[發(fā)明專利]分布式光纖-保護層-粘貼層-基體應變傳遞的計算方法

有效

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• 申請日: 2021-03-16
• 公開（公告）號: CN112923864B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉洋;徐乾恩;李虎;門燕青;黃永亮
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學;濟南軌道交通集團有限公司
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G01D5/353
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

1.一種分布式光纖-保護層-粘貼層-基體應變傳遞的計算方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)所采用的分布式感測光纜截面參數(shù)，確定光纖復合保護層的剛度指標，構(gòu)建核心光纖與復合保護層的剪切關(guān)系模型，計算核心光纖-復合保護層的應變傳遞率；具體計算步驟如下：

步驟一一：以復合保護層中剛性層為分界，將復合保護層劃分為內(nèi)保護層-剛性層-外保護層結(jié)構(gòu)，分層確定每一層截面尺寸和材料參數(shù)，構(gòu)建核心光纖與復合保護層的剪切關(guān)系模型如式(1)所示，

式中，r_f為核心光纖軸心到核心光纖-內(nèi)保護層界面的徑向距離，r_i為核心光纖軸心到內(nèi)保護層-剛性層界面的徑向距離，τ_f為核心光纖-內(nèi)保護層界面處的剪應力，ε_f為核心光纖正應變，τ_i,r為內(nèi)保護層中距光纖軸心距離r處某一界面的剪應力，E_f、E_i分別為核心光纖與內(nèi)保護層的彈性模量，dx為光纖微段長度，G_i為內(nèi)保護層的剪切模量，u_f、u_s分別為核心光纖與剛性層的軸向變形；

步驟一二：利用核心光纖與復合保護層的剪切關(guān)系模型，由式(2)計算核心光纖-復合保護層應變傳遞率α₁，

式中，L為感測光纜粘貼長度，ε_s為剛性層正應變，α₁表示距粘貼端點x處的應變傳遞率，k₁表示α₁計算過程中的剪滯參數(shù)，cosh(·)表示雙曲余弦函數(shù)；

步驟二：根據(jù)分布式感測光纜現(xiàn)場布設(shè)條件，確定分布式感測光纜粘貼層厚度及其剪切模量，計算基于剪滯理論的復合保護層-粘貼層-基體應變傳遞率；具體計算步驟如下：

步驟二一：確定感測光纜粘貼層的尺寸及材料屬性，按照式(3)構(gòu)建基于剪滯理論的復合保護層-粘貼層-基體應變傳遞模型，

式中，r_s為核心光纖軸心到剛性層-外保護層界面的徑向距離，r_o為核心光纖軸心到外保護層-粘貼層界面的徑向距離，r_a為核心光纖軸心到粘貼層-基體界面的徑向距離，τ_s為剛性層-外保護層界面處的剪應力，ε_s為剛性層正應變，τ_o,r為外保護層中距光纖軸心距離r處某一界面的剪應力，τ_a,r為粘貼層中距光纖軸心距離r處某一界面的剪應力，A_s為剛性層橫截面面積，D_a為粘貼層寬度，E_s、E_o、E_a分別為剛性層、外保護層、粘貼層的彈性模量，σ_s、σ_o、σ_a分別為剛性層、外保護層、粘貼層的正應力，dx為光纖微段長度，G_o、G_a分別為外保護層、粘貼層的剪切模量，u_m、u_s分別為基體、剛性層的軸向變形，為外保護層中距光纖軸心ro處界面的剪應力；

步驟二二：利用基于剪滯理論的復合保護層-粘貼層-基體應變傳遞模型，按照式(4)計算得到復合保護層-粘貼層-基體應變傳遞率α₂，

其中，ε_m表示基體應變，k₂表示α₂計算過程中的剪滯參數(shù)；

步驟三：根據(jù)現(xiàn)場布設(shè)條件，建立分布式光纖傳感的光纖-復合保護層-粘貼層-基體數(shù)值模型，根據(jù)誤差最小原則，修正計算步驟一和步驟二中應變傳遞率的剪滯參數(shù)，獲得光纖-復合保護層-粘貼層-基體的應變傳遞率修正后結(jié)果；所述應變傳遞率修正方法為：

步驟三一：根據(jù)實際布設(shè)條件，建立光纖-復合保護層-粘貼層-基體數(shù)值模型，計算得到感測光纜應變傳遞率的數(shù)值模擬計算結(jié)果α_M，

α_M＝[α_M1,α_M2,...,α_Mi,...,α_MN] (6)

式中，α_Mi為數(shù)值模型中第i個節(jié)點處的應變傳遞率計算結(jié)果，數(shù)值模型共劃分了N個節(jié)點，α_MN為數(shù)值模型中第N個節(jié)點處的應變傳遞率計算結(jié)果；

步驟三二：綜合考慮核心光纖-復合保護層應變傳遞率α₁與復合保護層-粘貼層-基體應變傳遞率α₂，按照式(7)計算應變傳遞率的理論值α，

步驟三三：根據(jù)數(shù)值模型中的節(jié)點劃分位置，采用式(7)構(gòu)建多節(jié)點的應變傳遞率α_T，

α_T＝[α_T1,α_T2,...,α_Ti,...,α_TN] (8)

式中，α_Ti為第i個節(jié)點處應變傳遞率的理論計算結(jié)果，數(shù)值模型共劃分了N個節(jié)點，α_TN為第N個節(jié)點處應變傳遞率的理論計算結(jié)果；

步驟三四：按照式(9)計算參考量S，

S＝(α_M-α_T)(α_M-α_T)^T (9)

采用式(10)分別計算式(2)和(5)中剪滯參數(shù)k₁和k₂的修正系數(shù)為γ₁和γ₂，

k₁′＝γ₁k₁,k₂′＝γ₂k₂ (10)

式中，k₁′和k₂′分別表示式(2)和(5)中剪滯參數(shù)k₁、k₂的修正后結(jié)果；

將式(10)代入到式(7)～(9)，計算更新后的S，取參考量S最小時的修正系數(shù)作為最佳修正系數(shù)，最終按照式(11)計算修正后的光纖-復合保護層-粘貼層-基體的應變傳遞率α^*，

式中，為最佳修正系數(shù)；

步驟四：分布式感測光纜現(xiàn)場安裝完成后，測試得到光纜粘貼層厚度、寬度及長度指標，歸納分析光纜粘貼層參數(shù)指標的統(tǒng)計特征，并將上述統(tǒng)計特征代入步驟三，計算考慮光纜施工安裝因素影響的光纖-復合保護層-粘貼層-基體應變傳遞結(jié)果；具體計算方法如下：

感測光纜布設(shè)安裝完成后，對粘貼質(zhì)量進行檢查，逐段記錄光纜粘貼長度l；沿線隨機選取適量點，記錄相應的有效粘貼寬度D和粘貼厚度h，計算l、D、h的均值μ_l、μ_D、μ_h和方差σ_l、σ_D、σ_hX，將μ_l、μ_D、μ_h代入式(5)和式(4)中分別代替原式中的L、D_a、r_a－r_o，最終得到考慮感測光纜施工安裝因素影響的光纖-復合保護層-粘貼層-基體應變傳遞率α^*，