使用光纤传感器监测绳索和绳索状结构中张力的系统和方法

摘要

本申请公开了使用光纤传感器监测绳索和绳索状结构中张力的系统和方法，其中所述系统包括：多个传感器组件(102)，每一传感器组件的一侧上包括一开口(102a)；可拆卸地容纳于所述传感器组件(102)的所述开口(102a)上的多个光学传感元件(102b)；连接所述多个光学传感元件(102b)与传感器分析器(106)的光纤(108)；其中所述传感器分析器(106)经所述光纤(108)自所述光学传感元件(102b)接收信号；及所述多个传感器组件(102)安装至绳索(104)的外股线(104b)。本发明使能够有效且高效地识别绳索的缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及使用光纤传感器测量承重绳索和绳索状结构的张力的系统和方法，其中将传感器组件安装在所述结构的表面上的精确位置处，藉此，通过光纤传感器产生的光学信号的改变可指示所述结构的张力。

背景技术

绳索和绳索状结构为支撑拉力负载的有效结构。由于弯曲灵活性，这些结构广泛地用于建筑行业中起重及建筑物中升吊载客。绳索典型地由多股平行承重股线形成，这些股线以成螺旋形方式绞拧在一起以允许组件作为紧密整体操作。每一承重股线由钢丝、聚酰胺纤维或其复合物制成。绳索的张力为当今关键安全性问题之一。绳索缺陷可削弱操作期间承重能力，从而可导致相当严重的后果。

绳索状态通常通过实体外观及操作时段来评估。尽管通常在一定操作时段后丢弃绳索，但过去偶尔仍有绳索缺陷事件发生。因此，这类方法可能不能准确地评估实际绳索使用寿命。

现有技术中已公开了几种绳索缺陷检测方法。第101259931B号中国专利公开了一种钢丝绳检查装置以及绳索外径测定方法。在升降器绳索的两侧处设置水平激光线及光检测装置。激光束在入射至检测装置之前部分被绳索阻挡。检测装置产生的信号提供绳索的直径信息。当信号存在偏差时，反映了光入射位置处存在潜在缺陷。另外，第102015016416A1号德国专利申请公开了一种用于识别编结绳索中缺陷且在编结过程期间校正该等缺陷的检测系统及方法。呈径向布置的多对发光源及摄影机用于在不同角度位置捕获绳索影像、如断线及编结不规则等缺陷。然而，该检测系统无法识别绳索的面下缺陷。因此，需要提供一种用于检测绳索缺陷的有效且高效的方法。

第7,123,030号美国专利公开了一种用于检测具有导电性张力部件的升降器绳索的方法及设备，藉此，张力部件中测得的电阻指示缺陷。磁通量气磁机用于磁化受测绳索，而使该绳索变成磁性电路的一部分。理想情况下，磁通量平行于绳索，如果金属线中存在诸如破裂、断线或曲折缺陷，则这些缺陷可造成磁通量局部边缘效应，因此可使用磁通量传感器来识别。该方法适用于仅由铁磁性材料制成的绳索。

第5,182,779号美国专利公开了一种用于监测绳索结构及含有绳索的刚性结构上的应变及应力的系统，其中绳索结构中包含光纤。监测光纤中由光纤上应变及应力引起的光透射或反射性质的改变。当光学信号射入至作为细长部件并入于绳索中的光纤的一端时，可通过检测射出光纤的光学信号而观测由绳索上缺陷引起的、导致应变的刺激。然而，该系统可能需要复杂的步骤以在编结过程期间将精细的玻璃光纤跟钢丝一同编织于绳索内。

根据现有技术，需要改进的绳索张力监测系统，其为监测沿绳索或绳绳索状结构分布的张力以识别其中的缺陷的简单、容易安装且因此有效的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于使用光纤传感器监测绳索和绳绳索状结构中张力的改进且有效的系统和方法。

本发明的目的还在于提供一种用于监测绳索和绳索状结构中张力的简单且容易的方法。

本发明的另一目的在于提供一种将传感器组件安装到绳索和绳索状结构的简单且高效的方法。

因此，上述目的可通过遵循本发明教示来达成。本发明提供一种用于监测绳索和绳索状结构的张力的系统，包括：多个传感器组件，每一传感器组件的一侧上包括开口；可拆卸地容纳于传感器组件开口上的多个光学传感元件；连接多个光学传感元件与传感器分析器的光纤；其中，传感器分析器经由光纤接收来自光学传感元件的信号；多个传感器组件安装至绳索的外股线。

附图说明

当结合本发明优选实施例的附图阅读下面的详细描述时，将更容易地理解和了解本发明的特征，其中：

图1示出了用于绳索或绳索状结构的光纤张力监测系统的示意图；

图2示出了绳索的结构及传感器组件在该绳索上的设置的透视图；

图3示出了传感器组件在绳索的各外股线上的设置；

图4示出了由图3中所设置的传感器组件产生的信号的时序图；

图5示出了本发明的绳索监测系统的框图。

具体实施方式

出于增进及理解本发明原理的目的，现将参考附图所示及以下书面描述的实施例。应理解，本发明包含对所说明的实施例的任何变更及修改，且包含如本领域技术人员通常将意识到的本发明原理的进一步应用。

本发明提出一种用于监测绳索和绳索状结构100中张力的系统，包括：多个传感器组件102，每一传感器组件的一侧上包括开口102a，该开口可拆卸地容纳多个光学传感元件102b；连接多个光学传感元件102b与传感器分析器106的光纤108；其中，传感器分析器106经由光纤108自光学传感元件102b接收信号；及多个传感器组件102安装至绳索104的外股线104b上。

在本发明的优选实施例中，传感器组件102的内表面包括略微小于绳索104直径的两个侧面，其中，这些侧面由弹性材料制成以施加极小力即可夹在并紧紧固定在绳索104上。

在本发明的优选实施例中，传感器组件102进一步包括内部复杂凹形曲度。该形状与绳索104表面凸形曲度互补，藉此，它们的界面可极佳地绑定在一起。

在本发明的优选实施例中，光学传感元件102b通过遍及传感器组件102的外表面上的开口102a的黏合剂而黏附至绳索104的外股线104b。光学传感元件102b被导引至绳索104的正确位置，其中，光学传感元件的感测轴200与绳索轴202对准以测量一股外股线104b的张力。

在本发明的优选实施例中，传感器分析器106进一步连接至绳索状态指示器110、控制系统112及远端数据中心114。绳索状态指示器110提供监测下绳索104状态的听觉或视觉指示。控制系统112基于测得的绳索104状态而调整操作参数。远端数据中心114出于数据存储及维护排程的目的接收测量数据。

本发明也进一步提出一种用于监测绳索和绳索状结构100中张力的方法，其包括以下步骤：把光学传感元件102b容纳于多个传感器组件102的每一开口102a上；将多个传感器组件102的内表面安装至绳索104的每一外股线104b；黏附光纤108以将多个光学传感元件102b连接至传感器分析器106；以及根据多个光学传感元件102b产生的信号分析张力状态。

在本发明的优选实施例中，传感器组件102安装成使感测轴200与绳索轴202对准以用于测量张力。

在本发明的优选实施例中，光学传感元件102b通过遍及开口102a涂敷黏合剂而黏附于多个传感器组件102的外表面上。黏合剂包含但不限于环氧树脂。

在本发明的优选实施例中，张力状态分析包括对绳索104的不同外股线104b的张力进行比较。

在本发明的优选实施例中，一个光学传感元件102b安装至绳索104的外股线104b中的每一者以测量绳索104的一股特定外股线104b的张力。所有光学传感元件102b通过光纤108连接至传感器分析器106，以用于测量绳索104的所有外股线104b的张力，同时监测同一绳索104以及其他绳索104不同区段处的张力。

图1中示出了用于绳索或绳索状结构100的光纤张力监测系统的示意图。参看图1，多个悬挂绳索104用于悬挂梯厢及导引梯厢上下移动。多个传感器组件102安装至绳索104的外股线104b。根据图1，两个传感器组件102安装于同一绳索104上。可拆卸地容纳于传感器组件102的开口102a上的多个光学传感元件102b经由光纤108连接至传感器分析器106。来自梯厢重量的静态负载和/或来自乘客的动态负载引起绳索104张力变化，因此扰动所贴附的传感器组件102。传感器组件102的光学传感元件102b产生对应于绳索104张力变化的光学信号。传感器分析器106确定所有所连接的传感器组件102的张力，并在分析光学信号后产生必要的控制及指示。

图2示出了绳索104的结构以及传感器组件102在绳索104上的设置的透视图。图2中示出了包括一股芯部股线104a及八股外股线104b的典型9股单层绳索104。外股线104b以α角204围绕芯部股线104a成螺旋形地卷绕，其中多束股线104b结合在一起。通常，添加至绳索104的一端的负载固有地由所有外股线104b分担，且直接对应于外股线104b的张力。由于直接使用及由于环境曝露撕裂，外股线104b易于削弱。因此，与光纤108连接的光学传感元件102b必需固定在绳索104的精确专用位置中以用于有效且高效地测量绳索104的每一外股线104b的张力。

进一步参看图2，每一传感器组件102在一侧上包括开口102a。光学传感元件102b可拆卸地容纳于传感器组件102的开口102a上，其中光学传感元件102b被导引至绳索104的正确位置，其中光学传感元件的感测轴200与绳索轴202对准以用于测量一股外股线104b的张力。同时，传感器组件102的内表面具有复杂凹形曲度，与绳索104表面的凸形曲度互补，因此二者的界面可极佳地绑定在一起。传感器组件102还包括略微小于绳索104直径的两个侧面，其中传感器组件无需额外的固定机构即可轻松夹在并自固定在绳索104上。

传感器组件102在绳索104各外股线104b上的设置如图3中所示。多个传感器组件102安装于绳索104的短区段上。每一传感器组件102用于测量绳索104的一股特定外股线104b的张力。参看图3，八个传感器组件102用于绳索104的八股外股线104b，即分别为第一股线至第八股线。传感器组件102的开口102a上的所有光学传感元件102b均通过光纤108连接至传感器分析器106。因此，该设置为综合测量配置，其中同时测量区段中绳索104的所有外股线104b的张力。绳索104的状态如缺陷可通过分析每一外股线104b的张力测量值来识别。

在图4中，示出了由图3中设置的传感器组件102产生的信号的时序图。当不同负载量施加至绳索104时，时隙A及B示出了绳索104的所有外股线104b的负载量相似。类似的负载量及张力指示绳索104对于时隙A及B是安全的绳索104。相比而言，时隙C示出了在绳索104的外股线104b断裂情况下的传感器信号输出。张力在第六外股线104b断裂时降至零，而其他传感器组件102的张力展示张力测量值增大，这是因为最初由第六外股线104b承载的负载重新分布至其余七股外股线104b。此外，当存在细微缺陷，诸如股线中的线断裂或编结不规则时，预期横越外股线104b的负载分布逐渐发生改变。因此，当第七外股线104b中的张力逐渐增大而所有其他股线中的张力减小时，时隙D中的测量值表明第七外股线104b具有缺陷。此外，当同时操作多个绳索104时，时隙E表明在其他绳索104中存在缺陷时的传感器信号。绳索104中所有传感器组件102的张力逐渐增大，这是由于其他绳索104承重能力同时减弱。

图5示出了本发明的绳索监测系统100的框图。图5中的绳索监测系统100示出了四个传感器组件102的设置且这些传感器组件与传感器分析器106连接。传感器分析器106自所连接的传感器组件102收集信号，且因此基于包含于光学信号中的信息执行张力计算及缺陷识别。传感器分析器106进一步连接至绳索状态指示器110，该绳索状态指示器提供绳索104状态的可听或视觉指示；控制系统112，其基于所测量的绳索104的状态调整操作参数；以及远端数据中心114，其接收测量数据以用于数据存储及维护排程。

本发明中的监测系统100可高效且有效地测量绳索104上的缺陷，特别是在绳索104的每一股线104b与传感器组件102固定在一起时。这使能同时且连续地测量绳索104的每一股线104b的张力。亦可同时测量多个绳索104的张力。除此之外，监测绳索及绳索状结构100的张力的方法简单且易于使用。

在上面解释的本发明不限于前述实施例和图示，对于本领域技术人员将显而易见的是，可在不脱离本发明范围的情况下进行各种替代、变型及改变。

100：绳索及绳索状结构/绳索监测系统

102：传感器组件

102a：开口

102b：光学传感元件

104：绳索

104a：芯部股线

104b：外股线

106：传感器分析器

108：光纤

110：绳索状态指示器

112：控制系统

114：远端数据中心

200：感测轴

202：绳索轴

204：α角

A，B，C，D，E：时隙