CN104316250A - 一种船舶系缆力在线监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶系缆力在线监测装置，包括安装在所述系船柱上的应变电测装置，与应变电测装置相连接的应变电桥信号调理器，分别与应变电桥信号调理器相连接的电源及应变信号采集卡，与应变信号采集卡相连接的终端处理器，其中终端处理器中具有系缆力数据处理单元。该船舶系缆力在线监测装置方便安装、成本低，能够实现对船舶系缆力的在线实时监测。本发明还设计一种船舶系缆力在线监测装置的监测方法，该方法可以有效保证船舶、货物、人员财产及港口水域的安全。

Description

一种船舶系缆力在线监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种涉及船舶监测技术领域，特别涉及一种船舶系缆力在线监测装置，本发明还涉及该船舶系缆力在线监测装置的监测方法。

背景技术

在风、浪、水流的作用下，会使船舶产生较大幅度的运动，出现系缆受力不均衡问题，甚至发生断缆事。船舶系缆力监测及预警装置的研制，可以实现对船舶系缆力的数字化检测。现有的船舶系缆力监测技术中，普遍采用的是在缆绳截断处或者端部安置传感器直接测量，其原理简单，但仅适用于短时间使用，不能长期作为船舶的附属设备使用，实用性不强且布置麻烦。而间接测量船舶系缆力的方法均处于起步阶段，较为前瞻的是利用光纤布拉格光栅传感技术测量系缆张力分布的方法，该方法是在光纤布拉格光栅表面涂覆一层高分子材料，并与系缆材料融合在一起以实现系缆的动态张力分布测试。如申请公开号为CN103837273A(申请号为201410070085.0)的中国发明申请公开的《应力监测装置及制造方法》，该应力监测装置实现了对应力变化的实时监测，该应力监测装置的制造方法解决了系留缆绳的栓系应力监测装置易受环境因素影响，无法准确测量的问题，但是安装非常麻烦。利用光纤布拉格光栅进行监测虽然测量精度较高但购置费用昂贵，对普通船舶的推广适用性差。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种方便安装、成本低且能实现实时在线监测的船舶系缆力在线监测装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种具有较高安全性能的船舶系缆力在线监测装置的监测方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种船舶系缆力在线监测装置，其特征在于：包括安装在所述系船柱上的应变电测装置，与所述应变电测装置相连接的应变电桥信号调理器，分别与所述应变电桥信号调理器相连接的电源及应变信号采集卡，与所述应变信号采集卡相连接的终端处理器，其中所述终端处理器中具有系缆力数据处理单元。

优选地，所述应变电测装置为金属箔式应变片，所述金属箔式应变片贴覆设置在所述系船柱的柱体上。

所述金属箔式应变片包括基底，设置在所述基底上的金属箔敏感栅，覆盖设置在所述金属箔敏感栅上的保护片，与所述金属箔敏感栅相连接的信号输出接头。

优选地，所述应变电桥信号调理器内包含惠斯通电桥电路，所述金属箔式应变片的输出电阻作为所述惠斯通电桥电路中的一个电阻。

优选地，所述应变信号采集卡包括依次连接的信号放大器、A/D转换器及TTL电平输出模块，其中所述信号放大器与所述应变电桥信号调理器相连接，所述TTL电平输出模块与所述终端处理器相连接。

方便地，所述电源包括外部供电电源和与外部供电电源相连接的变压器，所述变压器连接于所述应变电桥信号调理器。

优选地，所述终端处理器为PC处理器，所述PC处理器具有显示器和报警器。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种船舶系缆力在线监测装置的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、在系船柱的柱面上、垂直于系船柱轴心线的同一径向截面上选取两个应力监测点；

或者在系船柱的柱面上、平行于系船柱轴心线的同一直线上选取两个应力监测点；

将金属箔式应变片固定设置在应力监测点上；

步骤二、初始化，在终端处理器中设置系统数据，设置系缆力的许用值，并设定金属箔式应变片固定位置方式；

步骤三、缆绳拉动系船柱使得系船柱产生应变，固定在系船柱柱面上的金属箔式应变片随着系船柱的应变而伸缩变化，则金属箔式应变片电阻发生变化，则相应的所述惠斯通电桥电路中平衡电压随着变化，应变电桥信号调理器对变换后的电压进行调理处理，并将调理处理后的电压信号传送到所述应变信号采集卡中；

步骤四、所述应变信号采集卡对接收到的电压模拟信号进行放大、滤波处理后，进一步由内置的A/D转换器转换为二进制的数字量形式的离散信号，并由TTL电平输出模块的I/O端口传送到所述终端处理器中；

步骤五、终端处理器利用系缆力数据处理单元接收的信号数据以及初始化设置的系统数据计算出船舶的系缆力值；

步骤六、判断计算出的船舶系缆力值，比较该计算出的船舶系缆力值和设置的系缆力的许用值，如果计算出的船舶系缆力值大于系缆力的许用值，则终端处理器进行报警，否则，返回步骤三。

可选择地，步骤一中在系船柱的柱面上选取两个应力监测点A和B，监测点A和B分布于系船柱的同一径向截面上，并在步骤二中选用该金属箔式应变片固定位置方式，则所述步骤五中计算出的船舶系缆力值为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=\frac{1}{(y_A-y_B)h}[({\mathrm{\ϵ}}_A-{\mathrm{\ϵ}}_B)(E_s{I}_{s1}+E_c{I}_{c1})+\frac{2R}{\mathrm{\π}}({\mathrm{\ϵ}}_A{y}_B-{\mathrm{\ϵ}}_B{y}_A)(E_s{A}_1+E_c{A}_2)]\\ E_y=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_B{y}_A-{\mathrm{\ϵ}}_A{y}_B}{y_A-y_B}(E_s{A}_1+E_c{A}_2)\end{array}\right.$

$\stackrel{\→}{F}=\stackrel{\→}{F_x}+\stackrel{\→}{F_y},$

其中，F_x为系缆对系船柱的径向拉力，F_y为系缆对系船柱的轴向拉力，y_A为测点A到监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的距离，y_B测点B到监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的距离，ε_A为测点A处的总应变值，即金属箔式应变片在A点的测量值；ε_B为测点B处的总应变值，即金属箔式应变片在B点的测量值，E_s为系船柱的柱壳的弹性模量,E_c为系船柱的中心填料的弹性模量，I_s1为系船柱的柱壳相对于监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的截面惯性矩，I_c1为系船柱的中心填料相对于监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的截面惯性矩，R为系船柱的柱颈外径，h为A和B两个监测点所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离，A₁为系船柱的柱壳的径向截面面积，A₂为系船柱的中心填料的径向截面面积，F即为船舶系缆力值。

可选择地，步骤一中在系船柱的柱面上、平行于系船柱轴心线的同一直线上选取两个应力监测点C和D，并在步骤二中选用该金属箔式应变片固定位置方式，则所述步骤五中计算出的船舶系缆力值为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_D-{\mathrm{\ϵ}}_C}{h_D-h_C}\·\frac{E_s{I}_{s2}+E_c{I}_{c2}}{y}\\ F_y=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_C{h}_D-{\mathrm{\ϵ}}_D{h}_C}{h_D-h_C}\·\frac{(E_s{A}_1+E_c{A}_2)(E_s{I}_{s2}+E_c{I}_{c2})}{E_s(I_{s2}-\mathrm{yR}{A}_1)+E_c(I_{c2}-\mathrm{yR}{A}_2)}\end{array}\right.$

$\stackrel{\→}{F}=\stackrel{\→}{F_x}+\stackrel{\→}{F_y},$

其中，F_x为系缆对系船柱的径向拉力，F_y为系缆对系船柱的轴向拉力，y为C点到监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者D点到监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的距离，ε_C为测点C处的总应变值，即金属箔式应变片在C点的测量值，ε_D为测点D处的总应变值，即金属箔式应变片在D点的测量值，E_s为系船柱的柱壳的弹性模量,E_c为系船柱的中心填料的弹性模量，I_s2为系船柱的柱壳相对于监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的截面惯性矩，I_c2为系船柱的中心填料相对于监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的截面惯性矩，R为系船柱的柱颈外径，h_C为测点C所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离，h_D为测点D所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离，A₁为系船柱的柱壳的径向截面面积，A₂为系船柱的中心填料的径向截面面积，F即为船舶系缆力值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的船舶系缆力在线监测装置生产成本低，安装方便，能够对船舶系缆力进行数字化的准确实时监测。船舶系缆力监测及预警装置的研制，可以实现的数字化检测，方便港口管理工作者或船员对船舶的停泊管理，顺应港口系泊建设的智能化发展趋势。本发明中的船舶系缆力在线监测装置的监测方法，能够实现缆绳受力的实时监控，防止缆绳受力超过许用值，在系缆力超过许用值时能够及时做出报警，从而有效保障船舶、货物、人员财产及港口水域的安全。

附图说明

图1为本发明实施例中船舶系缆力在线监测装置的结构框图。

图2为本发明实施例中系船柱的剖面图。

图3为本发明实施例中系船柱的立体图。

图4为系船柱另一视角的立体图。

图5为图4沿E-E面的剖视图。

图6为图4沿F-F面或者G-G面的剖视图。

图7为本发明实施例中船舶系缆力在线监测装置的监测方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一

如图1～图6所示，本实施例中的一种船舶系缆力在线监测装置，包括安装在所述系船柱1上的应变电测装置，与应变电测装置相连接的应变电桥信号调理器3，分别与应变电桥信号调理器3相连接的电源及应变信号采集卡4，与应变信号采集卡4相连接的终端处理器。

其中，应变电测装置选用金属箔式应变片2，金属箔式应变片2贴覆设置在所述系船柱1的柱体上。其中，金属箔式应变片2包括基底21，设置在基底21上的金属箔敏感栅22，覆盖设置在金属箔敏感栅22上的保护片23，与金属箔敏感栅22相连接的信号输出接头。

前述的应变电桥信号调理器3内包含惠斯通电桥电路，而金属箔式应变片2的输出电阻作为惠斯通电桥电路中的一个电阻，本实施例中的应变电桥信号调理器3选用阿尔泰S1110应变电桥信号调理器3。金属箔式应变片2的信号输出接头一端连接S1110应变电桥信号调理器3的1号端子，金属箔式应变片2的信号输出接头一端连接S1110应变电桥信号调理器3的3号端子和4号端子。

前述电源包括外部供电的电网电源和与外部供电电网电源相连接的变压器6，所述变压器6连接于所述应变电桥信号调理器3，为阿尔泰S1110应变电桥信号调理器3提供其所需的工作电压，变压器6的输出端连接于S1110应变电桥信号调理器3的6号端子.

前述的应变信号采集卡4包括依次连接的信号放大器、A/D转换器及TTL电平输出模块，其中信号放大器与应变电桥信号调理器3相连接，TTL电平输出模块与终端处理器相连接，本实施例中的应变信号采集卡4选用NI USB-6212信号采集卡。S1110应变电桥信号调理器3的7号端子和8号端子分别连接于NI USB-6212信号采集卡的模拟输入端口。

前述的终端处理器为PC处理器5，其内具有系缆力数据处理单元51以用于计算系缆力，该PC处理器5还具有显示器52和报警器53，分别用于显示和报警。

如图7所示，本实施例中船舶系缆力在线监测装置的监测方法包括以下步骤：

步骤一、在系船柱1的柱面上、垂直于系船柱1轴心线的同一径向截面上选取两个应力监测点A和B，将金属箔式应变片2固定设置在应力监测点A和B上，其中金属箔式应变片2的基底21与系船柱1的外柱面相贴合；

在金属箔式应变片2黏贴前，使用刮刀或锉刀清除监测点A和B处的氧化皮及污垢，用细砂皮纸在监测点打磨出3-5倍金属箔式应变片2面积左右的光滑表面。黏贴过程中，用脱脂棉球蘸上无水酒精等溶剂擦洗系船柱1监测点A和B处表面以清除磨屑、灰尘等杂质，然后将金属箔式应变片2黏贴在系船柱1监测点A和B处的表面。金属箔式应变片2在系船柱1上固定后，利用万用表测量贴覆在系船柱1上的金属箔式应变片2有无断路、短路现象，若出现异常，则及时进行更换；若无异常，则可用电烙铁将金属箔式应变片2的输出端与连接好的其他监测设备中的应变电桥信号调理器3的输出端进行锡焊并做好绝缘防护；

步骤二、初始化，在PC终端处理器中设置系统数据，即监测点A到监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的距离y_A，监测点B到监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的距离y_B，系船柱1的柱壳11的弹性模量E_s,系船柱1的中心填料12的弹性模量E_c，系船柱1的柱壳11相对于监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的截面惯性矩I_s1，系船柱1的中心填料相对于监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的截面惯性矩I_c1，系船柱1的柱颈外径R，A和B两个监测点所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离h，系船柱1的柱壳11的径向截面面积A₁，系船柱1的中心填料12的径向截面面积A₂；

设置系缆力的许用值F_max，并设定金属箔式应变片2固定位置方式，本实施例中设定金属箔式应变片2分别固定在系船柱1的柱面上的两个应力监测点A和B，监测点A和B分布于系船柱1的同一径向截面上；

步骤三、缆绳拉动系船柱1使得系船柱1产生应变，固定在系船柱1柱面上的金属箔式应变片2随着系船柱1的应变而伸缩变化，则金属箔式应变片2电阻发生变化，则相应的所述惠斯通电桥电路中平衡电压随着变化，应变电桥信号调理器3对变换后的电压进行调理处理，并将调理处理后的电压信号传送到所述应变信号采集卡4中；

步骤四、所述应变信号采集卡4对接收到的电压模拟信号进行放大、滤波处理后，进一步由内置的A/D转换器将电压模拟信号处理转换为二进制的数字量形式的离散信号，并由TTL电平输出模块上的I/O端口将前述二进制数字信号输出传送到所述终端处理器中；

步骤五、终端处理器利用系缆力数据处理单元51接收的信号数据以及初始化设置的系统数据计算出船舶的系缆力值，船舶系缆力值为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=\frac{1}{(y_A-y_B)h}[({\mathrm{\ϵ}}_A-{\mathrm{\ϵ}}_B)(E_s{I}_{s1}+E_c{I}_{c1})+\frac{2R}{\mathrm{\π}}({\mathrm{\ϵ}}_A{y}_B-{\mathrm{\ϵ}}_B{y}_A)(E_s{A}_1+E_c{A}_2)]\\ E_y=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_B{y}_A-{\mathrm{\ϵ}}_A{y}_B}{y_A-y_B}(E_s{A}_1+E_c{A}_2)\end{array}\right.$

$\stackrel{\→}{F}=\stackrel{\→}{F_x}+\stackrel{\→}{F_y},$

其中，F_x为系缆对系船柱1的径向拉力，F_y为系缆对系船柱1的轴向拉力，y_A为测点A到监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的距离，y_B测点B到监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的距离，ε_A为测点A处的总应变值，即金属箔式应变片2在A点的测量值；ε_B为测点B处的总应变值，即金属箔式应变片2在B点的测量值，E_s为系船柱1的柱壳11的弹性模量,E_c为系船柱1的中心填料12的弹性模量，I_s1为系船柱1的柱壳11相对于监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的截面惯性矩，I_c1为系船柱1的中心填料相对于监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的截面惯性矩，R为系船柱1的柱颈外径，h为A和B两个监测点所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离，A₁为系船柱1的柱壳11的径向截面面积，A₂为系船柱1的中心填料12的径向截面面积，F即为船舶系缆力值；

步骤六、PC处理器5中的显示器52显示实时系缆力的大小，同时PC处理器5判断计算出的船舶系缆力值，比较该计算出的船舶系缆力值F和设置的系缆力的许用值F_max，如果计算出的船舶系缆力值大于系缆力的许用值，则PC处理器5中的报警器53进行报警，工作人员可以进行相应的处理措施。

实施例二

本实施例和实施例一的区别仅在于：

如图7所示，本实施例中船舶系缆力在线监测装置的监测方法包括以下步骤：

步骤一、在系船柱1的柱面上、平行于系船柱1轴心线的同一直线上选取两个应力监测点C和D，将金属箔式应变片2固定设置在应力监测点C和D上，其中金属箔式应变片2的基底21与系船柱1的外柱面相贴合；

在金属箔式应变片2黏贴前，使用刮刀或锉刀清除监测点C和D处的氧化皮及污垢，用细砂皮纸在监测点打磨出3-5倍金属箔式应变片2面积左右的光滑表面。黏贴过程中，用脱脂棉球蘸上无水酒精等溶剂擦洗系船柱1监测点C和D处表面以清除磨屑、灰尘等杂质，然后将金属箔式应变片2黏贴在系船柱1监测点C和D处的表面。金属箔式应变片2在系船柱1上固定后，利用万用表测量贴覆在系船柱1上的金属箔式应变片2有无断路、短路现象，若出现异常，则及时进行更换；若无异常，则可用电烙铁将金属箔式应变片2的输出端与连接好的其他监测设备中的应变电桥信号调理器3的输出端进行锡焊并做好绝缘防护；

步骤二、初始化，在PC终端处理器中设置系统数据，即C点到监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者D点到监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的距离y，由于监测点C和D位于平行于系船柱1轴心线的同一直线上，则C点到监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者D点到监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的距离相等；系船柱1的柱壳11的弹性模量E_s,系船柱1的中心填料12的弹性模量E_c，系船柱1的柱壳11相对于监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的截面惯性矩I_s2，系船柱1的中心填料相对于监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的截面惯性矩I_c2，由于监测点C和D位于平行于系船柱1轴心线的同一直线上，则系船柱1的柱壳11相对于监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴和监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的截面惯性矩相等，系船柱1的中心填料相对于监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的截面惯性矩相等；系船柱1的柱颈外径R，测点C所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离h_C，测点D所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离h_D，系船柱1的柱壳11的径向截面面积A₁，系船柱1的中心填料12的径向截面面积A₂；

设置系缆力的许用值F_max，并设定金属箔式应变片2固定位置方式，本实施例中设定金属箔式应变片2分别固定在系船柱1的柱面上、平行于系船柱1轴心线的同一直线上的两个应力监测点C和D；

步骤三、缆绳拉动系船柱1使得系船柱1产生应变，固定在系船柱1柱面上的金属箔式应变片2随着系船柱1的应变而伸缩变化，则金属箔式应变片2电阻发生变化，则相应的所述惠斯通电桥电路中平衡电压随着变化，应变电桥信号调理器3对变换后的电压进行调理处理，并将调理处理后的电压信号传送到所述应变信号采集卡4中；

步骤四、所述应变信号采集卡4对接收到的电压信号进行放大处理后，再将其转化为模拟量信号传送到所述终端处理器上；

步骤五、终端处理器利用系缆力数据处理单元51接收的模拟量信号数据以及初始化设置的系统数据计算出船舶的系缆力值，船舶系缆力值为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_D-{\mathrm{\ϵ}}_C}{h_D-h_C}\·\frac{E_s{I}_{s2}+E_c{I}_{c2}}{y}\\ F_y=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_C{h}_D-{\mathrm{\ϵ}}_D{h}_C}{h_D-h_C}\·\frac{(E_s{A}_1+E_c{A}_2)(E_s{I}_{s2}+E_c{I}_{c2})}{E_s(I_{s2}-\mathrm{yR}{A}_1)+E_c(I_{c2}-\mathrm{yR}{A}_2)}\end{array}\right.$

$\stackrel{\→}{F}=\stackrel{\→}{F_x}+\stackrel{\→}{F_y},$

其中，F_x为系缆对系船柱1的径向拉力，F_y为系缆对系船柱1的轴向拉力，y为C点到监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者D点到监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的距离，ε_C为测点C处的总应变值，即金属箔式应变片2在C点的测量值；ε_D为测点D处的总应变值，即金属箔式应变片2在D点的测量值，E_s为系船柱1的柱壳11的弹性模量,E_c为系船柱1的中心填料12的弹性模量，I_s2为系船柱1的柱壳11相对于监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的截面惯性矩，I_c2为系船柱1的中心填料相对于监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的截面惯性矩，R为系船柱1的柱颈外径，h_C为测点C所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离，h_D为测点D所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离，A₁为系船柱1的柱壳11的径向截面面积，A₂为系船柱1的中心填料12的径向截面面积，F即为船舶系缆力值；

步骤六、PC处理器5中的显示器52显示实时系缆力的大小，同时PC处理器5判断计算出的船舶系缆力值，比较该计算出的船舶系缆力值F和设置的系缆力的许用值F_max，如果计算出的船舶系缆力值大于系缆力的许用值F_max，则PC处理器5中的报警器53进行报警，工作人员可以进行相应的处理措施，否则，返回步骤三。

在实施例一和实施例二中的船舶系缆力值计算原理如下：

系船柱在工作状态下会发生拉弯组合变形，选取监测点所在径向截面的正应力σ为轴向拉力F_y引起的拉应力σ′与弯矩引起的弯曲应力σ″叠加之和。同理，监测点处的应变ε为轴向拉力F_y引起的应变ε₁与弯矩引起的应变ε₂叠加之和。

轴向拉力F_y引起系船柱的轴向拉伸，且对柱颈上各截面的拉应力、拉应变产生的影响相同，则：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_y={\mathrm{\σ}}_s^{\′}{A}_1+{{\mathrm{\σ}}_c^{\′}A}_2\\ {\mathrm{\σ}}_s^{\′}=E_s{\mathrm{\ϵ}}_1\\ {\mathrm{\σ}}_c^{\′}=E_c{\mathrm{\ϵ}}_1\end{array}\right.---\left(1\right);$

由公式(1)可得：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{E_y}{E_s{A}_1+E_c{A}_2}---\left(2\right);$

其中，在公式(1)和公式(2)中，F_y为系缆对系船柱1的轴向拉力，σ_s′为轴向拉力F_y引起的系船柱的柱壳的拉应力，σ_c′为轴向拉力F_y引起的系船柱的中心填料的拉应力，ε₁为监测点所在径向截面的拉伸应变，A₁为系船柱的柱壳的径向截面面积；A₂为系船柱的中心填料的径向截面面积，E_s为系船柱的柱壳的弹性模量，E_c为系船柱的中心填料的弹性模量。

由胡克定律可知弯矩引起的弯曲应力σ″的计算如下：

${\mathrm{\σ}}^{\′\′}=E{\mathrm{\ϵ}}_2=E\frac{y}{\mathrm{\ρ}}---\left(3\right);$

由公式(3)可得：

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2}{y}---\left(4\right);$

其中，在公式(3)和公式(4)中，σ″为弯矩引起的弯曲应力，E为系船柱的总弹性模量，y为监测点到监测点所在径向截面上的中性轴的距离，ρ为系船柱中性层的曲率半径，ε₂为监测点所在径向截面上弯矩引起的应变。

同时，根据静力等效条件的基本知识可得：

$\left\{\begin{array}{c}M={\∫}_{A}y{\mathrm{\σ}}^{\′\′}\mathrm{dA}={\∫}_A\mathrm{yE}{\mathrm{\ϵ}}_2\mathrm{dA}={\∫}_A\mathrm{yE}\frac{y}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{dA}=\frac{E}{\mathrm{\ρ}}{\∫}_A{y}^2\mathrm{dA}\\ I={\∫}_A{y}^2\mathrm{dA}\end{array}\right.---\left(5\right);$

则可知系船柱壳上监测点所在的径向截面弯矩又有如下关系：

$M=M_s+M_c=\frac{E_s}{\mathrm{\ρ}}{I}_s+\frac{E_c}{\mathrm{\ρ}}{I}_c---\left(6\right);$

其中，在公式(5)和公式(6)中，M为系缆力对监测点所在径向截面的总弯矩，M_s为系缆力对监测点所在柱壳径向截面的弯矩，M_c为系缆力对监测点所在中心填料径向截面的弯矩，I为系船柱相对于监测点所在径向截面的中性轴的总截面惯性矩，I_s为系船柱柱壳相对于监测点所在径向截面的中性轴的截面惯性矩，I_c为系船柱中心填料相对于监测点所在径向截面的中性轴的截面惯性矩。

其中，系缆力对监测点所在径向截面中性轴产生的总弯矩M主要是由系缆力的径向拉力F_x对监测点所在径向截面中性轴的弯矩M_x与系缆力的轴向拉力F_y对监测点所在径向截面中性轴产生的弯矩M_y之和。则

Μ_x＝F_xh                     (7)；

而轴向拉力F_y以均布力施加在接触线上足够多的节点上，则

$M_y={\∫}_0^{\mathrm{\πR}}\frac{F_y}{\mathrm{\πR}}R\sin \mathrm{\θdl}={\∫}_0^{\mathrm{\π}}\frac{F_y}{\mathrm{\π}}\sin \mathrm{\θRd\θ}=F_y\frac{2R}{\mathrm{\π}}---\left(8\right);$

那么系缆力对监测点所在径向截面产生的总弯矩为：

$M=M_x+M_y=F_{x}h+F_y\frac{2R}{\mathrm{\π}}---\left(9\right);$

其中，在公式(7)、公式(8)及公式(9)中，M_x为系缆力的径向拉力F_x对监测点所在径向截面中性轴的弯矩，M_y为系缆力的轴向拉力F_y对监测点所在径向截面中性轴产生的弯矩，M为系缆力对监测点所在径向截面中性轴产生的总弯矩，R为系缆柱的径向界面半径，h为监测点所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离。

由公式(3)～公式(9)可得：

${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{F_{x}h+F_y\frac{2R}{\mathrm{\π}}}{E_s{I}_s+E_c{I}_c}y---\left(10\right);$

因系船柱上监测点的总应变ε＝ε₁+ε₂，则由公式(2)和公式(10)可得：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{F_y}{E_s{A}_1+E_c{A}_2}+\frac{F_{x}h+F_y\frac{2R}{\mathrm{\π}}}{E_s{I}_s+E_c{I}_c}y---\left(11\right);$

则在实施例一中在系船柱1的柱面上、垂直于系船柱1轴心线的同一径向截面上选取两个应力监测点A和B，监测点A和B所在径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离相同，但是监测点A和B到A和B所在径向截面中性轴的距离不同，根据公式(11)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_A=\frac{F_y}{E_s{A}_1+E_c{A}_2}+\frac{F_{x}h+F_y\frac{2R}{\mathrm{\π}}}{E_s{I}_{s1}+E_c{I}_{c1}}{y}_A\\ {\mathrm{\ϵ}}_B=\frac{F_y}{E_s{A}_1+E_c{A}_2}+\frac{F_{x}h+F_y\frac{2R}{\mathrm{\π}}}{E_s{I}_{s1}+E_c{I}_{c1}}{y}_B\end{array}\right.---\left(12\right);$

由公式(12)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=\frac{1}{(y_A-y_B)h}[({\mathrm{\ϵ}}_A-{\mathrm{\ϵ}}_B)(E_s{I}_{s1}+E_c{I}_{c1})+\frac{2R}{\mathrm{\π}}({\mathrm{\ϵ}}_A{y}_B-{\mathrm{\ϵ}}_B{y}_A)(E_s{A}_1+E_c{A}_2)]\\ E_y=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_B{y}_A-{\mathrm{\ϵ}}_A{y}_B}{y_A-y_B}(E_s{A}_1+E_c{A}_2)\end{array}\right.---\left(13\right);$

其中，在公式(12)和公式(13)中，I_s1为系船柱1的柱壳11相对于监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的截面惯性矩，I_c1为系船柱1的中心填料相对于监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的截面惯性矩，h为A和B两个监测点所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离，ε_A为监测点A处的总应变值，即金属箔式应变片2在A点的测量值；ε_B为监测点B处的总应变值，即金属箔式应变片2在B点的测量值；y_A为测点A到监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的距离，y_B测点B到监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的距离。

而在实施例二中，在系船柱1的柱面上、平行于系船柱1轴心线的同一直线上选取两个应力监测点C和D，由于监测点C和D位于平行于系船柱1轴心线的同一直线上，则监测点C到监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴的距离和和监测点D到监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的距离相等，同时系船柱1的柱壳11相对于监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴和监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的截面惯性矩相等，但是监测点C所在径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离与监测点D所在径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离不定，根据公式(11)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_C=\frac{F_y}{E_s{A}_1+E_c{A}_2}+\frac{F_{x}h+F_y\frac{2R}{\mathrm{\π}}}{E_s{I}_{s1}+E_c{I}_{c1}}y\\ {\mathrm{\ϵ}}_D=\frac{F_y}{E_s{A}_1+E_c{A}_2}+\frac{F_{x}h+F_y\frac{2R}{\mathrm{\π}}}{E_s{I}_{s1}+E_c{I}_{c1}}y\end{array}\right.---\left(14\right);$

由公式(14)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_D-{\mathrm{\ϵ}}_C}{h_D-h_C}\·\frac{E_s{I}_{s2}+E_c{I}_{c2}}{y}\\ F_y=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_C{h}_D-{\mathrm{\ϵ}}_D{h}_C}{h_D-h_C}\·\frac{(E_s{A}_1+E_c{A}_2)(E_s{I}_{s2}+E_c{I}_{c2})}{E_s(I_{s2}-\mathrm{yR}{A}_1)+E_c(I_{c2}-\mathrm{yR}{A}_2)}\end{array}\right.---\left(15\right);$

其中，公式(14)和公式(15)中，ε_C为测点C处的总应变值，即金属箔式应变片2在C点的测量值；ε_D为测点D处的总应变值，即金属箔式应变片2在D点的测量值，h_C为测点C所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离，h_D为测点D所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离，y为C点到监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者D点到监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的距离，I_s2为系船柱(1)的柱壳(11)相对于监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的截面惯性矩，I_c2为系船柱(1)的中心填料相对于监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的截面惯性矩；

综上所述，根据公式(13)和公式(15)，选取上述两种不同监测点的选择方式，均可求出系缆力F，即则系缆力F的数据值为

通过实践，船舶系缆力在线监测装置在浙江某船厂码头进行了安装，并分别利用实施例船舶系缆力在线监测装置的监测方法基础上，建立了码头船舶系泊管理体系，在使用过程中，该装置体现出了准确度高、性能稳定、维护费用低等优点，同时，减少了码头工作人员的值班人数且降低巡查强度，从而节约了人力成本、提高了码头管理的科学性和安全保障能力。

Claims (10)

1.一种船舶系缆力在线监测装置，其特征在于：包括安装在所述系船柱(1)上的应变电测装置，与所述应变电测装置相连接的应变电桥信号调理器(3)，分别与所述应变电桥信号调理器(3)相连接的电源及应变信号采集卡(4)，与所述应变信号采集卡(4)相连接的终端处理器，其中所述终端处理器中具有系缆力数据处理单元(51)。

2.根据权利要求1所述的船舶系缆力在线监测装置，其特征在于：所述应变电测装置为金属箔式应变片(2)，所述金属箔式应变片(2)贴覆设置在所述系船柱(1)的柱体上。

3.根据权利要求2所述的船舶系缆力在线监测装置，其特征在于：所述金属箔式应变片(2)包括基底(21)，设置在所述基底(21)上的金属箔敏感栅(22)，覆盖设置在所述金属箔敏感栅(22)上的保护片(23)，与所述金属箔敏感栅(22)相连接的信号输出接头。

4.根据权利要求2所述的船舶系缆力在线监测装置，其特征在于：所述应变电桥信号调理器(3)内包含惠斯通电桥电路，所述金属箔式应变片(2)的输出电阻作为所述惠斯通电桥电路中的一个电阻。

5.根据权利要求1所述的船舶系缆力在线监测装置，其特征在于：所述应变信号采集卡(4)包括依次连接的信号放大器、A/D转换器及TTL电平输出模块，其中所述信号放大器与所述应变电桥信号调理器(3)相连接，所述TTL电平输出模块与所述终端处理器相连接。

6.根据权利要求1所述的船舶系缆力在线监测装置，其特征在于：所述电源包括外部供电电源和与外部供电电源相连接的变压器(6)，所述变压器(6)连接于所述应变电桥信号调理器(3)。

7.根据权利要求1所述的船舶系缆力在线监测装置，其特征在于：所述终端处理器为PC处理器(5)，所述PC处理器(5)具有显示器(52)和报警器(53)。

8.一种如权利4所述的船舶系缆力在线监测装置的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、在系船柱(1)的柱面上、垂直于系船柱(1)轴心线的同一径向截面上选取两个应力监测点；

或者在系船柱(1)的柱面上、平行于系船柱(1)轴心线的同一直线上选取两个应力监测点；

将金属箔式应变片(2)固定设置在应力监测点上；

步骤二、初始化，在终端处理器中设置系统数据，设置系缆力的许用值，并设定金属箔式应变片(2)固定位置方式；

步骤三、缆绳拉动系船柱(1)使得系船柱(1)产生应变，固定在系船柱(1)柱面上的金属箔式应变片(2)随着系船柱(1)的应变而伸缩变化，则金属箔式应变片(2)电阻发生变化，则相应的所述惠斯通电桥电路中平衡电压随着变化，应变电桥信号调理器(3)对变换后的电压进行调理处理，并将调理处理后的电压信号传送到所述应变信号采集卡(4)中；

步骤四、所述应变信号采集卡(4)对接收到的电压模拟信号进行放大、滤波处理后，进一步由内置的A/D转换器转换为二进制的数字量形式的离散信号，并由TTL电平输出模块的I/O端口传送到所述终端处理器中；

步骤五、终端处理器利用系缆力数据处理单元(51)接收的信号数据以及初始化设置的系统数据计算出船舶的系缆力值；

步骤六、判断计算出的船舶系缆力值，比较该计算出的船舶系缆力值和设置的系缆力的许用值，如果计算出的船舶系缆力值大于系缆力的许用值，则终端处理器进行报警，否则，返回步骤三。

9.根据权利要求1所述的船舶系缆力在线监测装置的监测方法，其特征在于：所述步骤一中在系船柱(1)的柱面上选取两个应力监测点A和B，监测点A和B分布于系船柱(1)的同一径向截面上，并在步骤二中选用该金属箔式应变片(2)固定位置方式，则所述步骤五中计算出的船舶系缆力值为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=\frac{1}{(y_A-y_B)h}[({\mathrm{\ϵ}}_A-{\mathrm{\ϵ}}_B)(E_s{I}_{s1}+E_c{I}_{c1})+\frac{2R}{\mathrm{\π}}({\mathrm{\ϵ}}_A{y}_B-{\mathrm{\ϵ}}_B{y}_A)(E_s{A}_1+E_c{A}_2)]\\ E_y=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_B{y}_A-{\mathrm{\ϵ}}_A{y}_B}{y_A-y_B}(E_s{A}_1+E_c{A}_2)\end{array}\right.$

$\stackrel{\→}{F}=\stackrel{\→}{F_x}+\stackrel{\→}{F_y},$

其中，F_x为系缆对系船柱(1)的径向拉力，F_y为系缆对系船柱(1)的轴向拉力，y_A为测点A到监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的距离，y_B测点B到监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的距离，ε_A为测点A处的总应变值，即金属箔式应变片(2)在A点的测量值；ε_B为测点B处的总应变值，即金属箔式应变片(2)在B点的测量值，E_s为系船柱(1)的柱壳(11)的弹性模量,E_c为系船柱(1)的中心填料(12)的弹性模量，I_s1为系船柱(1)的柱壳(11)相对于监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的截面惯性矩，I_c1为系船柱(1)的中心填料相对于监测点A、B所在径向截面的中性轴Z轴的截面惯性矩，R为系船柱(1)的柱颈外径，h为A和B两个监测点所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离，A₁为系船柱(1)的柱壳(11)的径向截面面积，A₂为系船柱(1)的中心填料(12)的径向截面面积，F即为船舶系缆力值。

10.根据权利要求1所述的船舶系缆力在线监测装置的监测方法，其特征在于：所述步骤一中在系船柱(1)的柱面上、平行于系船柱(1)轴心线的同一直线上选取两个应力监测点C和D，并在步骤二中选用该金属箔式应变片(2)固定位置方式，则所述步骤五中计算出的船舶系缆力值为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_D-{\mathrm{\ϵ}}_C}{h_D-h_C}\·\frac{E_s{I}_{s2}+E_c{I}_{c2}}{y}\\ F_y=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_C{h}_D-{\mathrm{\ϵ}}_D{h}_C}{h_D-h_C}\·\frac{(E_s{A}_1+E_c{A}_2)(E_s{I}_{s2}+E_c{I}_{c2})}{E_s(I_{s2}-\mathrm{yR}{A}_1)+E_c(I_{c2}-\mathrm{yR}{A}_2)}\end{array}\right.$

$\stackrel{\→}{F}=\stackrel{\→}{F_x}+\stackrel{\→}{F_y},$

其中，F_x为系缆对系船柱(1)的径向拉力，F_y为系缆对系船柱(1)的轴向拉力，y为C点到监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者D点到监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的距离，ε_C为测点C处的总应变值，即金属箔式应变片(2)在C点的测量值，ε_D为测点D处的总应变值，即金属箔式应变片(2)在D点的测量值，E_s为系船柱(1)的柱壳(11)的弹性模量,E_c为系船柱(1)的中心填料(12)的弹性模量，I_s2为系船柱(1)的柱壳(11)相对于监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的截面惯性矩，I_c2为系船柱(1)的中心填料相对于监测点C所在径向截面的中性轴Z′轴或者监测点D所在径向截面的中性轴Z″轴的截面惯性矩，R为系船柱(1)的柱颈外径，h_C为测点C所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离，h_D为测点D所在的径向截面到系缆受力点所在的径向截面的轴向距离，A₁为系船柱(1)的柱壳(11)的径向截面面积，A₂为系船柱(1)的中心填料(12)的径向截面面积，F即为船舶系缆力值。