CN117824888A - 一种锚链或锚索张力动态监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锚链张力动态监测技术领域，提供了一种锚链或锚索张力动态监测装置及方法，实现船舶锚链应力的监测,包括锚机、锚链、锚链应力监测装置、下方定滑轮和锚头，锚链的一端链接锚机，另一端穿过锚链应力监测装置后绕过下放定滑轮与锚头连接；所述锚链应力监测装置包括壳体、锚链定向定滑轮、定滑轮支撑柱、传感定滑轮支柱、传输光纤和光纤光栅解调仪；利用光纤光栅解调仪获得传感定滑轮支柱的光栅波长变化，通过检测传感定滑轮支柱的光栅波长变化测算锚链张力；采用光纤无源传感器实现船舶锚链应力的监测，不受电磁干扰，监测过程安全，能够有效的降低摩擦系数，减少测量误差。

Description

一种锚链或锚索张力动态监测装置及方法

技术领域

本发明属于锚链张力动态监测技术领域，尤其涉及一种锚链或锚索张力动态监测装置及方法。

背景技术

随着锚索技术的发展，使其在土木工程、航空、岩土、船舶等领域得到广泛应用。本发明主要研究在船舶领域中的锚链或锚索监测，锚链或锚索是船舶在海上靠岸或停泊时用来锚定船身的关键部件，由于海上环境复杂，易遇到风、浪、海流，使船舶不可避免的产生升沉、横摇及纵摇等运动，所以为了安全起见，必须要进行锚链或锚索监测。但截至目前，还没有一种可以准确、有效地对锚链或锚索应力进行动态监测的解决方案。现有技术中已公开了几种锚索应力监测的方法：

中国专利202211482258.0公开了一种锚索应力监测装置及方法，该装置主要采用在锚索上植入电阻式应变片的方式，来全面监测锚索应力随基坑开挖的变化情况及轴力的传递规律，但电阻应变片的阻值会随温度的变化而变化，该专利中未采取有效措施，会导致测量结果的误差增加。

中国专利201610203841.1公开了一种分布式光纤预应力智能监测锚索，该装置采用墩头，在墩头的表面安装上光纤传感器，墩头将锚索的应变传递给传感器，应力监测装置分析锚索应力，从而获得锚索全长的受力，但是要监测锚索的全长就必须采用若干个墩头以及若干个光纤传感器，成本非常高。由于岩土环境复杂，湿度不一致，但该专利中未对岩土湿度程度进行监测，使得光纤传感器易受到湿度的影响，光学信号衰减或者发生反射，传感器的灵敏度下降。

中国专利202223414335.7公开了一种光纤光栅型锚索测力传感器，该装备是将光纤光栅粘贴在弹性合金金属筒上，如果弹性合金金属筒发生轴向力的变化时，光纤光栅也会发生变化。由于光纤光栅直接反应应变和温度耦合的变化，在进行测量时，该专利中未进行温度补偿，从而会影响测量精度。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明的第一个方面提供一种锚链或锚索张力动态监测装置及方法，实现船舶锚链应力的监测,包括锚机、锚链、锚链应力监测装置、下方定滑轮和锚头，锚链的一端链接锚机，另一端穿过锚链应力监测装置后绕过下放定滑轮与锚头连接；

所述锚链或锚索应力监测装置包括壳体、锚链定向定滑轮、定滑轮支撑柱、传感定滑轮支柱、传输光纤和光纤光栅解调仪；

所述锚链或锚索定向定滑轮设有三个，分别为第一定滑轮、第二定滑轮和第三定滑轮，三个定滑轮平行布设，处于同一水平线，三个定滑轮之间具有设定距离，第一定滑轮和第三定滑轮通过定滑轮支撑柱安装固定，定滑轮支撑柱的一端固定在壳体内侧的顶部，第二定滑轮位于第一定滑轮和第三定滑轮之间，第二定滑轮通过传感定滑轮支柱安装固定，传感定滑轮支柱的一端固定在壳体内侧的顶部，锚链或锚索依次穿过第一定滑轮的上表面、第二定滑轮的下表面、第三定滑轮的上表面后穿出，第二定滑轮的位置结构使得锚链或锚索受力与应变光栅呈线性关系；

传感定滑轮支柱上安装有光纤光栅和温度光栅，光纤光栅和温度光栅将检测到的光纤信号通过传输光纤传输至光纤光栅解调仪，利用光纤光栅解调仪获得传感定滑轮支柱的光栅波长变化，通过检测传感定滑轮支柱的光栅波长变化测算锚链张力。

进一步的，所述锚机上设有滚筒，所述传感定滑轮支柱的外侧面布设有光纤光栅固定点，光纤光栅固定点上安装光纤光栅和温度光栅，光纤光栅和温度光栅与传输光纤连接。

进一步的，传感定滑轮支柱上安装有四个光纤光栅，其中两两对称分布在支柱的两侧，两两对称光栅中，一对对称的用来实现支柱形变的监测，一对对称光栅用来实现温度测试。

进一步的，四光栅结构的测量，可以两两相互矫正，减少测量误差，增加监测结果的准确性及可靠性。

进一步的，通过以下式子计算出锚索应力监测装置中第二个定滑轮的合力，即锚索的张力；根据滑轮的受力分析得：

式中：d为两个滑轮之间的距离，为左右两个滑轮的直径，/>为中间滑轮的直径。

进一步的，滚筒上缠绕锚链，锚机带动滚筒转动从而实现锚链的收放。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用光纤无源传感器实现船舶锚链或锚索应力的监测，不受电磁干扰，监测过程安全；对称双光栅结构的监测方式，实现对应力监测的双测量，有助于***的矫正。

2、本发明传感定滑轮支柱上安装有温度光栅，引入温度补偿功能，能够有效克服因为环境温度变化带来的测量误差。

3、本发明三定滑轮结构，能够克服因为锚链或锚索倾斜等角度变化带来的测量不准确性；三滑轮结构，能够有效的降低摩擦系数，减少测量误差；***设置有滑轨，滑轨放置在锚链从滚筒上滚动出来的地方，由于滚动较长，所以三滑轮监测结构需要根据光缆在滚筒上的位置进行移动，移动的支撑体就是滑轨，能够跟随绞车上锚链收放位置进行滑动，减少扭矩，减少摩擦并增加***寿命。

4、本发明通过高速采集模块，实现锚链应力的实时测量，高速采集模块为光纤光栅组成的信号检测线路，高速采集模块是光纤光栅解调仪中的一部分，要求实时性比较好，并根据前期的阈值设置，对超限或者临界应力进行预警。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的锚链张力动态监测装置的结构示意图；

图2是本发明的张力监测单元的结构示意图；

图3是本发明的张力监测单元的原理图；

图4是本发明的监测光栅在滑轮支柱上的布设图；

图5是本发明的锚索张力与光栅波长对应关系图；

其中：1、滚筒；2、钢丝绳（锚链）；3、锚机（支架）；4、锚链应力监测装置；5、下放定滑轮；6、锚头；7、锚链定向定滑轮；8、定滑轮支撑柱、9、传感定滑轮支柱；10、传输光纤；11、光纤光栅解调仪；12、应力光纤光栅；13、光纤光栅固定点；14、温度光纤光栅；15、滑轨。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1-图4所示，本实施例提供了一种锚链或锚索张力动态监测装置和方法，实现船舶锚链应力的动态监测,包括锚机3、锚链2、锚链应力监测装置4、下方定滑轮和锚头6，锚链2的一端链接锚机3，另一端穿过滑动导轨后再穿过锚链应力监测装置4，最后绕过下放定滑轮5与锚头6连接；所述锚链或锚索应力监测装置包括壳体、锚链定向定滑轮7、定滑轮支撑柱8、传感定滑轮支柱9、传输光纤10和光纤光栅解调仪11；锚链定向定滑轮7设有三个，分别为第一定滑轮、第二定滑轮和第三定滑轮，三个定滑轮平行布设，处于同一水平线，三个定滑轮之间具有设定距离，第一定滑轮和第三定滑轮通过定滑轮支撑柱8安装固定，定滑轮支撑柱8的一端固定在壳体内侧的顶部，第二定滑轮位于第一定滑轮和第三定滑轮之间，第二定滑轮通过传感定滑轮支柱9安装固定，传感定滑轮支柱9的一端固定在壳体内侧的顶部，如图2所示，锚链2依次穿过第一定滑轮的上表面、第二定滑轮的下表面、第三定滑轮的上表面后穿出，第二定滑轮的位置结构使得锚链2受力与第二定滑轮支撑柱8上应变光栅呈线性关系。

传感定滑轮支柱9上安装有应力光纤光栅12和温度光纤光栅14，应力光纤光栅12和温度光纤光栅14将检测到的光纤信号通过传输光纤10传输至光纤光栅解调仪11，利用光纤光栅解调仪11获得传感定滑轮支柱9的光栅波长变化，通过检测传感定滑轮支柱9的光栅波长变化测算锚链2张力。

所述传感定滑轮支柱9的外侧面布设有光纤光栅固定点13，光纤光栅固定点13上安装应力光纤光栅12和温度光纤光栅14，应力光纤光栅12和温度光纤光栅14与传输光纤10连接。

所述锚机3上设有滚筒1，滚筒1上缠绕锚链2，锚机3带动滚筒1转动从而实现锚链2的收放。

***设置有滑轨15，滑轨15放置在锚链2从滚筒1上滚动出来的地方，由于滚动较长，所以三滑轮监测结构需要根据光缆在滚筒1上的位置进行移动，移动的支撑体就是滑轨15，能够跟随绞车上锚链2收放位置进行滑动，减少扭矩，减少摩擦并增加***寿命。

作为一种实施方式，锚机3通过锚链与锚链应力监测设备进行连接；锚链应力监测设备中有三个定滑轮，锚链依次穿过三个定滑轮进行布设，三个定滑轮上分别由定滑轮支撑柱8作为支撑；传感定滑轮支柱9通过光纤光栅解调仪11里的传输光纤10连接光纤光栅，并且光纤光栅通过固定点固定在传感定滑轮支柱9上；锚链通过下放定滑轮5连接锚头6。

船舶或者海上大型漂浮装置，其在海洋中主要靠抛锚驻留，通常情况下会在装置的四个角落，通过锚机3和锚链将锚抛置于海水中，通过锚重使船舶或者漂浮装置固定。但是海洋环境复杂，海水中暗流涌动，时常在不同位置不同深度都有暗流不同速度不同方向的流动，这些暗流可以增加锚索或者锚机3的受力情况，特殊情况下会将锚链拉断，极端情况下可能会将船舶倾覆，造成重大损失。目前缺失一种能够实时在线测试锚机3/锚链或锚索张力的设备，以备船舶操作人员实时根据张力大小进行船舶方位调整。

基于光纤传感技术的锚链或锚索张力实时在线监测***，由光纤信号解调仪、传输光纤10、张力监测单元三大部分组成；光纤信号监测仪，有4个通道，能够实时在线采集监测4个张力监测单元的数据，实现数据的采集、分析计算，并提供张力值显示，实现超临界值声光报警等；传输光纤10，主要是把解调仪中激光器的光源信号传输到张力监测单元，并把张力监测单元测试的数据，传输到解调仪。

张力监测单元是核心，由3个定滑轮组成，三个滑轮的中心在一条线上，其中左右两个滑轮的直径是相同的，中间滑轮根据实际情况调整。滑轮的直径与宽度根据锚链或锚索的直径、重量以及锚的重量确定，特别是定滑轮的支撑件，需要足够的强度。实施的过程中，从锚机3出来的锚链或锚索先后穿越三个滑轮，然后与锚相连。具体实施如图所示；

中间的定滑轮支柱上，安装有四个光纤光栅，其中两两对称分布在支柱的两侧，两两对称光栅中，一对对称的用来实现支柱形变的监测，一对对称光栅用来实现温度测试。这样做的优点是双应变光栅可以同时测量应变的大小，起到相互校正的作用，使得测量更准确；每一侧一个温度一个应变测试，能够保证两者处于同一温度场（比如阴面阳面也会带来温度差），便于温度补偿；双温度光栅的作用，用于温度补偿，能够使监测单元在春夏秋冬温度变化的时候也能正常工作。

在锚链实际工作中，无论下放过程还是停驻过程中，锚链或锚索与左右两个定滑轮的倾角都会发生变化，一旦角度发生变化会带来测量的不准确性，采用三滑轮的结构是能够保证无论左边力还是右边力的倾角如何发生变化，在中间滑轮两端力的角度都不变，一旦确定了滑轮直径与滑轮之间的距离，中间滑轮的支柱上的力至于沿着锚链或锚索上的张力有关，成正比；

可通过以下式子计算出锚索应力监测装置中第二个定滑轮的合力，即锚索的张力。根据滑轮的受力分析得：

式中：d为两个滑轮之间的距离，为左右两个滑轮的直径，/>为中间滑轮的直径。

在具体的实施中，首先要根据监测量的大小，对中间滑轮的支撑柱进行力学仿真，选定足够的支撑柱，加工制作后要对张力监测单元进行力的标定，选用标准力计量，测试系数。下图为某一型号测试单元锚链或锚索所受力与中间滑轮支撑柱上应变光栅的对应关系，从图中可以看出二者有良好的线性对应关系，通过测量光栅波长的变化，可以反向推算出支撑柱上因锚链或锚索张力而受到的力，验证***可行。

实施例二

一种锚链或锚索张力动态监测装置的工作方法，张力动态监测装置由光纤信号解调仪、传输光纤10、张力监测单元三大部分组成；光纤信号监测仪，有4个通道，能够实时在线采集监测4个张力监测单元的数据，实现数据的采集、分析计算，并提供张力值显示，实现超临界值声光报警；传输光纤10，主要是把解调仪中激光器的光源信号传输到张力监测单元，并把张力监测单元测试的数据，传输到解调仪；

首先要根据监测量的大小，对中间滑轮的支撑柱进行力学仿真，选定足够的支撑柱，加工制作后要对张力监测单元进行力的标定，选用标准力计量，测试系数；

可通过以下式子计算出锚索应力监测装置中第二个定滑轮的合力，即锚索的张力：

式中：d为两个滑轮之间的距离，为左右两个滑轮的直径，/>为中间滑轮的直径。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种锚链或锚索张力动态监测装置，其特征在于，实现船舶锚链应力的监测,包括锚机（3）、锚链（2）、锚链应力监测装置（4）、下方定滑轮和锚头（6），锚链（2）的一端链接锚机（3），另一端穿过锚链应力监测装置（4）后绕过下放定滑轮（5）与锚头（6）连接；

所述锚链应力监测装置（4）包括壳体、锚链定向定滑轮（7）、定滑轮支撑柱（8）、传感定滑轮支柱（9）、传输光纤（10）和光纤光栅解调仪（11）；

所述锚链定向定滑轮（7）设有三个，分别为第一定滑轮、第二定滑轮和第三定滑轮，三个定滑轮平行布设，处于同一水平线，三个定滑轮之间具有设定距离，第一定滑轮和第三定滑轮通过定滑轮支撑柱（8）安装固定，定滑轮支撑柱（8）的一端固定在壳体内侧的顶部，第二定滑轮位于第一定滑轮和第三定滑轮之间，第二定滑轮通过传感定滑轮支柱（9）安装固定，传感定滑轮支柱（9）的一端固定在壳体内侧的顶部，锚链（2）依次穿过第一定滑轮的上表面、第二定滑轮的下表面、第三定滑轮的上表面后穿出，第二定滑轮的位置结构使得锚链（2）受力与应变光栅呈线性关系；

传感定滑轮支柱（9）上安装有应力光纤光栅（12）和温度光纤光栅（14），应力光纤光栅（12）和温度光纤光栅（14）将检测到的光纤信号通过传输光纤（10）传输至光纤光栅解调仪（11），利用光纤光栅解调仪（11）获得传感定滑轮支柱（9）的光栅波长变化，通过检测传感定滑轮支柱（9）的光栅波长变化测算锚链（2）张力。

2.如权利要求1所述的锚链或锚索张力动态监测装置，其特征在于，所述锚机（3）上设有滚筒（1），所述传感定滑轮支柱（9）的外侧面布设有光纤光栅固定点，光纤光栅固定点上安装应力光纤光栅（12）和温度光纤光栅（14），应力光纤光栅（12）和温度光纤光栅（14）与传输光纤（10）连接。

3.如权利要求1所述的锚链或锚索张力动态监测装置，其特征在于，传感定滑轮支柱（9）上安装有四个光纤光栅，其中两两对称分布在支柱的两侧，两两对称光栅中，一对对称的用来实现支柱形变的监测，一对对称光栅用来实现温度测试。

4.如权利要求1所述的锚链或锚索张力动态监测装置，其特征在于，通过以下式子计算出锚索应力监测装置中第二个定滑轮的合力，即锚索的张力；根据滑轮的受力分析得：

式中：d为两个滑轮之间的距离，为左右两个滑轮的直径，/>为中间滑轮的直径。

首先要根据监测量的大小，对中间滑轮的支撑柱进行力学仿真，选定足够的支撑柱，加工制作后要对张力监测单元进行力的标定，选用标准力计量，测试系数；

可通过以下式子计算出锚索应力监测装置中第二个定滑轮的合力，即锚索的张力：

式中：d为两个滑轮之间的距离，为左右两个滑轮的直径，为中间滑轮的直径。