CN106441383A - 一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统，包括对压滤机滤板施加主动激励的主动激励模块，检测滤板在激励下形成的动态响应信号、外贴于滤板上的光纤光栅传感模块，接收动态响应信号并从中提取损伤特征信号以进行滤板状态评估的智能分析模块，接收并显示滤板健康状态的可视模块，以及接收评估结果、并在评估结果超过预警时报警的预警模块。本发明能够在滤板定期停机检修期间以及滤板装配于压滤机之前检测压滤机滤板的健康状况，实现滤板的无损检测，从而及时替换损伤严重的滤板，保证生产安全可靠。

Description

一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测 系统

技术领域

本发明涉及一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统。

背景技术

压滤机是通过对滤板的间歇性加压与卸载来实现过滤的设备。其滤板的工作环境十分恶劣，服役过程中会出现不同程度的疲劳开裂和过载损伤以及磨损，目前我国尚未实现对压滤机滤板健康状态的自动检测，生产现场排查受损滤板的传统技术方法费时费力，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。损坏的滤板在工作人员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。由此可见，滤板的健康检测十分重要。

常见的健康检测方法主要是射线、超声、红外、涡流、微波、激光全息照相、目视检测等一些无损探伤方式。这些检测方式通常需要压滤机的拆卸和重新安装，需要具有专业技术的检测人员，而且大多设备庞大、价格昂贵。

光纤光栅传感以其本质安全、不受电磁干扰、灵敏度高、质量轻、体积小、易于复用、可远距离测量等特点而在传感领域备受关注，并得到广泛应用，已成为传感器技术发展的主流方向之一。

相比内埋式的光纤光栅传感器，外贴式的光纤光栅传感器无需调整滤板的成型工艺，在压滤机滤板健康状态的无损检测中具有更大的优越性。但是，现有的表面粘贴式光纤光栅传感器是将光纤光栅首先粘贴在胶基基片或者刻有凹槽的金属基板上，做成传感器并保护好接头后使用。胶基基片封装的传感器由于胶基的强度和刚度低、易发生应力松弛或蠕变、不耐高温等缺点的限制，无法适应压滤机的长期高温环境及恶劣工况。金属基板封装贴片的制备工艺复杂、自身质量密度高，且由于金属基板自身模量远大于压滤机滤板采用的短玻璃纤维增强聚丙烯基复合材料的模量，与滤板的相容性不好，其传递滤板应变的准确度大幅降低，进而致使光纤光栅测试的精度无法满足要求。

另一方面，光纤光栅传感器在压滤机滤板健康状态的无损检测中的应用通常是被动式的，即依靠滤板本身在使役过程中的应力应变状态来决定光纤光栅的中心波长偏移量的大小。而通常滤板的使役条件复杂，存在大量的振动、冲击等外界干扰，致使光纤光栅的检测信号出现背景噪声，降低了滤板健康状态检测的准确程度。在定期检修的停机期间以及滤板装配于压滤机之前，可以有效消除压滤机的振动、冲击等外界干扰，但是滤板本身在这种时候没有了应力应变，被动式的光纤光栅检测技术失去了检测功能。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统，本发明能够在压滤机定期停机检修期间以及滤板装配于压滤机之前检测滤板的健康状态，实现无损检测，及时发现损伤严重的滤板。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统，包括对压滤机滤板施加主动激励的主动激励模块，检测滤板在激励下形成的动态响应信号、外贴于滤板上的光纤光栅传感模块，接收动态响应信号并从中提取损伤特征信号以进行滤板状态评估的智能分析模块，接收并显示滤板健康状态的可视模块，以及接收评估结果、并在评估结果超过预警时报警的预警模块。

所述主动激励模块为压电陶瓷激励模块或锤击激励模块。

所述压电陶瓷激励模块包括驱动电源和若干压电陶瓷驱动器，驱动电源利用高频电信号激励压电陶瓷，根据负压电效应，压电陶瓷驱动器将驱动滤板材料产生超声应力波并向四周扩散，超声应力波在板的上下表面不断反射而形成Lamb波。Lamb波可以传播相对较远的距离，且对损伤敏感。

所述压电陶瓷驱动器粘贴在滤板边框上，且粘贴位置与角度通过有限元软件模拟Lamb波在整块滤板中的传播状态而确定，以保证其能在滤板边框引发滤板内部0.1-0.6％的应变。

所述压电陶瓷驱动器可以布设于多点，各驱动器采用统一驱动电源，驱动力大小相同，通过调试而保证驱动器输出相位一致；优选布设于四个点上，即在每个边框的中心位置布设一个压电陶瓷驱动器。

所述锤击激励模块包括力锤，力锤是由锤柄中装有信号传输专用电缆的冲击锤和力传感器组成，利用力锤以确定大小的力敲击滤板从而在滤板内部引发应变，所述力锤敲击力的大小由力传感器检测，敲击力与敲击位置根据滤板型号确定，以不对滤板造成损伤并能在滤板边框引发应变为标准。

所述光纤光栅传感模块包括光源、外贴式光纤光栅传感器、光纤耦合器和光纤光栅解调仪，其中，所述光源产生连续调频激光，激光信号通过引线进入外贴式光纤光栅传感器的光纤光栅，形成稳定的反射信号，外贴式光纤光栅传感器通过光纤依次连接光纤耦合器和光纤光栅解调仪。

所述光纤耦合器有两个，激光信号分成两路，分别通过一个光纤耦合器传输到光纤光栅解调仪的两端，形成两个端口。

所述光源为单独光源或光纤光栅解调仪的内置光源，产生连续调频激光，激光信号通过光纤进入光纤光栅传感器，形成稳定的反射信号。

所述外贴式光纤光栅传感器包括布排于滤板边框上的呈矩阵式排布的若干个光纤光栅封装贴片，每个光纤光栅封装贴片结构相同，均包括基板以及在基板上布设的光纤光栅以及与所述光纤光栅连接的传导光纤，所述光纤光栅和基板整体封装，检测滤板的应力或/和温度变化。

所述基板为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，以真空辅助灌注液态环氧树脂并浸渍玻璃纤维布而后固化的工艺封装光纤光栅与基板，形成光纤光栅封装贴片。

在采用压电陶瓷主动激励模块时，所述外贴式光纤光栅传感器的反射中心波长根据Lamb波而改变，且其栅区长度小于Lamb波长的一半。

在采用力锤主动激励模块时，所述外贴式光纤光栅传感器检测最大应变值的变化。

所述智能分析模块，包括滤板数据库和分析模块，所述滤板数据库具体包括滤板的材料学数据、健康滤板的检测数据以及滤板损伤检测数据，所述分析模块对应主动激励模块的类型，包括分析模块A和分析模块B，分别对应压电陶瓷主动激励模块、力锤主动激励模块。

所述分析模块A对解调后的响应信号进行二维傅里叶变换求取幅频特性，实现损伤特征初步提取，然后通过Relieff特征算法、主成分分析法完成损伤特征提取，将损伤特征代入训练好的损伤识别模型，实现滤板的损伤识别，通过比对健康滤板与被测滤板的检测数据，结合滤板损伤状况预测滤板的剩余寿命。

所述分析模块B提取各光纤光栅传感器检测到的最大应变值，运算得到整块滤板的应变场，与健康滤板在相同激励下引发的应变场对比，实现滤板的损伤识别，根据滤板损伤状况预测滤板的剩余寿命。

所述可视模块包括三维几何模型加载、数据加载和耦合显示三个子模块，所述三维几何模型加载子模块读取三维模型格式文件，对模型进行旋转、缩放和移动操作，所述数据加载子模块接收智能分析模块输出的损伤数据及剩余寿命数据，所述耦合显示子模块将三维几何模型与数据耦合显示在显示器上。

上述系统提供了两种检测方法，具体包括：

方法A

(1)将压电陶瓷驱动器粘贴在滤板边框上，电线沿滤板边框引出并固定；

(2)在滤板的边框上粘贴一组光纤光栅传感器，安装光纤光栅解调仪、光纤耦合器，完成光信号的采集、转换及通信；

(3)导入滤板三维几何模型，整合模型与光纤光栅传感器的检测数据，完成滤板动态可视化显示；

(4)对解调后的响应信号进行二维傅里叶变换求取幅频特性，实现损伤特征初步提取，然后通过Relieff特征算法、主成分分析法完成损伤特征提取，将损伤特征代入训练好的损伤识别模型，实现滤板的损伤识别；

(5)在预警模块中设置健康预警阈值，安装预警铃。

方法B

(1)在滤板的边框上粘贴一组光纤光栅传感器，安装光纤光栅解调仪、光纤耦合器，完成光信号的采集、转换及通信；

(2)使用力锤敲击滤板，在滤板中激励形成应变信号；

(3)导入滤板三维几何模型，整合模型与光纤光栅传感器的检测数据，完成滤板动态可视化显示；

(4)提取各光纤光栅传感器检测到的最大应变值，运算得到整块滤板的应变场，与健康滤板在相同激励下引发的应变场对比，实现滤板的损伤识别；

(5)在预警模块中设置健康预警阈值，安装预警铃。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统，能够在定期检修的停机期间以及滤板装配于压滤机之前检测压滤机滤板的健康状况，实现滤板的无损检测，从而及时替换损伤严重的滤板，保证生产安全可靠；

(2)光纤光栅传感器被封装于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片内部，与滤板的相容性好，应变传递损耗小，测量精度高、稳定性好；

(3)压电陶瓷驱动器与光纤光栅传感器均被外贴于滤板边框，能够适用于多种型号与规格的滤板；

(4)锤击法进行主动激励能够重复应用于多种型号和规格的滤板，简单易行；

(5)能够实现滤板健康状态的停机自检测，从而排除压滤机工作状态下的振动、冲击等外界干扰；

(6)能够可视化输出滤板的损伤位置与损伤程度，显示滤板剩余寿命，及时发出预警信号。

附图说明

图1为光纤光栅封装贴片的结构示意图。

其中，1、玻璃纤维增强树脂保护膜，2、传导光纤，3、玻璃纤维增强树脂基板，4、光栅区。

图2为光纤光栅封装贴片的三维轴测图。

图3为基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统示意图。

图4为基于光纤光栅传感的隔膜滤板的光栅中心波长-敲击力载荷检测结果。

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。

如图1和图2所示，本发明提供一种玻璃纤维增强树脂基片式光纤光栅封装贴片，包括玻璃纤维增强树脂保护膜1、传导光纤2、玻璃纤维增强树脂基板3、光栅区4。

玻璃纤维增强树脂保护膜1是在传导光纤2及玻璃纤维增强树脂基板3的上方通过真空辅助灌注工艺而得的一层玻璃纤维增强树脂薄膜，被灌注的液态树脂浸渍玻璃纤维布，然后通过共固化反应与玻璃纤维增强树脂基板3成型为一个整体。由此制备的光纤光栅封装贴片底面平整而上表面随光纤光栅的排布状态而自然成型，便于玻璃纤维布更好地保护光纤光栅以及准确地传递应变。

如图3所示，基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统包括主动激励模块、外贴式光纤光栅传感模块、智能分析模块、可视化模块和预警模块。

压电陶瓷主动激励模块包括驱动电源和压电陶瓷驱动器。驱动电源有电压控制型驱动电源和电荷控制型驱动电源。由于电荷控制型驱动电源能够克服压电陶瓷自身的迟滞和蠕变现象，而且交流驱动效果好，优选电荷控制型驱动电源。压电陶瓷驱动器为锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷，通过滤板使役状态的有限元模拟技术确定主动激励频率，选择合适尺寸型号的压电陶瓷。本发明中压电陶瓷作为大型滤板的驱动器，优选PZT-8。

力锤主动激励模块的主要结构为力锤，力锤是由锤柄中装有信号传输专用电缆的冲击锤和力传感器组成。滤板主要成分为短玻纤增强聚丙烯基复合材料，选用中型力锤，力锤选用中性锤头以避免引入损伤。

光纤光栅传感模块包括光源、光纤光栅传感器、光纤耦合器、光纤光栅解调仪。其中，光源可以为独立光源也可以内置于光纤光栅解调仪内，优选内置于光纤光栅解调仪内的光源，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。光纤光栅传感器由若干光纤光栅封装贴片串联而成。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，满足健康检测需要，可以快速解调光栅信号。光源、光纤光栅传感器、光纤耦合器、光纤光栅解调仪之间均通过光纤连接，传输信号为光信号。

智能分析模块包括滤板数据库和智能分析软件。滤板数据库由滤板的材料学数据、健康滤板的检测数据以及滤板损伤检测数据组成。

智能分析软件A对解调后的响应信号进行二维傅里叶变换求取幅频特性，实现损伤特征初步提取，然后通过Relieff特征算法、主成分分析法完成损伤特征提取。将损伤特征代入训练好的损伤识别模型，实现滤板的损伤识别。通过比对健康滤板与被测滤板的检测数据，结合滤板损伤状况预测滤板的剩余寿命。

所述分析模块B提取各贴片检测到的最大应变值，运算得到整块滤板的应变场，与健康滤板在相同激励下引发的应变场对比，实现滤板的损伤识别，根据滤板损伤状况预测滤板的剩余寿命。

实时可视化模块包括三维几何模型加载、数据加载和耦合显示三个子模块。通过三维几何模型加载子模块读取igs、dwg等三维模型格式文件，同时为便于观察，可对模型进行旋转、缩放、移动等基本操作。数据加载子模块接收智能分析模块输出的损伤数据及剩余寿命数据。耦合显示子模块将三维几何模型与数据耦合显示在显示器上。

健康预警模块，包括健康阈值设定接口和报警铃。用户可根据需要设定健康阈值，当从智能分析模块向健康预警模块输出的剩余寿命低于健康阈值时，报警铃发出警报。

具体应用方法：

实施例一：一种上进料厢式滤板的压电陶瓷激励健康检测装置和方法

系统包括：驱动电源、压电陶瓷驱动器、贴片式光纤光栅传感器、光纤耦合器、光纤光栅数字解调仪、计算机系统等。

(1)建立上进料厢式滤板的有限元模型，采用Abaqus、Ansys等有限元软件模拟Lamb波在滤板中的传播，确定主动激励频率、驱动器位置及方向、光纤光栅传感器的布设位置及方向。

(2)选用合适的压电陶瓷驱动器，粘贴到滤板边框上，电线沿滤板边框引出并连接驱动电源。

(3)采用环氧树脂、不饱和聚酯等热固性树脂将光纤光栅传感器按上述方法确定的位置及方向粘贴于滤板边框上。

(4)选用合适的光纤连接光纤光栅传感器、光源、光纤光栅解调仪、光纤耦合器。

(5)在检测服务端计算机安装滤板智能分析软件、滤板数据库，调试损伤分析软件中各运算器与数据库之间的通信与数据交换，用数据线连接服务端计算机与光纤光栅解调仪，实现有效通信。

(6)安装实时可视化模块，根据实际滤板型号加载其三维几何模型，设置模型与数据的耦合显示。

(7)安装预警模块，用户根据健康需要设定滤板剩余寿命阈值，安装报警铃。

实施例二：一种中进料隔膜滤板的力锤激励健康检测装置和方法

系统包括：力锤、贴片式光纤光栅传感器、光纤耦合器、光纤光栅数字解调仪、计算机系统等。

(1)建立中进料厢式滤板的有限元模型，采用Abaqus、Ansys等有限元软件模拟锤击在滤板中引发的应力场，确定锤击力、锤击位置、光纤光栅传感器的布设位置及方向。

(2)采用环氧树脂、不饱和聚酯等热固性树脂将光纤光栅传感器按上述方法确定的位置及方向粘贴于滤板边框上。

(3)选用合适的光纤连接光纤光栅传感器、光源、光纤光栅解调仪、光纤耦合器。

(4)在检测服务端计算机安装滤板智能分析软件、滤板数据库，调试损伤分析软件中各运算器与数据库之间的通信与数据交换，用数据线连接服务端计算机与光纤光栅解调仪，实现有效通信。

(5)安装实时可视化模块，根据实际滤板型号加载其三维几何模型，设置模型与数据的耦合显示。

(6)安装预警模块，用户根据健康需要设定滤板剩余寿命阈值，安装报警铃。

采用上述的力锤主动激励滤板健康检测装置和方法，获得了隔膜滤板的光栅中心波长-敲击力载荷检测结果，如图4所示。可见，实测的5条加载-卸载循环曲线的重合度很高，显示了很好的检测稳定性和可靠性。

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)

1.一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统，其特征是：包括对压滤机滤板施加主动激励的主动激励模块，检测滤板在激励下形成的动态响应信号、外贴于滤板上的光纤光栅传感模块，接收动态响应信号并从中提取损伤特征信号以进行滤板状态评估的智能分析模块，接收并显示滤板健康状态的可视模块，以及接收评估结果、并在评估结果超过预警时报警的预警模块。

2.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统，其特征是：所述主动激励模块为压电陶瓷激励模块；

进一步的，所述压电陶瓷激励模块包括驱动电源和若干压电陶瓷驱动器，驱动电源利用高频电信号激励压电陶瓷，根据负压电效应，压电陶瓷驱动器将驱动滤板材料产生超声应力波并向四周扩散，超声应力波在板的上下表面不断反射而形成Lamb波。

3.如权利要求2所述的一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统，其特征是：所述压电陶瓷驱动器粘贴在滤板边框上，且粘贴位置与角度通过有限元软件模拟Lamb波在整块滤板中的传播状态而确定，以保证其能在滤板边框引发滤板内部0.1-0.6％的应变；

或者，所述压电陶瓷驱动器布设于多点，各驱动器采用统一驱动电源，驱动力大小相同，通过调试而保证驱动器输出相位一致；

或者，在采用压电陶瓷主动激励模块时，所述外贴式光纤光栅传感器的反射中心波长根据Lamb波而改变，且其栅区长度小于Lamb波长的一半。

4.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统，其特征是：所述主动激励模块为锤击激励模块；

进一步的，所述锤击激励模块包括力锤，力锤是由锤柄中装有信号传输专用电缆的冲击锤和力传感器组成，利用力锤以确定大小的力敲击滤板从而在滤板内部引发应变，所述力锤敲击力的大小由力传感器检测，敲击力与敲击位置根据滤板型号确定，以不对滤板造成损伤并能在滤板边框引发应变为标准。

5.如权利要求4所述的一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统，其特征是：在采用力锤主动激励模块时，所述外贴式光纤光栅传感器检测最大应变值的变化。

6.如权利要求2所述的一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统，其特征是：所述智能分析模块，包括滤板数据库和分析模块，所述滤板数据库具体包括滤板的材料学数据、健康滤板的检测数据以及滤板损伤检测数据，所述分析模块对解调后的响应信号进行二维傅里叶变换求取幅频特性，实现损伤特征初步提取，然后通过Relieff特征算法、主成分分析法完成损伤特征提取，将损伤特征代入训练好的损伤识别模型，实现滤板的损伤识别，通过比对健康滤板与被测滤板的检测数据，结合滤板损伤状况预测滤板的剩余寿命。

7.如权利要求4所述的一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统，其特征是：所述智能分析模块，包括滤板数据库和分析模块，所述滤板数据库具体包括滤板的材料学数据、健康滤板的检测数据以及滤板损伤检测数据，所述分析模块提取各光纤光栅传感器检测到的最大应变值，运算得到整块滤板的应变场，与健康滤板在相同激励下引发的应变场对比，实现滤板的损伤识别，根据滤板损伤状况预测滤板的剩余寿命。

8.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的主动激励式压滤机滤板健康检测系统，其特征是：所述可视模块包括三维几何模型加载、数据加载和耦合显示三个子模块，所述三维几何模型加载子模块读取三维模型格式文件，对模型进行旋转、缩放和移动操作，所述数据加载子模块接收智能分析模块输出的损伤数据及剩余寿命数据，所述耦合显示子模块将三维几何模型与数据耦合显示在显示器上。

9.如权利要求2所述的检测系统的工作方法，其特征是，包括：

(1)将压电陶瓷驱动器粘贴在滤板边框上，电线沿滤板边框引出并固定；

(2)在滤板的边框上粘贴一组光纤光栅传感器，安装光纤光栅解调仪、光纤耦合器，完成光信号的采集、转换及通信；

(3)导入滤板三维几何模型，整合模型与光纤光栅传感器的检测数据，完成滤板动态可视化显示；

(4)对解调后的响应信号进行二维傅里叶变换求取幅频特性，实现损伤特征初步提取，然后通过Relieff特征算法、主成分分析法完成损伤特征提取，将损伤特征代入训练好的损伤识别模型，实现滤板的损伤识别；

(5)在预警模块中设置健康预警阈值，安装预警铃。

10.如权利要求4所述的检测系统的工作方法，其特征是，包括：

(1)在滤板的边框上粘贴一组光纤光栅传感器，安装光纤光栅解调仪、光纤耦合器，完成光信号的采集、转换及通信；

(2)使用力锤敲击滤板，在滤板中激励形成应变信号；

(3)导入滤板三维几何模型，整合模型与光纤光栅传感器的检测数据，完成滤板动态可视化显示；

(4)提取各光纤光栅传感器检测到的最大应变值，运算得到整块滤板的应变场，与健康滤板在相同激励下引发的应变场对比，实现滤板的损伤识别；

(5)在预警模块中设置健康预警阈值，安装预警铃。