CN101251444A - 基于光纤光栅传感的翻车机在线健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅传感的翻车机在线健康监测系统，由分布式光纤光栅传感器、光纤光栅解调器、信号处理系统、数据库管理系统、在线监测评价系统组成，其方法是：第一步骤：建立翻车机模型，确定测量点；第二步骤：确定检测的光纤光栅传感器；第三步骤：确定光纤光栅解调器；第四步骤：合成应力计算，根据应变值，计算测点的合成应力值；第五步骤：翻车机状态分析：通过对关键测点的应力情况进行分析，得到翻车机的健康状态。本发明通过在线监测翻车机健康状况，及时发现翻车机故障倾向，消除故障隐患，解决了大型物料场特别是大型港口的瓶颈问题。

Description

基于光纤光栅传感的翻车机在线健康监测系统

技术领域

本发明属于大型装备在线监测领域，具体的讲是一种基于光纤光栅传感的翻车机在线健康监测系统。

背景技术

随着经济的快速发展，大型装备应用越来越广泛。翻车机是一种高效率的大型机械化卸车设备，已广泛使用在冶金、发电、化工及港口等大型企业的贮料场中。翻车机是装卸系统中最复杂、最关键的设备之一，其健康状况直接影响系统作业效率的高低，是大型物料场特别是大型港口的瓶颈设备。遵循“以先进的预知维护取代以时间为基础的预防性维护”的现代维修理念，为了实现预知维护，使翻车机能够长期安全稳定运转，研究其在线健康状况监测与评价系统势在必行。通过研究，对其工作状态提供在线监测和专家分析的整套方案，正确掌握翻车机的健康状况，及时发现并排除故障，避免重大设备事故的发生，提高作业效率具有重要的科研价值和现实意义。

健康监测评价技术涉及到测试技术、分析技术、信息技术及人工智能等领域，是学科交叉的综合性系统工程，直接全面地反映了翻车机制造与管理维护水平。由于测试技术条件的局限性，以前主要采用电阻应变计、振弦式传感器和电磁类测试技术，难以实现翻车机结构受力状况的长期可靠监测和实时动态数据采集以及准确定位故障；多年以来，很多其他的结构位移变形和荷载状况实时监测的技术都不能成熟应用。因此，实际上一直难以实现真正意义的翻车机长期健康监测。

自1989年Morey首次提到将光纤光栅用作传感以来，光纤光栅传感器受到了世界范围内的广泛重视。光纤光栅传感器的出现，使大型结构在线健康监测成为可能。据不完全统计，国外光纤光栅传感器已经在市政工程、电力工业、航空航天业、船舶工业、医学、核工业、石化工业、水利、采矿业等多个领域特别是大量工程获得了广泛应用。近年来，无论国内、国外，光纤光栅传感技术的长期、实时、在线监测的稳定性都受到专家们广泛的关注和认可，成为大型结构工程(如桥梁、大坝、石化等)健康监测的最主要核心技术之一，显示出优异的性能和良好的发展空间。然而，光纤光栅传感技术在大型装备中的应用还很少，尤其是在翻车机的健康状态监测方面还是一个空白。

发明内容

本发明的目的是采用光纤光栅传感技术，而提供一种通过采集翻车机关键测点的应力、应变、温度等信息，实时动态分析处理数据，准确推理和定位故障点，满足翻车机自动化监测和健康诊断的迫切需要，并能用于恶劣环境下的基于光纤光栅传感的翻车机在线健康监测系统。

为了实现上述目的，本发明由分布式光纤光栅传感器、光纤光栅解调器、信号处理系统、数据库管理系统、在线监测评价系统组成，其方法是：

第一步骤：建立翻车机模型，确定测量点：翻车机所受的载荷主要有：自重和配重；物料和车辆自重；液压夹紧力；液压系统自重，为此，首先建立翻车机有限元模型，其中翻车机主钢结构在工作中所承受的载荷除自重由程序计算外，其他载荷(包括车体及物料产生的轮压、液压系统自重、靠车板支撑杆的作用力、夹紧钩的重力及夹紧力、靠车板油缸作用力、走台栏杆的重力和夹紧钩导向套的重力)均按实际位置加到结构上，根据模型，找出翻车机受力关键点，为传感器布点提供理论依据。

第二步骤：确定检测的光纤光栅传感器：光纤光栅传感技术是通过对在光纤内写入的光栅反射或透射光谱布喇格波长的检测，实现被测结构的应变和温度量值的测量的技术。光纤光栅不仅具有光纤的小巧、柔软、抗干扰能力强，集传感与传输于一体，易于制作及易于埋入材料内部等特征，同时还具有波长分离能力强、传感精度和灵敏度极高、能进行精确定位和可以实现绝对数字测量的优点；特别是它可以实现分布传感，即在一根光纤上根据应用要求刻写多个不同的布喇格波长的光栅，在光纤一端实现所有光栅信号的检测，而且能进一步集合成分布传感网络系统，实现结构内多目标的应力、应变、温度等参数的实时、在线、分布式监测。

第三步骤：确定光纤光栅解调器：光纤光栅传感系统传感主要是以波长的微小位移为载体，所以传感系统中应有精密的波长或波长变化量的检测装置。对于Bragg光栅的理论分析及实验表明，FBG的温度和应变灵敏度很小。在Bragg波长为1500nm时，典型的温度和应变灵敏度为0.011nm/℃和0.0012nm/με。为了达到1℃和10με的测量精度，对于中心波长的位移Δλ_B的测量精度应优于0.01nm的量级。因此，Δλ_B的测量精度直接限制了整个系统的检测精度，Δλ_B的检测技术也就称为光纤光栅传感的关键技术之一。利用可调谐光纤法布里-珀罗腔测量光纤光栅传感器的反射波长，可以直接将波长信号转换成电信号，并且具有分辨率高、重复性好、体积小、价格低、灵敏度高、光能利用率高、操作简单和适用于工程应用的波长位移检测技术等优点。

光纤光栅解调器的主要性能指标如下：

解调速度：解调器典型工作速度50HZ～100HZ，最大工作速度大于200HZ；解调精度：系统分辨率达到1pm，典型误差为±1pm，最大误差小于±4pm；解调点数：可以四路同时解调，扫描范围为40nm，可以根据实际应用情况解调80个以上的传感光栅。

第四步骤：合成应力计算：光纤光栅传感器采集到的数据是测点发生的应变，根据测点不同，安装的传感器形式不同，分成有三种类型：单点、直角、应变花。单点就是每个测点一个应变传感器；直角就是每个测点2个应变传感器，组成直角；应变花就是每个测点3个应变传感器，组成应变花。根据应变值，可以计算测点的合成应力值。计算公式如下：

a、单点

σ＝0.206×ε

其中，σ为计算所得到的测点应力值，ε为单点光纤光栅传感器应变值；

b、直角

$\mathrm{\σ}=\frac{1}{2}[\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}\×({\mathrm{\ϵ}}_1+\mathrm{\μ}{\mathrm{\ϵ}}_2)+\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}\×({\mathrm{\ϵ}}_2+\mathrm{\μ}{\mathrm{\ϵ}}_1)](1+\cos 2\mathrm{arctg}\frac{\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}\×({\mathrm{\ϵ}}_1+\mathrm{\μ}{\mathrm{\ϵ}}_2)}{\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}\×({\mathrm{\ϵ}}_2+\mathrm{\μ}{\mathrm{\ϵ}}_1)})$

其中，σ为计算所得到的测点应力值，E＝0.206，μ＝0.3，ε₁，ε₂分别为组成直角的两个光纤光栅传感器的应变值；

c、应变花

$\mathrm{\σ}=\frac{E}{2}[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{1-\mathrm{\μ}}+\frac{1}{1+\mathrm{\μ}}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)}^2+{(2{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2}]$

其中，σ为计算所得到的测点应力值，E＝0.206，μ＝0.3，ε₁，ε₂，ε₃分别为组成应变花的三个光纤光栅传感器应变值。

第五步骤：翻车机状态分析：通过对关键测点的应力情况进行分析，可以得到翻车机的健康状态。应力分析中包括以下3方面的内容：

a、平均应力：平均应力是评价结构受力水平的重要参数。一般来说，平均应力越大，结构承载状态越恶劣，对结构的安全性威胁越大。平均应力在安全性评价中有一定的意义。

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i$

b、应力概率密度函数：该参数是表征在结构工作过程中，应力大小的分布概率情况，在工作过程中，高应力所占比重大，显然对结构安全性不利。该函数在安全性评价中是一个比较重要的参数。

$P\left(\mathrm{\&sigma;}\right)=\underset{\mathrm{\&Delta;X}\&RightArrow;0}{\lim }\frac{P(\mathrm{\&sigma;}<\mathrm{\&sigma;}\left(t\right)<\mathrm{\&sigma;}+\mathrm{\&Delta;\&sigma;})}{\mathrm{\&Delta;x}}$

c、功率谱估计：该估计可以看出结构在外力作用下，结构振动的组成情况，它表征结构振动的频率组成以及该频率下能量的大小。

G(σ)＝FFT(σ(t))

本发明通过在线监测翻车机健康状况，及时发现翻车机故障倾向，消除故障隐患，解决了大型物料场特别是大型港口的瓶颈问题。本发明可对在冶金、发电、化工及港口等的翻车机应力、应变、温度情况、健康状况进行分布式在线监测和分析评价。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明传感器布点图。

图3为本发明传感器、传输光缆的走线布设方案图。

图4为本发明系统模块图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

本发明的具体实施方式是：

第一步：根据设计图纸，对翻车机进行结构分析，建立模型，找到关键点，优化布点方案：翻车机由端环、U形环、前梁、后梁、底梁、压车梁、靠车板、拉杆等组成。翻车机结构受力复杂，根据各主要部位的受力状态，选择的布点方案(图2)如下：

总共布置44个光纤光栅应变传感器，4个光纤光栅温度补偿传感器。应变传感器布置在19个测点，其中，

端环：4×3(布置4个测点，每个测点3个应变传感器，组成应变花)

平台大梁：4×2(布置4个测点：4个测点各两个应变传感器，成直角)；

U形架下部斜面处：3×3(布置3个测点，每个测点3个应变传感器，组成应变花)；

U形架上部拉杆法栏处：3×3(布置3个测点，每个测点3个应变传感器，组成应变花)；

拉杆：2×2+1×2(布置3个测点，每个测点2个应变传感器，组成直角)。

第二步：确定光纤光栅应变传感器的固定和保护方案：翻车机作业环境恶劣，卸车扬起大量灰尘。考虑到测点的空间位置有限，采用光纤专用胶将光纤光栅传感器直接粘贴在测点表面，并罩以防护盒，防止滑落煤灰对传感器的损伤。传感器通过光纤与固定在翻车机上的配线盒连接，光缆由镀锌管保护，配线盒与光缆连接，光缆将信号送入监控室的光纤光栅解调器，光纤光栅解调器将光波长信号转变为电信号，然后送入计算机进行数据分析和处理。

第三步：确定传感器、传输光缆的走线布设方案：各测量点的光纤光栅应变传感器由防护盒进行保护，防护盒之间和防护盒与镀锌管之间采用高强度的工程塑料管连接来保护光缆，镀锌管保护光缆布设至平台大梁上的光缆集线盒。在光缆集线盒内，光纤光栅应变传感器将串接成四路，并由镀锌管保护四路光缆布设至平台大梁上的线架处；通过与镀锌管的连接，金属软管布设在线架上保护光缆由翻车机连接到地面的凯装光缆，通过地下走线布设至监控室，与监测设备相连接(图3)。

第四步：确定光纤光栅解调器：根据满足监测性能指标的要求，采用BGD-4M40光纤光栅解调器。

第五步：设计数据库管理系统：采用企业级数据库软件MS SQLserver2000建立监测数据库，存储光纤光栅传感器采集到的数据，并提供数据管理、查询、分析。

第六步：设计在线监测评价系统：本发明的软件系统架构，采用先进的C/S和B/S结合的结构。利用3D建模和虚拟现实技术，实现实时应力计算、显示和告警，实时模拟翻车机动态作业过程，实现Web远程访问，形成了友好的人机交互环境。系统将分成六大功能模块，即健康监测、知识库设置、统计报表、用户设置、系统设置和帮助，各个功能模块下面又分别有不同的子功能模块(图4)。每一个大模块和小模块都具备权限约束功能，针对不同的用户可以设置不同的功能权限。

第七步：专家分析和故障诊断：通过翻车机领域专家提供的专家知识，建立专家知识库。利用推理原则，设计推理机。通过对传感器采集到的数据进行分析，完成翻车机状态分析。

翻车机作业共分5种工况，以端环工作位置来定义：工况1，端环处于0°位置；工况2，端环处于30°位置；工况3，端环处于60°位置；工况4，端环处于90°位置；工况5，端环处于165°位置。对应于每一种工况的载荷是变化的。根据不同工况设置不同的应力阈值，对超过阈值的应力点报警。对报警信息进行分析，利用正向推理机制，得到专家诊断结果，进行故障诊断。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1、一种基于光纤光栅传感的翻车机在线健康监测系统，由分布式光纤光栅传感器、光纤光栅解调器、信号处理系统、数据库管理系统、在线监测评价系统组成，其方法是：

第一步骤：建立翻车机模型，确定测量点：首先建立翻车机有限元模型，根据模型，找出翻车机受力关键点，为传感器布点提供理论依据；

第二步骤：确定检测的光纤光栅传感器：实现分布传感，即在一根光纤上根据应用要求刻写多个不同的布喇格波长的光栅，在光纤一端实现所有光栅信号的检测，而且能进一步集合成分布传感网络系统，实现结构内多目标的应力、应变、温度等参数的实时、在线、分布式监测；

第三步骤：确定光纤光栅解调器：

光纤光栅解调器的主要性能指标如下：

解调速度：解调器典型工作速度50HZ～100HZ，最大工作速度大于200HZ；解调精度：系统分辨率达到1pm，典型误差为±1pm，最大误差小于±4pm；解调点数：可以四路同时解调，扫描范围为40nm，可以根据实际应用情况解调80个以上的传感光栅；

第四步骤：合成应力计算：光纤光栅传感器采集到的数据是测点发生的应变，根据测点不同，安装的不同形式的传感器，根据应变值，计算测点的合成应力值；

第五步骤：翻车机状态分析：通过对关键测点的应力情况进行分析，得到翻车机的健康状态。

2、如权利1要求所述的基于光纤光栅传感的翻车机在线健康监测系统，其特征在于：光纤光栅传感器的测点布置，包括用于应力应变以及温度测量的应变传感器和温度补偿传感器的布点。

3、如权利1要求所述的基于光纤光栅传感的翻车机在线健康监测系统，其特征在于：根据翻车机的结构特点以及被测点的不同，安装不同的传感器，采用三种优化布点方法：既单点、直角、应变花，单点就是每个测点布一个应变传感器；直角就是每个测点布2个应变传感器，组成直角；应变花就是每个测点布3个应变传感器，组成应变花。

4、如权利要求1或3所述的基于光纤光栅传感的翻车机在线健康监测系统，其特征在于：测点的合成应力值的计算包括单点、直角、应变花三个方法：

a、单点

σ＝0.206×ε

其中，σ为计算所得到的测点应力值，ε为单点光纤光栅传感器应变值；

b、直角

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{1}{2}[\frac{E}{1-{\mathrm{\&mu;}}^2}\&times;({\mathrm{\&epsiv;}}_1+\mathrm{\&mu;}{\mathrm{\&epsiv;}}_2)+\frac{E}{1-{\mathrm{\&mu;}}^2}\&times;({\mathrm{\&epsiv;}}_2+\mathrm{\&mu;}{\mathrm{\&epsiv;}}_1)](1+\cos 2\mathrm{arctg}\frac{\frac{E}{1-{\mathrm{\&mu;}}^2}\&times;({\mathrm{\&epsiv;}}_1+\mathrm{\&mu;}{\mathrm{\&epsiv;}}_2)}{\frac{E}{1-{\mathrm{\&mu;}}^2}\&times;({\mathrm{\&epsiv;}}_2+\mathrm{\&mu;}{\mathrm{\&epsiv;}}_1)})$

其中，σ为计算所得到的测点应力值，E＝0.206，μ＝0.3，ε₁，ε₂分别为组成直角的两个光纤光栅传感器的应变值；

c、应变花

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{E}{2}[\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_1+{\mathrm{\&epsiv;}}_3}{1-\mathrm{\&mu;}}+\frac{1}{1+\mathrm{\&mu;}}\sqrt{{({\mathrm{\&epsiv;}}_1-{\mathrm{\&epsiv;}}_2)}^2+{(2{\mathrm{\&epsiv;}}_2-{\mathrm{\&epsiv;}}_1-{\mathrm{\&epsiv;}}_3)}^2}]$

其中，σ为计算所得到的测点应力值，E＝0.206，μ＝0.3，ε₁，ε₂，ε₃分别为组成应变花的三个光纤光栅传感器应变值。

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