参数感测和监测

申请号 CN201180053214.X 申请日 2011-10-25 公开(公告)号 CN103348087A 公开(公告)日 2013-10-09
申请人 韦尔斯特里姆国际有限公司; 发明人 杰弗里·史蒂芬·格雷厄姆; 安德鲁·詹姆斯·达顿-洛夫特; 尤普尔·尚蒂拉尔·费尔南多; 乔治·卡拉贝拉斯; 加里·迈克尔·霍兰德; 理查德·阿拉斯代尔·克莱门茨;
摘要 公开了用于监测与细长结构相关的至少一个参数的装置和方法。所述装置可包括沿与细长目标结构相关的纵向结构轴线设置的至少一个细长 支撑 体元件;和沿与所述至少一个支撑体元件相关的纵向主体元件轴线基本上螺旋地布置的至少一个光纤元件。还公开了一种制造柔性管体的方法。
权利要求

1.一种用于监测与细长结构相关的至少一个参数的装置,包括:
至少一个细长支撑体元件,沿与细长目标结构相关的纵向结构轴线设置;和至少一个光纤元件,沿与所述至少一个支撑体元件相关的纵向主体元件轴线基本上螺旋地设置。
2.根据权利要求1所述的装置,其中,所述支撑体元件沿所述纵向结构轴线基本上直地设置。
3.根据权利要求1所述的装置,其中,所述支撑体元件沿所述纵向结构轴线基本上螺旋地设置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置,进一步包括:
每个光纤元件重复地或连续地粘合至所述至少一个主体元件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置,进一步包括:
每个光纤元件绕所述至少一个主体元件的外表面布置。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的装置,进一步包括:
每个光纤元件布置在绕所述至少一个主体元件的外表面基本上螺旋地延伸的槽区域中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置,进一步包括:
所述至少一个主体元件和所述至少一个纤维元件被布置成,使得所述目标结构经受绕半径R的应变,所述应变超过与所述纤维元件相关的额定断裂应变。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置,进一步包括:
所述至少一个主体元件具有足够小的直径,以使得一所述纤维元件具有最小值,从而满足连接至所述纤维元件的感测系统的辨别长度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置,进一步包括:
所述纤维元件紧密靠近所述主体元件而布置。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其中,所述主体元件是弹性的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置,进一步包括:
所述至少一个纤维元件设置成,使得不超过所述纤维的最小弯曲半径,且纤维边界不超过所述纤维元件的临界
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置,进一步包括:
所述至少一个纤维元件的基本上螺旋的设置遵循沿所述主体元件的整体长度的基本上相同的轴向行程。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置,进一步包括:
所述至少一个主体元件包括具有恒定横截面的杆构件,所述横截面的形状是带有圆角的矩形或是卵形或圆形或椭圆形。
14.根据权利要求13所述的装置,其中,所述杆构件是金属的或聚合体或复合材料
15.根据权利要求13或14所述的装置,进一步包括:
所述杆构件临时附接或永久粘合或直接合并至所述目标结构。
16.根据前述权利要求中任一项所述的装置,进一步包括:
感测系统,能够连接至所述光纤元件的至少一个端部。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其中,所述至少一个参数包括应变或温度
18.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其中,所述目标结构包括桥梁或路面或灯柱或涡轮叶片或游艇桅杆或悬挂电源电缆飞行器机身片中的一个的一部分。
19.根据权利要求1至15中任一项所述的装置,进一步包括:
所述细长目标结构包括柔性管体,所述柔性管体包括流体保持层和至少一个铠装层。
20.根据权利要求19所述的装置,进一步包括:
所述至少一个主体元件包括基板构件,所述基板构件以匹配所述铠装层中的缠绕间距的间距而缠绕,所述纤维元件绕所述基板构件的外表面基本上螺旋地布置。
21.根据权利要求19所述的装置,进一步包括:
所述至少一个主体元件包括中空主体构件,所述中空主体构件以匹配所述铠装层中的缠绕间距的间距而缠绕,所述纤维元件绕所述中空主体构件的内表面基本上螺旋地布置。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的装置,进一步包括:
第一端部配件和第二端部配件,分别终止所述柔性管体的第一端和第二端,所述至少一个纤维元件至少在所述第一端部配件与所述第二端部配件之间,或在所述第一端部配件与所述第二端部配件之间的所述管体的一部分之间,或沿所述柔性管体的中间点与所述第一端部配件和所述第二端部配件之一之间而延伸。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的装置,进一步包括:
所述柔性管体包括柔性管的管体,所述管体包括立管或流动管线或跳线。
24.一种监测与细长结构相关的至少一个参数的方法,包括以下步骤:
提供沿与细长目标结构相关的纵向结构轴线的至少一个细长支撑体元件,所述至少一个细长支撑体元件包括沿与所述主体元件相关的纵向主体元件轴线基本上螺旋地设置的至少一个光纤元件;以及
经由感测系统而监测与所述纤维元件相关的至少一个特征,所述特征表示与所述细长结构相关的参数。
25.根据权利要求24所述的方法,进一步包括:
提供所述主体元件包括,将所述主体元件沿所述结构轴线基本上直地放置。
26.根据权利要求24所述的方法,进一步包括:
提供所述主体元件包括,沿所述结构轴线而螺旋地缠绕所述主体元件。
27.一种制造柔性管体的方法,包括:
提供流体保持层;
提供至少一个铠装层;以及
提供沿与所述管体相关的纵向管体轴线的至少一个细长支撑体元件,所述至少一个细长支撑体元件包括沿与所述主体元件相关的纵向主体元件轴线基本上螺旋地布置的至少一个光纤元件。
28.根据权利要求27所述的方法,进一步包括:
通过将所述支撑体元件螺旋地缠绕成为所述铠装层的缠绕,而提供所述支撑体元件。
29.一种用于监测与细长结构相关的至少一个参数的装置,包括:
至少一个光纤元件,沿与细长支撑体元件的纵向主体元件轴线基本上螺旋地布置,所述主体元件沿纵向结构轴线布置,其中,
沿所述纵向结构轴线隔开并垂直于所述纵向结构轴线的第一平面与第二平面之间的纤维元件的长度大于所述光纤元件以预定间距缠绕在所述第一平面与所述第二平面之间的对比长度。
30.根据权利要求29所述的装置,其中,所述预定间距包括沿所述主体元件布置的所述纤维元件的螺旋间距。
31.根据权利要求29所述的装置,其中,所述预定间距的可能的最大间距足够小,使得一匝所述纤维元件具有最小值,从而满足连接至所述纤维元件的感测系统的辨别长度。
32.根据权利要求29所述的装置,其中,所述预定间距是保持所述纤维元件的弯曲半径等于或低于最小弯曲半径且纤维边界等于或低于所述纤维元件的临界角的间距。
33.根据权利要求29所述的装置,其中,所述细长结构包括柔性管,所述柔性管包括铠装层,所述铠装层包括螺旋缠绕的铠装线缠绕,所述预定间距包括所述线缠绕的缠绕间距。
34.一种装置,基本上如参考附图所述而构造和布置。
35.一种方法,基本上如参考附图所描述的。

说明书全文

参数感测和监测

[0001] 本发明涉及用于监测与结构相关的至少一个参数的方法和装置。特别但不完全地,本发明涉及一种用于监测位于结构上或中的光纤系统的方法,从而获得表示结构中的应变和/或温度的数据。
[0002] 有许多技术领域中,不时地或连续地监测与结构相关的一个或多个参数是有用的。例如,不时地,应重复或连续地监测桥梁、路面、地面区域、灯柱、电机叶片、游艇桅杆、悬挂电源电缆等,使得能够识别表示结构的任何潜在问题的信息,然后采取补救行动。
[0003] 希望进行监测的另一种类型的结构是,在海上生产领域中的石油和天然气工业中使用的类型的无粘结柔性管。这种柔性管包括其一个或多个端部具有端部配件的一段柔性管体。柔性管可以用作流动线(flow line)、立管、跳线(jumper)等。日益需要监测这种管道的动态行为。监测应变(张力,strain)和/或温度和/或一些其它参数是评估管道的过去、当前和/或未来性能的方法。
[0004] 对于所有结构,将会经历许多不同力。这可能会导致非常复杂的负载,并包括但并不限于;自重、内部压力、张紧力(tension)、涡激振动、弯曲、扭曲等。
[0005] 已建议用于监测与这种结构相关的参数的一种方法是,使用光纤系统。光纤可以用作应变测量仪、温度计、温度指示器,且可进行应变测量,这可根据光纤被探测且区域/传感器布置在光纤中的方式而被局部化、分布或半分布。WO2009/068907公开了一种方法,其中,光纤可绕柔性管螺旋缠绕,且可确定从与管道相关的参数中采集的某些测量,所述专利的公开内容整体并入本文。
[0006] 虽然这样的系统确实可使与管道相关的某些参数得以确定,但是该光学系统能够使用的范围受到限制。其中一个原因是,光纤本质上是比较脆弱的,并且如果正被监测的基础结构很容易出现大量的机械运动,则可在光纤中引起机械应力和应变,导致产生纤维故障。
[0007] 因此,到目前为止,光纤用途受到的限制是,对于光纤运动的不适当的限制。
[0008] 此外,虽然光纤螺旋地缠绕在结构(如在WO2009/068907中所示的柔性管)的主体周围的方法可一定程度地减少通过光纤看到的峰值应变,但是其本质上的限制在于,如果一段螺旋线与所使用的光时域反射仪/光时域分析仪系统的辨别长度配合不良,则它们不可沿单一轴线而用于在周向不连续结构上应用的测量或提供准确数据。
[0009] 根据制造商的建议,基于光纤电缆的极限拉伸应变(UTS)的应变限制目前处于1%的范围内。因此,使用市售的光纤来测量1%以上的应变需要一种方法,其可减少纤维经受的应变量,从而提高其测量超出其UTS限值的应变平的能力。
[0010] 本发明的目的是,至少部分地缓解上述问题。
[0011] 本发明的某些实施例的目的是,提供一种方法,用于减缩光纤经受的应变,从而在监测系统的任何部件没有故障的情况下,使得基础结构可被拉紧,且该应变可被监测和测量。
[0012] 本发明的某些实施例的一个目的是,提供一种装置和方法,用于监测与细长结构(诸如但不限于,柔性管、涡轮机叶片、飞机机翼、游艇桅杆等)相关的参数。
[0013] 本发明的某些实施例的目的是,提供一种基于光纤的参数测量/监测系统,该系统提供了一个很好的分辨度,也就是说,提供了目标结构的每个单位长度的大量数据点,另外还有,将所经历的应变从光纤监测系统的基础结构去耦。
[0014] 本发明的某些实施例的目的是,提供一种局部化、半分布或分布的应变测量系统,其能够利用光纤系统中的布拉格光栅(Bragg gratings)和/或布里渊散射(Brillouin scattering)。
[0015] 本发明的某些实施例的目的是,提供一种方法和装置,用于监测与基础结构相关的温度和/或应变和/或其它一些参数。
[0016] 根据本发明的第一方面,提供了一种装置,用于监测与细长结构相关的至少一个参数的装置,所述装置包括:
[0017] 沿与细长目标结构相关的纵向结构轴线设置的至少一个细长支撑体元件;和沿与至少一个支撑体元件相关的纵向主体元件轴线基本上螺旋设置的至少一个光纤元件。
[0018] 根据本发明的第二方面,提供了一种用于监测与细长结构相关的至少一个参数,其包括以下步骤:提供沿与细长目标结构相关的纵向结构轴线的至少一个细长支撑体元件,其包括沿与主体元件相关的纵向主体元件轴线基本上螺旋设置的至少一个光纤元件;以及经由感测系统,监测与纤维元件相关的至少一个特征,所述特征表示与细长结构相关的参数。
[0019] 根据本发明的第三方面,提供了一种制造柔性管体的方法,其包括:提供流体保持层;提供至少一个铠装层(armour layer);以及提供沿与管体相关的纵向管体轴线的至少一个细长支撑体元件,其包括沿与主体元件相关的纵向主体元件轴线基本上螺旋设置的至少一个光纤元件。
[0020] 根据本发明的第四方面,提供了一种用于监测与细长结构相关的至少一个参数的装置,其包括:沿与细长支撑体元件的纵向主体元件轴线基本上螺旋设置的至少一个光纤元件,所述主体元件沿纵向结构轴线设置;其中,沿纵向结构轴线隔开并垂直于纵向结构轴线的第一平面和第二平面之间的纤维元件的长度大于光纤元件以预定间距在第一平面和第二平面之间缠绕的对比长度。
[0021] 本发明的某些实施例提供了以下优点:可设置在目标结构的选定点之间的光纤的长度大于现有技术可提供的对比长度。相对于现有技术的额外长度是指,如果基础结构的长度缩小或延伸一定距离,则在光纤中有成比例的缩小或延伸,其小于现有公知的技术经历的缩小/延伸。
[0022] 本发明的某些实施例提供了以下优点:光纤可绕沿参数受到监测的结构的预定长度定位的基础支撑层以基本螺旋方式被缠绕。这使得光纤可被以有效方式被合适地定位和监视。
[0023] 现在将在下文参考附图仅以举例方式描述本发明的实施例,其中:
[0024] 图1示出自由悬挂悬链式立管;
[0025] 图3示出柔性管的区域;
[0026] 图2示出弯曲加强筋和管体的弯曲;
[0027] 图4示出绕基础圆柱体缠绕的光纤;
[0028] 图5示出缠绕光纤;
[0029] 图6示出缠绕光纤;
[0030] 图7示出以线性方式设置的支撑体和光纤缠绕;
[0031] 图8示出以螺旋方式设置的支撑体和光纤缠绕;
[0032] 图9示出矩形支撑体和光纤缠绕;以及
[0033] 图10示出用于监测与柔性管相关的参数并进行分析的系统。
[0034] 图1示出柔性管(10),其包括一段柔性管体(11),柔性管体的第一端(12)具有端部配件(13)而另一端(14)具有另一端部配件(15)。柔性管从海底区域(16)延伸至表面区域(17)。浮动平台(18)用于固定管的上端部配件(15)。弯曲加强筋(19)被用来限制柔性管的弯曲,如本技术领域的技术人员将会理解的。
[0035] 因此,图1示出细长结构(在这种情况下为柔性管)的实例,其中,在柔性管中引起的移动会不时或不断地引起应力和应变和/或温度的波动,这对于监测是可取的。
[0036] 应当理解,本发明的某些实施例适用于范围广泛的结构,其中,与这些结构相关的一个或多个参数被监测。例如,取代柔性管,本发明的实施例还可监测桥梁、路面和/或陆地区域和/或灯柱和/或风力涡轮机叶片和/或游艇桅杆和/或悬挂电缆等的部分。
[0037] 再次回到图1中所示的柔性管,可确定的参数是,在弯曲加强筋下对管结构的疲劳损伤,如在这种系统中,该区域预测为是柔性管的拉伸层的最大疲劳损伤会发生的区域。本发明的某些实施例提供了一种系统,其将收集的数据存储在数据库中,这可实时实现或在以后某个时间实现,用来了解服务中的管道的疲劳和运动行为。这可与预先存储的预测值比较,这将允许对管道系统的寿命预测改善,和/或实现问题或故障进行早期预测。
[0038] 系统可用来校准系统模型,以更准确地预测现实世界系统的行为,这将允许基于修改模型使得系统设计具有更小的保守性。
[0039] 在这样的系统中有利于监测的参数是,高应变低曲率系统中的管道的区域,其被预测为在立管顶部的弯曲加强筋的内部。这个区域经受高应变和最高顶侧曲率,它们相结合,以对拉伸层产生最大疲劳损伤的区域。
[0040] 由于管道的曲率从弯曲加强筋尖端开始在约5至6米上迅速衰减,所以将通过测量在该区域中的曲率以及拟合数据至将提供对激励最大曲率的估计的预测模型的曲线来TM推断最大曲率。建模系统(诸如Orcaflex 和/或局部生成模型)可以预测所设计的管道系统的曲率,并可生产用于服务体系中的相似模型。图2示出如何通过分析可提供表明生产系统(所示的实例中的立管)的曲率预测的方案。x轴是弯曲加强筋周围的管道的计量,所以图2示出从弯曲加强筋(15)的法兰以上6米到弯曲加强筋法兰(11米)以下11米。中心水平线(21)表示弯曲加强筋覆盖管道的区域。在这个系统中,峰值曲率被预测在约0.9到1米,这相当于约8米的管道的最小弯曲半径,然而在下部区域(20)中,所测量的半径仅介于5米端部的50米和9米端部的1,000米之间。这是曲率测量系统将要测量的。
[0041] 预测曲线的形状类似于被监视的系统,所以虽然每个立管系统具有不同形状的衰减曲线,但是该曲线对于立管将经受的不同波动图案是类似的。因此,如果曲线形状是已知的,且使用光纤系统测量曲率,则能够通过使用曲线拟合算法来预测最大曲率。结合曲率数据和应变能够计算在最大损伤点上的疲劳损伤。通过疲劳数据,能够预测系统的剩余寿命。实际损伤相对于预测损伤。管道行为的变化表明可能会损坏立管系统的可能漂移。
[0042] 监测系统可利用不同类型的传感器系统。一个、两个或更多个不同类型的传感器系统可用来提供数据点,以便进一步分析。例如,可使用检测柔性管上侧的总张紧力的应变仪或测压元件等或通过使用应力测量方法(如MAP,其使用磁性传感器来确定在柔性管中产生的应力)来确定系统中的张紧力。可使用的另一种类型的传感器是倾斜传感器。这提供了非常有用的信息,其可以指示船只或弯曲加强筋的倾斜。
[0043] 存在使用光纤确定应变的一种或多种方法。可替换地或附加地,光纤可以用来确定沿结构的各位置处的温度。这将是分布式系统的一个实例。本发明的实施例不限于这样的分布式系统。光纤用作分布式应变仪(或温度计),其提供预定(例如,1米)长度的光纤的平均应变值,作为数据点。然后,一米平均值移动约400毫米,并给出了另一个数据点。因此,对每400mm的纤维长度提供超过1m光纤的应变。这个系统的一个优点是,可以利用相对廉价的光纤且产生的数据点的数量很高。
[0044] 图3示出其中可利用与柔性管相关的参数的监测的其它位置。这些位置包括子海蚀拱(sub-sea arch)(30)和/或触地点(touchdown)(31),其中,在柔性管中产生的应变的范围可高达正负7%或更大,且可监测几百米的长度。管道系统将需要这些测量,其中,预测的高疲劳损伤的位置不一定是上部区域,而可能是其它位置。可监测的其它区域包括任选的整个长度。
[0045] 布里渊散射和/或布拉格光栅或其它感测技术可与根据本发明的某些实施例的光纤一起使用。布拉格光栅使用已经在区域中写入离散网格的光纤,该区域作为应变计(或温度测量仪)。这些系统在高频下工作,且非常准确,因为它们会沿非常小的区域(5mm或更小)拾取应变或温度。可在单光纤上复用布拉格光栅。也就是说,只要反射频率不重叠,询问器即可通过一个布拉格看到更远处的一个。
[0046] 图4示出一个或多个光纤(40)如何绕圆柱支撑体(41)以螺旋形式缠绕并粘接至圆柱支撑体(41)。拉紧圆柱支撑体(41)会因此拉紧光纤。作为将光纤(41)直接粘接至圆柱的一种替代方法,螺旋槽(50)可形成在圆柱中,以容纳如图5所示的纤维。图6示出通过诸如环树脂等的粘合剂被定位在管的内孔中并保持在合适位置上的螺旋光纤。
[0047] 如图4所示,支撑体(41)的横截面基本上是圆形的,具有直径为d的横截面。在间隔开的平面A、B之间具有纤维长度,该间隔开的平面相对于与支撑构件相关的纵向轴线X而轴向间隔开,其分离距离P,在图4中该距离P表示光纤(40)的缠绕的间距。可以理解的是,纤维的长度由等式1给出:
[0048] 等式1
[0049] 这示于图4。
[0050] 图7示出了图4至6中所示的光纤缠绕和支撑体(41)可如何沿与被监测的目标结构相关的纵向轴线Y以线性布置设置。如图7所示,从沿目标结构的轴线Y纵向间隔开的两个平面A到B的纤维长度由等式2给出:
[0051] 等式2
[0052] 在这里,H是测量应变的距离。
[0053] 沿圆柱(41)的长度直接粘接的光纤将经历与圆柱相同的应变。通过绕支撑体缠绕纤维来增加纤维的长度,可减小纤维经受的总应变。对给定长度的部分增加缠绕量可产生更大的应变的去放大(de-amplification)。这种方法允许具有粘接光纤的圆柱经受绕半径R的应变,其超过纤维的断裂应变。恰当地,支撑体的直径足够小,以允许一的最小值满足所使用的感测系统的辨别长度。
[0054] 恰当地,螺旋体被相对紧地缠绕并紧密靠近基础主体,以实现高的去放大的合作效率。
[0055] 恰当地,支撑体在大的应变范围上保持弹性。
[0056] 因为相对于应变轴,需要实现高应变率的角度较大(例如,相对于应变轴的45°理论上仅产生1.4:1的几何的去放大合作效率,因此实际值可能略微高于这个值,这是因为,由于泊松效应使支撑缩小,这低于测量弹性或高度弯曲系统中的大应变所需的去放大的合作效率),所以支撑体足够大,从而不会对纤维带来任何损伤或超过临界角。可选地,纤维长度以及纤维与应变方向的角度适当地匹配,以获得最佳测量要求,诸如但不限于,灵敏度、分辨率和去放大。
[0057] 恰当地,不超过光纤的最小弯曲半径。恰当地,绕支撑体缠绕的光纤的曲率半径不那么紧,使纤维边界超过与光纤相关的临界角。
[0058] 图8示出另一种方法,其中,光纤和支撑结构可相对于基础目标结构设置。如图8所示,不是沿目标结构的纵向轴线以线性方式放置支撑体,而是使得支撑体和螺旋缠绕的光纤本身可绕目标结构螺旋缠绕。这进一步增强了将更大纤维长度沿目标结构的纵向轴线引入该平面之间(达给定距离)。
[0059] 例如,如图8所示,距离由间距距离H分离的平面A到B的光纤长度由等式(3)给出:
[0060] 等式3
[0061] 图9示出本发明的另一个实施例,其中,光纤(90)绕具有带圆形端部区域(92)的基本上矩形横截面的基础支撑体(91)螺旋缠绕。支撑体(91)的长度为b,且支撑体的宽度为d。在沿支撑体的纵向轴线隔开的且基本上与其垂直的相邻平面之间的纤维长度为P。这是光纤的缠绕间距。纤维长度L由等式(4)给出:
[0062] 等式(4)
[0063] 可利用图9中的光纤(90)和矩形形状的杆(91),如上面提到的图7或图8中所描述的。这就是说,按照图7,可沿与目标结构相关的纵向轴线线性地设置光纤和矩形支撑体。因此,至少一个光纤元件沿与至少一个支撑体元件相关的纵向主体元件轴线基本上螺旋设置,该支撑体元件本身沿与纵向目标结构相关的纵向结构轴线而布置。或者,如图8所示,光纤和矩形支撑体本身可沿目标结构的纵向轴线螺旋缠绕。因此,至少一个光纤元件沿与至少一个支撑体元件相关的纵向主体元件轴线基本上螺旋设置,且该支撑体元件本身沿与细长目标结构相关的纵向结构轴线设置。
[0064] 当光纤和矩形支撑体以图7所示的线性方式缠绕时,从A到B的纤维长度(L)为:
[0065] 等式5
[0066] 当光纤和矩形支撑体如图8所示而设置时,从A到B的纤维长度L是:
[0067] 等式6
[0068] 应当理解,一个、两个或更多个光纤和支撑体装置其本身可沿该结构的纵向轴线设置,该结构中,参数被感测。每根光纤被反复或连续地粘接到光纤绕其螺旋缠绕的支撑体。
[0069] 已选择下面的实例,以使用标准测量设备实现可测量应变灵敏度。
[0070] 例如,假设d=5mm,b=50mm且H=500mm
[0071] 则对于图4-L=500.24mm(长度L中增加0.05%)
[0072] 对于图9-L=511.05mm(与案例1相比,长度L中增加2.2%)
[0073] 如果P=50mm且d=5mm,b=50mm且H=500mm
[0074] 然后,对于图7,按照图4-L=524.09mm(与图4相比,长度L中增加4.8%)[0075] 对于图7,按照图0-L=1169.36mm(与图4相比,长度L中增加134%)[0076] 如果D=200mm且P=50mm,d=5mm,b=50mm且H=500mm
[0077] 然后对于图8,按照图4-L=841.67mm(与图4相比,长度L中增加68.2%)[0078] 对于图8,按照图9-L=1877.9mm(与图4相比,长度L中增加276%)
[0079] 其中,L中的%增加与所使用的具体方法/缠绕技术的应变缩倍成正比。
[0080] 如果被监测的参数是温度,则可通过更紧地缠绕光纤缠绕而在每单位长度的支撑体上更多地包裹纤维。应理解,当这样做时,缠绕相对于支撑体的轴线的角度接近90°。这使应变缩倍效果最大化,并提高了系统的分辨率。其它参数可以类似地处理,但是当监测应变时,可根据周围环境(应变缩倍、分辨率和/或测量灵敏度对于特定用途是否是最重要的)来进行权衡,以选择支撑体上的缠绕的间距,以及每单位长度的缠绕数量对应光纤相对于应变方向的角度。使螺旋角接近垂直于应变方向,将会使得纤维上的应变缩小而接近于零,提高分辨率,但会降低灵敏度。这里的分辨率是测量点之间的有效距离。灵敏度与在这些点上进行测量的精度有关。
[0081] 根据其中细长目标结构是柔性管的本发明的某些实施例,柔性管可具有一个或多个铠装层。这样的铠装层通常是通过绕基础层螺旋缠绕铠装线缠绕而在制造阶段形成。应理解,本发明的实施例中可用其横截面可兼容或匹配铠装线的横截面的光纤和支撑体来替换一个或多个铠装金属线缠绕。在这种情况下,光纤和支撑体缠绕的间距由在柔性管设计和制造过程中选择的间距确定。
[0082] 可用于制造具有图9所示的半径圆角的矩形形状的杆的材料能够承受的弹性行为达到在服务中预期被测量的最大应变水平。杆材料例如可为金属、聚合物复合材料等。设置槽,以将光纤放置并固定到杆中。使用适用于杆/结构组件的表面的现成粘合剂来粘接纤维。槽的路径被设计为,使得沿杆的长度的一组轴向行程在槽的整个长度上是相同的,从而给出槽相对于杆的轴线的固定方向。应变监测杆可以临时附接、永久地粘接或直接并入其中监测应变/位移的结构中。
[0083] 当由于负载施加至结构而使杆拉紧时,光纤上的应变(其与杆的轴线成角度)将会降低,且与杆中的应变成比例。纤维上的应变与杆上的应变的关系由下面等式给出:
[0084]
[0085] 例如,如果杆b的厚度是25mm,杆d的厚度是5mm且间距P在杆中是60mm(泊松比V-0.3),则应变衰减(去放大)为:
[0086] 等式(8)
[0087] 在矩形杆半径端部处的曲率半径R的最小值取决于纤维可以承受的最大应变。
[0088] 这方面发展的最简单形式是带槽的圆柱形杆(L=0)。然而,可实现的去放大的量低,除非杆直径大,因为光纤只能作为光导管工作(达一定弯曲半径),且弯曲半径减小,光会穿过纤维壁而逐渐损耗。矩形杆的使用具有优点:在不增加杆的直径的情况下,可以增加纤维的长度。
[0089] 杆的形状具有的益处是,应变测量对于杆的弯曲不敏感,因为拉伸和压缩应变在与分布式应变感测系统一起使用会抵消。抵消弯曲效应同样适用于杆的圆形和细长的横截面。恰当地,应变测量的平均距离等于超过一个螺旋间距的纤维的长度L。在这样的情况下,只可测量杆的轴向强度。恰当地,系统可与基于布拉格光栅的离散感测系统一起使用,以减少纤维上的总应变。
[0090] 杆可以适当地由各种方法制造,诸如,机械加工、挤出加工或通过使用具有用于在预成形杆上形成槽的槽压痕的多个重叠辊轮。或者,可使用诸如激光定心或3D打印的快速原型复制技术来制造杆。
[0091] 图10示出根据本发明的实施例的硬件/软件的配置。可以通过具有多个输入的单一监测单元或具有共同时基的多个监测单元来监测一个或多个传感器。该数据被传输至数据库,在所述数据库中,数据将被存储,其方式允许进行容易的查询。由于数据量的原因,优选的是,短期的详细数据集将保留一段时间,例如,6个月,其中将包括所有记录的数据,然后其它数据库将用于存储可通过压缩短期数据产生的长期趋势数据。在事故或故障的情况下使用短期数据。
[0092] 在整个说明书和本说明书的权利要求中,词语“包括”和“包含”和它们的衍生词的意思是,“包括但不限于”,并且它们的目的不是(不)排除其它部分、添加部分、组成部分、整体或步骤。在整个说明书和本说明书的权利要求中,单数涵盖复数,除非文义另有所指。特别是,在使用不定冠词时,说明书被理解为考虑了复数以及单数,除非上下文另有所指。
[0093] 结合本发明的特定方面、实施例或实例描述的特征、整体、特性、化合物、化学部分或组应被理解为适用于本文中描述的任何其它方面、实施例或实例,除非与其不兼容。在本说明书中公开的所有特征(包括任何所附的权利要求书、摘要和附图)和/或所公开的任何方法或过程的所有步骤都可通过任何组合来组合,除了其中至少一些这样的特征和/或步骤相互排斥。本发明并不限于任何前述实施例的细节。本发明延伸至本说明书中公开的特征(包括任何所附的权利要求书、摘要和附图)的任何新的发明或任何新的组合,或所公开的任何方法或过程的步骤的任何新的发明或任何新的组合。
[0094] 读者的注意力应该在与该说明书同时或在其之前提交的所有论文和文件,这些论文和文件与该申请有关并通过该说明书可对公众检查公开,且所有这样的论文和文件内容都通过引用的方式并入本文。
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