一种内置传感器的智能缆索及传感器封装方法与流程

本发明涉及智能缆索技术领域，具体涉及一种内置传感器的智能缆索及传感器封装方法。

背景技术：

斜拉索、主缆及吊索作为缆索承重桥梁结构主要的受力构件，长期处在高应力循环疲劳荷载作用下，其截面尺寸小，对腐蚀非常敏感。一旦因斜拉索或吊索耐久性和安全性不足出现病害与劣化，桥梁承载能力丧失会导致垮塌的恶性事故，造成恶劣的社会影响和巨大的经济损失。为确保大桥的安全运营，有必要对缆索承重桥梁的斜拉索、主缆及吊索等进行预防性维护和安全性检测。

智能缆索技术是将应变传感元件(温度、应力或振动等传感器)在缆索制作过程中直接植入缆索结构，赋予缆索自感知能力的一种新技术。目前世界各国的桥梁工程师们都在关注着桥梁智能缆索的研究和应用，如何将精密的传感器和缆索相结合，使传感器经受住缆索的各道制造工序最终成活，并能准确地输出传感信号，从而有效地保证内置传感器的存活率是智能缆索研究的一大难题。

考虑缆索制造的各道工序，传感器埋入拉索可有两种形式：整体敷设法和局部埋植法。整体敷设法是将传感器以适当结构形式封装，做成线缆结构，与钢丝一起参与缆索制造的各道工序，与钢丝扭绞灌锚成一体，通过传感器的输出获知缆索的整体变形。局部埋植法是将传感器埋植在缆索内的局部位置，如靠近锚端等，以实现对索力和温度等参数的检测。但是，对于传统的局部埋植法，一般是将传感器直接粘接或机械连接到钢丝上，传感器的寿命较低，不能实现缆索状态全寿命监测。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的局部埋植法，传感器的寿命较低，不能实现缆索状态全寿命监测的问题，提供一种内置传感器的智能缆索及传感器封装方法。

一种内置传感器的智能缆索，包括：

缆索，所述缆索的端部部分剥除外壳，以显露所述缆索内的钢丝；

金属材料制作的基底，焊接固定在所述钢丝上；及

表面金属化的传感器，焊接固定在所述基底上，所述传感器的测量方向与所述缆索的轴向方向相同。

在其中一个实施例中，所述基底为矩形，所述基底沿其短边弯曲成弧形，且该弧形的半径与所述钢丝的半径相同。

在其中一个实施例中，所述基底的端面设有向内凸出的插块，所述插块插入到钢丝束之间的间隙内。

在其中一个实施例中，还包括柔性的金属插条，所述金属插条设置于钢丝束的间隙内，并沿着钢丝束的间隙变形延伸，所述金属插条位于基底两端的插块之间。

在其中一个实施例中，所述基底上开设有多排焊接孔，且每排的所述焊接孔沿所述缆索的轴向方向间隔设置，所述传感器的两侧均布置有至少一排所述焊接孔。

在其中一个实施例中，所述基底的外表面设有定位凸块，所述定位凸块沿所述缆索的轴向方向延伸，所述传感器的表面设有与所述定位凸块配合的定位槽。

一种传感器封装方法，利用上述任意一项所述的内置传感器的智能缆索，其特征在于，包括以下步骤：

对传感器进行表面金属化处理；

将传感器焊接到金属材料制成的基底上；

使传感器的测量方向与缆索的轴向方向相同，然后将基底焊接固定在缆索外露的钢丝上；

对传感器的外露部分、基底和钢丝进行防腐。

在其中一个实施例中，所述对传感器进行表面金属化处理的步骤具体为：

对传感器的表面进行预处理，然后在传感器的表面化学镀镍。

在其中一个实施例中，将基底焊接固定在缆索外露的钢丝上的步骤具体为：

将柔性的金属插条插入到钢丝束的间隙内，且使金属插条沿着钢丝束的间隙变形延伸；

将基底的插块对准钢丝束的间隙，然后将基底贴合到钢丝上，并将金属插条固定在基底两端的插块之间；

将基底的周缘与钢丝焊接，然后通过焊接孔点焊固定基底。

在其中一个实施例中，所述将基底焊接固定在钢丝上的步骤具体为：

采用低温钎料焊接或者焊机，将所述基底焊接固定在所述钢丝上。

上述内置传感器的智能缆索及传感器封装方法至少具有以下优点：

将传感器表面金属化后，金属化的传感器焊接在基底上，基底焊接在钢丝上，从而可以将传感器封装在缆索内，较传统的粘接和机械连接方式，传感器不直接固定到钢丝上，且传感器采用无胶封装，焊接固定稳定，可以大幅度提高传感器的耐疲劳性能和耐腐蚀性能，显著增加传感器的使用寿命，实现对缆索状态的全寿命监测。同时，仅剥除缆索的部分外壳，而不破坏钢丝本身的结构，不会降低缆索的寿命。

附图说明

图1为一实施方式中内置传感器的智能缆索的结构示意图；

图2为图1中基底的左视图；

图3为一实施方式中金属插条的结构示意图；

图4为图3中的金属插条填充于基底和钢丝束之间的结构示意图；

图5为图1中基底的表面开设焊接孔的结构示意图；

图6为一实施方式中传感器封装方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，一实施方式中的内置传感器的智能缆索，包括缆索12、金属材料制成的基底14及表面金属化的传感器16。

缆索12包括钢丝绳和外壳，外壳套设在钢丝绳外，外壳用于保护钢丝绳。缆索12的端部部分剥除外壳，可以显露缆索12内的钢丝。一实施方式中，外壳为pe(polyethylenepipe，聚乙烯塑料)制成。

基底14由金属材料制成，基底14焊接固定在缆索12外露的钢丝上。一实施方式中，基底14为不锈钢板或镍基合金板。基底14为矩形，且基底14的长边与缆索12的轴向方向一致。基底14沿其短边弯曲成弧形，且基底14弯曲弧形的半径与钢丝的半径相同，以保证基底14与钢丝相贴合，保证基底14焊接后的稳固。

请参阅图2至图4，一实施方式中，基底14的端面设有向内凸出的插块142，插块142与基底14的端面平齐，插块142沿基底14的径向方向延伸突出基底14的内壁，基底14的两端均设有插块142，插块142的形状与钢丝束122之间的间隙适配。基底14贴合到钢丝上时，插块142插入到钢丝束122之间的间隙内，基底14与钢丝之间相互咬合，基底14的周缘和钢丝束122之间的间隙较小，能够避免焊接过程中过多的熔融钢丝，破坏钢丝本身的结构，同时能够保证基底14焊接固定在钢丝上的稳定。

在上述实施方式的基础上，进一步地，内置传感器16的智能缆索12还包括柔性的金属插条18，金属插条18设置于钢丝束122之间的间隙内。柔性的金属插条18能够变形，因此可以沿着钢丝束122之间的间隙变形延伸。金属插条18设置于钢丝束122之间的间隙内后，金属插条18的表面与钢丝表面相切同圆。金属插条18位于基底14的覆盖区域内，且金属插条18固定在基底14两端的插块142之间。一实施方式中，金属插条18可以为铁金属制成，细长的铁制插条能够在外力的作用下变形沿着钢丝束122的间隙延伸。

请参阅图5，基底14的表面开设有多排焊接孔144，且每排的焊接孔144沿缆索12的轴向方向间隔布置。将基底14焊接到固定到钢丝上时，可以先将基底14的周缘与钢丝焊接，初步固定基底14，然后通过焊接孔144进行点焊，点焊的过程中能够熔融金属插条18，熔融的金属插条18填充满基底14内壁和钢丝束122之间的间隙，实现将基底14的内壁与钢丝焊接。基底14通过多个焊接点与钢丝焊接，基底14表面均匀受力，能够使钢丝的应力应变均匀传递到基底14上，保证传感器16监测数据的准确。

传感器16的表面金属化后，传感器16焊接于基底14上，传感器16的测量方向与缆索12的轴向方向相同，以使传感器16能够监测缆索12的状态。传感器16的表面金属化处理，可以通过在传感器16的表面镀设金属材料，如采用化学镀的方式镀设一层金属。

一实施方式中，基底14的外表面设有定位凸块(图未示)，定位凸块沿缆索12的轴向方向方向延伸，传感器16的表面设有定位槽，定位槽与定位凸块插接配合，能够保证传感器16的测量方向与缆索12的轴向方向相同，保证传感器16测量的准确。一实施方式中，传感器16为光纤光栅应变传感器。传感器16表面的定位槽可以在传感器16表面金属化时形成。

请参阅图6，本发明还提供一种传感器封装方法，为实现该封装方法，其采用上述内置传感器的智能缆索。具体地，该封装方法包括如下步骤：

步骤s110：对传感器16进行表面金属化处理。

对传感器16表面进行金属化处理，可以在传感器16的表面镀设金属材料。具体地，对传感器16进行表面金属化处理的步骤具体为：对传感器16的表面进行预处理，然后在传感器16的表面化学镀镍。对传感器16的表面进行预处理，可以提高传感器16表面的镀层质量。一实施方式中，传感器16为光纤光栅应变传感器。对传感器16的表面进行预处理的步骤具体为：对传感器16的表面进行碱洗、水洗、粗化、热处理、活化及解胶。

一实施方式中，在上述步骤s110之前，上述方法还包括：缆索12挤塑形成外壳后，安装分丝板，将缆索12的端部插入到锚具的套筒内，然后进行灌锚，最后将缆索12位于套筒内的部分外壳剥除，以显露缆索12内的钢丝，便于后续传感器16的封装。

步骤s120：将传感器16焊接到金属材料制成的基底14上。

具体地，基底14材料为不锈钢板或镍基合金薄板。将传感器16的定位槽与定位凸起插接，实现将传感器16安装到基底14上，且能够使传感器16的测量方向与基底14的长边方向相同。传感器16安装后，传感器16的两侧均具有至少一排焊接孔144。一实施方式中，传感器16的两侧均具有两排焊接孔144，且传感器16同一侧的两排焊接孔144相互错位设置。最后将传感器16焊接到基底14上，从而将传感器16和基底14固定为一个整体。

步骤s130：使传感器16的测量方向与缆索12的轴向方向相同，然后将基底14焊接固定在缆索12外露的钢丝上。

具体地，基底14为矩形，且基底14的长边与缆索12的轴向方向一致，从而实现将传感器16的测量方向与缆索12的轴向方向相同。基底14沿其短边弯曲成弧形，且基底14弯曲弧形的半径与钢丝的半径相同，以保证基底14与钢丝相贴合，保证基底14焊接后的稳固。基底14焊接在钢丝可以采用低温钎料焊接，或者使用焊机直接焊接。

一实施方式中，将基底14焊接固定在缆索12外露的钢丝上的步骤具体为：将柔性的金属插条18插入到钢丝束122的间隙内，且使金属插条18沿着钢丝束122的间隙变形延伸。将基底14一端的插块142对准钢丝束122的间隙，然后将基底14旋转贴合到钢丝上，金属插条18被基底14遮挡覆盖，且金属插条18固定在基底14两端的插块142之间。最后将基底14的周缘与钢丝焊接，初步将基底14固定，然后通过焊接孔144点焊固定基底14。基底14通过多个焊接点与钢丝连接，基底14表面均匀受力，能够使钢丝的应力应变均匀传递到基底14上，进而保证传感器16监测数据的准确。

步骤s140：对传感器16的外露部分、基底14和钢丝进行防腐。

具体地，在基底14与缆索12钢丝之间进行焊接后，完成传感器16的封装，然后对传感器16的外露部分、基底14和钢丝进行防腐，可以避免传感器16、基底14和钢丝被腐蚀，提高传感器16的使用寿命。一实施方式中，可以在传感器16外露部分、基底14和钢丝上涂覆黄油等防腐材料进行防腐。

一实施方式中，在上述步骤s140之后，上述方法还包括：在套筒内灌注密封膏。在传感器16固定到钢丝上后，即可进行缆索12生产的后续操作，最后在套筒内灌注密封膏，可以起到对传感器16及引线162进行保护的作用。

上述内置传感器的智能缆索及传感器封装方法，将传感器16金属化后，金属化的传感器16焊接在基底14上，基底14焊接在钢丝上，从而可以将传感器16封装在缆索12内，较传统的粘接和机械连接方式，传感器16不直接固定到钢丝上，且传感器16采用无胶封装，焊接固定稳定，可以大幅度提高传感器16的耐疲劳性能和耐腐蚀性能，显著增加传感器16的使用寿命，实现对缆索12状态的全寿命监测。同时，仅剥除缆索12的部分外壳，而不破坏钢丝本身的结构，不会降低缆索12的寿命。基底14通过多个焊接点与钢丝连接，基底14表面均匀受力，能够使钢丝的应力应变均匀传递到基底14上，进而保证传感器16监测数据的准确。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。