CN105387890A - 一种隔膜滤板的隔膜在线状态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔膜滤板的隔膜在线状态监测系统及方法，系统包括光纤光栅解调仪、光纤耦合器、处理器和光纤光栅传感器组件，光源发出光信号，光信号通过光纤耦合器传输到光纤光栅传感器组件，光信号与光纤光栅相互作用后，反射光经过光纤耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪连接处理器，处理器调用隔膜损伤数据库，分析损伤程度，建立三维模型，输出隔膜的损伤分布，评估隔膜的健康情况，并且及时发布预警，能够帮助准确快速排除隔膜故障，避免安全事故和生产损失，保证设备厂家以及用户双方的利益。

Description

一种隔膜滤板的隔膜在线状态监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种隔膜滤板的隔膜在线状态监测系统及方法。

背景技术

厢式隔膜压滤机具有压榨压力高、耐腐蚀性好、维修方便、安全可靠等优点，是冶金、造纸、制药、食品、酿造、污泥等行业的首选。

厢式压滤机是一种间歇操作的加压过滤设备，需要不断的加载与卸载。并且在实际的工作环境中，滤板两侧所受压力在管道堵塞等特种工况下可能严重不均衡或者由于滤布破损导致滤板直接受到料浆的冲击。这样，滤板处于周期性频繁受到不均匀面外动态载荷的状态，从而更加恶化了其承载环境。在使用过程中，滤板在不同程度上都会存在着疲劳开裂的现象。

厢式隔膜压滤机的工作原理是一定数量的普通厢式滤板和隔膜滤板在强机械力的作用下被紧密交互排列组成滤室，在输料泵的压力作用下将滤浆输入滤室，通过过滤介质滤布将滤浆中的固体和液体分离。正常的过滤完成后，压缩介质(如气、水)进入隔膜滤板的压榨腔鼓膜缩小滤室体积，向两侧挤压滤饼从而进一步压实滤饼。厢式隔膜压滤机的隔膜滤板包括主体芯板以及芯板上下两层隔膜，主体芯板主要起到刚性支撑的作用，而隔膜在使用过程中要反复鼓膜以起到压榨效果，必须具有较好的韧性及回弹性。

然而，生产现场排查受损的滤板费时费力，长期依靠熟练工人的经验积累，并且故障排查也只能在已经发生不可挽回的损失的情况后才能进行。损坏的滤板在不知情的情况下继续工作可能会对整个设备造成重大的损伤。这样，滤板使役的健康监测技术对于压滤机滤板尤为重要，对其进行使役状态下的健康监测以确保安全生产，对存在问题的滤板进行实时预警，提前实现故障排查，在一定程度上延长了滤板的安全使用寿命。同时，也可分析从现场采集记录保存的滤板使役状态数据来判定使用方是否在操作过程中存在违规行为，有效地避免设备厂家与顾客之间的产品质量纠纷问题。此外，有助于压滤机从自动化到智能化的技术升级。

常规的健康监测方法主要是以一些无损探伤的方式，包括射线、超声、红外、涡流、微波、激光全息照相技术、目视检测等。这些传统无损检测方法的特点是离线、静态、被动的。到目前为止，受多方面技术和传感器条件的制约，我国尚未出现对压滤机滤板使役状态进行监测的技术。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种隔膜滤板的隔膜在线状态监测系统及方法，本发明能够实现动态实时无损检测压滤机的滤板的隔膜使用状态，计算隔膜的损伤程度，并对隔膜的安全性和剩余使用寿命进行预估。提高压滤机的使用效率、安全运行性能，减少维修成本，有助于压滤机从自动化到智能化的技术升级。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种隔膜滤板的隔膜在线状态监测系统，包括光纤光栅解调仪、光纤耦合器、处理器和光纤光栅传感器组件，其中，光纤光栅传感器组件设置于隔膜内，光源发出光信号，光信号通过光纤耦合器传输到光纤光栅传感器组件，光信号与光纤光栅相互作用后，反射光经过光纤耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪连接处理器。

处理器调用隔膜损伤数据库，分析损伤程度，建立三维模型，输出隔膜的损伤分布，评估隔膜的健康情况。

进一步的，所述光纤耦合器有两个，光信号分成两路，分别通过一个光纤耦合器传输到光纤光栅传感器组件的两端，形成两个端口。

进一步的，所述光信号通过一个光纤耦合器传输到光纤光栅传感器组件的一端，形成一个兼具光入射和光反射的端口。

优选的，所述光源为光纤光栅解调仪的内置光源，产生连续调频激光，激光信号通过引线进入光纤光栅，形成稳定的反射信号。

所述光纤光栅传感器组件，包括若干列的应变光纤光栅，应变光纤光栅及其端部的单芯光纤连接器的内埋接头内嵌于隔膜的模具型腔中，在模压或者注塑过程中和隔膜一体成型。成型过程中，嵌件的端部可以延伸到模具型腔的侧壁，保证嵌件中的光纤光栅传感器能够方便的从隔膜中引出并得到可靠的保护。

隔膜在鼓膜压榨的过程中形变量较大，优选最大形变量为10～20％的光纤光栅。考虑到温度光纤光栅外套有钢管对隔膜的影响较大，优先在隔膜中只内埋应变光纤光栅传感器嵌件，信号采集和数据处理中选择与芯板对应位置处的光纤光栅温补数据。

所述应变光纤光栅传感器嵌件的端部设有单芯光纤连接器的内埋接头，光纤光栅传感器嵌件上分布有若干个棒状支撑，以实现在模压、注塑成型过程中嵌件在模具中的定位和固定。

所述光纤光栅传感器组件采用热塑性塑料封装，优选与隔膜材料相同的热塑性塑料，将隔膜结构内埋用单芯光纤连接器内埋接头预安装在封装模具的一端或两端，光纤光栅置于封装模具中，向模具中浇注热塑性塑料熔体，冷却后开模即得到热塑性塑料封装的端部带有单芯光纤连接器的光纤光栅传感器嵌件。

进一步的，所述棒状支撑与隔膜模具上预设的安装孔相配合；若模具没有预设安装孔，可以将棒状支撑的端部粘接在模具上来实现嵌件在模具中的定位和固定。

所述应变光纤光栅为单向引线或双向引线，包括多个刻有不同中心波长的光栅单元，每个光栅单元均是一个独立的传感器单元。可以只对栅区封装，也可以对整个光纤光栅的内埋部分封装。这样，封装后的光纤光栅可以是单向引线单个栅区的块状光纤光栅传感器嵌件、单向引线多个栅区串状、双向引线块状以及双向引线串状光纤光栅传感器嵌件。

所述单芯光纤连接器包括处在隔膜滤板的隔膜边框中的内埋接头、封堵头以及外接接头，在隔膜成型过程中内埋接头的一端与内埋的光纤光栅传感器连接，一端与封堵头配合；在成型后把封堵头去除，将内埋接头内的光纤与外接接头的光纤连接，实现埋于隔膜内部的光纤光栅传感器与光纤耦合器连接。

所述处理器包括光纤光栅信号解析模块、隔膜损伤数据库模块、CAD建模模块、CAE有限元分析模块、隔膜健康整体评估模块和显示输出模块，其中，所述光纤光栅信号解析模块，用于解析光纤光栅解调仪采集的信号；所述隔膜损伤数据库模块，用于存储隔膜损伤数据；所述CAD建模模块，用于建立隔膜的三维几何模型；所述CAE有限元分析模块，用于计算隔膜损伤程度；所述隔膜健康整体评估模块，用于根据隔膜的损伤分布评估隔膜的健康情况；所述显示输出模块，用于显示隔膜的三维几何模型和健康情况。

所述光纤耦合器为光纤光栅信号耦合器，具有优良的波长选择能力和多端口的特性，是结构紧凑、损耗小、偏振无关的光纤耦合器。

所述光纤光栅解调仪为中速或高速光纤光栅波长解调仪，具有多通道并行的解调方案，实现信号快速解调，满足健康监测需要，可以快速解调隔膜在工作环境下的光栅信号。

所述激光光源、光纤耦合器、光纤光栅传感器均通过光纤连接，光纤光栅解调仪和光纤耦合器通过光纤连接，传输信号为光信号，光纤光栅解调仪和处理器通过数据线连接，传输信号为数字信号。

一种基于上述监测系统的方法，包括以下步骤：

(1)选择光纤，根据隔膜的结构以及监测需要刻制光栅，每条光纤刻制多个光栅单元，并对每个光栅单元编号；

(2)测量每条光纤光栅应变，对光纤光栅传感器以及光纤连接器的内埋接头采用聚丙烯熔体浇注的方式在封装模具中进行封装；采用模压或者注塑工艺制备隔膜，实现隔膜和光纤光栅传感器嵌件的一体成型；

(3)每个光纤光栅传感器嵌件的一端或两端的单芯光纤连接器分别连接光纤耦合器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据线连接处理器，处理器解析光纤光栅解调仪采集的信号，求解隔膜温度、应变和应力；

(4)建立隔膜的三维几何模型，利用有限元分析方法计算隔膜的损伤程度，判断隔膜是否出现损伤，如若出现损伤，判断损伤位置及损伤程度，输出损伤，进而评价隔膜健康程度。

所述步骤(2)中，在隔膜模压或者注塑成型前，在模具型腔中根据光纤光栅传感器嵌件的棒状支撑数量预设安装孔，将光纤光栅传感器嵌件的棒状支撑与模具型腔中预设的安装孔配合，或将棒状支撑端部粘接固定在模具中，将嵌件端部的光纤连接器的内埋接头与封堵头配合；

采用模压或者注塑工艺制备隔膜，实现隔膜和光纤光栅传感器嵌件的一体成型；在隔膜模压或注塑成型后，将多余残留在隔膜外部的光纤光栅传感器嵌件的棒状支撑去除。

在成型后去掉封堵头，把每个光纤光栅传感器嵌件的一端或两端的单芯光纤连接器内埋接头分别连接光纤耦合器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据线连接处理器，处理器解析光纤光栅解调仪采集的信号。

所述步骤(4)中，具体步骤包括：

(4-1)利用CAD建模软件建立隔膜的三维几何模型，并导入CAE有限元分析软件，划分网格，建立有限元模型；

(4-2)根据空间位置对应关系，建立有限元模型中单元e_xkj和光栅单元xkj的对应关系：将光栅测量的应变和应力映射到有限元模型中，同时读取芯板与隔膜相对应位置的光栅测量的温度信号，开展隔膜温度场和应力应变场的有限元模拟；

(4-3)处理器接收光纤光栅解调仪传输来的信号，并统计死亡光栅编号；

(4-4)将接收到的光栅xkj信号进行处理后和隔膜损伤数据库中相应的损伤数据模型对比，诊断光栅单元位置的隔膜是否发生损伤以及损伤程度，建立光栅单元和隔膜损伤程度之间的关系：xkj→d_(xkj)；

(4-5)结合步骤(4-2)、(4-4)，得到有限元模型中的光栅单元在健康监测过程中损伤程度的变化关系：e_(xkj)→d_(xkj)，比较分析损伤程度的有限元模拟结果和步骤(4-4)中所得的诊断结果，丰富、优化隔膜损伤数据库，然后通过云图输出隔膜损伤程度的分布状态；

(4-6)根据损伤程度，预估隔膜的安全性和使用寿命，及时发出警报。

所述步骤(4)中，双引线光栅信号的处理具有选择性：光纤完好时，处理器接收的同一光栅的两引线信号相同，仅仅加工处理一端引线传输信号；如果光纤断裂，两端引线传输信号不同，处理器需要同时处理两端信号。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种隔膜滤板隔膜在线健康监测系统和方法，实现了隔膜在复杂工况下的实时在线无损监测，本监测系统和方法是基于成熟的压滤机滤板生产技术，可实施性强，易于在大规模生产中实现。

(2)本发明提供了可视化输出隔膜损伤位置和损伤程度的在线健康监测系统和信号处理的方法，并且及时发布预警，有助于准确快速排除隔膜故障和安全隐患，避免安全事故和生产损失，保证设备制造厂家以及用户双方的利益。

附图说明

图1串状双向引线光纤Bragg光栅传感器嵌件的结构示意图；

图2串状单向引线光纤Bragg光栅传感器嵌件的结构示意图；

图3一种上进料厢式隔膜滤板的隔膜在线健康监测系统示意图；

图4一种中进料厢式隔膜滤板的隔膜在线健康监测系统示意图。

其中，1应变光纤光栅；2光纤光栅传感器封装段；3单芯光纤连接器内埋接头；4光纤光栅传感器嵌件棒状支撑；5导流槽；6支撑台；7隔膜上进料孔；8双向引线串状光纤光栅传感器嵌件；9隔膜中进料孔；10单向引线串状光纤光栅传感器嵌件。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种厢式隔膜压滤机隔膜滤板隔膜在线健康监测系统，包括光纤光栅解调仪、光纤耦合器、处理器和适用于隔膜模压、注塑成型工艺的聚丙烯串状封装的光纤光栅传感器嵌件以及隔膜结构内埋用单芯光纤连接器。过程为，单独光源或光纤光栅解调仪内置光源发出光信号，光信号经过光纤分为两路通过左右两侧两个光纤耦合器或者单侧一个光纤耦合器传输到光纤光栅传感器的两端或者一端，形成两个或者一个兼具光入射和光反射的端口，预固定在隔膜模具内腔的聚丙烯串状封装的光纤光栅传感器嵌件在模压或者注塑过程中和隔膜一体成型，光信号与光纤光栅相互作用后，反射光经过光纤耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪连接处理器，处理器调用隔膜损伤数据库，分析损伤程度，建立三维模型，输出隔膜的损伤分布，评估隔膜的健康情况。

光纤光栅传感器嵌件包含一条应变光纤光栅，隔膜在鼓膜压榨的过程中形变量较大，优选最大形变量为10～20％的光纤光栅。考虑到温度光纤光栅外套有钢管对隔膜的影响较大，优先在隔膜中只内埋应变光纤光栅传感器嵌件，信号采集和数据处理中选择芯板上与隔膜对应位置处的光纤光栅温补数据。

光纤光栅传感器嵌件采用了光纤光栅传感器的聚丙烯封装技术，制成了封装栅区对或者整个内埋部分的带有棒状支撑的传感器嵌件，保证光纤光栅传感器在隔膜的模压、注塑成型过程中可以有效地固定而且不被模压或者注塑压力破坏。

光纤光栅传感器嵌件在隔膜的模压、注塑成型过程中的固定是通过嵌件的棒状支撑与在模压、注塑隔膜的模具中预设的安装孔配合来实现的，也可以通过嵌件的棒状支撑端部粘接在模具上来实现在嵌件在模具中的定位和固定。

光纤光栅传感器的聚丙烯封装技术是将隔膜结构内埋用单芯光纤连接器内埋接头预安装在封装模具的一端或两端，光纤光栅置于封装模具中，向模具中浇注聚丙烯熔体，冷却后开模即得到聚丙烯封装的端部带有单芯光纤连接器的光纤光栅传感器嵌件。封装模具能够制成可以形成带有棒状支撑的串状嵌件。

光纤可以为单向引线也可以为双向引线，都可以包括多个刻有不同中心波长的光栅单元，每个光栅单元均是一个独立的传感器单元。可以只对栅区封装，也可以对整个光纤光栅的内埋部分封装。这样，封装后的光纤光栅可以是单向引线单个栅区的块状光纤光栅传感器嵌件、单向引线多个栅区串状、双向引线块状以及双向引线串状光纤光栅传感器嵌件。

隔膜结构内埋用单芯光纤连接器包括内埋于隔膜边框的内埋接头、封堵头以及外接接头三部分。隔膜在成型过程中内埋接头一端与内埋的光纤光栅传感器连接，一端与封堵头配合，在成型后的隔膜经过后续的机械加工后去除封堵头，将内埋接头内的光纤与外接接头的光纤连接，实现埋于隔膜内部的光纤光栅传感器与光纤耦合器连接。

光源可以为独立光源也可以内置于光纤光栅解调仪内，产生连续调频激光，激光信号通过引线进入光纤光栅，形成稳定的反射信号。

处理器包括光纤光栅信号解析模块、隔膜损伤数据库模块、CAD建模模块、CAE有限元分析模块、隔膜健康整体评估模块和显示输出模块，其中，所述光纤光栅信号解析模块，用于解析光纤光栅解调仪采集的信号；所述隔膜损伤数据库模块，用于存储隔膜损伤数据；所述CAD建模模块，用于建立隔膜的三维几何模型；所述CAE有限元分析模块，用于计算隔膜损伤程度；所述隔膜健康整体评估模块，用于根据隔膜的损伤分布评估滤板的健康情况；所述显示输出模块，用于显示隔膜的三维几何模型和健康情况。

光纤耦合器为光纤光栅信号耦合器，具有优良的波长选择能力和多端口的特性，是结构紧凑、损耗小、偏振无关的光纤耦合器。

光纤光栅解调仪为中速或高速光纤光栅波长解调仪，具有多通道并行的解调方案，实现信号快速解调，满足健康监测需要，可以快速解调滤板在工作环境下的光栅信号。

激光光源、光纤耦合器、光纤光栅传感器均通过光纤连接，光纤光栅解调仪和光纤耦合器通过光纤连接，传输信号为光信号，光纤光栅解调仪和处理器通过数据线连接，传输信号为数字信号。

一隔膜压滤机隔膜滤板隔膜在线健康监测的方法，包括以下步骤：

(1)选择光纤，根据隔膜滤板隔膜的结构以及监测需要刻制光栅，每条光纤可以刻制多个光栅单元，并对每个光栅单元编号，引线可以从传感器的一端或两端引出，形成单引线或双引线光纤光栅串；

(2)每条光纤光栅测量应变，标记为S；

(3)对光纤光栅传感器以及单芯光纤连接器的内埋接头采用聚丙烯熔体浇注的方式在可以形成带有棒状支撑的串状嵌件的封装模具中进行封装，得到光纤光栅传感器嵌件；

(4)在隔膜模压或者注塑成型前，在模具内腔中根据封装后的光纤光栅传感器嵌件的棒状支撑数量预设安装孔，将光纤光栅传感器嵌件的棒状支撑与模具内腔中预设的安装孔配合，也可以将棒状支撑端部粘胶实现嵌件在模具中的固定；将嵌件端部的光纤连接器的内埋接头与封堵头配合；

(5)采用模压或者注塑工艺制备隔膜，实现隔膜和光纤光栅传感器嵌件的一体成型；在厢式隔膜滤板隔膜模压或注塑成型后，将多余残留在隔膜外部的光纤光栅传感器嵌件的棒状支撑去除；

(6)成型后的隔膜经过后续的机械加工后去除封堵头，把每个光纤光栅传感器嵌件的一端或两端的单芯光纤连接器的内埋接头分别连接光纤耦合器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据线连接处理器，处理器解析光纤光栅解调仪采集的信号；

(7)建立隔膜的三维几何模型，利用有限元分析方法计算隔膜的损伤程度，判断隔膜是否出现损伤，如若出现损伤，判断损伤位置及损伤程度，输出损伤，进而评价隔膜健康程度；

(7-1)利用CAD建模软件建立隔膜的三维几何模型，并导入CAE有限元分析软件，划分网格，建立有限元模型；

(7-2)根据空间位置对应关系，建立有限元模型中单元e_xkj和光栅单元xkj的对应关系：将光栅测量的应变和应力映射到有限元模型中，同时读取芯板与隔膜相对应位置的光栅测量的温度信号，开展隔膜温度场和应力应变场的有限元模拟；

(7-3)处理器接收光纤光栅解调仪传输来的信号，并统计死亡光栅编号；

(7-4)将接收到的光栅xkj信号进行处理后和隔膜损伤数据库中相应的损伤数据模型对比，诊断光栅单元位置的隔膜是否发生损伤和损伤程度，建立光栅单元和隔膜损伤程度之间的关系：xkj→d_(xkj)；

(7-5)结合步骤(7-2)、(7-4)，得到有限元模型中的光栅单元在健康监测过程中损伤程度的变化关系：e_(xkj)→d_(xkj)，比较分析损伤程度的有限元模拟结果和步骤(7-4)中所得的诊断结果，丰富、优化隔膜的损伤数据库，然后通过云图输出隔膜损伤程度的分布状态；

(7-6)根据损伤程度，预估隔膜的安全性和使用寿命，及时发出警报，提高隔膜的使役安全性。

所述步骤(7)中，双引线光栅信号的处理具有选择性：光纤完好时，处理器接收的同一光栅两引线信号相同，仅仅加工处理一端引线传输信号；如果光纤断裂，两端引线传输信号不同，处理器需要同时处理两端信号。

光纤Bragg光栅(FiberBraggGrating,FBG)是一种对应力、应变及温度敏感的传感元件，可实现单根光纤对几十个应变节点的测量，具有精度高、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、耐腐蚀、传输距离长等优点，可实现应变、应力、温度等多种参量的测量，在以下实施例中选用光纤Bragg光栅。

实施例一：一种上进料厢式隔膜滤板隔膜在线健康监测装置和方法。

如图3所示，系统包括：串状双向引线光纤Bragg光栅传感器嵌件8、光纤耦合器、光纤光栅数字解调仪、计算机系统等。

串状双向引线光纤Bragg光栅传感器嵌件8结构如图1所示，每个光纤光栅两端均有引线，形成两个信号通道，遭受外力断裂后，1个双引线光栅传感器可以变成2个单引线光栅传感器，光栅可以正常工作，保证在线监测过程监测的稳定性。

(1)根据上进料隔膜尺寸，刻制13条包层直径40μm的光纤刻制光栅。每条光纤上刻制10个不同中心波长的光栅单元，编号1-10。

(2)取刻制好光纤编号为1-13，标记为S。

(3)对光纤光栅进行封装，首先将单芯光纤连接器内埋接头3预安装在封装模具的两端，将应变光纤固定在串状封装模具中，保持光纤的光栅单元位置与芯板光栅位置对应，光纤光栅传感器两端的引线与在模具内腔两端固定的单芯光纤连接器的内埋接头3连接。向模具中浇注聚丙烯熔体，冷却后开模即得到串状带有单芯光纤连接器的光纤光栅传感器嵌件8。

(4)在隔膜模压或者注塑模具内腔表面根据串状封装后的光纤光栅棒状支撑4的数量预设安装孔。将串状光纤光栅传感器嵌件的棒状支撑4与模具上预设的安装孔配合。将嵌件端部的光纤连接器的内埋接头与封堵头配合。

(5)采用模压工艺制备隔膜，实现隔膜和串状光纤光栅传感器嵌件的一体成型。

(6)厢式隔膜滤板隔膜模压成型后，将多余残留在隔膜外部的嵌件棒状支撑4去除。

(7)成型后的隔膜经过后续的机械加工后去除封堵头，把两端的每个单芯光纤连接器分别连接光纤耦合器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过网线连接电脑，电脑中有健康监测系统软件处理光纤光栅数据，三维建模，输出显示损伤分布。

实施例二一种中进料厢式隔膜滤板隔膜在线健康监测装置和方法

如图4所示，系统包括：串状单向引线光纤Bragg光栅传感器嵌件10、串状双向引线光纤Bragg光栅传感器嵌件8、光纤耦合器、光纤光栅数字解调仪、计算机系统等。

串状单向引线光纤Bragg光栅传感器嵌件10结构如图2所示，每个光纤光栅只有一端引线，单向引线的光纤光栅方便在隔膜滤板隔膜中央位置进料孔7周围的布排。

(1)根据中进料隔膜形状结构特点以及尺寸，刻制11条编号为1-11的双向引线包层直径40μm的光纤刻制光栅。每条光纤上刻制10个不同中心波长的光栅单元，编号1-10。

(2)刻制4条编号为12-15的单向引线包层直径40μm的光纤刻制光栅。每条光纤上刻制5个不同中心波长的光栅单元，编号1-5。

(3)对双向引线光纤光栅进行封装，将单芯光纤连接器内埋接头3预安装在封装模具的两端，将编号为1-11的光纤1固定在串状封装模具中，保持光纤的光栅单元位置对应芯板的光栅单元位置，光纤光栅传感器两端的引线与在模具内腔两端固定的单芯光纤连接器的内埋接头3连接。向模具中浇注聚丙烯熔体，冷却后开模即得到串状双向引线端部带有单芯光纤连接器的光纤光栅传感器嵌件8。

(4)对单向引线光纤光栅进行封装，将单芯光纤连接器内埋接头预安装在封装模具的一端，将编号为12-15的光纤固定在串状封装模具中，保持光纤的光栅单元位置对应芯板的光栅单元位置，光纤光栅传感器一端的引线与在模具内腔一端固定的单芯光纤连接器的内埋接头3连接。向模具中浇注聚丙烯熔体，冷却后开模即得到串状单向引线端部带有单芯光纤连接器的光纤光栅传感器嵌件10。

(5)将串状封装后的光纤光栅棒状支撑4的端部粘接在模具上实现其在模具中的定位和固定。在隔膜中央位置进料孔周围布排单向引线光纤光栅传感器嵌件10。将嵌件端部的单芯光纤连接器的内埋接头与封堵头配合。

(6)采用模压工艺制备隔膜，实现隔膜和串状光纤光栅传感器嵌件的一体成型。

(7)隔膜模压成型后，将多余残留在隔膜外部的光纤光栅传感器嵌件的棒状支撑4去除。

(8)成型后的滤板经过后续的机械加工后去除封堵头，把每个单芯光纤连接器内埋接头分别连接光纤耦合器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过网线连接电脑，电脑中有健康监测系统软件处理光纤光栅数据，三维建模，输出显示损伤分布。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种隔膜滤板的隔膜在线状态监测系统，其特征是：包括光纤光栅解调仪、光纤耦合器、处理器和光纤光栅传感器组件，其中，光源发出光信号，光信号通过光纤耦合器传输到光纤光栅传感器组件，光信号与光纤光栅相互作用后，反射光经过光纤耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪连接处理器。

2.如权利要求1所述的一种隔膜滤板的隔膜在线状态监测系统，其特征是：所述光信号通过一个光纤耦合器传输到光纤光栅传感器组件的一端，形成一个兼具光入射和光反射的端口，所述光纤耦合器有一个或者两个，光信号分成一路或者两路，分别通过一个或者两个光纤耦合器传输到光纤光栅传感器组件的一端或者两端，形成一个或者两个端口。

3.如权利要求1所述的一种隔膜滤板的隔膜在线状态监测系统，其特征是：所述光纤光栅传感器组件，包括若干列的应变光纤光栅，应变光纤光栅及其端部的单芯光纤连接器的内埋接头内嵌于隔膜的模具型腔中，在模压或者注塑过程中和隔膜一体成型。

4.如权利要求3所述的一种隔膜滤板的隔膜在线状态监测系统，其特征是：所述单芯光纤连接器包括处在隔膜滤板的隔膜边框中的内埋接头、外接接头以及封堵头，在隔膜成型过程中内埋接头的一端与内埋的光纤光栅传感器连接，另一端与封堵头配合；在成型后把封堵头去除，将内埋接头内的光纤与外接接头的光纤连接，实现埋于隔膜内部的光纤光栅传感器与光纤耦合器连接。

5.如权利要求1所述的一种隔膜滤板的隔膜在线状态监测系统，其特征是：所述应变光纤光栅传感器嵌件上分布有若干个棒状支撑，所述棒状支撑与隔膜模具上预设的安装孔相配合或其端部粘接固定在模具上。

6.如权利要求1所述的一种隔膜滤板的隔膜在线状态监测系统，其特征是：所述应变光纤光栅为单向引线或双向引线，每条应变光纤包括多个刻有不同中心波长的光栅单元，每个光栅单元均是一个独立的传感器单元。

7.如权利要求1所述的一种隔膜滤板的隔膜在线状态监测系统，其特征是：所述处理器包括光纤光栅信号解析模块、隔膜损伤数据库模块、CAD建模模块、CAE有限元分析模块、隔膜健康整体评估模块和显示输出模块，其中，所述光纤光栅信号解析模块，用于解析光纤光栅解调仪采集的信号；所述隔膜损伤数据库模块，用于存储隔膜损伤数据；所述CAD建模模块，用于建立隔膜的三维几何模型；所述CAE有限元分析模块，用于仿真计算隔膜损伤程度；所述隔膜健康整体评估模块，用于根据隔膜的损伤分布状况评估隔膜的健康情况；所述显示输出模块，用于显示隔膜的三维几何模型和健康情况。

8.一种基于如权利要求1-7中任一项所述的监测系统的方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)选择光纤，根据隔膜的结构以及监测需要刻制光栅，每条光纤刻制多个光栅单元，并对每个光栅单元编号；

(2)测量每条光纤光栅应变，对光纤光栅传感器以及光纤连接器的内埋接头采用聚丙烯熔体浇注的方式在封装模具中进行封装；采用模压或者注塑工艺制备隔膜滤板隔膜，实现隔膜滤板隔膜和光纤光栅传感器嵌件的一体成型；

(3)每个光纤光栅传感器嵌件的一端或两端的单芯光纤连接器分别连接光纤耦合器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据线连接处理器，处理器解析光纤光栅解调仪采集的信号，求解厢式隔膜滤板隔膜温度、应变和应力；

(4)建立隔膜的三维几何模型，利用有限元分析方法计算隔膜的损伤程度，判断隔膜是否出现损伤，如若出现损伤，判断损伤位置及损伤程度，输出损伤，进而评价隔膜健康程度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征是：所述步骤(4)中，具体步骤包括：

(4-1)利用CAD建模软件建立隔膜的三维几何模型，并导入CAE有限元分析软件，划分网格，建立有限元模型；

(4-2)根据空间位置对应关系，建立有限元模型中单元e_xkj和光栅单元xkj的对应关系：将光栅测量的应变和应力映射到有限元模型中，同时读取芯板与隔膜相对应位置的光栅测量的温度信号，开展隔膜温度场和应力应变场的有限元模拟；

(4-3)处理器接收光纤光栅解调仪传输来的信号，并统计死亡光栅编号；

(4-4)将接收到的光栅xkj信号进行处理后和隔膜损伤数据库中相应的损伤数据模型对比，诊断光栅单元位置的隔膜是否发生损伤以及损伤程度，建立光栅单元和隔膜损伤程度之间的关系：xkj→d_(xkj)；

(4-5)结合步骤(4-2)、(4-4)，得到有限元模型中的光栅单元在健康监测过程中损伤程度的变化关系：e_(xkj)→d_(xkj)，比较分析损伤程度的有限元模拟结果和步骤(4-4)中所得的诊断结果，丰富、优化隔膜损伤数据库，然后通过云图输出隔膜损伤程度的分布状态；

(4-6)根据损伤程度，预估隔膜的安全性和使用寿命，及时发出警报。

10.如权利要求8所述的方法，其特征是：所述步骤(4)中，双引线光栅信号的处理具有选择性：光纤完好时，处理器接收的同一光栅的两引线信号相同，仅仅加工处理一端引线传输信号；如果光纤断裂，两端引线传输信号不同，处理器需要同时处理两端信号。