CN106679582B - 一种基于应变的船闸背拉杆的动态监测系统及其监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船闸人字门背拉杆安全运行状态的动态监测系统及其监测方法，所述的监测系统包括应变传感子系统、水位与温度传感子系统、人字门旋转角度传感子系统、信号解调子系统、数据处理分析与显示子系统；应变传感子系统经信号解调子系统与数据处理分析与显示子系统连接，水位与温度传感子系统和人字门旋转角度传感子系统分别与数据处理分析与显示子系统连接；本发明采用光纤光栅应变传感器，原理基于对通过光纤光栅的光根据应变的大小进行波长的调制，通过应变解调仪对应变进行解调，具有无源、精度高、易于安装调试等优点，适用于人字门背拉杆的应变监测。本发明采用多路并行的光信号采集方式，与单路采集方式相比节约了计算机资源。

Description

一种基于应变的船闸背拉杆的动态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，特别是涉及一种基于应变的船闸人字门背拉杆安全运行状态的动态监测系统。
背景技术
船闸人字门长期工作在高负载和大流量的条件下，背拉杆(包括主背拉杆和副背拉杆)作为其重要的组成结构承担着巨大的负载力的作用，在检修时经常能够发现背拉杆出现裂纹甚至断裂的情况，现有的应对方法是定期进行停航检修，这种方法不仅费时费力，而且对船闸的正常通航造成影响，带来巨大的经济损失，更重要的是无法实时诊断当前背拉杆的健康状态，甚至还可能出现漏检的情况。而且背拉杆在设计时有严格的安全工作条件，同组背拉杆的应力值差和背拉杆本身的应力值都必须在一定的应力值范围之中，超过此应力值时背拉杆将处于非安全工作状态，极容易出现安全事故。所以必须对船闸人字门背拉杆的应变进行动态实时监测，及时发现安全问题并采取相应的措施，防止进一步对人字门门体结构造成不可逆性伤害。
当前对背拉杆的动态监测大致采取背拉杆振动状态监测、背拉杆裂纹状态监测和背拉杆应变状态监测等监测手段，振动监测的计算相对复杂，数据处理量大，而且易受多种因素干扰导致数据失真，不利于直观的反应当前的运行健康状态。而裂纹监测需要布置大量裂纹传感器，每个裂纹传感器的监测长度十分有限，监测存在大量盲区，无法保证裂纹监测的有效性，而且裂纹出现表示病态运行状态已经持续了较长的一段时间，已经造成人字门背拉杆不可逆性的结构损伤，无法对安全隐患进行提前的预警，采取必要的措施防止裂纹的出现。而应变的监测可以准确的描述当前背拉杆的运行所承受的负荷，超出安全运行应变范围可以进行准确的定位并可以采取及时的应对措施。
目前应变传感器多用于验证机械、桥梁等构件在工作状态下的应力、变形情况，尚未大量系统的应用至船闸人字门背拉杆的健康运行状态监测中，而应变传感器分为电阻式应变传感器和光纤光栅应变传感器，传统使用的电阻式应变传感器具有测量精度差，测量结果受电磁干扰易失真等特点，而且电阻式应变传感器属于有源传感器，布线难度大，耗电量大，而且水下安装难度高，不适用于船闸人字门背拉杆的应变动态监测，所以应选用光纤光栅应变传感器监测船闸人字门背拉杆的应变从而获取人字门当前的运行健康状态。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种监测船闸人字门背拉杆安全运行状态的基于应变的船闸背拉杆的动态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：一种船闸人字门背拉杆安全运行状态的动态监测系统，包括应变传感子系统、水位与温度传感子系统、人字门旋转角度传感子系统、信号解调子系统、数据处理分析与显示子系统；所述的应变传感子系统经信号解调子系统与数据处理分析与显示子系统连接，所述的水位与温度传感子系统和人字门旋转角度传感子系统分别与数据处理分析与显示子系统连接；
所述的应变传感子系统由光纤光栅应变传感器阵列和光纤组成；
所述的水位与温度子系统包括水位传感器和温度传感器，所述的人字门旋转角度传感子系统包括旋转角度传感器；所述的旋转角度传感器由罗经和编码器组成，所述的温度传感器具有温度检测功能与温度补偿功能；
所述的信号解调子系统包括应变解调仪，将由光纤光栅应变传感器所获取的波长信号由应变解调仪内部嵌入式系统解调为应变信号，并存储在应变解调仪中的存储单元中；
所述的数据处理分析与显示子系统集成在计算机内，数据处理分析与显示子系统包括应变解调仪与计算机之间的高速串行接口，数据处理分析与显示子系统将从应变解调仪中获取的应变信号进行分析与存储，并将结果显示在计算机上；
所述的应变传感子系统通过光纤与信号解调子系统相连，并通过高速串行接口将应变信号上传至计算机，所述的水位与温度传感子系统和人字门旋转角度传感子系统将人字门开合角度、温度和水位信息发送至计算机，在计算机中完成数据处理分析，得出人字门背拉杆运行健康状态的指导性结论。
进一步地，所述的光纤光栅应变传感器有多个，分别位于主背拉杆的节点板处、副背拉杆的节点板处、主背拉杆与副背拉杆的相交处，并与背拉杆平行安装在背拉杆朝向船闸内侧的表面上；
所述的旋转角度传感器水平安装在门体的上表面处；
所述的温度传感器安装在光纤光栅应变传感器旁边；
所述的水位传感器安装在最低水位以下2-3米处的船闸的闸壁上。
一种船闸人字门背拉杆安全运行状态的动态监测系统的工作方法，括以下步骤：
A、安装光纤光栅应变传感器
由于船闸人字门背拉杆独有的安装条件与结构特点，在安装光纤光栅应变传感器时采用分布式的位置布局以及防水抗腐蚀的安装工艺，分别安装在主背拉杆和副背拉杆根据受力模型确定的光纤光栅应变传感器的安装位置，并且光纤光栅应变传感器的安装方向平行于背拉杆，最后使用金属焊接方法将光纤光栅应变传感器紧密地焊在经过打磨操作的背拉杆的表面，并用密封胶进行密封处理；
B、安装与调试水位、温度与旋转角度传感器
将旋转角度传感器安装固定在人字门门体的顶部；将水位传感器安装固定在船闸的闸壁上，用来检测当前水位；将温度传感器分别安装在应变传感器旁边，起温度检测与温度补偿作用；
C、采集光信号并进行解调与传输：
光纤光栅应变传感器的应变片的应变量变化导致光纤光栅固有的布拉格波长发生漂移，从而使用应变量的变化值对光纤光栅的布拉格波长进行调制，并用应变解调仪中的可调谐光滤波器与探测器对光信号进行解调，从而得到人字门背拉杆的应变信号；应变信号通过应变解调仪中的嵌入式系统得到相应的应变数据，并将应变数据通过高速串行接口上传至计算机中；
D、处理与分析应变数据
根据人字门的工作特点，人字门工作时分为开门、关门、充水和放水四个运行状态；要结合环境参数中的水位信息、人字门开合角信息以及温度信息综合分析人字门当前的工作状态以及应变值是否处在合理区间内，并分时刻将应变值、水位值、人字门开合角度值、温度值保存到数据库中；
按照船闸人字门背拉杆设计安全运行指标和应变解调仪获取的大量应变数据，根据判定公式判断背拉杆当前的运行状态，实现对应变数据进行背拉杆间的一致性分析和背拉杆自身的负载状态分析，背拉杆间一致性判定公式如下：
其中He为背拉杆间一致性状态值，Sm为主背拉杆当前时刻应变值，SD为副背拉杆当前时刻应变值，a为主副背拉杆设计最大应变差占副背拉杆应变值的百分数；
自身负载安全状态判定公式如下：
其中Hs为背拉杆负载状态值，S为当前时刻背拉杆的应变值，Sde为背拉杆设计安全工作最大应变值；
对应变数据的每一个值进行背拉杆间一致性及自身负载安全判定，若背拉杆间一致性状态值为0则说明当前背拉杆的应变值相差过大，当前时刻处于危险运行状态，发出警报，并在数据库中搜寻并结合此时刻的温度、水位、开合角信息，进行当前危险运行状态的成因分析；若背拉杆间一致性状态值为则说明当前背拉杆的应变值之差在合理区间内，属于安全运行状态；若背拉杆负载状态值为0，说明当前背拉杆应变值过大，有潜在安全隐患，发出警报，并在数据库中搜寻并结合当前的温度、水位、开合角信息，进行当前危险运行状态的成因分析；若背拉杆负载状态值为，说明当前背拉杆应变值在合理范围之内，处于安全运行状态；以此来判断背拉杆的运行健康状态，对判断船闸人字门的定期检修时间提供依据，需要时及时采取维修并加固的安全措施。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用光纤光栅应变传感器，原理基于对通过光纤光栅的光根据应变的大小进行波长的调制，通过应变解调仪对应变进行解调，与传统电阻式应变传感器相比，具有无源、精度高、易于安装调试等优点，适用于人字门背拉杆的应变监测。
2、本发明采用多路并行的光信号采集方式，将多路光信号通过光纤连接到同一台应变解调仪中，再通过应变解调仪的接口与计算机进行连接。与传统的单路采集方式相比节约了计算机资源，使应变值数据的处理与设备之间的连接更加方便。
附图说明
本发明共有附图2幅，其中：
图1为本发明的组成示意图。
图2为船闸背拉杆结构及光纤光栅应变传感器的安装位置示意图。
图中：1、应变传感子系统，2、环境参数传感子系统，3、信号解调子系统，4、数据处理分析与显示子系统，5、光纤光栅应变传感器的安装位置，6、主背拉杆、7、副背拉杆。
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1-2所示，一种船闸人字门背拉杆安全运行状态的动态监测系统，包括应变传感子系统1、水位与温度传感子系统2、人字门旋转角度传感子系统3、信号解调子系统4、数据处理分析与显示子系统5；所述的应变传感子系统1经信号解调子系统4与数据处理分析与显示子系统5连接，所述的水位与温度传感子系统2和人字门旋转角度传感子系统3分别与数据处理分析与显示子系统5连接；
所述的应变传感子系统1由光纤光栅应变传感器阵列和光纤组成；
所述的水位与温度子系统2包括水位传感器和温度传感器，所述的人字门旋转角度传感子系统3包括旋转角度传感器；所述的旋转角度传感器由罗经和编码器组成，所述的温度传感器具有温度检测功能与温度补偿功能；
所述的信号解调子系统4包括应变解调仪，将由光纤光栅应变传感器所获取的波长信号由应变解调仪内部嵌入式系统解调为应变信号，并存储在应变解调仪中的存储单元中；
所述的数据处理分析与显示子系统5集成在计算机内，数据处理分析与显示子系统5包括应变解调仪与计算机之间的高速串行接口，数据处理分析与显示子系统5将从应变解调仪中获取的应变信号进行分析与存储，并将结果显示在计算机上；
所述的应变传感子系统1通过光纤与信号解调子系统4相连，并通过高速串行接口将应变信号上传至计算机，所述的水位与温度传感子系统2和人字门旋转角度传感子系统3将人字门开合角度、温度和水位信息发送至计算机，在计算机中完成数据处理分析，得出人字门背拉杆运行健康状态的指导性结论。
进一步地，所述的光纤光栅应变传感器有多个，分别位于主背拉杆6的节点板处、副背拉杆7的节点板处、主背拉杆6与副背拉杆7的相交处，并与背拉杆平行安装在背拉杆朝向船闸内侧的表面上；
所述的旋转角度传感器水平安装在门体的上表面处；
所述的温度传感器安装在光纤光栅应变传感器旁边；
所述的水位传感器安装在最低水位以下2-3米处的船闸的闸壁上。
一种船闸人字门背拉杆安全运行状态的动态监测系统的工作方法，包括以下步骤：
A、安装光纤光栅应变传感器
由于船闸人字门背拉杆独有的安装条件与结构特点，在安装光纤光栅应变传感器时采用分布式的位置布局以及防水抗腐蚀的安装工艺，分别安装在主背拉杆6和副背拉杆7根据受力模型确定的光纤光栅应变传感器的安装位置8，并且光纤光栅应变传感器的安装方向平行于背拉杆，最后使用金属焊接方法将光纤光栅应变传感器紧密地焊在经过打磨操作的背拉杆的表面，并用密封胶进行密封处理；
B、安装与调试水位、温度与旋转角度传感器
将旋转角度传感器安装固定在人字门门体的顶部；将水位传感器安装固定在船闸的闸壁上，用来检测当前水位；将温度传感器分别安装在应变传感器旁边，起温度检测与温度补偿作用；
C、采集光信号并进行解调与传输：
光纤光栅应变传感器的应变片的应变量变化导致光纤光栅固有的布拉格波长发生漂移，从而使用应变量的变化值对光纤光栅的布拉格波长进行调制，并用应变解调仪中的可调谐光滤波器与探测器对光信号进行解调，从而得到人字门背拉杆的应变信号；应变信号通过应变解调仪中的嵌入式系统得到相应的应变数据，并将应变数据通过高速串行接口上传至计算机中；
D、处理与分析应变数据
根据人字门的工作特点，人字门工作时分为开门、关门、充水和放水四个运行状态；要结合环境参数中的水位信息、人字门开合角信息以及温度信息综合分析人字门当前的工作状态以及应变值是否处在合理区间内，并分时刻将应变值、水位值、人字门开合角度值、温度值保存到数据库中；
按照船闸人字门背拉杆设计安全运行指标和应变解调仪获取的大量应变数据，根据判定公式判断背拉杆当前的运行状态，实现对应变数据进行背拉杆间的一致性分析和背拉杆自身的负载状态分析，背拉杆间一致性判定公式如下：
其中He为背拉杆间一致性状态值，Sm为主背拉杆6当前时刻应变值，SD为副背拉杆7当前时刻应变值，a为主副背拉杆设计最大应变差占副背拉杆应变值的百分数；
自身负载安全状态判定公式如下：
其中Hs为背拉杆负载状态值，S为当前时刻背拉杆的应变值，Sde为背拉杆设计安全工作最大应变值；
对应变数据的每一个值进行背拉杆间一致性及自身负载安全判定，若背拉杆间一致性状态值为0则说明当前背拉杆的应变值相差过大，当前时刻处于危险运行状态，发出警报，并在数据库中搜寻并结合此时刻的温度、水位、开合角信息，进行当前危险运行状态的成因分析；若背拉杆间一致性状态值为1则说明当前背拉杆的应变值之差在合理区间内，属于安全运行状态；若背拉杆负载状态值为0，说明当前背拉杆应变值过大，有潜在安全隐患，发出警报，并在数据库中搜寻并结合当前的温度、水位、开合角信息，进行当前危险运行状态的成因分析；若背拉杆负载状态值为1，说明当前背拉杆应变值在合理范围之内，处于安全运行状态；以此来判断背拉杆的运行健康状态，对判断船闸人字门的定期检修时间提供依据，需要时及时采取维修并加固的安全措施。
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)

1.一种船闸人字门背拉杆安全运行状态的动态监测系统，其特征在于：包括应变传感子系统(1)、水位与温度传感子系统(2)、人字门旋转角度传感子系统(3)、信号解调子系统(4)、数据处理分析与显示子系统(5)；所述的应变传感子系统(1)经信号解调子系统(4)与数据处理分析与显示子系统(5)连接，所述的水位与温度传感子系统(2)和人字门旋转角度传感子系统(3)分别与数据处理分析与显示子系统(5)连接；
所述的应变传感子系统(1)由光纤光栅应变传感器阵列和光纤组成；
所述的水位与温度子系统(2)包括水位传感器和温度传感器，所述的人字门旋转角度传感子系统(3)包括旋转角度传感器；所述的旋转角度传感器由罗经和编码器组成，所述的温度传感器具有温度检测功能与温度补偿功能；
所述的信号解调子系统(4)包括应变解调仪，将由光纤光栅应变传感器所获取的波长信号由应变解调仪内部嵌入式系统解调为应变信号，并存储在应变解调仪中的存储单元中；
所述的数据处理分析与显示子系统(5)集成在计算机内，数据处理分析与显示子系统(5)包括应变解调仪与计算机之间的高速串行接口，数据处理分析与显示子系统(5)将从应变解调仪中获取的应变信号进行分析与存储，并将结果显示在计算机上；
所述的应变传感子系统(1)通过光纤与信号解调子系统(4)相连，并通过高速串行接口将应变信号上传至计算机，所述的水位与温度传感子系统(2)和人字门旋转角度传感子系统(3)将人字门开合角度、温度和水位信息发送至计算机，在计算机中完成数据处理分析，得出人字门背拉杆运行健康状态的指导性结论。
2.根据权利要求1所述的一种船闸人字门背拉杆安全运行状态的动态监测系统，其特征在于：所述的光纤光栅应变传感器有多个，分别位于主背拉杆(6)的节点板处、副背拉杆(7)的节点板处、主背拉杆(6)与副背拉杆(7)的相交处，并与背拉杆平行安装在背拉杆朝向船闸内侧的表面上；
所述的旋转角度传感器水平安装在门体的上表面处；
所述的温度传感器安装在光纤光栅应变传感器旁边；
所述的水位传感器安装在最低水位以下2-3米处的船闸的闸壁上。
3.一种根据权利要求1或2所述的船闸人字门背拉杆安全运行状态的动态监测系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、安装光纤光栅应变传感器
由于船闸人字门背拉杆独有的安装条件与结构特点，在安装光纤光栅应变传感器时采用分布式的位置布局以及防水抗腐蚀的安装工艺，分别安装在主背拉杆(6)和副背拉杆(7)根据受力模型确定的光纤光栅应变传感器的安装位置(8)，并且光纤光栅应变传感器的安装方向平行于背拉杆，最后使用金属焊接方法将光纤光栅应变传感器紧密地焊在经过打磨操作的背拉杆的表面，并用密封胶进行密封处理；
B、安装与调试水位、温度与旋转角度传感器
将旋转角度传感器安装固定在人字门门体的顶部；将水位传感器安装固定在船闸的闸壁上，用来检测当前水位；将温度传感器分别安装在应变传感器旁边，起温度检测与温度补偿作用；
C、采集光信号并进行解调与传输：
光纤光栅应变传感器的应变片的应变量变化导致光纤光栅固有的布拉格波长发生漂移，从而使用应变量的变化值对光纤光栅的布拉格波长进行调制，并用应变解调仪中的可调谐光滤波器与探测器对光信号进行解调，从而得到人字门背拉杆的应变信号；应变信号通过应变解调仪中的嵌入式系统得到相应的应变数据，并将应变数据通过高速串行接口上传至计算机中；
D、处理与分析应变数据
根据人字门的工作特点，人字门工作时分为开门、关门、充水和放水四个运行状态；要结合环境参数中的水位信息、人字门开合角信息以及温度信息综合分析人字门当前的工作状态以及应变值是否处在合理区间内，并分时刻将应变值、水位值、人字门开合角度值、温度值保存到数据库中；
按照船闸人字门背拉杆设计安全运行指标和应变解调仪获取的大量应变数据，根据判定公式判断背拉杆当前的运行状态，实现对应变数据进行背拉杆间的一致性分析和背拉杆自身的负载状态分析，背拉杆间一致性判定公式如下：
其中He为背拉杆间一致性状态值，Sm为主背拉杆(6)当前时刻应变值，SD为副背拉杆(7)当前时刻应变值，a为主副背拉杆设计最大应变差占副背拉杆应变值的百分数；
自身负载安全状态判定公式如下：
其中Hs为背拉杆负载状态值，S为当前时刻背拉杆的应变值，Sde为背拉杆设计安全工作最大应变值；
对应变数据的每一个值进行背拉杆间一致性及自身负载安全判定，若背拉杆间一致性状态值为0则说明当前背拉杆的应变值相差过大，当前时刻处于危险运行状态，发出警报，并在数据库中搜寻并结合此时刻的温度、水位、开合角信息，进行当前危险运行状态的成因分析；若背拉杆间一致性状态值为1则说明当前背拉杆的应变值之差在合理区间内，属于安全运行状态；若背拉杆负载状态值为0，说明当前背拉杆应变值过大，有潜在安全隐患，发出警报，并在数据库中搜寻并结合当前的温度、水位、开合角信息，进行当前危险运行状态的成因分析；若背拉杆负载状态值为1，说明当前背拉杆应变值在合理范围之内，处于安全运行状态；以此来判断背拉杆的运行健康状态，对判断船闸人字门的定期检修时间提供依据，需要时及时采取维修并加固的安全措施。
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