CN108414372A - 基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台，包括试件固定台、钢球控制装置和控制系统以及冲击定位监测系统；所述试件固定台上固定有试件；所述钢球控制装置中放置有钢球；所述试件固定台上分别设置有X轴滑轨、Y轴滑轨、Z轴滑轨；所述Z轴滑轨通过X轴滑块在X轴滑轨中滑动；所述Y轴滑轨通过Z轴滑块在Z轴滑轨中滑动；所述钢球控制装置通过Y轴滑块滑动固定在Y轴滑轨上；所述控制系统控制钢球控制装置在X轴滑轨、Y轴滑轨、Z轴滑轨三个方向的位移运动并控制钢球的冲击动作。本发明能够对钢结构的冲击损伤进行实时在线监测和定位，并可有效地完成钢结构内任意一点的冲击定位监测，具备更高的可靠性和精确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢结构监测试验平台技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台。
背景技术
钢结构在工业领域被广泛应用，例如作为船舶的承载构件。目前，由于船舶长期航行在恶劣的海洋环境中，船体钢结构极容易发生由触礁或者碰撞冲击产生的损伤，使钢结构的承载能力降低和性能退化，严重影响钢结构稳定性。为了实时监测船体钢结构的工作情况，对可能造成重大危险的冲击进行定位监测，钢结构健康监测技术在船舶领域得到了越来越多的研究和关注。
传统的钢结构冲击定位监测试验平台通常包括：不同质量的钢球和冲击定位监测系统。其中采用小球自由落体的方式产生冲击源，并利用冲击定位监测系统采集冲击信号并进行分析，从而确定钢结构中产生冲击的位置。具体地，
(1)传统的冲击定位监测系统通常是基于电阻应变片式传感器的，虽然电阻应变片在大型工程结构中得到广泛应用，然而其存在寿命短、测量易受环境影响、受电磁干扰比较严重等缺点，而且一旦测点增多，其维护和测试费用都将大大增加。考虑到船舶所处环境，电磁干扰、潮湿、化学腐蚀严重，还有船体振动、波浪砰击等，对信号的干扰很多，因此电阻应变式传感器不适宜对船体钢结构进行长期、实时在线分布式监测；
(2)传统冲击装置通常放置于钢结构被测表面，仪器本身将对钢结构产生一定影响，从而降低实际监测结果的精确度；
(3)传统冲击装置在确定钢球释放位置时，通常根据XYZ三轴方向的刻度值进行手动调节，操作不便，而且与理想位置之间往往存在偏差；
(4)传统冲击装置在钢球完成自由落体运动后，通常采用人工方式快速拿走钢球，避免钢球的二次冲击，而这种方式存在着较大的局限性和不可操作性。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台，在于优化冲击装置和冲击定位监测系统，实现自动冲击和可靠的定位监测，提高冲击源释放精度和定位监测精度，降低人为操作的局限性。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台，包括试件固定台、钢球控制装置和控制系统以及冲击定位监测系统；所述试件固定台上固定有试件；所述钢球控制装置中放置有钢球；
所述试件固定台上分别设置有X轴滑轨、Y轴滑轨、Z轴滑轨；
所述Z轴滑轨通过X轴滑块在X轴滑轨中滑动；
所述Y轴滑轨通过Z轴滑块在Z轴滑轨中滑动；
所述钢球控制装置通过Y轴滑块滑动固定在Y轴滑轨上；
所述控制系统控制钢球控制装置在X轴滑轨、Y轴滑轨、Z轴滑轨三个方向的位移运动并控制钢球的冲击动作；
所述冲击定位监测系统，包括光纤光栅解调仪、信号处理系统和光纤光栅传感网络；所述光纤光栅解调仪通过光纤链路与光纤光栅传感网络相连接，并通过网口与信号处理系统相连接；
一根光纤上串联多支光纤光栅传感器,并贴于试件表面，采用时分/波分方式形成光纤光栅传感网络；光纤光栅解调仪对信号进行采集，并将所采集的信号传输至信号处理系统进行分析处理。
进一步优选地，所述X轴滑轨包括第一X轴滑轨和第二X轴滑轨；所述Z轴滑轨包括第一Z轴滑轨和第二Z轴滑轨；所述X轴滑块包括第一X轴滑块和第二X轴滑块；所述Z轴滑块包括第一Z轴滑块和第二Z轴滑块；
所述第一X轴滑轨和第二X轴滑轨平行固定在试件固定台的左右两侧，所述第一Z轴滑轨和第二Z轴滑轨对应分别通过第一X轴滑块和第二X轴滑块垂直于第一X轴滑轨和第二X轴滑轨滑动设置，所述Y轴滑轨通过第一Z轴滑块和第二Z轴滑块垂直于第一Z轴滑轨和第二Z轴滑轨滑动设置；
所述第一X轴滑轨和第二X轴滑轨的后端对应通过第一X轴联轴器、X轴传动轴和第二X轴联轴器相连，所述X轴传动轴的左端与固定于第二X轴滑轨后端上的X轴步进电机传动相连；
所述控制系统通过控制X轴步进电机的运转，使第二X轴滑块在第二X轴滑轨上产生X轴方向的位移；所述X轴步进电机通过带动第一X轴联轴器、X轴传动轴、第二X轴联轴器的运转，使第一X轴滑块能够在第一X轴滑轨与第二X轴滑块进行同步运动；
所述第一Z轴滑轨和第二Z轴滑轨的上端对应通过第一Z轴联轴器、Z轴传动轴和第二Z轴联轴器相连，所述Z轴传动轴的左端与固定于第二Z轴滑轨上端的Z轴步进电机传动相连；
所述控制系统通过控制Z轴步进电机的运转，使第二Z轴滑块在第二Z轴滑轨上产生Z轴方向的位移；所述Z轴步进电机通过带动第一Z轴联轴器、Z轴传动轴、第二Z轴联轴器的运转，使第一Z轴滑块能够在第一Z轴滑轨与第二Z轴滑块进行同步运动；
所述Y轴滑轨的右端固定有Y轴步进电机，所述控制系统通过控制Y轴步进电机的运转，使Y轴滑块在Y轴滑轨上产生Y轴方向的位移。
进一步优选地，所述钢球控制装置包括与Y轴滑块固定连接的底座和垂直固定于底座上的支撑架，所述支撑架中部设置有与底座垂直且贯穿于支撑架的一段滑槽，位于滑槽的正上方在底座上设置有与滑槽平行的悬臂梁滑轨，所述悬臂梁滑轨上靠近滑槽上方通过滑动支架固定一动滑轮，所述悬臂梁滑轨上靠近底座通过固定支架固定一定滑轮，所述定滑轮的下方位于支撑架上设置有滚筒，位于滚筒的一侧在支撑架上设置有驱动滚筒转动的滚筒步进电机，所述滚筒中卷有钢丝绳，所述钢丝绳的伸出端依次绕过定滑轮、动滑轮和滑槽后与第二电磁铁相连，所述支撑架下方设置有第一电磁铁，所述第一电磁铁吸附着钢球。
进一步优选地，所述试件固定台上均布有多个试件固定点，可用于完成多种简单结构试件的夹持固定。
进一步优选地，所述试件通过螺钉固定在试件固定台上。
进一步优选地，所述试件固定台的底部四角设置有可调节支撑腿，通过调节可调节支撑腿的高度可使得固定于试件固定台上的试件保持水平。
本发明的有益效果是：
(1)冲击定位监测系统采用具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀能力强、易于大规模组网实现实时分布式测量等优点的光纤光栅传感器；其取代了传统的电类传感器，能够对钢结构的冲击损伤进行实时在线监测和定位，并可有效地完成钢结构内任意一点的冲击定位监测，具备更高的可靠性和精确度；
(2)基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台，可避免实验设备的重量对试件产生的影响；
(3)试件固定台均布多个试件固定点，可用于完成多种简单结构试件的夹持固定；
(5)采用步进电机控制钢球的释放位置包括高度调节，并更换不同质量的钢球，可完成不同能量的冲击；同时避免了手工操作的复杂性和不准确性；
(6)利用电磁铁产生的电磁效应来移除完成冲击的钢球，可有效避免实验过程中钢球的二次冲击。
附图说明
图1是本发明基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台的结构示意图；
图2是本发明钢球控制装置的立体图；
图3是图2中钢球控制装置的右视图；
图4是本发明冲击定位监测系统示意图。
其中：1.可调节支撑脚；2.试件固定台；3.第一X轴滑轨；4.第一X轴滑块；5.钢球控制装置；6.Y轴滑块；7.第一Z轴滑块；8.Y轴步进电机；9.第一Z轴滑轨；10.Z轴传动轴；11.第一Z轴联轴器；12.第二Z轴联轴器；13.Z轴步进电机；14.第二Z轴滑轨；15.第一X轴联轴器；16.X轴传动轴；17.第二X轴联轴器；18.X轴步进电机；19.第二Z轴滑块；20.第二X轴滑轨；21.Y轴滑轨；22.第二X轴滑块；23a.底座；23b.支撑架；24.滑槽；25.钢丝绳；26.动滑轮；26a.滑动支架；27.悬臂梁滑轨；28.滚筒；29.定滑轮；29a.固定支架；30.滚筒步进电机；31.第一电磁铁；32.第二电磁铁；33.钢球；34.光纤光栅解调仪；35.信号处理系统；36.光纤光栅传感网络。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台的结构示意图；图2是本发明钢球控制装置的立体图；图3是图2中钢球控制装置的右视图；图4是本发明冲击定位监测系统示意图。
如图1所示，基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台，包括试件固定台2、钢球控制装置5和控制系统以及冲击定位监测系统；所述试件固定台2上固定有试件；所述钢球控制装置5中放置有钢球33；
所述试件固定台2上分别设置有X轴滑轨、Y轴滑轨21、Z轴滑轨；
所述Z轴滑轨通过X轴滑块可在X轴滑轨中滑动；
所述Y轴滑轨21通过Z轴滑块可在Z轴滑轨中滑动；
所述钢球控制装置5通过Y轴滑块6滑动固定在Y轴滑轨21上；
所述控制系统控制钢球控制装置5在X轴滑轨、Y轴滑轨21、Z轴滑轨三个方向的位移运动并控制钢球33的冲击动作；
所述冲击定位监测系统，包括光纤光栅解调仪34、信号处理系统35和光纤光栅传感网络36；所述光纤光栅解调仪34通过光纤链路与光纤光栅传感网络36相连接，并通过网口与信号处理系统35相连接；
一根光纤上串联多支光纤光栅传感器,并贴于试件表面，采用时分/波分方式形成光纤光栅传感网络36；光纤光栅解调仪34对信号进行采集，并将所采集的信号传输至信号处理系统35进行分析处理。
进一步优选地，所述X轴滑轨包括第一X轴滑轨3和第二X轴滑轨20；所述Z轴滑轨包括第一Z轴滑轨9和第二Z轴滑轨14；所述X轴滑块包括第一X轴滑块4和第二X轴滑块22；所述Z轴滑块包括第一Z轴滑块7和第二Z轴滑块19；
所述第一X轴滑轨3和第二X轴滑轨20平行固定在试件固定台2的左右两侧，所述第一Z轴滑轨9和第二Z轴滑轨14对应分别通过第一X轴滑块4和第二X轴滑块22垂直于第一X轴滑轨3和第二X轴滑轨20滑动设置，所述Y轴滑轨21通过第一Z轴滑块7和第二Z轴滑块19垂直于第一Z轴滑轨9和第二Z轴滑轨14滑动设置；即所述第一Z轴滑轨9和第二Z轴滑轨14的底端对应分别通过第一X轴滑块4和第二X轴滑块22与第一X轴滑轨3和第二X轴滑轨20滑动连接；所述Y轴滑轨21的左右两端对应分别通过第一Z轴滑块7和第二Z轴滑块19与第一Z轴滑轨9和第二Z轴滑轨14滑动连接；
所述第一X轴滑轨3和第二X轴滑轨20的一平行端(即后端)对应通过第一X轴联轴器15、X轴传动轴16和第二X轴联轴器17相连，所述X轴传动轴16的一端(即左端)与固定于第二X轴滑轨20后端上的X轴步进电机18传动相连；
所述控制系统通过控制X轴步进电机18的运转，使第二X轴滑块22在第二X轴滑轨20上产生X轴方向的位移；所述X轴步进电机18通过带动第一X轴联轴器15、X轴传动轴16、第二X轴联轴器17的运转，使第一X轴滑块4能够在第一X轴滑轨3与第二X轴滑块22进行同步运动；
所述第一Z轴滑轨9和第二Z轴滑轨14的上端对应通过第一Z轴联轴器11、Z轴传动轴10和第二Z轴联轴器12相连，所述Z轴传动轴10的一端(即左端)与固定于第二Z轴滑轨14上端上的Z轴步进电机13传动相连；
所述控制系统通过控制Z轴步进电机13的运转，使第二Z轴滑块19在第二Z轴滑轨14上产生Z轴方向的位移；Z轴步进电机13通过带动第一Z轴联轴器11、Z轴传动轴10、第二Z轴联轴器12的运转，使第一Z轴滑块7能够在第一Z轴滑轨9与第二Z轴滑块19进行同步运动；
所述Y轴滑轨21的一端(即右端)固定有Y轴步进电机8，所述控制系统通过控制Y轴步进电机8的运转，使Y轴滑块6在Y轴滑轨21上产生Y轴方向的位移。
进一步优选地，所述钢球控制装置5包括与Y轴滑块6固定连接的底座23a和垂直固定于底座23a上的支撑架23b，所述支撑架23b中部设置有与底座23a垂直且贯穿于支撑架23b的一段滑槽24，位于滑槽24的正上方在底座23a上设置有与滑槽24平行的悬臂梁滑轨27，所述悬臂梁滑轨27上靠近滑槽24上方通过滑动支架26a固定一动滑轮26，所述悬臂梁滑轨27上靠近底座23a通过固定支架29b固定一定滑轮29，所述定滑轮29的下方位于支撑架23b上设置有滚筒28，位于滚筒28的一侧在支撑架23b上设置有驱动滚筒28转动的滚筒步进电机30，所述滚筒28中卷有钢丝绳25，所述钢丝绳25的伸出端依次绕过定滑轮29、动滑轮26和滑槽24后与第二电磁铁32相连，所述支撑架23b下方设置有第一电磁铁31，所述第一电磁铁31吸附着钢球33，如图2-3所示。
进一步优选地，所述试件固定台2上均布有多个试件固定点，可用于完成多种简单结构试件的夹持固定。
进一步优选地，所述试件通过螺钉固定在试件固定台2上。
进一步优选地，所述试件固定台2的底部四角设置有可调节支撑腿1，通过调节可调节支撑腿1的高度可使得固定于试件固定台2上的试件保持水平。
本发明提供的一种基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台，工作时：
先调节可调节支撑腿1的高度使固定于试件固定台2上的试件保持水平；
再通过控制系统调节钢球控制装置5在X轴滑轨、Y轴滑轨21、Z轴滑轨三个方向的位移运动即调整钢球控制装置5到合适位置；
具体地，控制系统通过控制X轴步进电机18的运转，使第二X轴滑块22在第二X轴滑轨20上产生X轴方向的位移；X轴步进电机18通过带动第一X轴联轴器15、X轴传动轴16、第二X轴联轴器17的运转，使第一X轴滑块4能够在第一X轴滑轨3与第二X轴滑块22进行同步运动；控制系统通过控制Z轴步进电机13的运转，使第二Z轴滑块19在第二Z轴滑轨14上产生Z轴方向的位移；Z轴步进电机13通过带动第一Z轴联轴器11、Z轴传动轴10、第二Z轴联轴器12的运转，使第一Z轴滑块7能够在第一Z轴滑轨9与第二Z轴滑块19进行同步运动；控制系统通过控制Y轴步进电机8的运转，使Y轴滑块6在Y轴滑轨21上产生Y轴方向的位移；
然后再通过控制系统控制钢球控制装置5中钢球33的冲击动作并通过冲击定位监测系统对数据进行采集；
具体地，先通过滑动支架26a调节动滑轮26在悬臂梁滑轨27上的位置，使第二电磁铁32与钢球33之间的间隙为1mm，目的是在一定范围内能够适应不同规格的钢球33；然后控制系统通过控制滚筒步进电机30运转进而带动滚筒28转动使得钢丝绳25伸出端没有通电的第二电磁铁32缓慢下放，直至距离试件固定台2上的试件上方1mm位置；接着控制系统切断通向第一电磁铁31的电流，使第一电磁铁31失去磁力而无法继续吸附钢球33，钢球33开始做自由落体运动；于是控制系统通过钢球33的释放高度计算下落时间，钢球33自由落体时间达到计算的下落时间后，即钢球33完成第一次冲击试件后，控制系统自动对第二电磁铁32通电，使第二电磁铁32产生强磁力而及时吸附钢球33，之后控制系统切断通向第二电磁铁32的电流，取走钢球33；接着控制系统通过控制滚筒步进电机30反向运转进而反向带动滚筒28转动使得钢丝绳25伸出端没有通电的第二电磁铁32缓慢上升至最高处；
在上述钢球33冲击试件的过程中，冲击定位监测系统对数据进行采集；
具体地，一根光纤上串联多支光纤光栅传感器,并贴于试件表面，采用时分/波分方式形成光纤光栅传感网络36；光纤光栅解调仪34对信号进行采集，并将所采集的信号传输至信号处理系统35进行分析处理，最终实现钢球冲击试件的冲击定位监测功能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“X轴”、“Y轴”、“z轴”、“上”、“中”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“第一”、“第二”、“平行”、“垂直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
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 (6)
1.基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台，其特征在于，包括试件固定台、钢球控制装置和控制系统以及冲击定位监测系统；所述试件固定台上固定有试件；所述钢球控制装置中放置有钢球；
所述试件固定台上分别设置有X轴滑轨、Y轴滑轨、Z轴滑轨；
所述Z轴滑轨通过X轴滑块在X轴滑轨中滑动；
所述Y轴滑轨通过Z轴滑块在Z轴滑轨中滑动；
所述钢球控制装置通过Y轴滑块滑动固定在Y轴滑轨上；
所述控制系统控制钢球控制装置在X轴滑轨、Y轴滑轨、Z轴滑轨三个方向的位移运动并控制钢球的冲击动作；
所述冲击定位监测系统，包括光纤光栅解调仪、信号处理系统和光纤光栅传感网络；所述光纤光栅解调仪通过光纤链路与光纤光栅传感网络相连接，并通过网口与信号处理系统相连接；
一根光纤上串联多支光纤光栅传感器,并贴于试件表面，采用时分/波分方式形成光纤光栅传感网络；光纤光栅解调仪对信号进行采集，并将所采集的信号传输至信号处理系统进行分析处理。
2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台，其特征在于，所述X轴滑轨包括第一X轴滑轨和第二X轴滑轨；所述Z轴滑轨包括第一Z轴滑轨和第二Z轴滑轨；所述X轴滑块包括第一X轴滑块和第二X轴滑块；所述Z轴滑块包括第一Z轴滑块和第二Z轴滑块；
所述第一X轴滑轨和第二X轴滑轨平行固定在试件固定台的左右两侧，所述第一Z轴滑轨和第二Z轴滑轨对应分别通过第一X轴滑块和第二X轴滑块垂直于第一X轴滑轨和第二X轴滑轨滑动设置，所述Y轴滑轨通过第一Z轴滑块和第二Z轴滑块垂直于第一Z轴滑轨和第二Z轴滑轨滑动设置；
所述第一X轴滑轨和第二X轴滑轨的后端对应通过第一X轴联轴器、X轴传动轴和第二X轴联轴器相连，所述X轴传动轴的左端与固定于第二X轴滑轨后端上的X轴步进电机传动相连；
所述控制系统通过控制X轴步进电机的运转，使第二X轴滑块在第二X轴滑轨上产生X轴方向的位移；所述X轴步进电机通过带动第一X轴联轴器、X轴传动轴、第二X轴联轴器的运转，使第一X轴滑块能够在第一X轴滑轨与第二X轴滑块进行同步运动；
所述第一Z轴滑轨和第二Z轴滑轨的上端对应通过第一Z轴联轴器、Z轴传动轴和第二Z轴联轴器相连，所述Z轴传动轴的左端与固定于第二Z轴滑轨上端的Z轴步进电机传动相连；
所述控制系统通过控制Z轴步进电机的运转，使第二Z轴滑块在第二Z轴滑轨上产生Z轴方向的位移；所述Z轴步进电机通过带动第一Z轴联轴器、Z轴传动轴、第二Z轴联轴器的运转，使第一Z轴滑块能够在第一Z轴滑轨与第二Z轴滑块进行同步运动；
所述Y轴滑轨的右端固定有Y轴步进电机，所述控制系统通过控制Y轴步进电机的运转，使Y轴滑块在Y轴滑轨上产生Y轴方向的位移。
3.如权利要求1所述的基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台，其特征在于，所述钢球控制装置包括与Y轴滑块固定连接的底座和垂直固定于底座上的支撑架，所述支撑架中部设置有与底座垂直且贯穿于支撑架的一段滑槽，位于滑槽的正上方在底座上设置有与滑槽平行的悬臂梁滑轨，所述悬臂梁滑轨上靠近滑槽上方通过滑动支架固定一动滑轮，所述悬臂梁滑轨上靠近底座通过固定支架固定一定滑轮，所述定滑轮的下方位于支撑架上设置有滚筒，位于滚筒的一侧在支撑架上设置有驱动滚筒转动的滚筒步进电机，所述滚筒中卷有钢丝绳，所述钢丝绳的伸出端依次绕过定滑轮、动滑轮和滑槽后与第二电磁铁相连，所述支撑架下方设置有第一电磁铁，所述第一电磁铁吸附着钢球。
4.如权利要求1所述的基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台，其特征在于，所述试件固定台上均布有多个试件固定点。
5.如权利要求4所述的基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台，其特征在于，所述试件通过螺钉固定在试件固定台的试件固定点上。
6.如权利要求1所述的基于光纤光栅的钢结构自动冲击定位监测试验平台，其特征在于，所述试件固定台的底部四角设置有可调节支撑腿。
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