CN106248682B - 一种人字门裂纹在线检测系统及其检测方法 - Google Patents

一种人字门裂纹在线检测系统及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种人字门裂纹在线检测系统及其检测方法，所述的检测系统包括光纤裂纹检测传感器、多路数据转换装置、OTDR模块、嵌入式PC和中心服务器；光纤裂纹检测传感器的光纤输入端和光纤输出端均连接到多路数据转换装置上，多路数据转换装置还依次与OTDR模块、嵌入式PC和中心服务器串联连接；本发明采用光纤裂纹检测传感器，远程获取人字门各监测位置的裂纹信息，通过数据分析和处理实现关键裂纹易发生区域的在线检测和定位，并可以对裂纹大小及发展趋势给出定性和定量分析，以达到实时连续检测人字门结构损伤或退化的目的。本发明对噪声不敏感，非常适合水下复杂环境，而且布置方法简单，也可根据需要进行分布式布置。

Description

一种人字门裂纹在线检测系统及其检测方法
技术领域
本发明涉及水工金属结构健康检测技术领域，特别涉及一种人字门裂纹检测技术。
背景技术
船闸人字门的结构坚固性在其工作过程中总是面临着考验，其中人字门两侧巨大的水压力差、人字门启闭过程中水流的挤压对门体的结构损伤与变形等问题在长期作用下会使得门体的应力集中区出现裂纹，并影响船闸的长期可靠运行。
目前，为保证人字门的结构安全，通常采用定期停航进行人工检修，这不仅影响航道运输，最为重要的是人工检测方法费时费力，且存在漏检的可能。因此研究人字门裂纹在线检测的系统与方法十分有必要。
经典裂纹检测技术包括超声波无损检测法、微波无损检测法以及超声脉冲法等。这些检测法在常规环境下对裂纹、裂缝具有较高的测试准确度，但均属于单点检测，其收集的信息在时间、空间上不连续。虽然可通过后期对采集的信息进行统计分析来得到结构内裂缝分布与发展的大致情况，但不能对裂纹/裂缝发生区域进行准确定位，具有相当的局限性，特别是对工作于复杂水域环境的船闸来说更是如此。受水下噪声等因素影响，微小裂纹/裂缝信息甚至难以发现。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既实时连续又能准确定位的人字门裂纹在线检测系统及其检测方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种人字门裂纹在线检测系统，包括光纤裂纹检测传感器、多路数据转换装置、OTDR模块、嵌入式PC和中心服务器；所述的光纤裂纹检测传感器的光纤输入端和光纤输出端均连接到多路数据转换装置上，所述的多路数据转换装置还依次与OTDR模块、嵌入式PC和中心服务器串联连接；所述的OTDR模块包括光时域反射仪；
所述的光纤裂纹检测传感器包括刚性保护盒A、刚性保护盒B和光纤；所述的刚性保护盒A和刚性保护盒B之间缠绕多条光纤，每条光纤通过一组圆柱形底座辅助固定在人字门上；所述的圆柱形底座有多组，每组两个，分两列布设在人字门的裂纹易发区域的两侧；所述的圆柱形底座为可拆卸的圆柱形底座。
所述的多路数据转换装置用于判断光纤是否发生断裂以及断裂的位置；
所述的OTDR模块用于确定裂纹位置与个数；
所述的嵌入式PC用于汇总和发送数据；
所述的中心服务器用于数据分析与处理、数据呈现、数据存储/备份和远程监控。
一种人字门裂纹在线检测系统的检测方法，包括以下步骤：
A、判断光纤是否发生断裂；
A1、多路数据转换装置选通光纤输入端，通过OTDR模块检测是否出现反射峰，如不出现反射峰则说明光纤通路，并未发生断裂；返回重复步骤A1；
A2、如出现反射峰则说明光纤发生断裂，OTDR模块同时确定断点距离光纤输入端的位置；
A3、多路数据转换装置再选通光纤输出端，可通过OTDR模块确定断点距离光纤输出端的位置；
B、确定裂纹位置；
预先测量出光纤输入端进入刚性保护盒A时的位置为x0，若检测区域中出现一条裂纹，并与光纤相交于x1、x2、...、xi、...、xn,i＝1、2、...、n，则裂纹位于光纤中的位置xn满足下式：
其中：n为裂纹与光纤的交点个数，xn是裂纹与光纤的最后一个交点的位置，x0是光纤输入端进入刚性保护盒A时的位置，p为光纤每经过刚性保护盒A或刚性保护盒B时缠绕的长度且为常数，L为检测区域中布设的光纤长度，其中p、L、x0均为已知常数，
裂纹与光纤的交点个数n直接通过OTDR模块中的事件个数确定；
C、确定裂纹的发展趋势；
若光纤裂纹检测传感器检测到一处扩展的裂纹，并与光纤相交于xn、xn+1、...、xm，则通过下式计算扩展裂纹长度D：
其中：d为各个光纤之间的间隔，m为OTDR模块检测到的事件个数；θ为裂纹与光纤之间的夹角；
裂纹的发展趋势通过持续观察后续裂纹与光纤的交点位置xm来确定，若xm≥xn则裂纹向下生长，否则裂纹向上生长；
D、中心服务器进行数据处理；
中心服务器将裂纹的位置、个数与发展趋势进行汇总，并实现数据分析与处理、数据呈现、数据存储/备份和远程监督。
进一步地，所述的裂纹与光纤之间的夹角θ为55o‐65o。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用光纤裂纹检测传感器，远程获取人字门各监测位置的裂纹信息，通过数据分析和处理实现关键裂纹易发生区域的在线检测和定位，并可以对裂纹大小及发展趋势给出定性和定量分析，以达到实时连续检测人字门结构损伤或退化的目的。
2、本发明对噪声不敏感，非常适合水下复杂环境，而且布置方法简单，也可根据需要进行分布式布置。
附图说明
本发明共有附图2幅，其中：
图1为人字门裂纹在线检测系统的流程图。
图2为光纤裂纹检测传感器的走线示意图。
图中：1、光纤裂纹检测传感器，2、多路数据转换装置，3、OTDR模块，4、嵌入式PC，5、中心服务器，6、刚性保护盒A，7、刚性保护盒B，8、圆柱形底座，9、光纤输入端，10、光纤输出端。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
本发明的工作原理如下：
由于人字门裂纹的发生方向基本固定，将包有涂覆层的光纤与裂纹易生成方向成一定角度采用特种AB胶粘贴固定在人字门刚体上，线条粗细要适当，且完全包裹住光纤加以保护，以保证良好的传感效果。该AB胶为船用胶，质硬，经长期多次验证可实现与人字门钢结构实现非常坚固的粘贴，且本身就具有很好的防水、防腐蚀特性。在裂缝发生初始阶段，由于AB胶、光纤与钢体完全固化为一体，裂缝的张力会逐步使AB胶也产生裂缝，使得其内部光纤在裂缝出现位置弯折，产生弯曲损耗，在OTDR测试曲线上表现为一个明显的下降沿，由此即可检测出该裂纹事件并给出具体裂纹发生位置。而随着裂纹的不断扩大，其弯曲损耗也会愈加明显。在裂纹生长方向采用同样方法可布设多条光纤，并且每条光纤可监测该行进线路上的多处裂缝发生状况，实现裂纹监测的准分布式测量。
本发明的实施例如下：
如图1‐2所示，一种人字门裂纹在线检测系统，包括光纤裂纹检测传感器1、多路数据转换装置2、OTDR模块3、嵌入式PC4和中心服务器5；所述的光纤裂纹检测传感器1的光纤输入端9和光纤输出端10均连接到多路数据转换装置2上，所述的多路数据转换装置2还依次与OTDR模块3、嵌入式PC4和中心服务器5串联连接；所述的OTDR模块3包括光时域反射仪；
所述的光纤裂纹检测传感器1包括刚性保护盒A6、刚性保护盒B7和光纤；所述的刚性保护盒A6和刚性保护盒B7之间缠绕多条光纤，每条光纤通过一组圆柱形底座8辅助固定在人字门上；所述的圆柱形底座8有多组，每组两个，分两列布设在人字门的裂纹易发区域的两侧；所述的圆柱形底座8为可拆卸的圆柱形底座8。
所述的多路数据转换装置2用于判断光纤是否发生断裂以及断裂的位置；
所述的OTDR模块3用于确定裂纹位置与个数；
所述的嵌入式PC4用于汇总和发送数据；
所述的中心服务器5用于数据分析与处理、数据呈现、数据存储/备份和远程监控。
一种人字门裂纹在线检测系统的检测方法，包括以下步骤：
A、判断光纤是否发生断裂；
A1、多路数据转换装置2选通光纤输入端9，通过OTDR模块3检测是否出现反射峰，如不出现反射峰则说明光纤通路，并未发生断裂；返回重复步骤A1；
A2、如出现反射峰则说明光纤发生断裂，OTDR模块3同时确定断点距离光纤输入端9的位置；
A3、多路数据转换装置2再选通光纤输出端10，通过OTDR模块3确定断点距离光纤输出端10的位置；
B、确定裂纹位置；
预先测量出光纤输入端9进入刚性保护盒A6时的位置为x0，若检测区域中出现一条裂纹，并与光纤相交于x1、x2、...、xi、...、xn,i＝1、2、...、n，则裂纹位于光纤中的位置xn满足下式：
其中：n为裂纹与光纤的交点个数，xn是裂纹与光纤的最后一个交点的位置，x0是光纤输入端9进入刚性保护盒A6时的位置，p为光纤每经过刚性保护盒A6或刚性保护盒B7时缠绕的长度且为常数，L为检测区域中布设的光纤长度，其中p、L、x0均为已知常数，
裂纹与光纤的交点个数n直接通过OTDR模块3中的事件个数确定；
C、确定裂纹的发展趋势；
若光纤裂纹检测传感器1检测到一处扩展的裂纹，并与光纤相交于xn、xn+1、...、xm，则通过下式计算扩展裂纹长度D：
其中：d为各个光纤之间的间隔，m为OTDR模块3检测到的事件个数；θ为裂纹与光纤之间的夹角；
裂纹的发展趋势通过持续观察后续裂纹与光纤的交点位置xm来确定，若xm≥xn则裂纹向下生长，否则裂纹向上生长；
D、中心服务器5进行数据处理；
中心服务器5将裂纹的位置、个数与发展趋势进行汇总，并实现数据分析与处理、数据呈现、数据存储/备份和远程监督。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种人字门裂纹在线检测系统，包括光纤裂纹检测传感器(1)、多路数据转换装置(2)、嵌入式PC(4)和中心服务器(5)；所述的光纤裂纹检测传感器(1)的光纤输入端(9)和光纤输出端(10)均连接到多路数据转换装置(2)上；其特征在于：所述的多路数据转换装置(2)还依次与OTDR模块(3)、嵌入式PC(4)和中心服务器(5)串联连接；所述的OTDR模块(3)包括光时域反射仪；
所述的光纤裂纹检测传感器(1)包括刚性保护盒A(6)、刚性保护盒B(7)和光纤；所述的刚性保护盒A(6)和刚性保护盒B(7)之间缠绕多条光纤，每条光纤通过一组圆柱形底座(8)辅助固定在人字门上；所述的圆柱形底座(8)有多组，每组两个，分两列布设在人字门的裂纹易发区域的两侧；所述的圆柱形底座(8)为可拆卸的圆柱形底座(8)；
所述的多路数据转换装置(2)用于判断光纤是否发生断裂以及断裂的位置；
所述的OTDR模块(3)用于确定裂纹位置与个数；
所述的嵌入式PC(4)用于汇总和发送数据；
所述的中心服务器(5)用于数据分析与处理、数据呈现、数据存储/备份和远程监控。
2.一种人字门裂纹在线检测系统的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、判断光纤是否发生断裂；
A1、多路数据转换装置(2)选通光纤输入端(9)，通过OTDR模块(3)检测是否出现反射峰，如不出现反射峰则说明光纤通路，并未发生断裂；返回重复步骤A1；
A2、如出现反射峰则说明光纤发生断裂，OTDR模块(3)同时确定断点距离光纤输入端(9)的位置；
A3、多路数据转换装置(2)再选通光纤输出端(10)，通过OTDR模块(3)确定断点距离光纤输出端(10)的位置；
B、确定裂纹位置；
预先测量出光纤输入端(9)进入刚性保护盒A(6)时的位置为x0，若检测区域中出现一条裂纹，并与光纤相交于x1、x2、...、xi、...、xn,i＝1、2、...、n，则裂纹位于光纤中的位置xn满足下式：
其中：n为裂纹与光纤的交点个数，xn是裂纹与光纤的最后一个交点的位置，x0是光纤输入端(9)进入刚性保护盒A(6)时的位置，p为光纤每经过刚性保护盒A(6)或刚性保护盒B(7)时缠绕的长度且为常数，L为检测区域中布设的光纤长度，其中p、L、x0均为已知常数，
裂纹与光纤的交点个数n直接通过OTDR模块(3)中的事件个数确定；
C、确定裂纹的发展趋势；
若光纤裂纹检测传感器(1)检测到一处扩展的裂纹，并与光纤相交于xn、xn+1、...、xm，则通过下式计算扩展裂纹长度D：
其中：d为各个光纤之间的间隔，m为OTDR模块(3)检测到的事件个数；θ为裂纹与光纤之间的夹角；
裂纹的发展趋势通过持续观察后续裂纹与光纤的交点位置xm来确定，若xm≥xn则裂纹向下生长，否则裂纹向上生长；
D、中心服务器(5)进行数据处理；
中心服务器(5)将裂纹的位置、个数与发展趋势进行汇总，并实现数据分析与处理、数据呈现、数据存储/备份和远程监督。
3.根据权利要求2所述的一种人字门裂纹在线检测系统的检测方法，其特征在于：所述的裂纹与光纤之间的夹角θ为55°‐65°。
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