具有彎曲傳感器的電纜和用於檢測至少一根電纜中的彎曲的監視系統和方法

2023-12-03 12:21:11 2

專利名稱：具有彎曲傳感器的電纜和用於檢測至少一根電纜中的彎曲的監視系統和方法
技術領域：
本發明涉及具有集成應變傳感器的電纜，尤其適於對靜態和動態應變，尤其是彎曲應變的測量。本發明還致力於用於測量至少一根電纜中的彎曲的監視方法和系統。本發明進一步涉及用於檢測多根電纜中的彎曲的監視系統和方法。尤其是，本發明涉及使用布裡淵後向散射技術的監視系統和方法，用於監視安裝在行動裝置中的多根電纜的彎曲應變。
背景技術：
電纜，尤其是用於重型應用和/或用於移動設施的電纜，諸如移動式港口起重機、船岸貨櫃起重機、卸船機、吊具，以及採礦和隧道挖掘設備，都專門設計成經得住嚴酷的環境狀況和高的機械應力，諸如彎曲力和扭矩。作為用於重型應用的纜線的進一步的實例，在深井中用於給潛水電泵系統供應電流的井下泵纜線通常安裝在物理受限的區域中和不利的環境中，經常與腐蝕性的井內流體接觸。通常將上述纜線設計成堅固且柔性的。在當前的描述中，當指到用於重型應用、並且尤其但非排他地用於移動設施的纜線時，我們將一般稱為重型纜線。在DE 3934718中提供了重型纜線的一個實例，該實例描述了一種在礦業中用於礦中裝載機的銷裝拖尾纜線(armoured trailing cable)。WO 01/78086公開了一種尤其在諸如起重機或者擱置系統的揀拾(pick-up)系統中使用的電纜。該纜線包含芯，芯包括第一導體，第一導體完全被第一應力承載矩陣包圍並且嵌入其中。至少一個其他層布置在第一應力承載矩陣周圍並且在該其他層中具有至少一個其他導體，該其他導體完全被第二應力承載矩陣包圍並且嵌入其中。纜線中的應力承載矩陣據說允許應力貫穿纜線而分布並因此大致減少螺旋效應。彎曲/壓縮負荷(load)和移動纜線中的扭曲可能是由於纜線在圍繞捲軸(reel)纏繞或者展開期間的強制引導、或者由於纜線集中在籃內(例如對於吊具纜線而言)導致的。另外，加電裝置的故障或失常可能導致纜線的錯放，纜線可能例如從其引導裝置上掉落或者被裝置部分擠壓，因此造成纜線不適當的彎曲。纜線的過度彎曲可能造成壓縮負荷被轉移給電導體隨後損害後者。過度的和/或長時間的壓縮負荷可能導致纜線的變形，這會縮短纜線的壽命。US 5，767，956描述了使用後向散射布裡淵光來提供一種能夠實時觀察光纖是否正常或者瀕臨破裂的監視設備。該設備使用光學時域反射 計(OTDR)來監視通過利用光纜中的光纖芯之一而模擬的布裡淵散射光。沒有提供關於在電纜中使用的暗示。WO 08/073033描述了一種通過測量附連於電力纜線或併入到電力纜線中的光纖之中的應變而用於監視連接到移動的離岸平臺的電力纜線的彎曲和應變的系統。電力纜線中的彎曲將使光纖中的應變升高並且這個應變將改變光纖的光學性質。可以通過光學時域反射計(OTDR)或者光學頻域反射計(OFDR)來測量光學性質方面的改變。這個文獻陳述了這裡存在嵌入或附連於纜線的光纖可能被損壞的危險並因此建議給纜線配備冗餘的纖維。此外，該文獻沒有提到在纖維和待測纜線之間彎曲應變轉移的問題。作為用於纖維的可能的位置，提到鎧裝導線(armouring wire)之間的空隙。WO 07/107693公開了一種光纖纜線，包括應變轉移構件，穿過應變轉移構件布置的中心光纖，和與中心光纖以及應變轉移構件機械耦合的緊密套(tight jacket)。應變轉移構件經歷的應變經由緊密套轉移到中心光纖。該文獻並未面對具有光纖傳感器的電纜的問題。申請人:已經面臨怎樣去實現一種電纜的問題，這種電纜尤其適於重型應用並且更加尤其適於移動設施，這種電纜將允許對纜線在工作(operation)期間經受的彎曲應變進行控制、優選實時監視和定位，同時確保長時間的測量可靠性。

發明內容
由於在工作(操作)期間被強加的高機械應力，(例如用於採礦應用或起重機設施的)重型纜線的典型壽命一般相對短，並且取決於具體應用，可能在幾個月到幾年之間變化。申請人已經觀察到提供一種能夠在其工作期間受到監視的重型纜線將是有利的。通過知道纜線狀況當時的演變，可以執行纜線的有效周期性維護，例如可以對導向滾筒(guiding roller)功能障礙進行調節和/或對行動裝置中的自動化系統的電子控制參數進行調節。可以在纜線不使用或者甚至從其安裝於其上的設備上去除的情況下對纜線狀況進行「離線」的周期性檢查，但是在實踐中一般不執行這種檢查，這是因為由於含有纜線的設備或裝置必須停止導致的工作時間損失的緣故。尤其有利地是在纜線工作期間記錄引起壓縮(負應變)峰的動態事件，然而這可能因為疲勞而損害纜線。這種監視可以防止意外的不在服務區(out-of-service)事件並且節省相關成本。同樣，對因為在纜線工作之處由於從裝置上掉落或者被裝置擠壓導致的纜線不適當彎曲的部分進行定位將是有利的。本發明面對的問題是提供一種用於檢測電纜的永久性損害的監視系統，這種永久性損害可能是由於固有的磨損或者由於不適當的使用造成的，例如由於不符合纜線製造商提供的建議的使用。本發明的另一個問題是提供一種用於監視多根電纜的彎曲應變的監視系統，尤其是安裝在行動裝置內的重型纜線。根據本發明，已經發現可以通過提供一種纜線來檢測電纜的彎曲，這種纜線包括外圍機械不對稱強度構件(strength member)和位於纜線的幾何軸區域中的光纖傳感器。「機械不對稱強度構件」在本文中意味著在張緊(tension)和壓縮狀況下分別具有不同的硬度值的元件。
「外圍」意味著強度構件位於一根纜線的幾何軸之外的區域中，優選具有對稱的幾何分布。「強度構件」意味著一種元件，這種元件具有高到足以承受纜線張力(tensile)負荷的相當大的比例(significant fraction)的硬度。
機械不對稱強度構件的實例包括編織物(braid)、標準纖維線、玻璃、芳族聚酸胺(aramid)或者非樹脂注入的碳化纖維，與壓縮負荷相比對張力負荷具有更高的阻力(resistance)。利用這個構造，當施加純張力負荷時，不對稱強度構件整體與所有的其他纜線組件(例如導體、絕緣體、外殼等)合作以承載負荷而纜線環節被均勻地拉緊。當彎曲發生時，不對稱強度構件承載正拉緊部分-即纜線部分的張緊部分-中的負荷，但不承載負拉緊-即壓縮部分中的任何負荷。因此，在這個情況下彎曲處的中性軸(neutral axis)(即彎曲引起的拉長為零之處的理想軸)從纜線的幾何軸移動(朝向拉緊側)，並且位於靠近於纜線的幾何軸的光纖傳感器變成位於壓縮區域中。 從而，光纖傳感器使相應於纜線的彎曲狀況的壓縮信號升高。以這個方式，可以與纜線鋪設(cable lay)或者纜線經受的任何扭矩無關地檢測纜線的彎曲。根據本發明，提供一種用於檢測電纜中的彎曲的方法，該方法包含-為纜線提供至少一個外圍機械不對稱強度構件和位於纜線的幾何軸區域中的光纖傳感器； 檢測光纖傳感器中的壓縮應變。光纖傳感器能夠提供可測量的彎曲應變的相當大範圍的讀數，有利地是從-O. 5%至1%。還可以測量例如上至2 %或者甚至上至4%的更高應變值。一般而言並且根據一方面，解決方案涉及一種電纜，這種電纜包含至少一個外圍機械不對稱強度構件，至少兩個縱向結構元件和用於沿著纜線長度監視彎曲應變的光纖傳感器。傳感器包含沿著纜線長度延伸的光纖。傳感器的光纖在下文中也將被稱為應變光纖。在本說明書中，術語「縱向結構元件」表示沿著纜線長度大致縱向延伸的電纜的半完成結構。根據本說明書和權利要求的縱向結構元件促成纜線的電傳輸功能，正如從下面它將變得更清楚的那樣。電纜中包含的至少兩個縱向結構元件包括至少一個纜線芯。術語「芯」表示電纜的半完成結構，包含諸如電導體的至少一個導電元件，和通常包圍電導體的至少一個絕緣層。在典型構造中，電導體包含多根標準導線。申請人:已經意識到通過在電纜的縱向結構單元與應變傳感器的光纖之間確保機械率禹合，並且尤其是機械相合(congruence),可監視從縱向結構元件轉移到應變光纖的應變。「機械相合」意味著兩個或者更多個移動部分大致作為一個整體經得住應變的能力。剛剛描述過的機械相合允許獲得一種纜線，這種纜線能夠在相對大的拉長範圍內提供經歷的靜態和動態壓縮負荷的可靠讀數。根據本發明的一方面，應變傳感器嵌入在應變轉移填充物(strain-transfering filler)中,應變轉移填充物利用纜線的至少兩個縱向結構元件的至少其中之一與傳感器機械耦合。當纜線在其至少一部分中被迫受到外力(例如壓縮負荷)按壓時，彎曲應變出現。申請人:已經意識到應變傳感器應該集成在纜線中並且布置成在以纜線的最小彎曲半徑彎曲纜線時大致保持成不被損害。申請人已經理解到包含在應變傳感器中的光纖應該位於一個幾何軸區域處，這個幾何軸區域(在正常工作狀況下)大致相應於沿著纜線縱向延伸的彎曲中性區域、並且具有關於纜線的中性軸大致對稱地延伸的橫剖面，此後稱為中性區域。
正如在本文中所使用的，術語「中性區域」意圖描述圍繞軸(「中性軸」)的區域，在這個區域中彎曲引起的拉長是最小的。可以將中性軸定義為沿著纜線長度的假想線，這是纜線經受彎曲之處，未發生顯著的縱向變形並且在應變傳感器中彎曲應力是最小的。優選地是，將纜線設計成使中性軸位於一個位置處，在該位置處作用在纜線上的扭矩確定傳感器纖維的最小縱向拉長。給定用於電纜的最小彎曲半徑，這個最小彎曲半徑一般相應於最小曲率半徑，P min，最小曲率半徑是考慮到纜線免於任何永久性損害的曲率半徑，可以將中性區域定義為應變傳感器經受的延伸不大於2%、並且優選不大於1%的區域，這是由於曲率半徑處的彎曲不小於Pnin。在一定的彎曲半徑上，在與中性區域大致一致的幾何軸之內應變光纖的定位可防止由於纜線彎曲導致的纖維裂開或者永久性損害。在圓形纜線，即具有圓形對稱橫截面的纜線中，幾何軸區域是在纜線的橫截平面內圍繞幾何軸的徑向區域。在優選實施例中，當被稱為圓形纜線時，幾何軸是纜線的中心縱軸。有利地是，在幾何軸區域內，即，在離開幾何軸不超過纜線半徑的20%，更優選為不超過纜線半徑的10%的徑向距離內，沿著纜線布置應變傳感器。在圓形纜線中，在顯著遠離纜線的幾何軸區域的纜線區域中提供至少一個外圍機械不對稱強度構件。尤其是，所述強度構件沿著離開幾何軸至少50%的徑向距離處，更優選地是纜線半徑的至少90%處布置所述強度構件。圓形纜線中的外圍機械不對稱強度構件的實例是具有螺旋形纏繞的導線形式的金屬屏蔽層和機械保護層，機械保護層設置在內部套(jacket)與外部套之間，具有編制物或者金屬或纖維的導線的形式。在扁形纜線，即具有大致矩形橫截面的纜線中，幾何軸區域是包括纜線的橫斷面中的對稱軸的區域。有利地是，在幾何軸區域內，即，在離開幾何軸不超過纜線厚度的10%的垂直距離內，沿著纜線布置應變傳感器。在扁形纜線中，在顯著遠離纜線的幾何軸區域的纜線區域中提供至少一個外圍機械不對稱強度構件。尤其是，在垂直於幾何軸的纜線厚度的至少50%，更優選為至少90%的距離處布置所述強度構件。扁形纜線中的外圍機械不對稱強度構件的實例是拉拔強度(pull strength)元件-設置在導體之間的空隙中-和加固螺紋件(thread)或者加固元件-兩者都平行於導體而伸展(run)並且位於外部套與內部套之間，芯、螺紋件和元件都由金屬或纖維材料製成，顯示不同的壓縮和張力機械性態。申請人:已經發現用保護性護套(sheath)包圍應變光纖以提高對橫向負荷的機械阻力是有利的，所述保護性護套直接接觸應變傳感器的可選的緩衝光纖(bufferedoptical fibre)。優選地是,保護性護套包含光纖加固化合物(composite)。電纜在其製造期間通常經受一種或多種熱處理，尤其是固化處理(curingprocesse)，熱處理涉及通常在大約150-200°C的典型溫度下熱處理幾分鐘。申請人已經注意到應變轉移填充物和應變傳感器包含一種材料是優選的，這種材料對在其中集成有應變傳感器的纜線的製造期間發生的固化過程有抵抗力，同時維持(I)應變傳感器的彈性，這種彈性使應變傳感器具有可逆性，至少在纜線展現彈性性態的範圍內無應變傳感器的永久性變形，和(2)對不想要的滑動的粘附或者高摩擦阻力，從而維持層與纜線元件之間的機械相合。
優選地是，保護性護套由纖維加固合成物製成，其中加固纖維是碳、石墨、硼、芳族聚酸胺或玻璃纖維；嵌入加固纖維的聚合體優選為交聯樹脂，例如不飽和聚酯，諸如乙烯酯類或者環氧樹脂。優選地是，應變轉移填充物是基於彈性體材料，更優選是基於熱固性彈性體。應變轉移填充物至少在纜線具有彈性性態的應變範圍內是彈性的。在一些優選實施例中，電纜是具有大致圓形橫截面的圓形纜線並且包含相對於應變傳感器位於徑向外部的至少三個縱向結構元件。


現在將參考附圖在下文中更充分地描述本發明，附圖中顯示本發明的一些、但並非全部實施例。示出實施例的附圖是未按比例畫出的示意性表示。出於本說明書和附圖的目的，除非另有說明，否則表達量、數量、百分比等的所有數字都要理解為在一切情形下通過術語「大約」來更改。同樣，一切範圍包括所公開的極大和極小點並且包括其中的任何中間範圍，該中間範圍可以是也可以不是在本文中專門列舉的。圖Ia是根據本發明一個實施例的電纜的示意性透視圖。圖Ib是圖Ia所示電纜的示意性橫截面視圖。圖2a是在本發明的電纜中使用的應變傳感器的示意性透視圖。圖2b是圖2a所示應變傳感器的示意性橫截面視圖。圖3是根據本發明另一個實施例的電纜的示意性橫截面視圖。圖4是根據本發明又一個實施例的電纜的示意性橫截面視圖。圖5是根據本發明又一個實施例的電纜的示意性橫截面視圖。圖6是根據本發明再一個實施例的扁形電纜的示意性橫截面視圖。圖7是用於示出在根據本發明一個實施例的電纜中基於布裡淵後向散射技術的工作原理的示意圖。圖8是根據本發明一個實施例，安裝在行動裝置中的多根重型纜線的彎曲應變和溫度的監視系統的圖形表示。圖9是沿著示出圖8的監視系統的重型起重機的C-C線的局部側視圖。圖10示出在本發明的一個實施例中，多根重型纜線的監視系統的工作原理的示意圖。圖11是根據本發明又一個實施例，安裝在行動裝置中的多根重型纜線的彎曲應變和溫度的監視系統的圖形表示。圖12示出在本發明的又一個實施例中，多根重型纜線的監視系統的工作原理的示意圖。圖13顯示圍繞心軸(mandrel)的纜線彎曲。圖14a和14b示意性示出在彎曲纜線中中性彎曲軸離開幾何軸的移動。
圖15顯示根據本發明的監視方法記錄彎曲應變的圖。
具體實施例方式圖Ia和Ib分別示出根據本發明一個實施例的電纜的透視圖和橫截面視圖。該實施例所示的纜線可以適於重型應用，尤其適於移動設施。纜線I是圓形纜線，包含圍繞纜線的中心縱軸Z (在圖Ia中可以看到)徑向布置的三個芯2。芯2可以提供三相電力傳輸。纜線I可以是低壓或中壓電力纜線，這裡低壓表示上至IkV的電壓而中壓表示從IkV至60kV的電壓。每個芯2都包含電導體12，例如通過根據傳統方法絞在一起的一捆鍍錫的或者裸的銅電線形成的銅導體。在相對於每個電導體12的徑向外部位置處，相繼提供內部半導體層13、絕緣層16、外部半導體層17。內部半導體層13、絕緣層16和外部半導體層17由聚合體基材料製成，該材料可以一個擠壓在另一個頂上或者共同擠壓到導體12上。絕緣層16可以例如是交聯的乙丙橡膠(EPR);內部半導體層13和外部半導體層17可以例如是EPR、三元乙丙橡膠(EPDM)或者其混合物，充填有適當量的導電填充物，導電填充物通常可以是 碳黑。可選地是，無論何時工作狀況允許，絕緣層和半導體層兩者都可以由諸如聚丙烯基化合物的熱塑性化合物製成。在一些應用中，纜線芯2在相對於外部半導體層17的徑向外部位置中包含至少一個金屬屏蔽層22。可以理解，芯2的上述描述只代表電纜中包含的芯的可行結構之一，這些可行結構一般可以是用於電力傳輸或接地的相芯(Phase core)，用於攜帶控制信號的芯或者既攜帶電力又攜帶控制信號的芯。根據本發明的特徵，電纜I包含光纖彎曲應變傳感器5。由於重型纜線在其壽命期間經受頻繁的機械應力的事實，申請人已經意識到以通過將纜線彎曲到不小於最小曲率半徑P min的任何曲率半徑而不損害應變光纖的方式使應變傳感器位於纜線內特別適當，最小半徑Pmin相應於纜線可以彎曲而無永久性損害的最小半徑。纜線彎曲引起應變傳感器的拉長。已經觀察到當通過彎曲引起的縱向應變小於在應變測試中施加給纖維的通常為I或2%的應變時，應變傳感器通常不會由於以不小於Pmin的曲率半徑彎曲纜線而受到損害。纜線沿著纜線長度延伸的區域(在該區域中應變光纖保持不會由於纜線彎曲而被損害)被定義為纜線的(彎曲)中性區域。在圓形纜線中，在纜線的橫截平面內，中性區域是圍繞中性軸的徑向區域，在當前實施例中中性區域相應於幾何軸Z。優選地是，在光纜的中性區域內，應變傳感器經受由於以Pmin彎曲導致的等於或低於2%，更優選為等於或低於1%的拉長。申請人:已經觀察到專用於重型纜線，尤其是用於行動裝置中的應用的Pmin的值，可以相對低，例如250mm，並且因此，為了保證應變傳感器的彎曲阻力，中性區域應該具有離開幾何軸相對小的徑向距離，例如不大於5mm。例如，總是參考圓形纜線，對於Pmin =300mm,為了具有I %的拉長,徑向距離為3mm。在一些優選實施例中，在離開幾何軸(與中性軸大致一致)不超過0.02pmin並且優選不超過O. 01 P min的距離內沿著纜線長度布置光纖傳感器5。
尤其是，已經觀察到大致沿著幾何軸定位彎曲應變傳感器可能是有利的，因為在一些實際情況中，它相應於徑向外部芯的對稱軸，和/或如下所述，它可以適合簡化的纜線製造工藝。進一步對於用於傳輸電力和/或控制信號的芯2而言，電纜I包含至少一個接地導體7。在圖Ia和Ib所示的實施例中，纜線包含兩個接地導體，例如具有以捆絞在一起的鍍錫的或裸的銅電線的形式。尤其對於中壓應用而言，可以通過半導體層(圖中未示出)包圍接地導體的這捆電線。可以將接地導體7布置在相對於應變傳感器5的徑向外部，並且沿著纜線縱向與芯2絞在一起。尤其是，依據傳統方法，芯2和接地導體7螺旋狀纏繞纜線的中心縱軸Z。在圖Ia-Ib中所示的實施例中，纜線I包含光纖元件3，光纖元件3包括例如從6至24根纖維的多根光纖，用於傳輸控制信號、聲音、視頻和其他數據信號。可以將單根光纖或者光纖對插入縱向延伸模塊19中的松套管(loose-tube)緩衝器結構中，松套管緩衝器結構優選由諸如聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或者聚氟乙烯(ETFE)的柔性材料製成。在所示的實施例中，含有纖維的該模塊是螺旋狀纏繞縱向強度構件18的SZ，是例如玻璃纖維、芳綸長絲或者碳纖維。光纖元件3可以與芯2和接地導體7絞在一起。一般而言，如果纜線結構允許，則可以將接地導體和光纖元件布置在通過芯2形成的外部空隙中。芯2和接地導體7 (如果存在)和/或光纖元件3共同被稱為電纜的縱向結構元件。電纜經歷的彎曲應變被轉移到應變傳感器，用於測量纜線彎曲應變。對於應變轉移而言，應變傳感器以這種方式與纜線中的至少一個縱向結構元件機械相合，即，由至少一個縱向結構元件經歷的應變至少部分、但是相當大地轉移到應變傳感器。為此，將應變傳感器5嵌入應變轉移填充物6中，應變轉移填充物6使應變傳感器與電纜的至少一個縱向結構元件機械耦合。優選地是，應變轉移填充物使應變傳感器與集成在電纜中的每個芯、更優選地是與每個在圓周上布置的縱向結構元件機械耦合。申請人:已經意識到通過應變傳感器測量的彎曲應變與由纜線，S卩，由纜線的至少一個縱向結構元件經歷的應變之間的關係應該使得電纜所經歷的壓縮與傳感器光纖的壓縮毫無疑問地相關聯，並因此與測量的應變值相關聯。申請人:已經理解，為了保證彎曲應變傳感器的壓縮與電纜的壓縮之間的毫無疑問的關聯，應變轉移填充物與至少一個縱向結構元件之間的接觸應該顯示至少在拉緊的狀況下無顯著滑動損耗。在大多數感興趣的情況下，傳感器和元件/多個元件之間大致不存在滑動損耗暗示通過它們之間的摩擦或者結合而至的粘附。作為元件之間無顯著滑動損耗的結果而大致造成相同變形的兩個元件之間的機械耦合，在本文中被稱為機械相合。在圖Ia-Ib中示出的實施例中，應變轉移填充物6的幾何構造使得填充物接觸相對於應變傳感器5位於徑向外部位置處的多個縱向結構元件，同樣當纜線處於大致不拉緊的狀況下也是如此。從電纜的幾何結構和集成在纜線中的縱向結構元件的數量來看，圖Ia和Ib的應 變轉移填充物6具有近似為三葉草的形狀。正如在本文中使用的那樣，意圖使「大致不拉緊的狀況」用來描述在應變傳感器的纖維中具有平均參考應變的電纜的參考狀況，這個狀況可以相應於在從製造商提供的它的原始鼓(original drum)處置纜線之前，諸如在轉移到纏繞和固定的捲軸或者柔軟和滑輪系統(tender and pulley system)之前的狀況。然而在大多數實際情況下,參考狀況指的是纜線裝入行動裝置之後，即，從原始鼓轉移之後，並且在使用之前，因此在暴露於相關張緊負荷之前。優選的參考狀況可以相應於纜線安裝在起重機上的狀態，起重機被設置在其最大延伸處，即，將纜線部署用於其最大長度。通過申請人實現的測量已經顯示出，在大致不拉緊的狀況下，纜線中包含作為應變光纖的單模250 μ m光纖，應變範圍從-O. 2%至O. 3%。由於製造狀況的緣故，所述纜線應變可以沿 著纜線長度變化，雖然具有大致在縱向上恆定的殘餘應變的纜線是優選的，因為依據本發明它可以簡化對纜線的監視。大致不拉緊的狀況提供與測量使用中的纜線的應變有關的參考值。在布裡淵方法中，測量沿著纜線長度的分布式應變，大致不拉緊的狀況可以指在沿著纜線長度的不同位置處測量的多個參考值。意圖使拉緊狀況為不同於大致不拉緊狀況的任何狀況，如本文定義的那樣。可以將纜線中的彎曲應變測量為應變偏離(deviation)，如果纜線是拉長的即是從平均參考值的增量，或者如果纜線是壓縮的即是從平均參考值的減量。應變轉移填充物6由具有彈性性質的材料製成，從而對最大應變起反應，纜線對最大應變展現一種彈性性態而無填充物的永久變形(即變形的可逆性)。將應變轉移填充物材料選擇成沿著經受拉長的纜線而適當地伸展，並且在外部彎曲負荷被去除時大致使變形恢復，至少對於相應於允許的最大應變的彎曲負荷是如此，超過允許的最大應變則纜線的永久和不可逆的變形發生。應變轉移填充物6可以基於聚合體的材料，有利地是圍繞應變傳感器5進行擠壓。發現在相對大的應變範圍(例如超過1%)內具有彈性性態的熱固性彈性體尤其適於本發明的纜線。有利地是，觀察到熱固性彈性體以高的摩擦力粘附到縱向結構元件的表面。例如，已經注意到熱固性彈性體提供與半導體材料的堅固粘附，同時展現出對芯的半導體外表面無害的摩擦力，其中半導體材料通常包圍一些電纜的芯。觀察到可靠的應變轉移發生，這種應變轉移具有在纜線的縱向結構元件中經歷的應變與傳感器中測量的應變之間的可推斷的或者至少可導出的關係。有利地是，應變轉移填充物的材料對於熱處理是有抵抗力的，熱處理可能發生在纜線製造期間，諸如在電纜的外部護套的固化期間，通常在大約200°C執行。優選地是，應變轉移填充物包含通過汽壓、用電子束照射、鹽浸潰浴(salt bathdipping)或者矽烷交聯繫統交聯的熱固性彈性體。一般而言，應變轉移填充物優選由具有O. OlGPa與O. 7GPa之間的彈性模數的彈性體製成。例如，應變轉移填充物選自由三元乙丙橡膠(EPDM)、乙丙橡膠(EPR)、丁腈橡膠(NBR)組成的組。雖然由於熱固性彈性體的耐溫粘附性質和大的彈性範圍的緣故它們是優選的，但是熱固性彈性體的使用不是排他的。熱固性彈性體的實例包括苯乙烯-二烯-苯乙烯三嵌段共聚物；熱塑性聚酯彈性體和熱塑性聚氨酯彈性體；以及熱塑性聚烯烴橡膠(聚烯烴混合物)。在一些實施例中，應變轉移填充物6可以是導電的。空隙區域11填充有諸如EPR基的化合物的聚合填充物。例如通過擠壓提供外部套14。為了增加電纜對機械應力的抵抗力，外部套14優選由固化的聚合體材料製成，優選基於加固的重型熱固性彈性體，諸如高密度聚乙烯(HDPE)，聚氯丁烯，聚氨酯或NBR基的化合物。
為了增加電纜的抗扭性，提供盔裝部(armour) 15，盔裝部15具有例如編織物或者雙螺旋的加固纖維線的形式，諸如金屬或者聚酯纖維線，例如由凱夫拉爾 ( Kevlar )(芬芳聚醯胺)製成。這是根據本發明的外圍機械不對稱強度構件的實例。申請人:已經意識到，為了確保彎曲應變轉移橫跨可測量的壓縮值的整個範圍發生在應變傳感器的光纖與纜線的縱向結構元件之間，在包圍光纖並且使光纖與應變轉移填充物機械耦合的層當中提供堅固而大致均勻的粘附是有利的。這允許應變傳感器的光纖與應變轉移填充物之間的機械相合。圖2a和2b分別示出根據本發明的優選實施例集成在圖Ia和Ib的電纜中的應變傳感器5的部分透視圖和橫截面。應變傳感器5包含光纖9，當應變傳感器集成在電纜中時，沿著幾何軸Z大致布置光纖9。應變傳感器5的纖維9是光纖，即矽基光纖，具有125 μ m的典型標稱直徑，被首層塗層塗覆，首層塗層被第二塗層包圍，第二塗層通常粘附性接觸首層塗層，在此處首層塗層和第二塗層形成塗層系統。(被塗覆的)光纖的外直徑可以是250+/-10μπι或者200+/-10μπι。還可以使用單層塗層系統。優選地是，光纖9是單模光纖，諸如符合G. 652、G. 653或者G. 655ITU_T(國際電信同盟，ITU電信組織)建議的傳輸纖維。在一個實施例中，應變光纖是純矽芯纖維。優選地是，應變傳感器的光纖具有增強的彎曲性能，展現低彎曲損耗。在一些實施例中，光纖符合G. 657ITU-T建議。出於識別目的，具有彩色光纖可能是有利的；在這個狀況下優選使用具有彩色第二塗層的光纖。有利地是，可以選擇不同於白色的任何顏色。申請人:已經觀察到應變傳感器的光纖能夠經得住上至I %、優選為上至2%的重複性拉長多次，該次數超過預計在纜線的工作壽命期間發生在纜線中的運動周期(movement cycle)。注意到I %的應變值大於電纜在裂開或者永久性損害之前能夠承載的典型的最大拉長，例如O. 5-0. 7 %。塗層系統可以由上至直徑為250 μ m的兩種不同的紫外-固化的丙烯酸鹽材料製成。在一個實施例中，玻璃纖維的塗層系統在EP 1497686中被公開，觀察到當經受超過2%的重複性拉長時，該塗層系統提供不裂開的光纖。在優選實施例中，光纖9通過包圍塗層系統的緩衝器層10被緊密緩衝(tight-buffered),以便提高光纖的機械保護性,例如防備微彎曲損耗。申請人已經理解了緩衝器層對光纖，即對於纖維的塗層系統的均勻粘附，對於確保光纖與彎曲應變轉移填充物之間的機械相合尤其重要。例如，緩衝器層10被擠壓或者施加在250 μ m塗層的纖維上，使外直徑增加到上至600-1000 μ m,典型值為800-900 μ m。優選地是，緩衝器層由具有彈性性質的材料製成，彈性性質允許緊密緩衝的光纖承載上至且包括2%的拉長和壓縮。有利地是，將緩衝器層選擇成基本上無蠕變(crewing)、滑移(slipping)或者脫粘(debonding)而粘附於光纖的塗層系統。優選地是，緩衝器層是基於能夠展現足以經得住在纜線製造期間發生的熱處理的耐熱性的耐熱材料。優選地是，緩衝器層由可輻射固化的丙烯酸鹽聚合體製成。例如，緊密緩衝器由WO 2005/035461中描述的可紫外固化的丙烯酸鹽聚合體，或者由WO 2008/037291中描述的阻燃劑填充物充填的聚合體基質(polymeric matrix)製成。可以在光纖塗層系統與緊密緩衝器層之間提供粘附促進層。申請人:已經觀察到針對橫向負荷防護應變傳感器的光纖將是有利的，橫向負荷可以使微彎曲損耗升高，並因此可以影響在纖維中測量的布裡淵頻率移動。此外，如上所述，當纖維受到橫向壓縮的影響時，應變傳感器可以提供對彎曲應變的測量，彎曲應變並非與電纜的有效壓縮直接相關聯。為此，可以有利地提供設計成用於提高對橫向壓縮的阻力的保護性護套以包圍可選的緊密緩衝的光纖。在圓形纜線中，諸如圖Ia和Ib所示出的圓形纜線，在橫斷於縱向纜線方向的方向上的橫向壓縮通常發生在徑向向內的方向上。申請人:已經觀察到在纜線製造過程期間的應變轉移填充物的擠壓步驟中，應變傳感器可以用做拉拔強度構件。為此，已經觀察到在應變轉移填充物的擠壓過程期間應變傳感器材料不變軟，從而保證均勻的拉拔力是重要的。提供保護性護套8和適當選擇形成所述護套的材料可以給應變傳感器有利地提供一個張緊強度(tensional strength),這個張緊強度足以既提高對橫向壓縮的阻力，又允許應變傳感器在電纜的製造過程中用做拉拔強度構件。為了確保光纖與應變轉移填充物之間的機械相合，將保護性護套的材料選擇成提供與可選的緩衝光纖的堅固而相對均勻的粘附。在優選實施例中，保護性護套8由纖維補強化合物製成，其中纖維可以是碳、石墨、硼或玻璃(非光學的)纖維。在一個實施例中，保護性護套8是玻璃補強(glass-reinforced)聚合體(GRP),其中通過嵌入在聚合體中的玻璃纖維對聚合體進行加固。已經觀察到通過提供平行於光纖幾何軸部署的補強纖維獲得應變傳感器的有利的相對高的張力勁度(tensionalstiffness)，由此防止橫向壓縮被錯讀成彎曲應變。保護性護套8可以擠壓在緩衝器層10之上並且與其直接接觸。可選地是，被應變傳感器嵌入其中的應變轉移填充物包圍的保護性護套的外表面包含多個槽或切口，或者被處理成形成粗糙表面以便增大保護性護套與應變轉移填充物的粘附。可選地或附加地，可以在保護性護套上可選地提供粘附促進層。如上所述，應變傳感器應該具有彈性響應以在從電纜上去除彎曲負荷之後返回到其原始狀況，彎曲負荷與最大預計的纜線應變相關。為了給應變傳感器提供所需的柔韌性(flexibility)，保護性護套由具有彈性性質的聚合體基材料製成是優選的。優選地是，嵌入補強纖維的聚合體是交聯樹脂，尤其是可紫外固化的交聯樹脂或者熱固性交聯樹脂，其一般提供用於抗壓縮性。交聯樹脂可以是不飽和聚酯、環氧樹脂類或者乙烯酯類。
已經觀察到為了提高應變傳感器的柔韌性，在由聚合體基材料製成時，保護性護套的厚度優選被包含在500和1000 μ m之間。例如，保護性護套是GRP層，GRP層使緩衝光纖的外直徑增大到上至I. 8-2. 5mm。優選地是，包圍傳感器的光纖的保護性護套防止在製造過程中使用的溫度下的纖維收縮，並且尤其是在諸如內部護套和外部護套的相同纜線組件的固化過程中。選擇經得住固化溫度的高溫級交聯樹脂，例如，由Polystal Composites GmbH生產的高溫 Polystal grp。根據一方面，本發明涉及彎曲應變傳感器，該傳感器包含光纖、緊密圍住光纖的緩衝器層和包圍緩衝器層的保護性護套，其中緩衝器層由耐熱材料製成，優選由可輻射固化的丙烯酸酯聚合體製成。優選地是，利用嵌入在交聯樹脂中的補強纖維來加固纖維補強化合物。優選地是，緩衝器層由可紫外固化的丙烯酸酯聚合體製成。優選地是，為了使應變傳感器還能夠檢測小的電纜壓縮，將緩衝光纖放在纖維補強化合物中，具有相應於O. 2%的預拉長的輕微的伸展狀況。
應變從一層到下一層至少部分轉移，由此確保對在相對大範圍內的纜線拉長的可靠測量，而同時，至少在低於纜線的永久性變形的壓縮負荷的範圍內，在去除壓縮負荷之後，彈性返回到大致不拉緊的狀況。由於應變傳感器和應變轉移填充物的材料的適當選擇，這在不同元件之間提供機械相合，因此可確保在纖維壓縮和纜線彎曲應變之間的有效應變轉移和可知的關係。在一些情況下，預計從電纜的徑向外部縱向結構元件到應變傳感器的光纖的應變轉移的範圍是從50%至100%。在上述優選實施例中，應變傳感器包含被多層(即，緊密緩衝器，保護性護套)覆蓋的光纖，所述多層展現彈性性質並且嵌入在具有彈性性質的應變轉移填充物中。然而，只要由應變傳感器和應變轉移填充物組成的結構能夠使處於纜線的可逆彈性狀態中的壓縮恢復原狀，則從由包圍被塗敷的纖維的緩衝器層、保護性護套和應變轉移填充物組成的組中選擇的多層的至少一層可以展現非彈性性態並且尤其是塑性性態。尤其是，該至少一層可以由塑性材料製成，即該材料具有這種能力變形以響應於機械力而無破裂，至少直到不超過外力的某閥值。申請人已經理解，彈性響應需要(I)由大致塑性的材料製成的層與由彈性材料製成的至少一層相合，和(2)由塑性材料製成的層的軸向硬度小於由彈性材料製成的至少一層的軸向硬度，塑性材料層與彈性材料層相接觸。通常以牛頓(N)測量的軸向硬度是層元件的楊氏模數與橫截面積的乘積。這樣，由大致塑性的材料製成的層沿著彈性材料伸展，在纜線拉長期間大致塑性的材料層利用摩擦力粘附在彈性材料上或者接觸彈性材料並且通過彈性材料被被拉回到它的原始位置，假設在兩層之間存在足夠的握持力(gripping force)。例如，應變傳感器的保護性護套是楊氏模數為72，400MPa的纖維補強熱塑性聚合體，而應變轉移填充物是楊氏模數為671MPa的熱固性彈性體。保護性護套的橫截面積是3. 4mm2並且應變轉移填充物的橫截面積是75mm2，倘若用於保護性護套的軸向硬度是250kN並且用於應變轉移填充物的軸向硬度是50kN。如果纖維補強熱塑性聚合體具有對應變轉移填充物和對諸如緩衝器層的下層的良好粘附，則熱塑性聚合體沿著應變轉移填充物獲得(take)，即使如果其橫截面積更小也是如此。要注意到如果應變轉移填充物由熱塑性聚合體製成，則這也將是事實，倘若上述條件(I)和(2)被滿足，並且在這裡具有彈性性質的層是被保護性護套包圍的緩衝器層。在一個實施例中，假設條件(I)和(2)被實現，則應變轉移填充物選自以下物質組成的組楊氏模數從I至5GPa的聚酯，楊氏模數從2至4GPa的聚醯胺，楊氏模數從O. 003至O. OlGPa的聚氯乙烯(PVC)，楊氏模數從O. I至O. 3GPa的低密度聚乙烯，和楊氏模數從
O.4至I. 2GPa的高密度聚乙烯。優選地是，採用交聯聚合體材料。根據另一個實施例，為了給應變傳感器提供對橫向負荷和拉拔強度的阻力，應變傳感器的保護性護套可以是包圍可選的緩衝光纖(實施例未在圖中示出)的緩衝器層的金屬管。在這個情況下，金屬管含有凝膠或類凝膠材料，可選地在壓力下，能夠在金屬管與其中含有的光纖之間提供所尋求的機械相合。在優選實施例中，金屬管由鋼製成。
優選地是，在由包圍被塗敷的纖維的緩衝器層、保護性護套和應變轉移填充物組成的組中，只有一個是由具有彈性性質的材料製成的。雖然在一些優選實施例中應變傳感器包含緩衝器層以便提高應變傳感器的強度和彈性，但是正如在圖2a和2b所示的構造中的那樣，要理解應變傳感器可以包含用塗層系統塗敷的光纖，塗層系統直接被保護性護套包圍。電纜I可以包含溫度傳感器，溫度傳感器包含光纖24，用於測量纜線I的內部溫度。溫度傳感器的光纖24具有鬆緩衝器構造(loose buffer construction)。尤其是,在圖示的實施例中，光纖24寬鬆地放在縱向圍住纖維的模塊19的內部，模塊19被包含在光纖元件3中。縱向延伸的模塊19在管光纖24的每個單位長度上含有過剩的光纖長度。過剩的光纖長度(EFL)通過以下關係式定義EFL = Lf ￡、100
t(I)其中Lf是光纖的長度而Lt是容納纖維的管的長度。將過剩的長度選擇成使得在給予電纜的最大應變處，例如1%，光纖保持寬鬆(即，不拉緊)。溫度傳感器的光纖24優選為單模光纖並且通過使用布裡淵後向散射技術測量溫度。然而，對於溫度檢測而言可以預想多模光纖的使用。在後者狀況下，可以通過使用基於喇曼散射的已知技術執行溫度測量。優選地是，光纖24關於沿著纜線延伸的中心縱軸被螺旋狀纏繞。例如，光纖24圍繞縱向構件扭轉。在電纜包含光纖元件、光纖元件包含多於一根光纖的情況下，兩根纖維可以沿著縱向螺旋狀相互纏繞，採用兩根纖維之一作為溫度傳感器的光纖。免於機械應力的光纖24隻受熱膨脹的影響並且可以用於溫度監視。當通過布裡淵後向散射技術測量應變時，應變光纖既受應變改變又受溫度改變的影響。可以通過使光纖24與應變光纖光耦合併且通過測量光纖24中的溫度改變而減去溫度作用。雖然優選地是，在電纜處於大致不拉緊的狀況時，應變傳感器與縱向結構元件之間的機械耦合也發生，但是為了提高應變測量的檢測靈敏度和解析度，只在至少一個縱向結構元件經受彎曲負荷並且變成與應變轉移填充物相接觸時，使應變傳感器與縱向結構元件之間的機械耦合，並且尤其是機械相合可以發生。例如，當縱向結構元件經歷相應於至少-O. I %的壓縮的彎曲負荷時，機械耦合發生。圖3是根據本發明另一個實施例的電纜的橫截面視圖。使用一些附圖標記來辨別具有與圖Ib的元件相同或類似功能的類似組件。雖然圖Ia和Ib中的實施例包括彎曲應變轉移填充物，該彎曲應變轉移填充物同樣在不存在壓縮負荷的情況下接觸纜線的縱向結構元件，但是在圖3所示的實施例中，在行動裝置中安裝或使用之前，當纜線處於大致不彎曲的狀況，例如纜線的原始狀況時，應變轉移填充物不接觸，至少不完全接觸，縱向結構元件的表面。尤其是，電纜30包含被應變轉移填充物25包圍的彎曲應變傳感器5，應變轉移填充物25優選直接擠壓在應變傳感器之上，例如參考圖2a和2b，直接擠壓到保護性護套8的外表面上。應變轉移填充物25可以具有圓形橫截面。例如，護套25具有從2至7mm的厚度。應變轉移填充物25與徑向外部縱向結構元件，即芯2，並且如果提供，還有接地導體7和光纖元件3之間的空隙空間26可以通過包圍縱向結構元件的聚合體填充物27的相同材料進行填充，例如EPR基化合物。由於其尺寸的緣故，與應變轉移填充物25緩衝的應變傳感器5是相對自由的，以在應變轉移填充物25與纜線縱向結構元件之間的空隙空間26中移動，應變傳感器的移動性還取決於填充空隙空間的材料的粘度。施加張力之後，縱向結構元件傾向於徑向向內壓縮，由此減小到縱軸的徑向距離，應變傳感器沿著縱軸布置。當纜線所經歷張力的值超過某閥值時，縱向結構元件被徑向向內壓下並且建立與應變轉移填充物25的接觸。相反，當纜線在纜線長度的任何縱向位置處拉長低於該閥值時，應變傳感器5的光纖跟隨纜線運動但有延遲，這是由於與纜線的縱向結構元件之間相對不足的握持導致的。優選地是，張力的閥值為O. 1%。應變轉移填充物25的材料性質是參考圖Ia和Ib在上面所描述過的那些。
圖4是根據本發明又一個實施例的電纜的橫截面視圖。相同的附圖標記用於辨別與圖Ia和Ib的元件具有相同或類似功能的類似組件。電纜40包含4個縱向結構元件，既三個電力芯43和一個接地導體44,它們被布置成相對於應變傳感器5徑向向外,應變傳感器5可以具有參考圖2a和2b描述的構造。電力芯43和接地導體44每個都包含導體45，例如具有被絕緣聚合體層46包圍的一捆絞合的鍍錫的或者裸的銅電線形成的銅導體的形式。應變轉移填充物47嵌入應變傳感器5並且填充應變傳感器與縱向結構元件之間的空隙。應變轉移填充物47的性質和幾何形狀使得在縱向結構元件43和44與應變傳感器5之間存在機械耦合，並且尤其是機械相合，在纜線不拉緊的狀況下也存在。纜線40可以是IkV電力纜線，諸如用於立式捲筒應用。在圖4所示的實施例中，將溫度傳感器48集成在對於縱向結構元件為徑向內部的區域中，並且尤其是在應變轉移填充物47內。溫度傳感器48包含光纖49，光纖49優選是單模光纖，寬鬆地布置在優選由ETFE或者PBT製成的縱向延伸的模塊41中。模塊41的外直徑例如為2mm。圖5是根據本發明又一個實施例的電纜的橫截面視圖。所示的纜線例如可以是用於捲筒應用的低壓控制纜線。電纜50包含布置在多個同心層中的多個縱向結構元件，同心層圍繞中心元件51絞合，中心元件51用做用於應變傳感器5的應變轉移填充物。每個同心層的縱向結構元件圍繞中心元件51扭轉並且包含控制芯53和布置在最外部同心層中的一對光纖元件54。每個控制芯53都包含被絕緣聚合體層58包圍的細金屬絲銅導體59。兩個光纖兀件54都具有縱向延伸的模塊52的形式,縱向延伸的模塊52含有寬鬆地布置在模塊內的至少一根光纖57 (圖中是三根光纖)。任何一個光纖元件54的光纖都可以用做溫度傳感器。聚合體內部護套55包圍縱向結構元件的同心層。具有諸如滌綸紗編織物35的嵌入式補強部的外部套35包圍內部護套55並且圍住纜線。將應變傳感器5布置在包圍中心縱軸的纜線的幾何軸區域內。例如，幾何軸區域是沿著中心縱軸延伸的徑向區域，對於￡ _為120mm的纜線,半徑為3mm。在參考圖1、3、4和5顯示的實施例中，電纜的縱向結構單元與應變轉移填充物直接機械耦合，即，在絞合狀況下，在縱向結構元件與應變轉移填充物之間存在機械相合。所得的纜線構造使得諸如芯或接地導體的縱向結構元件經歷的應變能夠有效快速地轉移到應變傳感器。對應變變化的快速反應允許對例如在行動裝置的纏繞方向或者裝載/卸載運動的突然變化中發生的動態彎曲力的檢測。
可以理解，根據本發明的教義的電纜在應變來源於纜線的不與諸如纜線內部護套或者外部護套的應變轉移填充物直接接觸的部分時，也允許檢測應變。如果在給定時間間隔期間，大致恆定的彎曲力被施加於纜線的一個縱向結構元件，則所述力依據元件/多層之間的摩擦力和彈性，為集成在纜線中的全部縱向結構元件確定應變(元件/多層與拉緊的縱向結構元件機械耦合)，例如，為與拉緊的縱向結構元件直接接觸的元件確定應變，或者為橫跨諸如聚合體護套的材料機械耦合發生的材料確定應變,諸如聚合體護套的材料使其他元件與拉緊的元件分開。接觸區域越大且元件之間的摩擦力越高(同樣依據彎曲力的值)，則需要在縱向結構元件之間具有均勻應變的纜線的縱向長度部分就越短。在橫截面的不同部分中起作用的應變值取決於構成材料的彈性性質。在彎曲力的應用隨時間變化的情況下，諸如在動態應變測量中，對電纜的一個縱向結構元件而言，纜線結構(stracture)考慮元件之間的摩擦力、在多層之間的堅固粘附以及因此適當選擇組成多層的材料，變得重要。圖6顯示三相電扁形纜線60的示意性橫截面視圖，諸如用於井泵系統中的應用，纜線60包括兩個外部芯61和63以及中心芯62。這些芯被定位成大致平行並且一個與另一個鄰接，沿著平行於X方向的公共軸69a集中，橫斷於縱向纜線軸。軸69a是纜線橫截面在平面(X，Y)中的中線。光纖應變傳感器5布置在中心芯62和外部芯之一(在這個情況下是外部芯61)之間。應變傳感器5可以具有參考圖2a和2b描述的結構。應變傳感器5被應變轉移填充物66包圍，應變轉移填充物66可以具有圓形形狀並且粘附於應變傳感器的外表面。依據橫向芯61與中心芯62之間的橫向空隙空間來選擇應變轉移填充物66的徑向厚度，並且以這種方式提供必要的機械阻力。優選地是，當纜線處於大致不拉緊的狀況時，應變轉移填充物與鄰近的芯61和62的外表面機械耦合併且尤其是與其相合。用於纜線60的彎曲的幾何軸是中軸69a，軸69a是沿著Y軸的纜線橫截面的對稱軸。應變傳感器5布置在用於厚度為d的彎曲的中性區域內，中性區域被限定在平行於中線69a並且在Y軸上離開69a的距離為d/2的兩個平面69b之間。對於具有P min的典型值為500mm的扁形纜線，厚度d的範圍可以是從5至10mm。 扁形纜線60進一步包含相對於芯布置在外部位置內並且縱向圍住它們的外部鎧裝68。外部鎧裝68具有平行於X軸的兩個大致平坦側68a和包圍兩個外部芯61和63的一部分的兩個相對的橫向側68b。外部鎧裝68優選為鋼或不鏽鋼或銅鎳合金的帶狀鎧裝。電纜60具有多個空隙空間65，空隙空間65通過芯與外部鎧裝68之間的空間被限定。外圍機械不對稱強度構件67布置在平行於X軸的兩個公共平面中的空隙空間65中。強度構件67具有圓形橫截面並且可以由纖維玻璃或者芳族聚酸胺(芬芳聚醯胺)製成。芯與強度構件之間的自由空間填充有內部護套64，內部護套64例如由無機填充物充填的聚合體化合物製成，優選直接擠壓在扁形纜線的縱向結構元件上。根據本發明的電纜可以受到監視，以通過使用布裡淵後向散射技術而確定沿著纜線分布的彎曲應變，諸如布裡淵光學時域反射計(BOTDR)，布裡淵光學時域分析(BOTDA)和 布裡淵光學頻域反射計(BOFDR)。根據一般已知的測量技術，由第一雷射器產生的第一光學信號(探針)被發射到集成在電纜中的應變傳感器的光纖的第一端中，同時，由第二雷射器或者通過相同的第一雷射器產生的第二光學信號(泵浦)被發射到與第一端相反的應變傳感器的光纖的第二端中。第一光學信號連續工作，即為連續波(CW)信號，而第二光學信號是脈衝的。從光纖的第一端後向散射的返回光學信號通過檢測電路進行測量。在纖維的相同點處，當CW光學信號的光學頻率之差大於與布裡淵頻率移動相等的量的脈衝光學信號的光學頻率之差時，脈衝信號通過布裡淵互作用(Brillouin interaction)被放大並且CW信號經歷損耗。布裡淵頻率移動既是應變敏感的又是溫度敏感的。布裡淵後向散射技術具有分布感知技術的優點，這因此允許沿著纜線長度對實際應變剖面的實時監視。利用採樣裝置，布裡淵後向散射可以用於沿著應變傳感器的光纖的長度測量溫度和應變兩者的同時改變，採樣裝置通過掃描兩個雷射源的頻率移動和提供(fitting)布裡淵峰來繪製布裡淵頻譜，以獲得溫度和應變信息。還可以利用諸如由OZ Optics Ltd.商業化的前視 (Foresight )傳感器的商業類型BOTDR裝置執行這種分析。在這個應用中，在纜線中布置在與應變傳感器分開的位置中的溫度傳感器對於溫度感知不是必須的。在一些實施例中，通過在測量的光學信號中使溫度作用與應變作用分開和通過使用在寬鬆的緩衝器構造中用於溫度測量的第二光纖而執行對彎曲應變和溫度的監視，正如在電纜的一些上述實施例中描述的那樣圖7示出監視系統的工作原理的示意性框圖，監視系統使用諸如BOTDR的基於布裡淵的後向散射技術，以在電纜長度上測量應變和溫度改變。採樣裝置70用於將光學信號注入電纜73並且分析從纜線接收的後向散射光學信號。例如，採樣裝置可以是被OmnisensSA商業化的DITEST-DSM系統。電纜包含應變傳感器和溫度(傳感器)光纖72 (在圖中僅示意性表示出應變和溫度纖維)，應變傳感器包含沿著纜線幾何軸Z延伸的光纖71。包含應變光纖71的應變傳感器以允許應變從至少一個縱向結構元件轉移到應變傳感器的方式機械耦合到纜線73的至少一個縱向結構元件，而用於溫度感知的光纖72以寬鬆的構造集成在纜線中。電纜73，並且尤其是纜線內光纖71和72的布置，可以具有象上述實施例中描述的任何結構。應變光纖71位於纜線的幾何軸(axius)區域中並且與纜線的至少一個縱向結構元件具有機械相合，而溫度光纖72布置在鬆散的緩衝器構造中從而不受施加於纜線的應變的影響。採樣裝置70將來自第一輸出端78的泵浦光學信號發射至與應變光纖71的近端連接的光纜環節74。同時，探針(probe)光學信號從第二光學輸出端79發射到與溫度光纖72的近端連接的光纜環節75中。用於纖維端部的術語「近」和「遠」關於採樣裝置被提及，或者至少關於與採樣裝置的光學連接而被提及。然而，意圖使這種術語只表示一個相對位置和/或用於促進對附圖的描述，但是它們不被解釋為具有絕對意義。測量裝置70的光纜環節74和75與各個光纖71和72之間的非永久性連接可以通過傳統手段實現，例如通過光學連接器77。應變和溫度光纖71和72的至少其中之一，並且優選為兩根光纖，具有超過纜線73的近端和遠端延伸的長度。在光纖最接近於採樣裝置70的端部，這簡化了與裝置的連接。從纜線伸出的與近端相反的光纖的遠端從一個到另一個被連接，從而產生纖維環，兩個輸入/輸出端只在光纖的一端(即近端)。在遠端，根據傳統方法可以通過在接合器76中熔化接合(fusion splicing)而將兩根纖維結合到一起。布裡淵後向散射光學信號從溫度光纖72中退出，進入採樣裝置70，並且可以進行處理以便確定沿著光纜的應變和溫度變化。通過考慮包含應變光纖71和溫度光纖72的纖維環，沿著纖維環並因此在兩個感知纖維的每個之內被定位的所測量的應變和溫度所處的位置可以通過向下和向後通過(down and back through)纖維環傳播的脈衝的渡越時間進行確定。
可以通過使用已知技術，諸如通過使用OTDR技術來校準光纖環，以便知道連接器和/或光學接合點在纖維環中的位置並因此確定溫度和應變光纖在纖維環中的位置和長度。彎曲應變光纖71既受到應變改變又受到溫度改變的影響，而在纜線結構內處於鬆散構造中的溫度光纖72僅受溫度的影響。通過減去沿著相應於集成在纜線中的光纖72的纖維環環節的溫度作用，可以確定對僅由應變造成的布裡淵頻率移動的作用。在一個實施例中，鏡子可以位於溫度光纖相對於採樣裝置的遠端，但是泵浦和探針光學信號兩者都被發射到溫度光纖的近端中。這個解決方案(圖中未示出)不需要在應變和溫度光纖之間的纖維環用於測量。 申請人:已經觀察到布裡淵採樣裝置的成本，尤其是如果需要寬範圍高靈敏度測量，是相對高的並因此提供多根纜線的監視系統以便減少整體成本將是有利的。申請人:已經進一步注意到，對重型纜線的實時監視將允許記錄引起壓縮應變峰的動態事件，壓縮應變峰可能損害纜線。圖8是在用於貨物調動(movement)的區域，諸如在港口的貨櫃碼頭中，多個重型纜線的監視系統的示意圖。貨櫃碼頭是一般覆蓋巨大區域的港口機構，貨櫃(圖中未示出)橫跨該區域進行存儲以便裝載到船上或者從港口收集。多個重型起重機82橫跨碼頭的選定區域移動以舉起和轉移貨櫃，同時被加電並且受控於電力交付(deliver)站81。重型起重機82可以是固定在一對軌道90a和90b上的龍門(gantry)起重機，軌道90a和90b安裝在碼頭之後的港口區域上，該區域在圖中用虛線區域91表示，用於裝船和卸船的碼頭起重機在這裡工作。貨櫃(未示出)在軌道之間的空間內堆疊成幾行，在這個空間裡可以通過龍門起重機沿著由雙箭頭92表示的方向水平地前後運轉來升起和來回搬動貨櫃。圖9是大多數是例如沿著圖8的C-C線獲得的起重機的側視圖。龍門起重機82的支撐結構包含具有兩根高架軌道93a和93b (在圖9中看不到)的橋，絞車吊運裝置(winchtrolley) 83在兩根高架軌道93a和93b上垂直於起重機的運動而移動。根據傳統設計，絞車吊運裝置83具有絞車系統(未示出)以升起貨櫃。可以在軌道的兩個端部設置端部止擋器88從而防止起重機移動超過軌道端部。每個龍門起重機82都通過各自的電纜86供電，電纜86可以是傳統電纜，使電力交付站81與起重機供給單元89連接。重型纜線85連接到起重機供給單元89以便從各自的電纜86的運載而獲得電力，並且為起重機82的多個功能(其的調動、定位、監視等)提供電力。另外，重型纜線接收控制/數據電信號和/或光學信號。雖然將起重機供給單元顯示為放在電力交付站的軌道端部附近，但是起重機供給單元的其他位置也是可行的，諸如在軌道旁邊相對於軌道長度的中間位置。重型纜線85纏繞固定在起重機結構的橫側(lateral side)上的捲筒84上。可以使電纜捲筒84機動化成允許捲筒在兩個方向上轉動。在包含兩個橫向相對布置的偏轉引導滾筒的圖的實施例中，可以通過引導設備96 (在圖9中可看到)提供電纜對起重機供給單元的引導。每根電纜85都具有固定在各自的起重機供給單元89中的一端和固定於電纜捲筒84的相反端，其中心通常被稱為供給中心。在起重機的迅速的水平調動期間，當電纜圍繞捲筒的不連續和經常突然的纏繞和展開階段發生時，重型纜線85於是被束縛在兩端。在一個實施例中，重型纜線具有參考圖Ia和Ib描述的結構類型。在另一個實施例中，重型纜線具有參考圖la-lb、3、4和5描述的另一個結構。
對電纜進行測試以便監視由於彎曲導致的壓縮負荷。參考圖13，具有直徑Φ2的電纜200(具有圖la、lb的電纜的結構特徵)纏繞具有直徑Φ1的心軸(mandrel)201。纜線200的幾何軸用Z表示，並且當電纜大致是直的時，與中性彎曲軸N大致一致。圖14a示意性描繪電纜中負荷的分布，不包含外圍機械不對稱強度(straight)構件，當彎曲時所有的電纜元件都承載大小相等方向相反的壓縮負荷141b和張力負荷141a，所述負荷在中性彎曲軸N處具有大致等於零的值，中性彎曲軸N與幾何軸Z —致。利用這種構造在纜線200檢測不到彎曲應變，因為光學彎曲傳感器位於同樣也是中性彎曲軸N所置於的幾何軸Z中。當纜線200包含至少一個外圍機械不對稱強度構件時，負荷分布如圖14b示意性顯示的那樣改變由於其結構的緣故，機械不對稱構件承載小於張力負荷的壓縮負荷，並且不同的分布負荷使中性彎曲軸N從放置光學彎曲傳感器的幾何軸Z移動。在這個情況下彎曲應變傳感器的光纖受到彎曲現象的影響，彎曲現象可以例如通過如上所述的布裡淵散射技術進行監視。圖15顯示在橫坐標中報告沿著電纜的位置(米)和在縱坐標中報告應變百分比的圖。在對800米長的如圖I的電纜的監視期間，在大約第440米處觀察到強的負峰，這種負峰的值超過正常的纜線性能。對由圖表示的位置處的電纜的目視檢查顯示，電纜從捲筒上掉落並且被不適當地扭折。再次參考圖8和9，每根重型纜線85都包含彎曲應變傳感器和溫度傳感器。應變傳感器包含機械耦合到纜線的至少縱向結構元件，並且尤其是與纜線的至少縱向結構元件機械相合的光纖，而溫度傳感器包含以寬鬆構造集成在纜線中的光纖。至少應變傳感器的光纖，並且優選還有溫度傳感器的光纖，是單模光纖。優選地是，應變和溫度光纖是電信級光纖。將電力帶給重型纜線85的每根電供給的纜線86都包含集成光纖元件，集成光纖元件包括至少兩根光纖，優選沿著供給電纜布置在寬鬆的緩衝器構造中。供給電纜86的每根光纖的端部都光學連接於布裡淵採樣裝置(在圖8和9中未示出)，而相反端被光學連接到重型纜線85中包含的應變和溫度光纖的各自端部。光學連接可以通過傳統手段發生在電力供給單元中。因此，重型纜線85能夠從各自的供給纜線86接收電力和用於布裡淵分析的光學信號。布裡淵採樣裝置可以容納在電力交付站81中。在圖8和9中僅僅出於清晰的目的，將供給纜線86示為躺在地上。可以理解供給電纜可以達到起重機供給單元同時在地下伸展(由圖9中的虛線代表)。圖10示出根據一個實施例的監視系統的工作原理的示意圖，監視系統用於控制安裝在行動裝置上的多根重型纜線的彎曲應變和可選的溫度。多根供給纜線103、105、107和109每個都分別包含第一和第二供給光纖118a和118b、119a和119b、120a和120b以及121a和121b。供給纜線103、105、107和109給各自的重型纜線104、106、108和110供應電力，並且優選地供應控制信號，每根重型纜線都包含應變傳感器光纖112a和溫度傳感器光纖112b。第一供給光纖118a、119a、120a和121a光學連接到各自的重型纜線104、106、108和110的應變光纖112a。第二供給光纖118b、119b、120b和121b光學連接到各自的重型纜線104、106、108和110的溫度光纖112b。供給纜線的供給光纖與重型纜線的應變和溫度光纖的光學連接可以通過熔化接合而實現。每根重型纜線末梢的應變和溫度光纖112a和112b的相對於各自的供給纜線的端部都一個到另一個被連接(用諸如接合器113的設備的連接點O表示)，從而形成橫跨重型纜線和供給纜線的纖維環。在圖8和9中顯示的實施例中，應變和溫度光纖的遠端處於配合在起重機的捲筒中的重型纜線的端部，例如在捲筒的供給中心內。布裡淵米樣裝置100從輸入/輸出光學埠 101發射第一光學信號(泵浦)並且從輸入/輸出光學埠 102發射第二光學信號(探針)。信號從輸入/輸出光學埠 101和102射入各自的第一和第二光纖環節111和114中。第一光學環節111光學連接到供給纜線103的第一供給光纖118a，第一供給光纖118a接收泵浦信號，同時第二纖維環節114光學連接到最後的供給纜線109的第二供給光纖121b，第二供給光纖121b接收探針信號。第一供給纜線103的第二供給纖維118b光學連接到第二供給纜線105的第一供給纖維119a ;第二供給纜線105的第二供給纖維119b光學連接到第三供給纜線107的第一供給纖維120a，並且第三供給纜線107的第二供給纖維120b光學連接到第四供給纜線109的第一供給纖維121a。這產生一個纖維環，纖維環具有最接近第一供給纜線103的第一供給纖維108a的作為開口的光學輸入/輸出一端，和第四供給纜線109的第二供給纖維121b的一端(近端)。參考附圖，可以參考採樣裝置，或者至少參考與採樣裝置的光學連接而採用術語「近」和「遠」。然而，意圖使這種術語只表示相對位置和/或用於促進描述，但是不將它們理解為具有絕對意義。兩個不同供給纜線的光纖端部或者供給纜線的光纖的一端與光學連接到採樣裝置的纖維環節的光學耦合可以通過傳統耦合設備實現，傳統耦合設備在圖中未示出。連接到圖10所示的布裡淵採樣裝置的重型纜線的數量是四根。然而，可以理解，比照布裡淵儀器動力學，取決於由纖維衰減和纖維長度引起的光損耗、熔化接合損耗、機械接合損耗，該數量可以是不同的。例如，可以在一個纖維環中測量安裝在各自起重機中的上至10根重型纜線。供給光學纖維優選為電信級單模光纖。第一和第二光學信號是具有適當幅度和頻率的反向傳播(counter-propagating)光學信號，以產生布裡淵後向散射信號，通過採樣裝置100分析布裡淵後向散射信號。由於知道形成纖維環的供給纜線中和重型纜線中的纖維的纖維長度，因此例如在環內的纜線構造的校準之後，可以使應變變化與沿著纖維環的位置相關，並因此監視施加於光學連接到採樣裝置的每根重型纜線的應變。根據本發明的一方面，用於監視多根電纜，並且尤其是多根重型纜線的監視系統包含用於測量布裡淵散射光的光譜改變的採樣裝置，包含第一和第二光學輸入/輸出端，第一輸入/輸出端易於發射第一光學信號並且第二輸入/輸出端易於發射第二光學信號，並且多根重型纜線包括第一和最後的重型纜線，多根電纜的每根電纜都包含應變傳感器和 溫度傳感器，應變傳感器包括應變光纖，溫度傳感器包括溫度光纖，應變和溫度傳感器沿著各自的纜線縱向延伸，應變光纖和溫度光纖具有近端和遠端，近端位於各自的電纜的最接近端，其中每根重型纜線的應變光纖和溫度光纖的遠端都一個到另一個被光學連接，第一重型纜線的應變光纖的近端與採樣裝置的第一輸入/輸出端光學通信，並且最後的電纜的溫度光纖與採樣裝置的第二輸入/輸出端光學通信，並且第一重型纜線的溫度光纖的近端與最後的重型纜線的應變光纖的近端光學連接，從而形成光纖環，在光纖環中多根重型纜線的每根重型纜線的應變光纖和溫度光纖都既與採樣裝置的第一和第二輸入/輸出端、又與在相反方向上進入光纖環的第一和第二光學信號光學通信。申請人:已經觀察到，可以買到的布裡淵採樣裝置可能能夠測量上至20km的光纖的應變和溫度。當起重機分散在較大區域上並且在垂直於起重機的伸展方向的水平方向上通過顯著距離被分隔開時，連接到與起重機在很大程度上分隔開的、容納採樣裝置的同一個電力交付站可能不是特別高效。此外，從電力交付站到起重機採用通常預先存在的電纜構造將是有利的。圖11示出根據本發明又一個實施例，在用於調動貨物的、諸如港口中的貨櫃碼頭的區域中，對多根重型纜線的監視系統。相同的附圖標記用於辨別與圖8的元件具有相同或類似的功能的類似組件。電力交付站125為第一組起重機130供給電力和控制信號，而電力交付站128為第二組起重機131供給電力和控制信號。任何一個電力交付站都容納 布裡淵採樣裝置(未示出)，布裡淵採樣裝置通過光纜129光學連接到其他電力交付站的供給纜線之一，光纜129包含兩根光纖，這兩根光纖優選為單模光纖。每個組中起重機的數量純粹是示例性的，雖然該數量通常可以從3至6變化。圖11的監視系統的可行的光學構造在圖12的示意圖中示出。第一組供給纜線145、149、150和152每個都包含第一和第二供給光纖，第一和第二供給光纖通過已知方法光學連接到各自的重型纜線146、147、148和151的各自的應變和溫度光纖，諸如通過光學連接器167。第一組供給纜線從第一電力交付站接收電力。第二組供給纜線158、159和160每個都包含第一和第二供給光纖，第一和第二供給光纖光學連接到各自的重型纜線155、156和157的各自的應變光纖和溫度光纖。第二組供給纜線從第二電力交付站(在圖12中未示出)接收電力。布裡淵採樣裝置143的兩個光學輸入/輸出端163和164光學連接到光學開關140的各自的輸入端165和166。輸入/輸出端163發射第一光學信號(泵浦),而輸入/輸出端164發射第二光學信號(探針)。參考圖11，採樣裝置143和光學開關140可以例如容納在第一電力交付站125中。光學開關140易於將接收的第一光學信號分束並引導到兩個輸入/輸出端141和161，並且將接受的第二光學信號分束並引導到兩個輸入/輸出端142和162。光學開關140可以是傳統類型，例如單模纖維1X2或1X4或1X8光學開關。第一組的每根重型纜線的應變和溫度光纖的遠端都一個到另一個被光學連接(例如通過連接器113)，從而形成第一纖維環，第一纖維環使第一供給纜線145的第一供給纖維的端部作為第一開口端，使第四供給纜線152的第二供給纖維的端部作為第二開口端。光學開關的輸入/輸出端141通過纖維環節111光學連接到第一供給纜線145的第一光纖的近端，而光學開關的輸入/輸出端142通過纖維環節114光學連接到第四(最後的)供給纜線152的第二光纖的近端。從輸出端141發射的第一光學信號(泵浦)入射到供給纜線145的第一供給纖維中，而第二光學信號(探針)入射到供給纜線152的第二光纖中。第一光學信號進入第一組的第一供給纜線145的一根供給纖維，沿著纖維環傳播，即，它沿著第一組的所有供給纖維和重型纜線傳播，並且從最後的供給纜線152的纖維中出現。從輸入/輸出端142發射的第二光學信號相對於沿著纖維環傳播的第一光學信號是在相反方向上反向傳播的。從供給纜線152的第二光纖退出的布裡淵後向散射信號進入光學開關140並且通過採樣裝置143進行分析。同樣,第二組的每根重型纜線155、156和157的遠端都一個到另一個被光學連接，從而形成具有兩個開口的光學端部的第二纖維環，即供給纜線158的第一光纖和供給纜線160的第二光纖。在纖維環內，第一供給纜線158的第二光纖的近端與第二供給纜線159的第一光纖光學連接，並且類似地是，第二供給纜線159的第二光纖的近端與第三供給纜線160的第一光纖光學連接。光學開關140的輸入/輸出端161和162光學連接到連接光纜144的各自的第一和第二連接光纖,連接光纜144具有最接近於光學開關140的第一端和相對於光學開關在遠端的第二端。在與近端相反的光纜144的遠端,第一和第二連接光纖光學連接到供給纜線158的第一光纖，和連接到供給纜線160的第二光纖。這樣，第二組重型纜線從連接電纜144接收兩個採樣光學信號，其中從裝置143發射的光學信號進入光學開關140並且通過光學開關140被引導到連接纜線144。在第二組重型纜線中產生的布裡淵後向散射信號被饋回到連接光纜144中並且被光學開關140引導到輸入/輸出端165和166，因此進入採樣裝置143。參考圖11和12描述的實施例有利地允許進一步減少監視系統的成本。雖然在上述實施例中，將供給纜線描述成設有包括至少兩根光纖的光學元件，因為這可以代表能夠傳輸光學數據和/或控制信號的傳統電力纜線的情況，但是本發明包涵這種供給纜線系統，即，該系統包含電力供給纜線和光纜，光纜包含至少兩根光纖。在該情況下，光纜可以在電力供給纜線旁邊伸展並且光學連接到重型纜線的應變和溫度光纖。本發明可以在監視系統中找到應用之地，在監視系統中採樣裝置直接光學連接到多根重型纜線，重 型纜線設有光纖應變傳感器並且優選地設有光纖溫度傳感器。換言之，監視系統的纖維環一般不需要包含供給纜線，作為用於重型纜線的中間電力/控制供給元件，尤其是如果被監視的多根電纜不分散在諸如港口貨櫃碼頭的巨大面積上時更是如此。
權利要求
1.一種變形監視方法，用於至少測量電纜的彎曲應變，所述方法包含下列步驟 -為纜線(I)提供至少一個外圍機械不對稱強度構件(15，67)和位於所述纜線(I)的幾何軸區域(Z)中並且包含光纖(9)的光纖傳感器(5)； -檢測所述光纖傳感器(5)中的壓縮應變。
2.根據權利要求I所述的方法，其中檢測壓縮應變的步驟包含下列步驟 -使第一光學信號射入到所述光纖(9)中； -檢測從所述光纖(9)發射的布裡淵散射光；和 -分析所述散射光中的光譜改變從而測量所述至少一根電纜(I)的至少所述彎曲應變。
3.根據權利要求I所述的方法，其中所述外圍機械不對稱強度構件(15，67)對張力負荷比壓縮負荷具有更高的阻力。
4.根據權利要求I所述的方法，其中所述纜線(I)是大致圓形的纜線，其在離開所述幾何軸(Z)不超過所述纜線半徑的20%的徑向距離內包含光纖傳感器(5)。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述光纖傳感器(5)處在離開所述幾何軸(Z)不超過所述纜線半徑的10%的徑向距離內。
6.根據權利要求I所述的方法，其中所述纜線(I)是大致圓形的纜線，其包含沿著離開所述幾何軸(Z)至少為所述纜線半徑的50%的徑向距離處布置的所述至少一個外圍機械不對稱強度構件(15)。
7.根據權利要求I所述的方法，其中所述纜線(I)是扁形纜線，其在離開所述幾何軸(Z)不超過10%的徑向距離內包含光纖傳感器(5)。
8.根據權利要求I所述的方法，其中所述纜線(I)是扁形的，包含在離開所述幾何軸(Z)至少為所述纜線厚度的50%的距離處布置的所述至少一個外圍機械不對稱強度構件(67)。
9.根據權利要求I所述的方法，其中所述纜線(I)是大致圓形的纜線並且所述外圍機械不對稱強度構件(15，67)是纜線抗扭轉編織物。
10.根據權利要求I所述的方法，其中所述纜線(I)是包含至少兩個平行的電導體的扁形纜線，並且所述外圍機械不對稱強度構件(15，67)是設置在導體之間的空隙中的拉拔強度元件。
全文摘要
本公開涉及具有彎曲傳感器的電纜和用於檢測至少一根電纜中的彎曲的監視系統和方法。提供一種用於至少監視至少一根電纜的彎曲應變的方法，電纜設有至少一個外圍機械不對稱強度構件。
文檔編號H01B7/32GK102640232SQ200980161475
公開日2012年8月15日 申請日期2009年9月18日 優先權日2009年9月18日
發明者A-G·卡爾, B·克尼普費爾, C·克姆尼茨, D·薩爾基, G·考勒塔, R·埃瓦爾德, T·基特爾 申請人:普睿司曼股份公司