CN106644449A - 一种船闸人字门底止水止水状况监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船闸人字门底止水止水状况监测系统及其监测方法，所述的监测系统包括振动检测子系统、裂纹检测子系统、应变检测子系统、闸室水位测量子系统、解调模块、数据传输单元、数据库、可靠性分析与评估子系统。本发明通过在门体底枢底止水易发生故障的关键位置布设振动传感器、光纤裂纹传感器和光纤光栅应变传感器，实时监测船闸运行过程中底止水的振动、裂纹和应变信息，通过数据处理、分析以及先验知识，综合评估底止水工作可靠性。通过本发明，工作人员可以实时了解和掌握船闸在启闭过程中底止水的止水状况，便于及时排除险情，延长底止水止水寿命，提高通航效率，保障船闸的安全健康运行。

Description

一种船闸人字门底止水止水状况监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及水工金属结构健康监测技术领域，特别涉及一种船闸人字门底止水止水状况监测系统及其监测方法。

背景技术

船闸人字门长期工作在低速重载的工况条件下，随着闸门启闭次数的增加、底枢磨损、人字门下沉等原因所造成的人字门拖底、门坎破坏、人字门无法正常启闭、漏水严重等事故时有发生，特别是位于门体底枢的底止水很容易受到涌浪、动水载荷及门体两侧巨大水位差压力的影响而出现底止水脱落、漏水的情况，将对闸门和底枢产生破坏性的危害，影响人字门的正常安全运行。

为保证船闸结构安全，目前采用定期停航人工检修及六年一周期的大修，不仅影响航道运输，最为重要的是人工检测无法做到实时监测，且存在漏检可能，从而带来了很大的安全隐患；而且底止水位于船闸最底层的水下，拆换极为不便，一旦检修，必须断水停航，抽干闸室，不仅费时费力，还会带来严重的经济损失。因此确保底止水止水可靠性对保证闸门正常安全运行起着至关重要的作用。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以确保底止水工作可靠性的船闸人字门底止水止水状况监测系统及其监测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种船闸人字门底止水止水状况监测系统，包括振动检测子系统、裂纹检测子系统、应变检测子系统、闸室水位测量子系统、解调模块、数据传输单元、数据库、可靠性分析与评估子系统；

所述的振动检测子系统、裂纹检测子系统和应变检测子系统均与解调模块连接，所述的闸室水位测量子系统和解调模块均与数据传输单元连接，所述的数据传输单元与数据库串联，所述的数据库与可靠性分析与评估子系统连接；

所述的振动检测子系统和裂纹检测子系统分别由振动传感器阵列和光纤裂纹传感器阵列组成；所述的应变检测子系统由光纤光栅应变传感器阵列和温度传感器组成；其中振动检测子系统、裂纹检测子系统和应变检测子系统将振动、裂纹和应变信息通过解调模块解调之后送入数据传输单元，数据传输单元同时收集闸室水位测量子系统采集的水位信息一并上传到数据库中，可靠性分析与评估子系统通过访问数据库，调用历史数据并结合现行数据，综合考虑人字门门体实际运行情况来判断底止水止水状况。

进一步地，所述的振动传感器阵列分别安装在底枢底止水左、右两处位置；所述的光纤裂纹传感器阵列安装在底枢底止水的中部；所述的光纤光栅应变传感器阵列分别安装在底枢底止水左、中、右三处位置；所述的温度传感器分别安装在底枢底止水左、中、右三处位置。

一种船闸人字门底止水止水状况监测系统的监测方法，包括以下步骤：

A、安装传感器

在船闸启闭过程中，底止水受动水作用影响很大，特别是两侧边缘位置受到高速水流的强烈冲击，从而引起整个底止水装置和门体的剧烈振动，因此在底枢底止水左、右两处位置安装振动传感器阵列实时监测其振动情况；同时如果底止水两侧受力不一致，在底枢底止水中部产生不同程度的拉伸形变，因此在底止水裂纹易发生区域的中间位置布设光纤裂纹传感器阵列；在底枢底止水左、中、右三处位置采用分布式的监测方式安装光纤光栅应变传感器阵列来实时监测底止水各处的受力情况，同时分别布设温度传感器进行温度补偿；

B、实时获取底止水状态信息

振动检测子系统、裂纹检测子系统和应变检测子系统实时监测底止水状态信息，所述的底止水状态信息包括：底止水振动是否异常、是否出现裂纹、应力是否过大；

C、解调信息

解调模块实时解调振动检测子系统、裂纹检测子系统和应变检测子系统采集到的底止水状态信息；

D、处理并上传数据

在人字门关门充水阶段底止水开始止水，这一阶段中门体振动的主要激励源是由于水位变化而产生的水压和冲击载荷，而水位是逐渐上升的，因此在此阶段中冲击载荷激励次数相对较少，解调模块根据振动检测子系统监测到的振动时域信息，得出振动加速度响应值，实时了解稳态响应的变化趋势和极值区间范围以及瞬时响应的最大冲击加速度是否超过了底止水强度限度的加速度极值；

由于光纤光栅应变传感器的波长频谱会受到外界温度的影响而发生漂移，为了保证监测数据的稳定性，需要用温度传感器对其进行温度补偿，补偿公式如下：

式中：为温度影响系数，取值在0.8～1.2MHz/K之间；ε为光纤应变量；V_B(ε)为光纤应变量是ε时的波长漂移量；为比例系数，取值在0.48GHz/％～0.55GHz/％之间；T-T₀为温度变化量，T₀为标定的初始温度，T为补偿温度；

在满足温度补偿条件下，即在式(1)的基础上，光纤应变量由下式求得：

式中：λ为布拉格参考波长；Δλ为波长漂移量；ρ_e为弹光系数，由材料本身决定；

应力与光纤应变量满足线性关系：

σ＝E*ε (3)

式中：σ为底止水应力；E为钢材的弹性模量，取2.1×10⁵MPa；

由闸室水位测量子系统采集的闸室水位值，求得底止水水位差压力为：

P＝ρgh (4)

式中：P为底止水水位差压力；ρ为水的密度；g为重力加速度；h为闸室水位值；

根据式(1)-(4)求得底止水所受压力为：

式中：F为底止水压力；a为常数，取值在0～1之间；

数据传输单元将处理之后的底止水状态信息上传到数据库中；

E、可靠性评估与故障诊断

可靠性分析与评估子系统通过访问数据库，读取处理、汇总之后的数据，并调用保存的历史数据和维修记录作为参考，同时结合底止水自身设计规范要求，考虑到门体运行过程中的实际受力、振动状态、裂纹情况，最终评估底止水止水状况。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过在门体底枢底止水易发生故障的关键位置布设振动传感器、光纤裂纹传感器和光纤光栅应变传感器，实时监测船闸运行过程中底止水的振动、裂纹和应变信息，通过数据处理、分析以及先验知识，综合评估底止水工作可靠性。

2、通过本发明，工作人员可以实时了解和掌握船闸在启闭过程中底止水的止水状况，便于及时排除险情，延长底止水止水寿命，提高通航效率，保障船闸的安全健康运行。

附图说明

本发明共有附图1幅，其中：

图1为船闸人字门底止水止水状况监测系统的流程图。

图中：1、振动检测子系统，2、裂纹检测子系统，3、应变检测子系统，4、解调模块，5、闸室水位测量子系统，6、数据传输单元，7、数据库，8、可靠性分析与评估子系统。

具体实施方式

以下将结合附图，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。

如图1所示，一种船闸人字门底止水止水状况监测系统，包括振动检测子系统1、裂纹检测子系统2、应变检测子系统3、闸室水位测量子系统5、解调模块4、数据传输单元6、数据库7和可靠性分析与评估子系统8；

所述的振动检测子系统1、裂纹检测子系统2和应变检测子系统3均与解调模块4连接，所述的闸室水位测量子系统5和解调模块4均与数据传输单元6连接，所述的数据传输单元6与数据库7串联，所述的数据库7与可靠性分析与评估子系统8连接；

所述的振动检测子系统1和裂纹检测子系统2分别由振动传感器阵列和光纤裂纹传感器阵列组成；所述的应变检测子系统3由光纤光栅应变传感器阵列和温度传感器组成；其中振动检测子系统1、裂纹检测子系统2和应变检测子系统3将振动、裂纹和应变信息通过解调模块4解调之后送入数据传输单元6，数据传输单元6同时收集闸室水位测量子系统5采集的水位信息一并上传到数据库7中，可靠性分析与评估子系统8通过访问数据库7，调用历史数据并结合现行数据，综合考虑人字门门体实际运行情况来判断底止水止水状况。

进一步地，所述的振动传感器阵列分别安装在底枢底止水左、右两处位置；所述的光纤裂纹传感器阵列安装在底枢底止水的中部；所述的光纤光栅应变传感器阵列分别安装在底枢底止水左、中、右三处位置；所述的温度传感器分别安装在底枢底止水左、中、右三处位置。

一种船闸人字门底止水止水状况监测系统的监测方法，包括以下步骤：

A、安装传感器

在船闸启闭过程中，底止水受动水作用影响很大，特别是两侧边缘位置受到高速水流的强烈冲击，从而引起整个底止水装置和门体的剧烈振动，因此在底枢底止水左、右两处位置安装振动传感器阵列实时监测其振动情况；同时如果底止水两侧受力不一致，在底枢底止水中部产生不同程度的拉伸形变，因此在底止水裂纹易发生区域的中间位置布设光纤裂纹传感器阵列；在底枢底止水左、中、右三处位置采用分布式的监测方式安装光纤光栅应变传感器阵列来实时监测底止水各处的受力情况，同时分别布设温度传感器进行温度补偿；

B、实时获取底止水状态信息

振动检测子系统1、裂纹检测子系统2和应变检测子系统3实时监测底止水状态信息，所述的底止水状态信息包括：底止水振动是否异常、是否出现裂纹、应力是否过大；

C、解调信息

解调模块4实时解调振动检测子系统1、裂纹检测子系统2和应变检测子系统3采集到的底止水状态信息；

D、处理并上传数据

在人字门关门充水阶段底止水开始止水，这一阶段中门体振动的主要激励源是由于水位变化而产生的水压和冲击载荷，而水位是逐渐上升的，因此在此阶段中冲击载荷激励次数相对较少，解调模块4根据振动检测子系统1监测到的振动时域信息，得出振动加速度响应值，实时了解稳态响应的变化趋势和极值区间范围以及瞬时响应的最大冲击加速度是否超过了底止水强度限度的加速度极值；

由于光纤光栅应变传感器的波长频谱会受到外界温度的影响而发生漂移，为了保证监测数据的稳定性，需要用温度传感器对其进行温度补偿，补偿公式如下：

式中：为温度影响系数，取值在0.8～1.2MHz/K之间；ε为光纤应变量；V_B(ε)为光纤应变量是ε时的波长漂移量；为比例系数，取值在0.48GHz/％～0.55GHz/％之间；T-T₀为温度变化量，T₀为标定的初始温度，T为补偿温度；

在满足温度补偿条件下，即在式(1)的基础上，光纤应变量由下式求得：

式中：λ为布拉格参考波长；Δλ为波长漂移量；ρ_e为弹光系数，由材料本身决定；

应力与光纤应变量满足线性关系：

σ＝E*ε (3)

式中：σ为底止水应力；E为钢材的弹性模量，取2.1×10⁵MPa；

由闸室水位测量子系统5采集的闸室水位值，求得底止水水位差压力为：

P＝ρgh (4)

式中：P为底止水水位差压力；ρ为水的密度；g为重力加速度；h为闸室水位值；

根据式(1)-(4)求得底止水所受压力为：

式中：F为底止水压力；a为常数，取值在0～1之间；

数据传输单元6将处理之后的底止水状态信息上传到数据库7中；

E、可靠性评估与故障诊断

可靠性分析与评估子系统8通过访问数据库7，读取处理、汇总之后的数据，并调用保存的历史数据和维修记录作为参考，同时结合底止水自身设计规范要求，考虑到门体运行过程中的实际受力、振动状态、裂纹情况，最终评估底止水止水状况。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种船闸人字门底止水止水状况监测系统，其特征在于：包括振动检测子系统(1)、裂纹检测子系统(2)、应变检测子系统(3)、闸室水位测量子系统(5)、解调模块(4)、数据传输单元(6)、数据库(7)和可靠性分析与评估子系统(8)；

所述的振动检测子系统(1)、裂纹检测子系统(2)和应变检测子系统(3)均与解调模块(4)连接，所述的闸室水位测量子系统(5)和解调模块(4)均与数据传输单元(6)连接，所述的数据传输单元(6)与数据库(7)串联，所述的数据库(7)与可靠性分析与评估子系统(8)连接；

所述的振动检测子系统(1)和裂纹检测子系统(2)分别由振动传感器阵列和光纤裂纹传感器阵列组成；所述的应变检测子系统(3)由光纤光栅应变传感器阵列和温度传感器组成；其中振动检测子系统(1)、裂纹检测子系统(2)和应变检测子系统(3)将振动、裂纹和应变信息通过解调模块(4)解调之后送入数据传输单元(6)，数据传输单元(6)同时收集闸室水位测量子系统(5)采集的水位信息一并上传到数据库(7)中，可靠性分析与评估子系统(8)通过访问数据库(7)，调用历史数据并结合现行数据，综合考虑人字门门体实际运行情况来判断底止水止水状况。

2.根据权利要求1所述的一种船闸人字门底止水止水状况监测系统，其特征在于：所述的振动传感器阵列分别安装在底枢底止水左、右两处位置；所述的光纤裂纹传感器阵列安装在底枢底止水的中部；所述的光纤光栅应变传感器阵列分别安装在底枢底止水左、中、右三处位置；所述的温度传感器分别安装在底枢底止水左、中、右三处位置。

3.一种船闸人字门底止水止水状况监测系统的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、安装传感器

在船闸启闭过程中，底止水受动水作用影响很大，特别是两侧边缘位置受到高速水流的强烈冲击，从而引起整个底止水装置和门体的剧烈振动，因此在底枢底止水左、右两处位置安装振动传感器阵列实时监测其振动情况；同时如果底止水两侧受力不一致，在底枢底止水中部产生不同程度的拉伸形变，因此在底止水裂纹易发生区域的中间位置布设光纤裂纹传感器阵列；在底枢底止水左、中、右三处位置采用分布式的监测方式安装光纤光栅应变传感器阵列来实时监测底止水各处的受力情况，同时分别布设温度传感器进行温度补偿；

B、实时获取底止水状态信息

振动检测子系统(1)、裂纹检测子系统(2)和应变检测子系统(3)实时监测底止水状态信息，所述的底止水状态信息包括：底止水振动是否异常、是否出现裂纹、应力是否过大；

C、解调信息

解调模块(4)实时解调振动检测子系统(1)、裂纹检测子系统(2)和应变检测子系统(3)采集到的底止水状态信息；

D、处理并上传数据

在人字门关门充水阶段底止水开始止水，这一阶段中门体振动的主要激励源是由于水位变化而产生的水压和冲击载荷，而水位是逐渐上升的，因此在此阶段中冲击载荷激励次数相对较少，解调模块(4)根据振动检测子系统(1)监测到的振动时域信息，得出振动加速度响应值，实时了解稳态响应的变化趋势和极值区间范围以及瞬时响应的最大冲击加速度是否超过了底止水强度限度的加速度极值；

由于光纤光栅应变传感器的波长频谱会受到外界温度的影响而发生漂移，为了保证监测数据的稳定性，需要用温度传感器对其进行温度补偿，补偿公式如下：

$V_B\left(\mathrm{\ϵ}\right)-\frac{{\mathrm{dV}}_B\left(T\right)}{dT}(T-T_0)=\frac{{\mathrm{dV}}_B\left(\mathrm{\ϵ}\right)}{d\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ϵ}---\left(1\right)$

式中：为温度影响系数，取值在0.8～1.2MHz/K之间；ε为光纤应变量；V_B(ε)为光纤应变量是ε时的波长漂移量；为比例系数，取值在0.48GHz/％～0.55GHz/％之间；T-T₀为温度变化量，T₀为标定的初始温度，T为补偿温度；

在满足温度补偿条件下，即在式(1)的基础上，光纤应变量由下式求得：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}(1-{\mathrm{\ρ}}_e)}---\left(2\right)$

式中：λ为布拉格参考波长；Δλ为波长漂移量；ρ_e为弹光系数，由材料本身决定；

应力与光纤应变量满足线性关系：

σ＝E*E (3)

式中：σ为底止水应力；E为钢材的弹性模量，取2.1×10⁵MPa；

由闸室水位测量子系统(5)采集的闸室水位值，求得底止水水位差压力为：

P＝ρgh (4)

式中：P为底止水水位差压力；ρ为水的密度；g为重力加速度；h为闸室水位值；

根据式(1)-(4)求得底止水所受压力为：

$F=\sqrt[2]{{\mathrm{a\σ}}^2+(1-a)P^2}$

式中：F为底止水压力；a为常数，取值在0～1之间；

数据传输单元(6)将处理之后的底止水状态信息上传到数据库(7)中；

E、可靠性评估与故障诊断

可靠性分析与评估子系统(8)通过访问数据库(7)，读取处理、汇总之后的数据，并调用保存的历史数据和维修记录作为参考，同时结合底止水自身设计规范要求，考虑到门体运行过程中的实际受力、振动状态、裂纹情况，最终评估底止水止水状况。