一种基于温度修正的风电钢管桩应力监测装置的制作方法

1.本实用新型涉及风电设施监测领域，具体为一种基于温度修正的风电钢管桩应力监测装置。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.海上风力发电机(风电)的桩基础以大型钢管桩基为主，为了保证桩基结构的安全，需要对结构进行实时的应变监测。现有的监测方式主要采用贴在钢管桩表面的电阻式应变片，电阻应变片虽然价格便宜、技术成熟、相应速度快，但测量结果容易受电磁干扰，导致测试结果易漂移，同时电阻应变片防水性不足，风电桩基础所处的海洋环境随时受到海水冲刷，导致电阻应变片使用寿命短，很难适用于长期的监测。
4.光纤传感技术，以光纤作为媒介，光为载体，能实现分布式实时的传感长距离的外部被测量信息，具有抗电磁和耐腐蚀性强、轻便灵巧等优势。
5.光纤传感器可以通过不同方式布设在桩基础中进行内部应力监测，从而应对电阻应变片的一些缺点，能够保证风电桩基础施工及风电运营安全。在监测过程中，监测结构周围温度和结构的变化均会影响光纤栅点的波长变化，从而导致监测结果出现偏差。而目前，在光纤监测中常常在光栅点附近放置温度计来记录周围温度的变化，从而获取光纤传感器自身受到温度影响带来的变化，这样的监测方法既不简便也不精确，进而影响风电钢管桩的应力监测。


技术实现要素：

6.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本实用新型提供一种基于温度修正的风电钢管桩应力监测装置，光纤应变传感器利用解调设备预先拉伸调节保证传感器正负量程线性变化的一致性；再将并列设置的温度补偿传感器和光纤应变传感器以“全面粘贴”的形式布设在钢管桩内表面，其中，光纤应变传感器的应变光栅测点与温度补偿传感器的温度光栅测点对齐设置，两光栅测点间的垂直距离尽量缩短，从而消除应变光栅的温度交叉干扰的问题且制作简便。
7.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
8.本实用新型的第一个方面提供一种基于温度修正的风电钢管桩应力监测装置，包括并列设置的温度补偿传感器和光纤应变传感器；
9.光纤应变传感器包括穿过螺纹铠管的应变光栅，应变光栅设有应变光栅测点；温度补偿传感器包括穿过毛细管的温度光栅，温度光栅设有温度光栅测点；温度补偿传感器和光纤应变传感器共同连接在钢管桩内表面上且应变光栅测点与温度光栅测点位置对应。
10.螺纹铠管外表面套接外护套。
11.外护套外表面设有至少两组锚固点，光纤应变传感器通过锚固点连接在钢管桩内
表面上，温度补偿传感器位于光纤应变传感器一侧。
12.应变光栅测点与温度光栅测点位于两组锚固点之间。
13.应变光栅测点与温度光栅测点在垂直方向对齐布置。
14.毛细管一端封闭，且毛细管的封闭端与温度光栅固定连接；
15.毛细管另一端经温度光栅连接信号接收处理装置，温度光栅露出毛细管的部分连接尾纤保护管。
16.还具有信号接收处理装置，温度补偿传感器和光纤应变传感器均与信号接收处理装置连接。
17.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
18.1、光纤应变传感器和温度补偿传感器处于同一环境下，采用同样的布线方式，使温度补偿更为精确。
19.2、两传感器由位置对应的测点获取信号，从而获得更加精确的应力数据。
20.3、温度补偿传感器既能测量实际温度，又可修正光纤应变传感器获取的应变监测结果，使得最终获取的应力监测结果更加精确。
21.4、两传感器与钢管桩表面固定连接后，随钢管桩应力同步变形，监测两锚固点之间的应变数据和温度数据，两锚固点之间距离可调，满足不同的监测需求。
附图说明
22.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
23.图1是本实用新型一个或多个实施例提供的整体结构示意图；
24.图中：1.外护套，2.螺纹铠管，3.应变光栅，4.应变光栅测点，5.锚固点，6.毛细管，7.温度光栅，8.温度光栅测点，9尾纤保护管。
具体实施方式
25.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
26.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
27.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实用新型的示例性实施方式。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。
28.正如背景技术中所描述的，采用电阻应变片监测风电桩基础的结构时，容易受到电磁干扰、环境影响等问题使得寿命短且精度不高。而现有技术利用光纤传感器监测桩基础应力时，光纤传感器又容易受到温度变化使得传感器自身产生结构变形，从而引发光纤栅点的波长变化，导致桩基础的应力监测结果不准确，现有技术通过额外布置的温度计来应对，既不简便也不精确。
29.例如：
30.申请号201820879417.3，《贴片式光纤光栅应变传感器》，利用低温玻璃焊料封装形成的贴片式应变传感器，该结构没有温度补偿功能，故实际应用中会存在温度漂移的问题；
31.申请号201620375417.0，《一种光纤光栅贴片式应变传感器》，虽然具有温度补偿功能，但是该温补光栅两端均固定于不锈钢片，不锈钢片仍然会受应力及温度的双重影响。在实际应用中，该结构的光纤光栅传感器刚度较大，则与被测结构的应变耦合性差，从而使应变灵敏性低。
32.因此，以下实施例给出了一种基于温度修正的风电钢管桩应力监测装置，光纤应变传感器利用解调设备预先拉伸调节保证传感器正负量程线性变化的一致性；再将并列设置的温度补偿传感器和光纤应变传感器以“全面粘贴”的形式布设在钢管桩内表面，其中，光纤应变传感器的应变光栅测点与温度补偿传感器的温度光栅测点对齐设置，两光栅测点间的垂直距离尽量缩短，从而消除应变光栅的温度交叉干扰的问题且制作简便。
33.实施例一：
34.如图1所示，一种基于温度修正的风电钢管桩应力监测装置，包括并列设置的温度补偿传感器和光纤应变传感器；
35.光纤应变传感器包括穿过螺纹铠管2的应变光栅3，螺纹铠管2外表面套接外护套1，应变光栅3设有应变光栅测点4；
36.温度补偿传感器包括穿过毛细管6的温度光栅7，温度光栅7设有温度光栅测点8；
37.温度补偿传感器和光纤应变传感器共同连接在钢管桩内表面上且应变光栅测点4与温度光栅测点8位置对应。
38.本实施例中，应变光栅穿过螺纹铠管，外护套包裹螺纹铠管，锚固点通过粘结剂固定于铠管两侧；温度光栅穿过毛细管，一侧通过粘结剂固定；光纤应变传感器和温度补偿传感器同步全黏贴布设于钢管桩内表面，确保两传感器在钢管桩受应力产生应变时，能够跟随钢管桩同步跟随应变。
39.外护套1外表面设有至少两组锚固点5，光纤应变传感器通过锚固点5连接在钢管桩内表面上，温度补偿传感器位于光纤应变传感器一侧。
40.应变光栅测点4与温度光栅测点8位于两组锚固点5之间；两组锚固点5之间的距离不受限制，依据不同的监测要求调整。
41.本实施例中，锚固点之间的距离可调，即标具可自定义；锚固点材料为陶瓷，确保防腐、抗干扰及防水性能要求。
42.毛细管6一端封闭，且毛细管6的封闭端与温度光栅7固定连接；毛细管6另一端经温度光栅7连接信号接收处理装置，温度光栅7露出毛细管6的部分连接尾纤保护管9，利用尾纤保护管9保护裸露的温度光栅7。
43.本实施例中，毛细管6材料为细钢管或玻璃管。
44.本实施例中，外护套、螺纹铠管、应变光栅尾纤、应变光栅测点和锚固点组成光纤应变传感器；
45.本实施例中，毛细管、温度光栅尾纤、温度光栅测点和尾纤保护管组成温度补偿传感器；
46.本实施例中，光纤应变传感器和温度补偿传感器用环氧树脂胶黏贴在风电钢管桩表面。
47.上述结构光纤应变传感器获取钢管桩的应变，经信号接收处理装置转换为应力信号输出；温度补偿传感器获取温度数据经信号接收处理装置输出；光纤应变传感器和温度补偿传感器处于同一环境下，采用同样的布线方式，使温度补偿较为精确。
48.两传感器由位置对应的测点获取信号，从而获得更加精确的应力数据。
49.温度补偿传感器既能测量实际温度，又可修正光纤应变传感器获取的应变监测结果，使得最终获取的应力监测结果更加精确。
50.两传感器与钢管桩表面固定连接后，随钢管桩应力同步变形，监测两锚固点之间的应变数据和温度数据，两锚固点之间距离可调，满足不同的监测需求。
51.上述装置的工作方法，包括以下步骤：
52.温度补偿传感器放置在光纤应变传感器一侧，应变光栅测点4与温度光栅测点8位置对应；
53.光纤应变传感器连接解调设备，获取应变光栅波长变化，调节应变光栅的拉伸状态对应变光栅预拉伸；
54.当应变光栅处于拉伸状态时，被测结构发生拉伸变形，应变光栅继续拉伸则波长增加；当被测结构发生压缩变形时应变光栅释放预拉伸的形变，因此预拉伸调节可以保证温度补偿传感器正负量程线性变化的一致性。
55.光纤应变传感器与温度补偿传感器共同固定在钢管桩内表面，执行应力监测。
56.具体过程如下：
57.第一步组装前准备。根据监测要求由外护套1、螺纹铠管2、应变光栅尾纤3、应变光栅测点4和锚固点5组成的光纤应变传感器，摆成直线状，将由毛细管6、温度光栅尾纤7、温度光栅测点8和尾纤保护管9组成的温度补偿传感器放置在光纤应变传感器一侧。将应变光栅测点4与温度光栅测点8对齐放置。
58.第二步，预拉伸调节，将光纤应变传感器接在解调设备上，根据量程设计，计算应变光栅预拉波长变化，调节应变光栅的拉伸状态并对光栅进行预拉。当应变光栅处于拉伸状态时，被测结构发生拉伸变形，应变光栅继续拉伸则波长增加，当被测结构发生压缩变形时应变光栅释放预拉伸的形变，因此预拉伸调节可以保证传感器正负量程线性变化的一致性，利用预拉伸，提升光纤应变传感器压应变的敏感性。
59.第三步全面粘贴。用环氧树脂胶将光纤应变传感器与温度补偿传感器以“全面粘贴”的形式布设在钢管桩内表面，应变光栅测点4与温度光栅测点8尽量对齐，两类光栅测点间垂直距离尽量缩短以确保温度修正的精确性。
60.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。