CN107036655A - 一种基于光纤传感器的结构健康监测软件平台实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于光纤布拉格光栅传感器的结构健康监测软件平台实现方法，步骤如下：一，基于微软C/C++编译器和微软基础类库，搭建软件平台；二，通过网络通信协议，将中心波长位置信息传输到软件系统上；三，将光纤布拉格光栅传感器的位置用三维图像进行显示；四，将光纤栅点计算出的应力应变值进行监测，实时显示观测数据的变化；五，实时监测裂纹的大小，便于观测裂纹的变化情况；六，计算获得裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命的评估，在软件系统上予以显示；七，对监测的结构进行危险预警；本发明实现了光纤布拉格光栅传感器结构健康监测软件平台，具备监测结构裂纹和应变的功能，程序功能扩展性、可移植性和二次开发性好，便于工程应用。

Description

一种基于光纤传感器的结构健康监测软件平台实现方法
技术领域
本发明提供一种基于光纤传感器的结构健康监测软件平台实现方法，它是一种基于光纤布拉格光栅传感器的结构健康监测软件平台实现方法，它涉及一种对光纤布拉格光栅传感器解调信号的接收、存储、实时显示，并实现传感器布贴位置的三维图像、裂纹大小的显示以及结构危险预警等功能,属于结构健康监测技术领域。
背景技术
随着各领域对产品、设备可靠性的重视，结构健康监测的发展极为迅速。在结构健康监测领域中，光纤布拉格光栅传感器以其质量小、灵敏度高、抗腐蚀等优点得到了广泛的应用。光纤布拉格光栅传感器多用于监测结构裂纹和实现结构应力应变分布的测量。
在基于光纤布拉格光栅传感器结构健康监测中，需要软件平台实现光纤布拉格光栅传感器数据接收、存储、实时显示、裂纹监测、应力应变显示等功能。但现有技术多集中于光纤布拉格光栅传感器波长的解调、波长图像的实时显示等，不具备监测结构裂纹和应变的功能。另外，现有技术多集成于光纤布拉格光栅解调仪，程序功能扩展性、可移植性和二次开发性较差。基于以上现状和问题，本发明提出一种基于光纤布拉格光栅传感器结构健康监测软件平台的实现方法。
发明内容
本发明的目的是实现基于光纤布拉格光栅传感器的结构健康监测软件平台，以实现光纤布拉格光栅传感器波长的解调、波长图像的实时显示、监测结构裂纹和应变等功能，从而对结构健康状况进行实时监测，同时提高软件平台的扩展性、可移植性和二次开发性。
本发明提供一种基于光纤传感器的结构健康监测软件平台实现方法，即一种基于光纤布拉格光栅传感器的结构健康监测软件平台实现方法，其实施步骤如下：
步骤一，基于微软C/C++编译器(即MicroSoft Visual C/C++，以下简称VC)和微软基础类库(即Microsoft Foundation Classes，简称MFC)搭建软件平台；
步骤二，通过网络通信协议(即TCP/IP协议)，在服务器和客户端建立连接之后，将处理好的关于被测栅点的中心波长位置信息传输到软件平台上；
步骤三，将实际结构上布贴的光纤布拉格光栅传感器的位置用三维图像进行显示，实现对结构的平移、旋转功能；
步骤四，将各个光纤栅点计算出的应力应变值进行监测，并且实时显示观测数据的变化；
步骤五，利用光纤栅点的应力应变值计算裂纹的大小，在判断出现裂纹时之后，对裂纹的位置进行显示，并且实时监测裂纹的大小，便于观测裂纹的变化情况；
步骤六，在裂纹损伤监测的基础上，采用寿命模型与概率评估方法计算获得裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命的评估，将裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命评估结果在该软件平台上予以显示；
步骤七，对监测的结构进行危险预警，包括裂纹萌生的预警、裂纹异常(快速)扩展的预警、剩余寿命小于设定阈值的到寿预警等，在软件结果显示中采用一定颜色予以区分。
其中，在步骤一中所述的“搭建软件平台”，是指基于微软C/C++编译器6.0版本(即VC++6.0)和微软基础类库Microsoft Foundation Classes(简称MFC)开发的的软件平台；具体做法为，在计算机上安装VC++6.0，新建名为“Fiber”的工程，使用MFC设计开发软件平台。
其中，在步骤二中所述的“将处理好的关于被测栅点的中心波长信息传输到软件平台上”，是指软件平台作为服务器端，在开启服务器之后创建端口(即Socket)，与客服端连接成功之后，将处理好的关于被测栅点的中心波长信息，通过TCP/IP协议网络通信，传输到软件平台上。
其中，在步骤三中所述的“实现对结构的平移、旋转等功能”，指能用键盘的上下左右键对结构的三维图像进行上下左右的平移，当用鼠标点中三维图像之后能对其进行旋转看到结构的各个面。
其中，在步骤四中所述的“将各个光纤栅点计算出的应力应变值进行监测，并且实时显示观测数据的变化”是指对利用光纤栅点的波长数据得到的应力应变值进行实时显示，观测其变化的情况。
其中，在步骤五中所述的“利用光纤栅点的应力应变值计算裂纹的大小，在判断出现裂纹时之后，对裂纹的位置进行显示，并且实时监测裂纹的大小，便于观测裂纹的变化情况”，是指通过对应力应变值进行计算如果计算的结果为有裂纹，则对裂纹的位置和大小进行显示，从而能够对裂纹的变化等情况进行监测。
其中，在步骤六中所述的“在裂纹损伤监测的基础上，采用寿命模型与概率评估方法计算获得裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命的评估，将裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命评估结果在软件平台以显示”，是指当发现产生裂纹之后，利用寿命模型与概率评估方法对裂纹的发展趋势与概率剩余寿命的评估进行计算评估，并且将得到的结果在该软件平台上显示。
其中，在步骤七中所述的“在软件结果显示中采用一定颜色予以区分”，是指针对情况的紧急程度用红色、橙色、黄色、蓝色、绿色进行显示，以对不同的情况进行区分。
通过以上步骤，实现了光纤布拉格光栅传感器结构健康监测软件平台，具备监测结构裂纹和应变的功能，此外，软件平台将各个功能封装成模块，各模块之间可独立运行，程序功能扩展性、可移植性和二次开发性好，便于实际的工程应用。
本发明的优点在于：
1、在光纤布拉格光栅传感器结构健康监测平台中，具备监测结构裂纹和应变的功能。
2、实现方式简单，适用性和可操作性强，程序功能扩展性、可移植性和二次开发性好，方便进行后续开发。
3、与其他纤布拉格光栅传感器结构健康监测平台相比，本发明的功能全面，适用范围广。
附图说明
图1本发明所述方法流程图。
图2TCP/IP通信流程图。
图3布贴位置的三维图像显示流程图。
图4应力应变场监测与显示的流程图。
图5裂纹损伤位置与大小的定量监测与显示流程图。
图6概率剩余寿命的评估结果显示流程图。
图中序号、符号、代号说明如下：
图1中：“IP”为网络之间互连的协议；
图2中：“CAD”为计算机辅助设计，指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作；“stl文件”即标准模板库文件(Standard Template Library，简称STL文件是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式。
图3中：“N”是指数据总个数；data[]是存放数据的数组。
图4中：“i”是标志位；“n”是监测结构的总个数。
具体实施方式
本发明一种基于光纤布拉格光栅传感器结构健康监测软件平台的实现方法，如图1所示，其具体步骤如下：
步骤一，首先确定编程语言，本发明使用微软C/C++编译器6.0版本(即VC++6.0)进行程序的编写，在此基础上搭建编程环境，利用MFC编程环境，建立对话框工程；
步骤二，软件平台作为服务器端，在开启服务器之后创建Socket，与客服端进行连接，若连接失败则重新开启服务器，若连接成功，则对处理好的关于被测栅点的中心波长信息进行接收。TCP/IP协议的软件平台服务器端的开启、硬件平台客户端的连接以及相互之间数据传输的流程如图2所示；
步骤三，将布贴的传感器位置用三维图像进行显示，通过选择标准模板库文件(即Standard Template Library，简称STL文件，是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式)显示三维图像，如果文件格式不正确则显示错误并重新选择，图像显示之后做相应的人机交互功能，利用OnMouseWheel(UINT nFlags,short zDelta,CPointpt)函数实现鼠标拖动、ChangeSize(UINT nID,int x,int y)函数实现图形的放大缩小、OnColor()函数实现改变背景颜色等功能。布贴位置的三维图像显示流程如图3所示；
步骤四，应力应变的时域显示，能够对多个通道的光纤布拉格光栅数据进行显示，判断传感器的通道是否改变，如果改变则进行重绘，否则对数据个数进行判断是否到达屏幕的最大显示数目，进而进行数据的显示及最大最小值的确定，最终确定显示的坐标并绘图。应力应变场监测与显示的流程如图4所示；
步骤五，裂纹位置与大小的显示，通过对应力应变值的数据进行预处理，找到数据的均值，然后对监测结构的应力应变值进行实时监测，当应力应变值的均值超过预设的临界值之后，进行定性的判断产生了裂纹，当确定有裂纹之后，通过对数据的处理进行裂纹的定量计算，并将裂纹的位置与大小进行显示。裂纹损伤位置与大小的定量监测与显示流程如图5所示；
步骤六，裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命的评估是在裂纹损伤监测的基础上，采用寿命模型与概率评估方法计算获。将裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命评估结果在软件平台上予以显示，可直观了解结构的剩余寿命与故障发展趋势。概率剩余寿命评估结果显示流程如图6所示；
步骤七，对监测的结构进行危险预警，包括裂纹萌生的预警、裂纹异常(快速)扩展的预警、剩余寿命小于设定阈值的到寿预警等，当监测到这些情况的时候，进行预警，并在软件中对不同的情况采用红色、橙色、黄色、蓝色、绿色予以区分。具体实现方法如下：
当设备健康状态良好，未检测到裂纹萌生，剩余寿命远大于设定阈值时均采用绿色进行表示。
对于裂纹萌生的预警，设置阈值a1、a2、a3、a4分别表示不同的裂纹长度，设当前裂纹监测结果为α，其预警机制为：当0＜α＜a1时，采用蓝色进行预警；当a1＜α＜a2时，采用黄色进行预警；当a2＜α＜a3时，采用橙色进行预警；当a3＜α＜a4时，采用红色进行预警。
对于裂纹异常(快速)扩展的预警，设置阈值b1、b2、b3、b4分别表示不同的裂纹扩展速度,设当前裂纹扩展速度为β，其预警机制为：当0＜β＜b1时，采用蓝色进行预警；当b1＜β＜b2时，采用黄色进行预警；当b2＜β＜b3时，采用橙色进行预警；当b3＜β＜b4时，采用红色进行预警。
对于到寿预警，若设计寿命为c1,设c3＞c2＞c1＞c5＞c4为阈值，表示不同的寿命，设当前预测寿命为γ，其预警机制为：当c2＜γ＜c3时，采用蓝色进行预警；当c1＜γ＜c2时，采用黄色进行预警；当c5＜γ＜c1时，采用橙色进行预警；当c4＜γ＜c5时，采用红色进行预警。其中，在步骤三中所述的“OnMouseWheel(UINT nFlags,short zDelta,CPointpt)”，是鼠标滚轮事件响应函数，nFlags指明是否按下了虚拟键，zDelta指明了旋转的距离，pt指定了光标的x和y轴坐标；
“ChangeSize(UINT nID,int x,int y)”是改变控件大小的响应函数，nID为控件ID，x,y分别为控件当前的长和宽；
“OnColor()”是改变颜色的响应函数，当改变背景颜色时会调用此函数，对背景颜色进行更改。

Claims (8)

1.一种基于光纤传感器的结构健康监测软件平台实现方法，即一种基于光纤布拉格光栅传感器的结构健康监测软件平台实现方法，其特征在于：其实施步骤如下：
步骤一，基于微软C/C++编译器即MicroSoft Visual C/C++，简称VC和微软基础类库即Microsoft Foundation Classes，简称MFC，搭建软件平台；
步骤二，通过网络通信协议即TCP/IP协议，在服务器和客户端建立连接之后，将处理好的关于被测栅点的中心波长位置信息传输到软件平台上；
步骤三，将实际结构上布贴的光纤布拉格光栅传感器的位置用三维图像进行显示，实现对结构的平移、旋转功能；
步骤四，将各个光纤栅点计算出的应力应变值进行监测，并且实时显示观测数据的变化；
步骤五，利用光纤栅点的应力应变值计算裂纹的大小，在判断出现裂纹时之后，对裂纹的位置进行显示，并且实时监测裂纹的大小，便于观测裂纹的变化情况；
步骤六，在裂纹损伤监测的基础上，采用寿命模型与概率评估方法计算获得裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命的评估，将裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命评估结果在软件平台上予以显示；
步骤七，对监测的结构进行危险预警，包括裂纹萌生的预警、裂纹异常(快速)扩展的预警、剩余寿命小于设定阈值的到寿预警等，在软件结果显示中采用一定颜色予以区分；
通过以上步骤，实现了光纤布拉格光栅传感器结构健康监测软件平台，具备监测结构裂纹和应变的功能，此外，软件平台将各个功能封装成模块，各模块之间能独立运行，程序功能扩展性、可移植性和二次开发性好，便于实际的工程应用。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的结构健康监测软件平台实现方法，即一种基于光纤布拉格光栅传感器的结构健康监测软件平台实现方法，其特征在于：
在步骤一中所述的“搭建软件平台”，是指基于微软C/C++编译器6.0版本即VC++6.0和微软基础类库Microsoft Foundation Classes简称MFC开发的的软件平台；具体做法为，在计算机上安装VC++6.0，新建名为“Fiber”的工程，使用MFC设计开发软件平台。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的结构健康监测软件平台实现方法，即一种基于光纤布拉格光栅传感器的结构健康监测软件平台实现方法，其特征在于：
在步骤二中所述的“将处理好的关于被测栅点的中心波长信息传输到软件平台上”，是指软件平台作为服务器端，在开启服务器之后创建端口即Socket，与客服端连接成功之后，将处理好的关于被测栅点的中心波长信息，通过TCP/IP协议网络通信，传输到软件平台上。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的结构健康监测软件平台实现方法，即一种基于光纤布拉格光栅传感器的结构健康监测软件平台实现方法，其特征在于：
在步骤三中所述的“实现对结构的平移、旋转功能”，指能用键盘的上下左右键对结构的三维图像进行上下左右的平移，当用鼠标点中三维图像之后能对其进行旋转看到结构的各个面。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的结构健康监测软件平台实现方法，即一种基于光纤布拉格光栅传感器的结构健康监测软件平台实现方法，其特征在于：
在步骤四中所述的“将各个光纤栅点计算出的应力应变值进行监测，并且实时显示观测数据的变化”，是指对利用光纤栅点的波长数据得到的应力应变值进行实时显示，观测其变化的情况。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的结构健康监测软件平台实现方法，即一种基于光纤布拉格光栅传感器的结构健康监测软件平台实现方法，其特征在于：
在步骤五中所述的“利用光纤栅点的应力应变值计算裂纹的大小，在判断出现裂纹时之后，对裂纹的位置进行显示，并且实时监测裂纹的大小，便于观测裂纹的变化情况”是指通过对应力应变值进行计算如果计算的结果为有裂纹，则对裂纹的位置和大小进行显示，从而能够对裂纹的变化情况进行监测。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的结构健康监测软件平台实现方法，即一种基于光纤布拉格光栅传感器的结构健康监测软件平台实现方法，其特征在于：
在步骤六中所述的“在裂纹损伤监测的基础上，采用寿命模型与概率评估方法计算获得裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命的评估，将裂纹故障的发展趋势与概率剩余寿命评估结果在软件平台上予以显示”，是指当发现产生裂纹之后，利用寿命模型与概率评估方法对裂纹的发展趋势与概率剩余寿命的评估进行计算评估，并且将得到的结果在该软件平台上显示。
8.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的结构健康监测软件平台实现方法，即一种基于光纤布拉格光栅传感器的结构健康监测软件平台实现方法，其特征在于：
在步骤七中所述的“在软件结果显示中采用一定颜色予以区分”，是指针对情况的紧急程度用红色、橙色、黄色、蓝色、绿色进行显示，以对不同的情况进行区分。
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