸源头排出的碳水化合物。在美国石油协会出版的标准文献API RP 17B“Recommended Practice for Flexible Pipe”中显著地描述了这样的管。柔性竖管将海底设施如托座在海床上的井道钻头连接到海面设施如浮动生产设备。柔性竖管必须能够承受大的机械应力，显著地必须能够承受由其自身的重量产生的应力，这些大的机械应力由内部和外部压力、海面设施在涨水和洋流的影响下的运动所造成的曲率或者弯曲半径的变化所引起。

一种已知的用于减小这些竖管承受的动态应用斩方案是使用扶强材，所述扶强材形成鞘并且能够绕竖管安装以增强竖管的刚性并限制竖管的在临界区域的曲率，显著地，限制竖管的与海面设施接近的上部的曲率。根据这些弯曲扶强材到竖管的一个特定应用，所述弯曲扶强材具有借助于凸缘被固定到海面设施的上端并且沿竖管的长度在可变长度上延伸。柔性管同轴地安装到弯曲扶强材内。由此，与接近海面的涨水和洋流的影响无关地，柔性管保持了显著地高于其最小可接受弯曲半径MBR(表示最小受弯(或弯曲)半径)的曲率半径，并且由此不会被损坏。这些弯曲扶强材还能够安装到竖管的接近海床的部分上以再次限定它们的曲率。

由于这些弯曲扶强材是承受强应力的主要部件，需要确保这些弯曲扶强材在可能超过20年的使用寿命中保持正常状态。由此已经构思了如下思想，即使用嵌入在它们的厚度内的监测装置***地记录这些弯曲扶强材的变形，以检测它们处正确的运行状态。这些测量还能够用以确定所述竖管或者弯曲扶强材随时间而承受的累积动态应力，用以估计它们的疲劳状态。

文献WO 2005-088375公开了监测结构的弯曲的装置。该监测装置包括具有旋转中心轴的可变形刚性杆。所述中心杆典型地由玻璃纤维强化环氧树脂制成。可变形刚性杆绕其外周设有并固定了三个光学变形传感器。光学传感器包括与杆平行的光纤并且设有类似于光学变形测量仪地操作的光刻Bragg光栅。三个Bragg光栅具有若干毫米大小的相同长度。全部三个光学传感器沿杆位于相同的轴向侧，即，它们的三个中心包括在与杆的轴线垂直的一个相同平面中。光纤被收纳在杆的外周处形成的槽中。与这三个传感器连接的光电装置能够用以测量Bragg光栅反射的波长，并根据所述测量的波长推导出三个光纤在所述三个Bragg光栅处所经历的三个轴向变形εa、εb、εc。一旦由此测量到三这三个轴向变形，则可以根据这些测量结果通过计算推导出三个未知量：变形刚性杆在该三个Bragg光栅的区域中的曲率半径ρ；弯曲面关于变形刚性杆的角度定向ψ；和最后地，变形刚性杆所经受的均匀轴向拉伸ε，所述均匀轴向拉伸ε是例如外部张力/压缩应力或者热膨胀现象的结果。在上述文献的第28页上详细说明的该计算还包括假设已知的参数：变形刚性杆和传感器的几何尺寸；和显著地，关于三个Bragg光栅关于变形刚性杆的轴线的相对位置的参数。

这样的监测装置的设有传感器的变形刚性杆可以嵌入在弯曲扶强材的挠性可靠的部分的厚度内，并且与弯曲扶强材和竖管的轴线平行。由此，当柔性竖管投入使用时，弯曲扶强材的运动使变形刚性杆挠变并且由此传感器提供表示扶强材的曲率的信号。基于这些信号，计算曲率半径和杆的弯曲面的定向。这些数据然后能够被实时处理，例如用以在曲率半径或者受弯半径减小到临界阈值下方时触发报警，或者被记录用于随后的处理例如以评估疲劳损伤和剩余寿命期望。

在文献FR 2871511、WO 2006-021751和2007年4月30日至5月3日在休斯顿举办的“Offshore Technology Conference(海洋技术会议)”出版的参考为OTC 19051的“Faigue Monitoring of Flexible Risers，Using NovelShape-Sensing Technology(使用新型形变感应技术的柔性竖管疲劳监测)”中，显著地说明了这样的装置，这些文献还公开了圆柱状变形刚性杆之外的其它几何形状的变形刚性杆的使用，例如八角形或者三角形的几何形状。

在出版物OTC 19051中，变形刚性杆包括Bragg光栅型的四个光学变形传感器，添加第四个光学变形传感器是为产生冗余。该出版物还在第2页公开了根据所测量的四个轴向变形ε1、ε2、ε3、ε4计算弯曲面的定向的曲率的方法。该计算方法还包括计算四个Bragg光栅关于变形刚性杆的轴线的相对位置。

施加到弯曲扶强材的弯曲半径在实际中在若干米和无限大之间变化。在实际中，测量曲率并且安装有这些弯曲扶强材以能够测量的变形刚性杆的受弯半径ρ需要精确地大于3m。由于曲率Cu是曲率半径或者受弯半径的倒数(Cu＝1/ρ)，则虽然使用曲率来处理测量精度的问题更为简单，但能够考虑使用这两个大小中的任一个。曲率的测量范围因此是从0至0.33m^-1。本应用所要求的曲率测量精度典型地必须大于±0.0015m^-1，需要该精度水平以进行疲劳损伤分析。

另外，为便于制造、储存、运输和安装这些总体长度可能超过数十米的变形刚性杆，期望这些变形刚性杆能够卷绕成为0.5m至1m大小的最小曲率半径。现在，设有变形刚性杆的光纤必须不能大于0.5％的相对拉伸，因为不然，则存在光纤被损伤的危险。这是为什么意图被安装到海洋柔性竖管的弯曲扶强材的变形刚性杆在实际中具有小的直径的原因，所述小的直径的大小典型地为5mm至10mm，使得可以减小光纤在变形刚性杆被弯曲到其最小受弯半径时所经受的最大拉伸(见WO 2005-088375第25页)。但是，该小的直径的缺点在于会减小曲率测量的精度，从而在实际中当变形杆的直径的大小为10mm以下时，特别地难以实现±0.0015m^-1的精度的目标。

就测量精度问题而言的另一个主要因素在于变形刚性杆由玻璃纤维增强树脂制成，这意味着非不显著的伸展被引入到各个几何参数中：杆的直径、槽的形状、光纤之间的角偏移、光纤与杆的中心轴之间的距离等。使用环氧树脂将光纤固定以杆的外周也产生了应力。所产生的应力会成为测量误差的根源。这样的组合材料由于它们的制造方面的原因而总体上具有大小在于十分之几毫米右的常见尺寸公差。另外，杆的直径越小，这些常见公差产生的误差更大。由此在实际中，在10mm直径的变形玻璃纤维刚性杆的情况中，已经发现曲率测量的误差通常能够超过±0.003m^-1，这是令人不满意的。

解决该问题的第一方案是在制造出每个变形刚性杆之后，***地测试每个变形刚性杆的测量精度，并仅保留实现所要求的精度水平的变形刚性杆。但是，该方案带来了高的报废率并且在经济上不可行。

第二方案是用已经被高精度地成形的、具有高的弹性极限的金属分节件(section piece)生产变形刚性杆，例如通过冷拉获得的并且尺寸公差在百分之一毫米内的钛分节件。但是，该方案在经济上并不是非常具有吸引力。

解决该问题的第三方案是增大变形刚性杆的直径，如出版物OTC 19051中所教示的，在该文献中提出了75mm的直径。该方案提高了对于大的受弯直径的测量精度。但是，其缺点在于增大了在不损伤光纤的情况下变形刚性杆能够兼容的最小受弯半径，并且这样一方面提出了关于所述杆的储存和处理的问题，另一方面使得无法测量小的受弯半径。在实际中，75mm直径的变形刚性杆应该被储存在15m直径的卷线车上并且在不产生早期疲劳失效的危险的前提下不能用于持续地测量小于15m至20m的受弯半径，弯曲扶强材仅在非常恶劣的天气或者暴风雨的条件下才可能达到小于15m至20m的受弯半径。

发明内容

本发明寻求解决测量曲率的精度的问题，而同时避免前述的缺点。由此，本发明涉及深海柔性管扶强材的曲率的监测装置的校正方法，所述监测装置设有变形杆，所述变形杆具有中心轴和被保持压接于所述杆的周边的至少三个光学传感器，所述方法包括如下步骤：针对绕所述中心轴的弯曲面的各种连续定向，使所述杆弯曲到相同的曲率半径；测量所述传感器在弯曲期间的变形；根据所测量的变形，将每个传感器的变形外推为以所述弯曲面的定向为函数的正弦函数；根据外推出的所述正弦函数之间的角偏移并且根据外推出的正弦曲线的幅值计算误差校正系数。

根据一个可选方案，计算所述误差校正系数包括：根据所述外推出的正弦曲线的幅值计算所述至少三个光学传感器相对于所述中心轴的实际位置。

根据另一个可选方案，所述杆在每次弯曲操作之后回位到大致地直的姿态。

根据又一个可选方案，通过将具有预定曲率的校正元件压接于所述杆的外周以弯曲所述杆。

根据另一个可选方案，防止所述杆相对于其中心轴转动，其中所述校正元件被安装成能够绕所述中心轴转动。

根据另一个可选方案，两个支撑件将所述杆保持到位，所述校正元件在所述两个支撑件之间被压接于所述杆，所述支撑件允许所述杆绕大致地垂直于所述杆的中心轴的两个轴线枢转。

根据再一个可选方案，每个光学传感器包括一定长度的光纤，所述光纤包括Bragg光栅并且被压接于所述杆的外周。

根据一个可选方案，所述光纤的具有各种长度的所述Bragg光栅沿着所述杆的中心轴被配置于相同水平。

根据另一个可选方案，在所述Bragg光栅的区域中施加所述弯曲。

根据另一个可选方案，对传感器的正弦函数的外推建立了如下类型的函数：ε_j＝A_j0+A_j1*cos(α)+B_j1*sin(α)

其中A_j1是一次谐波的相位分量，B_j1是一次谐波的正交相位分量，这些分量基于所述变形测量通过傅里叶级数法确定，α是绕所述中心轴的弯曲面的定向。

根据另一个可选方案，至少一个比所述一次谐波更高阶的谐波被通过傅里叶级数法确定，并且如果所述更高阶谐波与所述一次谐波的比超过阈值，则重复所述变形测量。

附图说明

根据下面参考附图借助于非限定性的示例给出的关于本发明的描述，本发明的其它特性和优点将变得清楚，在附图中：

图1是被结合到海面工作站的设有弯曲扶强材的柔性竖管的截面侧视图；

图2是设有监测装置的弯曲扶强材的截面俯视图；

图3是校正所述监测装置的校正台架的侧视图，其中示出了弯曲标准远离杆；

图4是图3的台架的截面正视图；

图5是校正监测装置的校正台架的侧视图，其中弯曲标准与杆接触；

图6是图4的台架的截面正视图；

图7是标准的另一角位置情况下的台架的截面正视图，所述标准远离杆；

图8该所述标准的该角位置情况下的台架的截面正视图，所述标准与杆接触；

图9是属于台架的杆支撑件的截面正视图；

图10是图9的杆支撑件的截面侧视图；

图11是图9的杆支撑件在杆的弯曲期间的截面俯视图；

图12是图9的杆支撑件在杆的另一弯曲期间的截面侧视图；

图13是图9的杆支撑件的截面侧视图，其中杆支撑件设有用于杆的紧固件，所述杆处于静止状态；

图14是图9的杆支撑件的截面侧视图，其中杆支撑件设有用于杆的紧固件，所述杆处于弯曲状态；

图15是图9的杆支撑件的截面侧视图，其中所述杆处于静止状态并且设有保护鞘；

图16是图9的杆支撑件的截面侧视图，其中所述杆被弯曲并且设有保护鞘；和

图17绘出根据监测装置提供的一组测量点外推出的正弦曲线。

具体实施方式

本发明提出了结构的曲率的监测装置的校正方法，所述结构特别地是构造或者深水竖管弯曲扶强材。监测装置设有变形杆，所述变形杆具有中心轴并且带有至少三个被保持于所述杆的外周的光学传感器。本发明提出以相同的受弯半径而在不同的弯曲面中对变形杆施加弯曲。根据传感器测量的变形，外推为出作为弯曲面的函数的变形的正弦函数，以推导出光学传感器的误差校正系数。

误差校正系数的计算可以显著地包括至少计算所述三个光学传感器关于中心轴的实际位置。因此，该计算方法使得可以精确地而不产生破坏地确定所述杆的影响到曲率测量的主要几何特征，特别是光学传感器如Bragg光栅关于杆的中心轴的位置。为考虑到光学传感器的作为杆的曲率的函数的变形中的非线性行为，计算所述传感器的实际位置是有利的。该非线性行为在变形杆具有正常尺寸公差时特别地显著。计算光学传感器的实际位置由此使得可以建立变形杆及其传感器的精确的几何模型。

由此，即使变形杆具有正常的尺寸公差，即如果在一方面图中的名义尺寸与另一方面制造后的实际尺寸之间存在明显的不相符，则仍可以实现具有良好精度的曲率测量。如下面将要说明的，如果根据拉伸测量计算曲率时重复使用所计算的实际尺寸而不是使用名义尺寸，测量精度将显著地变得更好。因此，本发明使得可以降低装备有仪器的变形杆的废品率、保持经济的制造方法和安装方法、并且使小直径的传感器能够测量小的受弯半径而同时极大地改进对于即使大的受弯半径的曲率测量的精度。

图1示出了通常已知为竖管的柔性管10，其从海平面12向海床14大体上竖直地行进。该柔性管10具有被固定到示出的水面设施的水面端部16。另外，该水面端部16被压入弯曲扶强材18，弯曲扶强材18的上端20被保持在平台上的固定位置，而下端22绕管10朝向海床14延伸过例如5米至10米的距离。在静止和不弯曲时，该弯曲扶强材18具有对称轴线A。弯曲扶强材18用于限定管10在接近水面12处的弯曲幅值。弯曲扶强材18典型地由聚合物材料制成，例如由聚安基甲酸酯制成。弯曲扶强材18的材料的刚性有利地比柔性管的材料的刚性高。在图1中，弯曲扶强材18具有从上端20朝向下端22变窄的环形截面。在弯曲扶强材18的整个长度上，安装变形传感器24以监测弯曲扶强材18的弯曲幅值和弯曲面的定向。

现在将参考图2以描述与弯曲扶强材18关联的监测装置。图2示出了形成变形刚性杆的棒材26的横截面。棒材26嵌入在弯曲扶强材18的厚度中向下直到弯曲扶强材18的下端22附近。所述棒材26具有绕中心轴C的圆形截面。棒材26具有约10mm左右的大小的直径，例如在4mm至15mm之间的范围内。在所述棒材26的整个长度上，绕轴线C以均匀角向间隔形成纵向槽28。纵向槽28在本示例中间隔开近似120°

光纤29、30、31被用树脂如环氧树脂保持在这些槽28中的每一个槽28中。这些光纤29、30、31在所述棒材21的整个长度上沿长度方向延伸，而棒材21本身在弯曲扶强材18的整个长度上延伸。由此，光纤29、30、31从下端22向上端20延伸并且延伸过它们被连接到信号处理部件的位置。Bragg光栅通过本质上已知的光刻技术被蚀刻到光纤29、30、31内。每个Bragg光栅具有若干毫米大小的长度，并且类似于光学传感器地作用以测量光纤在平行于其主轴的方向上的拉伸。该主轴另外大致上平行于棒材26的中心轴C。根据在文献WO 2005-088375中显著地说明的人所熟知的分布式测量原理，每个光纤配置有若干个Bragg光栅，典型地配置有3至10个根本在弯曲扶强材的整个长度上的光栅，光纤的其余部分作用于传输光学信号的通道。光纤29、30、31全部具有相同数目的Bragg光栅，所述光栅以相同的方式分布并且分布在沿三个光纤29、30、31的相同位置处。在与棒材26的中心轴C垂直的截面中观察到的一个基本曲率测量区具有与所述截面垂直的三个Bragg光栅，这三个Bragg光栅被蚀刻在三个光纤29、30、31的同一位置处，使得三个Bragg光栅与所述截面相交。之后，棒材26包括若干基本曲率测量区域典型地3至10个测量区域，所述测量区域沿弯曲扶强材的长度分布。

棒材26可以由玻璃纤维增强复合材料制成。这样的材料具有刚性和柔性，并且整体上适于支撑光学传感器。另外，这样的材料能够随动弯曲扶强材18的长度方向上的变形。棒材26可以被包含在保护鞘内。

考虑到曲率测量区域中的一个测量区域，如图2中更为详细地示出的一个测量区域，该区域因此包括光学传感器，所述光学传感器由被蚀刻到所述三个光纤29、30、31上并且绕棒材26的外周分布的三个Bragg光栅。三个传感器使得可以在该测量区域中完整地确定棒材26的弯曲区的定向和该弯曲的幅值，并且结果能够测量弯曲扶强材18的变形。三个传感器中的两个传感器足够完整地确定棒材26的弯曲面和该弯曲的幅值，第三个传感器用以在棒材26经历曲率之外的具有未知幅值的均匀轴向变形时校正其余两个传感器所提供的信号。弯曲扶强材18中的棒材26的该轴向变形基本上是由于棒材26与弯曲扶强材18之间的摩擦和/或与温度相关联的影响(热膨胀)的原因所造成的。

被蚀刻到三个光纤29、30、31上的三个Bragg光栅的位置在图2的截面中被关于中心轴C确定并且表示为柱坐标，所述位置包括与测量曲率相关的五个主要尺寸r1、r2、r3、

半径r1、r2、r3分别是中心轴3距离三个光纤29、30、31分离开的距离，这些三个距离在横截面中的与所提到的曲率测量区域对应的面中确定。角度

是一方面连接中心轴C和第一光纤29的线段与另一方面连接中心轴C和第二光纤30的线段之间的夹角，该角度在横截面中的与所提到的曲率测量区域对应的面中测量。角度

是一方面连接中心轴C和第一光纤29的线段与另一方面连接中心轴C和第三光纤31的线段之间的夹角，该角度在横截面中的与所提到的曲率测量区域对应的面中测量。

如果棒材26被优良地生产出，则实际的制造后尺寸将等于图中的名义尺寸：三个半径r1、r2、r3将相等，并且两个角度

分别等于120°和240°。在理想状态下，一方面根据三个光学传感器29、30、31分别测量的拉伸ε1、ε2、ε3并且另一方面根据前述的棒材26的名义尺寸，可以精确地计算曲率。能够应用于该理想状态的计算方法的一个示例在文献WO2005-088375的第29页上详细示出。

但是，在真实棒材的情况中，实际的制造后尺寸可能与名义尺寸显著地不同。由此，在图2中所示，特别地由于棒材26的制造方面的原因，并且更为特别地由于光纤29、30、31所粘结到其中的槽28的尺寸的原因，尺寸r1、r2、r3、

并不等于名义尺寸。在玻璃纤维棒材26具有10mm的平均直径的情况中，名义尺寸与实际尺寸之间的差异对于半径r1、r2、r3可以容易地超过0.2mm，而对于角度可以容易地超过5°。这样即是，如果使用名义尺寸而不是实际尺寸来根据拉伸ε1、ε2、ε3计算曲率将会导致曲率计算中的误差容易地超过0.003m^-1。与棒材26的几何形状关联的该误差对于期望的应用是不可接受的，尤其是因为误差与那些测量误差累积，所述测量误差显著地是与拉伸测量和残余应力相差的测量误差。

基于拉伸测量的误差是Bragg光栅的测量误差和相关联的光电器件的测量误差。现今的技术能够实现相对拉伸的测量，该测量的精度约为3μm/m(即，在3.10^-6＝0.0003％内)。基于拉伸测量的该误差反过来对于曲率测量产生误差，所产生的误差整体上与棒材26的平均直径成反比。在10mm直径的棒材的情况中，引入到曲率中的误差具有±0.0006m^-1的大小。

即使当棒材26静止时，此时没有弯曲或者没有轴向变形，光纤29、30、31仍承受残余应力的作用。这些残余应力在光纤29、30、31被粘结到槽28内时显著地被引入到光纤29、30、31。粘结剂的干燥显著地在静止时将预载荷引入到光纤29、30、31。这些残余应力导致了Bragg光栅进行的拉伸测量中存在偏差。该偏差可以容易地超过100μm/m，并且因此非常显著地引入典型地超过0.01m^-1的曲率测量误差，

校正与残余应力相关联的误差的一个方案是在棒材26静止和保持为直形时测量三个光纤29、30、31的三个拉伸ε1r、ε2r、ε3r，并且然后从测量中取得的拉伸ε1、ε2、ε3中减去这些基准值。但是，该校正在实际中的问题在于限制了其效率。具体地，棒材26在其制造和运输时总体上被缠绕，这意味着难以使棒材26良好地伸直而不在其中引入张力，所引入的张力产生将与前述的残余应力组合的应力并且因此地使所述校正无效。因此，优先地使用适当的部件将棒材26保持在直的位置中，以使在与残余应力相关联的拉伸ε1r、ε2r、a3r的测量步骤期间的张力最小化，所述适当的部件例如是孔径与棒材的外径精确地匹配的直金属管型的支撑件。在实践中，如果采取这样的预防措施，曲率测量中与残余应力相关联的误差能够降低到±0.0005m^-1以下。

由此，在具有10mm直径的玻璃纤维棒材26的情况中，曲率测量的总的误差能够通过将各种前述误差即与残余应力相关联的0.0005m^-1的误差(校正后)、与拉伸测量相关联的0.0006m^-1的误差、及最后如果使用棒材26的名义尺寸计算曲率时与棒材26的几何不完美性相关联的可能高达0.003m^-1的误差相加而得到。总的误差因此在本情况中超过±0.004m^-1，假定应用要求精度在±0.0015m^-1以内，则该总的误差根本不能令人满意。

通过预告实现棒材26的实际主要尺寸，然后作用这些实际尺寸而不是名义尺寸进行曲率计算，能够相当大地减小与棒材26的几何不完美性相关联的误差。另外，这一方法使得可以以高的精度水平确定棒材26的实际主要尺寸，在实际中该精度水平在百分之几毫米内，典型地在±0.02mm内。之后，通过在曲率计算中使用这些实际尺寸而不是名义尺寸，与棒材26的几何不完美性相关联的误差能够被降低到±0.0005m^-1以下的水平。在本该情况中，总的曲率测量误差能够被保持在令人满意的大小为±0.0015m^-1的水平。

图3和图5示意性地绘出了用于校正监测装置的校正台架4的侧视图。图4和图6绘出了同一台架4的正视图。校正台架4包括具有意图与杆26接触的面的校正元件40。该面具有以预定的曲率半径延伸的通道，例如10米大小的曲率半径。该曲率半径足够小以限制校正误差的幅值。该通道意图接收杆26以对杆26施加该曲率半径或者受弯半径。

校正元件40安装在引导环42上，以绕杆26形成圆。校正元件40绕中心轴C旋转。校正台架4包括远端支撑件44和45。校正元件40被定位在支撑件44和45之间的大体中间位置。校正元件40被安装成使得其能够在引导环42上经由致动器41旋转。致动器41允许校正元件40径向移动，以使校正元件40进一步远离杆26或者将校正元件40压接于杆26。支撑件44和45具有各自的铰链轴46和47，意图用于限定杆26关于台架4的自由度。校正期间用于测量曲率的区域包括在三个光纤中形成的三个Bragg光栅，所述测量曲率的区域有利地被定位成接近元件40的中心，即被定位在支撑件44和45之间的中间位置。

在校正期间，杆26的光纤被连接到测量Bragg光栅的特征波长的光电器件48。器件48在实际中根据这些波长使用对于本领域技术人员迄今已知的方法确定光纤29、30、31中的每个光纤的Bragg光栅的轴向变形。所测量的变形典型地在正1500μm/m或者负1500μm/m(±0.15％)之间变化。器件48连接到计算机***50以记录针对各种弯曲面定向的光纤变形测量结果。计算机***50配置有处理部件，所述处理部件能够外推出每个传感器的变形关于弯曲面的角度的正弦函数。

在图3和图4中，杆26处于静止。致动器41将校正元件40保持为离开杆杆26。在图5和图6中，杆26已经被校正元件40弯曲到预定的曲率半径或者受弯半径。致动器41将校正元件40保持为压接杆26。

在校正期间，校正元件40被置于绕轴线C的各种角位置。在这些角位置中的每个角位置中，元件40弯曲杆26以将元件的受弯半径施加到杆26。元件40的每个角位置对应于杆26的弯曲面的定向。元件40能够以角度递增的方式弯曲杆26。元件40能够显著地绕杆26以每5°、10°或者20°的方式施加弯曲。

在图7和图8中，元件40被置于关于竖直方向偏移角度α1的角位置。在图8中，元件40由致动器41致动并且使杆26弯曲以将元件的曲率半径或者受弯半径施加到杆26。杆26的弯曲面具有α1的倾角。在本弯曲期间，由所述弯曲引起的变形通过三个传感器测量。

有利地，在杆26的再次相继弯曲之间，杆26回位到静止时的大致直的姿态。这样避免了容易引起测量误差的扭力被施加到杆26。如图3、图4和图7所示，元件40被保持为离开杆26。结果，杆26回位到其大致地为直形的静止姿态。另外可以构思出使用直的模板以使杆26回位到其静止姿态。

在本示例中，校正元件40的与杆26接触的面是凸形的。同等地可以构思出通过将杆26保持在校正元件40和被定位朝向杆26的凹形标准之间的位置而施加预定的曲率半径或者受弯半径。

图9至图12示出了支撑件45的优选示例的结构。该结构意图将杆26中的弯曲力矩的大小限定成杆26被保持在关于支撑件45的位置而同时允许杆26绕垂直于中心轴C的轴线旋转。支撑件45的上端具有叉形上端。铰链轴47被枢转安装在所述叉的两个相对面之间。铰链轴47包括第一框架471和第二框架472。第一框架471被安装成能够关于支撑件45绕大体上与杆26静止时的中心轴C垂直的轴线D枢转。第一框架471被安装成能够经由轴473枢转。轴473关于所述叉的转动可以用滚珠轴承或者保持架滚针轴承来引导，以限制杆26弯曲时作用于杆26的摩擦或者寄生应力。第二框架472被安装成能够在杆26静止时关于第一框架471绕大致地与轴线C和轴线D垂直的轴线E枢转。第二框架472被安装成能够经由轴474枢转。轴474关于第一框架471的枢转可以同样地利用滚珠轴承或者保持架滚针轴承来引导，以限制杆26弯曲时作用于杆26的摩擦或者寄生应力。轴线C、D和E是正割的。

在图9和图10中，铰链轴47被置于杆26静止时的位置。在图11中，弯曲在包括轴线D的弯曲面中被施加于杆26。在图12中，弯曲在与轴线D垂直的弯曲面中被施加于杆26。

在本实施方式中，元件40被直接压接于杆26。杆26由此非常精确地适应于预定的曲率半径或者受弯半径。但是，该应用方法可以在杆26中引起小的轴向张力。为限制该张力，支撑件44将有利地具有类似于支撑件45的结构，允许杆26绕与中心轴C垂直的两个轴线旋转。

图13和图14示出了配置有鞘52的支撑件45，杆26经由鞘52安装在铰链轴47中。鞘52的横截面的外周具有大致地矩形的形状。第二框架472具有的孔具有相应的形状，以防止鞘52关于第二框架472的任意转动。鞘52与第二框架472之间的配合、鞘的表面光洁度及鞘外周的材料将被选择成使得鞘52以最小的摩擦而在第二框架472中沿中心轴C滑动。鞘52在其中部具有长度方向的孔。杆26穿过该长度方向的孔。

鞘52具有压杆26的构件56，以防止杆26绕中心轴C转动。另外还可以构思使用其它的部件防止杆26绕轴线C旋转。特别地，可以构思使用具有在所述长度方向孔上开口的长度方向槽的鞘。使用夹具部件，能够使该槽的面彼此间更近以减小孔的直径并且由此防止杆26旋转。

为在杆26中施加恒定张力并且为使杆在两次弯曲操作之间回位到静止位置，台架4有利地具有沿中心轴C将张力引入到杆中的回位部件。在所示的示例中，回位部件包括压缩弹簧54。弹簧54意图在鞘52的端止动部和第二框架472的长度方向端部之间被压缩。鞘52可以局部地具有外周为圆形的截面，以接收螺旋弹簧54。

支撑件44同样地安装有回位弹簧是不必要的。杆26由此可以使用未示出的设置在该铰链轴46内的鞘而被安装在46中。

在图13中，杆26静止。弹簧54在该姿态中可以潜在施加张力，以确保杆杆26以保持直形的状态而静止地支撑在支撑件上。可以测量杆26在静止时的变形以确定由于该张力而引入的测量偏差。在图14中，弯曲被施加到杆26。由于杆的在支撑件44和支撑件45之间的部分的拉伸，鞘52沿轴线C朝向支撑件44进行平移运动。由此，弹簧54被压缩。

在图13和图14中所示的示例中，杆回位部件被定位在铰链轴47处。但是，还可能会构思出其它的替代方案。特别地，可以构思所安装的支撑件44或者支撑件45中的一个支撑件具有沿轴线C关于地面进行平移运动的能力，并且包括回位部件。

图15和图16示出了通过支撑件44和支撑件45保持杆26的替代方案。为保护杆26，杆26被布置于在支撑件44和支撑件45之间延伸的柔性鞘43中。鞘52容纳鞘43的一端，并且肩部形成柔性鞘43沿轴线C的平移运动的端止动部。柔性鞘43就其通过任意适当的手段绕轴线C旋转而言是不可以移动的。柔性鞘43的内径稍大于杆26的外径，这两个直径之间的差异优选地小于3mm，以使柔性鞘43和杆26之间的曲率差最小化。由此，例如在校正元件40具有5m的曲率半径或者受弯半径的情况中，其中杆26具有10mm的外径并且柔性鞘43具有12mm的内径，杆26的曲率与柔性鞘43的曲率的最大的差具有0.00008m^-1的大小，这意味着与该差相关联的校正误差与目标精度水平(±0.0015m^-1)相比较小。优选地，柔性鞘43被制成使得与杆26的摩擦被尽可能地减小。柔性鞘43的内径可以显著地涂覆具有小的摩擦系数的材料或者由具有小的摩擦系数的材料制成，如聚四氟乙烯。在本示例中，校正元件40与柔性鞘43接触以施加元件40的受弯半径或者曲率半径。由此，保护杆26使其不与元件40接触。如在图13和图14的示例，回位弹簧54被以压缩状态沿着轴线C被布置在鞘52和第二框架472之间。意图但并不示出地，防止杆26绕轴线C关于柔性鞘43旋转。可以例如通过使用可移动夹紧部件局部地将杆26压接于鞘52阻挡绕轴线C旋转的该自由度。

在使用柔性鞘43的实施方式中，与残余应力相关联的误差能够用杆回位到其直形姿态时的拉伸测量来校正。由于柔性鞘43的存在，相对地限制了杆的轴向应力。有利地，在各种弯曲角施加到杆之后，进行拉伸测量。由此，拉伸测量将呈现一定的冗余度，保证能够精确地计算残余应力。

处理部件使用一组测量点通过迄今已知的方式来确定预定周期的正弦函数，在本示例中，所述预定周期是360°或者2π弧度。使用迭代最小二乘法显著地确定每个函数，例如设定待确定的正弦函数的周期。使用非常多次的测量在监测装置的校正中引入冗余。根据这些测量外推出的正弦函数因此是高度精确的，因为具有Gaussian特性的误差相互抵消。

下面另外说明了基于傅里叶级数计算正弦函数的一个方法。该方法基于通过对测量点插值而对周期函数的傅里叶级数裂项。

下文中，i将用作弯曲测量的后缀，i在1至n之间变化，n是采取的弯曲测量的次数。α_i将标识第i次测量的弯曲面的角度。

本示例将基于在间隔开固定的角度增量Δα的弯曲面中的弯曲测量。Δα由此通过α＝2π/n定义(弧度)。由此，α_i表示为α_i＝(i-1)*Δα＝(i-1)*2π/n。由此，对于Δα＝5°(角度)，n＝72。使用间隔开固定的角度的弯曲面使得更易于使校正台架自动化并且允许相当大地简化与外推为正弦函数相差的计算。

对于第j个传感器的待外推出的正弦变形函数ε_j，表示为如下形式：

ε_j＝A_j0+A_j1*cos(α)+B_j1*sin(α)

$A_{j0}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\Δ\α}*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ji}})=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ji}}$

其中A_j0对应于传感器j的偏移值，该偏移值一方面与传感器j粘结到杆26所相关的残余应力相关联，并且另一方面与回位弹簧54施加的张力相关联。如果校正台架配置有具有低的摩擦系数的柔性鞘43，则A_j0基本上与光纤的粘结相关的残余应力相关联。

$A_{j1}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\Δ\α}*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ji}}*\cos {\mathrm{\α}}_i)=\frac{\mathrm{\Δ\α}}{\mathrm{\π}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ji}}*\cos {\mathrm{\α}}_i=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ji}}*\cos {\mathrm{\α}}_i$

A_j1是传感器j的一次谐波的相位分量。

$B_{j1}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\Δ\α}*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ji}}*\sin {\mathrm{\α}}_i)=\frac{\mathrm{\Δ\α}}{\mathrm{\π}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ji}}*\sin {\mathrm{\α}}_i=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ji}}*\sin {\mathrm{\α}}_i$

B_j1是传感器j的一次谐波的正交分量。

ε_ji是传感器j的第i次变形测量结果。

正弦函数ε_j另外能够以如下形式表示：

是传感器j与传感器1之间的角度差。

因此为零。如下地根据先前所计算的值外推出值D_j1：

$D_{j1}=\sqrt{A_{j1}^2+B_{j1}^2}$

和：

如果A_j1≠0

图17示出了校正循环期间获取的一组变形测量点和根据这些点外推为得到的正弦函数。由此，以如下形式的正弦函数的形式表示出光纤30的各个变形ε1、ε2、ε3：

ε₁＝D₁₁cos(α)+A₁₀

D₁₁、D₂₁和D₃₁允许计算图2中所示的实际尺寸r1、r2、r3，因为：

r1＝R*D₁₁

r2＝R*D₂₁

r1＝R*D₃₁

R是由校正元件40施加到杆26的中心C的曲率。该参数因此可以预知。

正弦的相移

和

分别等于图2中所示的角向尺寸和

A₁₀、A₂₀和A₃₀与前述的残余粘结应力相关联。

为改进校正精度，能够为使用不同受弯半径的校正元件进行的、在其它受弯半径情况下取得的测量结果进行外推为而取得正弦函数。

该校正方法自然能够应用于包括超过3个的若干光学传感器的杆，例如包括四个与先前参考的出版物OTC 19051中公开的光纤类似的光纤的杆。

在该情况中，完成校正循环时，有多少光学传感器，就有多少组变形测量点和多少组外推为这些点取得的正弦函数。每个正弦函数j的半幅D_j1能够用于确定相应的光学传感器距离变形杆的中心轴C的距离rj(r_j＝R*D_ji)。正弦函数j和正弦函数1之间的相移

等于光学传感器j与光学传感器1之间的相应的角向尺寸。

这样的校正方法使得即使在其它的伸展源存在的情况下，也可以实现对监测装置的精确校正，即使，其它的伸展源如围绕杆26的柔性保护鞘。校正数据存储在对光学信号进行实时信号处理的装置的存储器中，在监测装置在运行中时从各个传感器取得所述光学信号。使用这样的校正方法计算的实际大小确保曲率被非常精确地计算。

为说明这些计算，让我们考虑包括三个图2中所示种类的光学传感器的杆的示例，先前已经对该示例采取形成本申请的主题的校正方法。因此，已经非常精确地确定了实际尺寸r1、r2、r3、

另外，基于与残余应力关联的拉伸测量的偏移ε1r、ε2r、ε3r也已经使用上述的方法在杆布置为直形并且静止时得以确定。当杆在使用期间，三个光学传感器以恒定的时间间隔例如每1/10秒供给三个拉伸测量ε1、ε2、ε3。根据这三个拉伸测量，需要计算三个未知量：杆的曲率半径或者受弯半径ρ、弯曲面关于杆的角定向Ψ、及最后杆的均匀轴向拉伸ε。在实践中，这等价于求解下面的方程组：

ε1＝ε1r+ε+(r1/ρ)cos(Ψ)

能够分析解出具有三个未知量的该三个方程的方程组，例如先如下计算出角度Ψ：

$\tan \left(\mathrm{\Ψ}\right)=\frac{-L+M\frac{{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_1/2+{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_3/2-{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_2}{{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_1-{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_3}}{K+N\frac{{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_1/2+{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_3/2-{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_2}{{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_1-{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_3}}$

其中：

ε′₁＝ε1-ε1r

ε′₂＝ε2-ε2r

ε′₃＝ε3-ε3r

$K=r2\cos \left({\mathrm{\β}}_2\right)+\frac{r3\sin \left({\mathrm{\β}}_3\right)}{2}$

$L=r2\sin \left({\mathrm{\β}}_2\right)+\frac{r1-r3\cos \left({\mathrm{\β}}_3\right)}{2}$

M＝r1+r3cos(β₃)

N＝r3sin(β₃)

一旦由此计算出角度Ψ，则可以根据角度Ψ如下地推导出曲率半径或者受弯半径：

$\mathrm{\ρ}=\frac{K\sin \left(\mathrm{\Ψ}\right)+L\cos \left(\mathrm{\Ψ}\right)}{{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_1/2+{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_3/2-{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_2}$

最后，一旦计算出Ψ和ρ，则能够容易地推导出均匀的轴向拉伸：

ε＝ε1-ε1r-(r1/ρ)cos(Ψ)

这些计算能够通过具有当前常见性能的微处理器以非常高的速度进行。在实际中，计算时间与拉伸测量时间相比可以忽略。由此可以实时地每秒测量数百个曲率。

由于对于监测装置的该显著改进，在不会较大地减弱所采取的测量的精度的情况下，能够在弯曲扶强材或构造上安装更少数目的这样装置。

就校正方法而言，基于这些相同的测量，还可以确定更高阶的谐波。根据这些谐波的幅值与一次谐波的幅值的比，可以确定校正的质量是否足以精确地确定杆的实际尺寸。

使用先前详细说明的基于傅里叶级数的方法，显著地可以计算比一级谐波更高阶的主要谐波，例如阶数在3和11之间奇次谐波，并且通过计算与一方面比一次谐波更高阶的谐波的幅值的调和均值与另一方面一次谐波的幅值的比相等的谐波含量而将这些谐波与一次谐波比较。如果该谐波含量超过一定的阈值，则意味着相应组的测量点相对于正弦函数太远，可能在校正循环期间存在问题(例如，铰链轴或者回位弹簧被堵塞)。在该情况中，校正台架将自动要求检查机械固定件并且重复弯曲测量循环。

尽管特别地参考形成有Bragg光栅的光学传感器的使用说明了本发明，还可以使用其它已知的光学传感器，例如使用Brillouin反射测量法的散射式轴向变形测量传感器。

Claims (12)

1.结构曲率的监测装置的校正方法，所述监测装置设有变形杆（26），所述变形杆（26）具有中心轴（C）和被保持压接于所述杆（26）的周边的至少三个光学传感器（29、30、31），所述方法包括如下步骤：

针对绕所述中心轴的弯曲面的各种连续定向，

使所述杆（26）弯曲到相同的曲率半径；

测量所述传感器（29、30、31）在弯曲期间的变形；

根据所测量的变形，将每个传感器的变形的正弦函数外推为弯曲面的定向的函数；

计算误差校正系数为外推出的所述正弦函数之间的角偏移的函数和外推出的正弦曲线的幅值的函数。

2.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，

所述结构是深海柔性管弯曲扶强材（18）。

3.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，

计算所述误差校正系数包括：计算所述至少三个光学传感器相对于所述中心轴（C）的实际位置为所述外推出的正弦曲线的幅值的函数。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的校正方法，其特征在于，

所述杆（26）在每次弯曲操作之后回位到大致直的姿态。

5.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，

通过将具有预定曲率的校正元件（40）压接于所述杆（26）的外周以弯曲所述杆（26）。

6.根据权利要求5所述的校正方法，其特征在于，

防止所述杆（26）相对于其中心轴（C）转动，其中所述校正元件（40）被安装成能够绕所述中心轴转动。

7.根据权利要求5或6所述的校正方法，其特征在于，

两个支撑件将所述杆保持到位，所述校正元件（40）在所述两个支撑件之间被压接于所述杆（26），所述支撑件允许所述杆绕大致地垂直于所述杆的中心轴（C）的两个轴线枢转。

8.根据权利要求1至3中的任一项所述的校正方法，其特征在于，

每个光学传感器（30）包括一定长度的光纤，所述光纤包括Bragg光栅并且被压接于所述杆的外周。

9.根据权利要求8所述的校正方法，其特征在于，

所述光纤的具有各种长度的所述Bragg光栅沿着所述杆的中心轴被配置于相同水平。

10.根据权利要求9所述的校正方法，其特征在于，

在所述Bragg光栅的区域中施加所述弯曲。

11.根据权利要求1至3中的任一项所述的校正方法，其特征在于，

对传感器的正弦函数的外推建立了如下类型的函数：

ε_j=A_j0+A_j1*cos(α)+B_j1*sin(α)

其中A_j0对应于传感器j的偏移值，A_j1是一次谐波的相位分量，B_j1是一次谐波的正交相位分量，这些分量基于所述变形测量通过傅里叶级数法确定，α是绕所述中心轴的弯曲面的定向。

12.根据权利要求11所述的校正方法，其特征在于，

至少一个比所述一次谐波更高阶的谐波被通过傅里叶级数法确定，并且如果所述更高阶谐波与所述一次谐波的比超过阈值，则重复所述变形测量。

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