CN105973159A - 一种管道分布式光纤传感器初始应变控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种管道分布式光纤传感器初始应变控制装置及控制方法，包括两个滑轮固定单元、滑轮、砝码和光纤传感器绑定器具。滑轮固定单元由刚性支架和环形夹具组成，环形夹具紧固在管道上，滑轮固定单元上安装有两个滑轮。光纤传感器绑定器具由刚性外套、柔性内套及绳体组成，绳体紧密缠绕在刚性外套的外表面。初始应变控制方法为：确定光纤传感器铺设方位；将两个滑轮固定单元固定在所述管道的左右两端；将光纤传感器绕过滑轮；光纤传感器绑定器具套装在光纤传感器的两个自由端处，并用尼龙线捆绑，分别连接凸出构件和砝码；将分布式光纤传感器粘接于管道表面。本发明效果是保证光纤传感器的初始应变处于均匀状态，提高分布式光纤传感器的测量精度。

Description

一种管道分布式光纤传感器初始应变控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种管道分布式光纤传感器初始应变控制装置及其控制方法，属于结构健康监测和海洋工程技术领域。

背景技术

自分布式光纤传感器问世以来，由于具有高可靠性、耐腐蚀性、传输损耗低、传输距离长、免电磁干扰等优点，在结构健康监测领域得到了长足发展。尤其是光纤传感器的线形长距离测量特征，使其成为各类管道安全监测的理想技术之一。在油气管道的安全监测中，目前所使用的光纤传感器技术主要包括三种：光纤光栅(FBG)技术、分布式光纤温度测量技术和分布式光纤应变监测技术。光纤光栅(FBG)技术可以实现高精度的动态应变和温度的测量，是目前相对成熟的一种光纤监测技术，但这种技术仍然属于传统的点式测量范畴，无法满足长距离海底管道分布式监测的需要。分布式光纤温度测量技术通过监测管道沿途因油气泄漏所引起的环境温度的异常，实现管道泄漏的分布式探测和定位，但是温度测量并不能提供管道结构状态退化(如结构损伤、腐蚀等)的任何信息。分布式光纤应变监测技术可以提供管道全长任意位置的应变(或应力)信息，为管道结构状态评估和安全预警提供了第一手资料，但是这一技术要求传感器必须布设在结构上，在油气管道中的应用还处于起步阶段。

分布式应变测量技术利用光纤的布里渊(Brillouin)背向散射原理，通过光时域反射技术(Brillouin Optical time domain reflectometry,BOTDR)或光时域分析技术(Brillouin Opticaltime domain analysis,BOTDA)测量光纤路径上任意一点的应变。BOTDR技术利用的自发布里渊散射，信号较弱，因此空间分辨率和测量精度都较低，而BOTDA技术由于利用了受激布里渊散射，使信号强度增加，空间分辨率和测量精度都大大提高。由布里渊分布式光纤传感器的测量原理可知，其测量精度取决于空间分辨率内应变的分布规律。目前，对于应变传感系数的标定，都是在均匀应变假定的基础上进行的，也就说，对于非均匀应变，由布里渊分布式应变测量***的得到的读数会有一定的误差，而且随着应变非均匀程度的增加，其误差会显著增加。尤其是分布式应变的动态测量，更是假定光纤路径上的初始应变都是均匀的，在此基础上进行扫描测量，一旦初始应变的分布不均匀，将会造成较大的测量误差。为了获得准确的测量结果，应该对布设于管道上的分布式光纤传感器的初始应变进行控制，以保证初始应变尽可能均匀分布。

关于分布式光纤传感器的布设，国内已有一些特定领域内的传感器布设方法。专利CN102168951A涉及了一种可拆卸式刚性转柔性光纤传感器及其布设方法，在传感器布设时通过调节刚性/柔性转换构件使传感器处于刚性连接状态。传感器布设后，利用调节刚性/柔性转换构件使传感器处于无刚性连接的自由状态，消除刚性/柔性转换构件刚度对结构局部应力场的影响，实现裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件柔性测试。专利CN102445160A涉及了一种长标距光纤光栅冲刷传感器及其制作、安装布设方法和由其构成的冲刷监测***。专利CN104931078A公开了一种高分辨率密集光纤光栅布设方法，能够通过错位放置大大提高空间分辨率。专利CN102243348A公开了一种在钢轨上布设光纤的装置，通过设置注胶压紧装置和光纤进给装置，实现了光纤在钢轨上的方便布设，通过走行装置可以提高布设效率。专利CN202661693U公开了一种分布式光纤在井筒冻结壁中的布设结构，该结构能有效的将分布式光纤成功的安装在冻结法施工井筒的冻结壁中,以保证分布式光纤能实时准确地监测冻结壁的温度、变形及受力状况。分析国内外研究现状及专利情况可以发现，目前还没有涉及分布式光纤传感器初始应变控制方法与装置的专利。

发明内容

本发明旨在提供一种适合管道安全监测的分布式光纤传感器的初始应变控制装置及其控制方法，提高管道分布式光纤传感器的应变测量精度，以达到保证管道结构安全的目的。

本发明提供一种管道分布式光纤传感器初始应变控制装置，它包括两个滑轮固定单元、滑轮、砝码和光纤传感器绑定器具。

所述的滑轮固定单元由刚性支架和环形夹具组成，所述环形夹具紧固在一管道上，环形夹具其内径与管道外径相吻合。

每个滑轮固定单元上各安装有两个滑轮，对分布式光纤传感器起到导向作用，其中一个滑轮安装在刚性支架的上端，另一个滑轮安装在刚性支架的内侧端，所述分布式光纤传感器绕过各个滑轮，利用滑轮提供导向作用，可使分布式光纤传感器与管道表面平行布设且紧密接触。

所述光纤传感器绑定器具由刚性外套、柔性内套以及绳体组成，其中刚性外套由形状对称的弧片体结构对合而成管状，所述柔性内套穿设于刚性外套中，分布式光纤传感器套设于该柔性内套内，所述绳体缠绕固定在刚性外套上。

光纤传感器绑定器具可以在不对分布式光纤传感器造成损坏的前提下固定在分布式光纤传感器上，进而可以将分布式光纤传感器与刚性支架及砝码相连接，使分布式光纤传感器处于均匀拉伸状态。

进一步的，为便于固定用于连接光纤传感器绑定器具的绳体，所述刚性支架的外侧下部设有一凸出构件。

进一步的，所述刚性外套的外表面间设有凹槽，便于绑扎绳体，并可以保证光纤传感器各位置受到的压力基本相同。

进一步的，所述刚性外套底端伸出柔性内套一部分，并在其端头设有一V形构件，用于通过绳体连接刚性支架及砝码。

本发明同时提供一种管道分布式光纤传感器的初始应变控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据管道安全监测的施工方案，确定分布式光纤传感器的铺设方位并在管道上进行定位，然后打磨管道表面并进行清洁；

步骤2：将两个滑轮固定单元分别通过环形夹具固定在待铺设传感器的管道的左右两端；

步骤3：将分布式光纤传感器依次绕过四个滑轮，并留出自由端；

步骤4：将光纤传感器绑定器具套装在所述分布式光纤传感器的自由端处，并用绳体捆绑刚性外套，从而对光纤传感器施加环向压力，以握紧柔性内套和分布式光纤传感器，令分布式光纤传感器和柔性内套紧密接触，将一侧的光纤传感器绑定器具末端的V形构件和该侧刚性支架的凸出构件用绳体连接；将另一侧的光纤传感器绑定器具末端的V形构件用绳体垂吊一适当重量的砝码，从而张紧分布式光纤传感器；

步骤5：利用粘结剂将分布式光纤传感器固定于管道表面，待粘结剂固化后卸下本管道上分布式光纤传感器初始应变控制装置，完成分布式光纤传感器的布设。

本发明的工作原理是：基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器，其测量精度取决于空间分辨率内的应变均匀性，因此对于布设在管道上的光纤传感器，应控制其在每一段上的初始应变基本保持一致。本发明利用滑轮原理，通过一定质量的砝码使光纤传感器处于均匀受拉状态，从而达到控制初始应变的目的。

滑轮固定单元通过其环形夹具固定在管道上，分布式光纤传感器通过光纤传感器绑定器具进行固定，利用一定重量的砝码通过光纤传感器绑定器具使分布式光纤传感器受到均匀张拉，然后再使用粘结剂将分布式光纤传感器固定在管道表面，在布设过程中由于分布式光纤传感器处于均匀拉伸状态从而使其初始应变得到控制。

本发明的效果和益处是，通过该套装置及其控制方法使分布式将光纤传感器均匀布设于管道表面，保证分布式光纤传感器的初始应变处于均匀状态，提高分布式光纤传感器的测量精度，从而对管道安全监测及预警产生积极意义。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

附图1是分布式光纤传感器初始应变控制装置整体布置图。

附图2是滑轮固定单元左视图。

附图3是光纤传感器绑定器具示意图。

附图4是附图3的局部放大图。

图中：1、管道；2、刚性支架；21、凸出构件；3、环形夹具；4、滑轮；5、分布式光纤传感器；6、光纤传感器绑定器具；61、V形构件；7、砝码；8、刚性外套；9、柔性内套

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供一种管道分布式光纤传感器初始应变控制装置，用于将分布式光纤传感器5均匀拉伸并铺设在待检测的管道1的表面上，参见附图1、2，它主要包括两个滑轮固定单元、滑轮4、砝码7和光纤传感器绑定器具6。

所述的滑轮固定单元由刚性支架2和环形夹具3组成，所述环形夹具3利用螺栓紧固在管道1上，其内径具体尺寸由管道外径相吻合；所述的刚性支架2由横杆、立杆和斜撑杆固定连接而成，横杆固定连接在环形夹具3的上方，立杆垂直地固定在横杆的外侧端，斜撑杆固定连接在上述立杆和横杆之间，对刚性支架2起到刚度支撑的作用。

为便于固定用于连接光纤传感器绑定器具6的尼龙绳，本实施例所述刚性支架2的下部设有一个长为50mm、截面为20mm×20mm的凸出构件21。

所述的每个滑轮固定单元上安装有两个滑轮4，主要对分布式光纤传感器起到导向作用，其中一个滑轮安装在刚性支架立杆的上端，另一个滑轮4安装在刚性支架横杆的内侧端，即，安装在附图1中左侧的刚性支架2的右侧端，或者，安装在附图1中右侧的刚性支架2的左侧端。所述分布式光纤传感器5适当地绕过各个滑轮4，如附图1所示，利用滑轮4提供导向作用，可使分布式光纤传感器5与管道1表面平行布设且紧密接触。两个滑轮固定单元相对分别通过环形夹具固定在待铺设传感器的管道左右两端。

所述的光纤传感器绑定器具6由刚性外套8、柔性内套9以及尼龙绳组成，参见附图3、4，其中利用钢材制成的刚性外套8呈管状，由两片形状对称的半管结构对合而成，利用橡胶材料制成的柔性内套9穿设于刚性外套8之中，橡胶材料制成的柔性内套9的内径与分布式光纤传感器5的外径相适应，刚性外套8和柔性内套9之间粘接，令其无法产生相对滑动。所述的尼龙绳紧密缠绕在刚性外套8外表面上。

本实施例中，所述刚性外套8的外表面上均匀分布有四个绑线凹槽，槽宽3mm，槽深1mm，便于绑扎尼龙绳，并可以保证光纤传感器5各位置受到的压力基本相同。

本实施例中，所述刚性外套8底端伸出柔性内套9一部分，并设有一个V形构件61，用于通过尼龙绳连接刚性支架2或砝码7。

光纤传感器绑定器具6可以在不对分布式光纤传感器5造成损坏的前提下固定在分布式光纤传感器5上，进而可以将分布式光纤传感器与刚性支架2或砝码7相连接，使分布式光纤传感器5处于均匀拉伸状态。

本实施例同时提供一种管道分布式光纤传感器的初始应变控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据管道安全监测的施工方案，确定分布式光纤传感器5的铺设方位并在管道1上进行定位，然后打磨管道1表面并进行清洁。

步骤2：将两个滑轮固定单元分别通过环形夹具3固定在待铺设传感器的管道1的左右两端。

步骤3：将分布式光纤传感器5按照如附图1方式依照一定顺序绕过四个滑轮4，并留出自由端。

步骤4：将光纤传感器绑定器具6套装在上述分布式光纤传感器5的两个自由端处，将尼龙绳捆绑在各个横向凹槽处，从而对光纤传感器施加环向压力，使两片半管紧密对合，握紧橡胶柔性内套和分布式光纤传感器5，令光纤传感器和橡胶柔性内套紧密接触。将光纤传感器绑定器具6末端的V形构件61和位于附图1左侧的刚性支架2的突出构件21用尼龙绳连接；在位于附图1右侧的光纤传感器绑定器具6末端的V形构件61用尼龙绳垂钓一定重量的砝码7，从而张紧分布式光纤传感器5。

步骤5：利用粘结剂(如环氧树脂等)将分布式光纤传感器5固定于管道1表面，待粘结剂固化后卸下本实施例所述的管道分布式光纤传感器初始应变控制装置，完成分布式光纤传感器的布设。

Claims (5)

1.一种管道分布式光纤传感器初始应变控制装置，其特征在于：包括两个滑轮固定单元、滑轮、砝码和光纤传感器绑定器具，所述的滑轮固定单元由刚性支架和环形夹具组成，所述环形夹具紧固在一管道上，环形夹具其内径与管道外径相吻合，每个滑轮固定单元上各安装有两个滑轮，对分布式光纤传感器起到导向作用，其中一个滑轮安装在刚性支架的上端，另一个滑轮安装在刚性支架的内侧端，所述分布式光纤传感器绕过各个滑轮，所述光纤传感器绑定器具由刚性外套、柔性内套以及绳体组成，其中刚性外套由形状对称的弧片结构对合而成管状，所述柔性内套穿设于刚性外套中，分布式光纤传感器套设于该柔性内套内，所述绳体缠绕固定在刚性外套上。

2.根据权利要求1所述的一种管道分布式光纤传感器初始应变控制装置，其特征在于：所述刚性支架的外侧下部设有一凸出构件。

3.根据权利要求1所述的一种管道分布式光纤传感器初始应变控制装置，其特征在于：所述刚性外套的外表面间设有凹槽。

4.根据权利要求1所述的一种管道分布式光纤传感器初始应变控制装置，其特征在于：所述刚性外套底端伸出柔性内套一部分，并在其端头设有一V形构件。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种管道分布式光纤传感器初始应变控制装置的控制方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：根据管道安全监测的施工方案，确定分布式光纤传感器的铺设方位并在管道上进行定位，然后打磨管道表面并进行清洁；

步骤2：将两个滑轮固定单元分别通过环形夹具固定在待铺设传感器的管道的左右两端；

步骤3：将分布式光纤传感器依次绕过四个滑轮，并留出自由端；

步骤4：将光纤传感器绑定器具套装在所述分布式光纤传感器的自由端处，并用绳体捆绑刚性外套，从而对光纤传感器施加环向压力，以握紧柔性内套和分布式光纤传感器，令分布式光纤传感器和柔性内套紧密接触，将一侧的光纤传感器绑定器具末端的V形构件和该侧刚性支架的凸出构件通过绳体连接；将另一侧的光纤传感器绑定器具末端的V形构件用绳体垂吊一适当重量的砝码，从而张紧分布式光纤传感器；

步骤5：利用粘结剂将分布式光纤传感器固定于管道表面，待粘结剂固化后卸下本管道上分布式光纤传感器初始应变控制装置，完成分布式光纤传感器的布设。