CN109655033B - 一种管体变形状态实时监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管体变形状态实时监测方法及系统，该方法包括以下步骤：S1：建立基于传感器灵敏度的参数设计模型，确定金属导线传感器的性能参数；S2：根据管体的结构和尺寸确定传感器的布置位置和测点数量，将光纤光栅传感器和金属导线传感器固定在管体内部；S3：建立管体在正常变形和局部异常变形状态下光纤光栅传感器、金属导线传感器的输出信号的计算模型，将正常变形状态下输出信号的最大值设定为特征阈值；S4：实时获取光纤光栅传感器和金属导线传感器的输出信号并将其与特征阈值进行比较，根据预设的评判准则对管体状态进行评估；本发明通过实时在线监测管体的变形状态，能够在管体破裂失效前发出警报，提高橡胶接管的安全性能。

Description

一种管体变形状态实时监测方法及系统

技术领域

本发明属于设备健康监测技术领域，更具体地，涉及一种橡胶接管状态实时监测方法及系统。

背景技术

橡胶接管被广泛应用于舰艇的管路系统中，它的性能直接影响着管路系统的安全性和可靠性，也关乎到舰船人员的生命安全，所以关于提高橡胶接管的安全性能的设计显得尤为重要。

为了提高橡胶接管的安全性能，需要对橡胶接管的寿命状态进行长期的监测和评估，及时更换即将达到使用寿命的橡胶接管；目前，国内的舰艇出航检查阶段，主要是舰员通过外观检查的手段对挠性接管的寿命状态进行拉网式检查和评估，然而这种方法具有三点弊端：一、由于管体内部的压力循环脉动作用或者橡胶材料长期蠕变等原因而使管体内部产生局部异常变形，这种异常变形一般发生在管体的局部敏感薄弱部位，会造成管体局部区域应力集中，进而加速管体失效破裂，但是这种管体内部的异常变形在产生的前期具有潜在性，通过肉眼外观检查难以识别；二、该方法具有人为主观性，单凭艇员经验难以确保检查的准确性和可靠性；三、通过舰艇内挠性接管的拉网式检查耗时耗力，同时由于受空间布局的限制，一些重要的通海管路难以实现人工检查。

因此，需要有一种橡胶接管寿命实时评估方法，能够识别管体内部的异常变形，准确评估挠性接管的寿命，克服拉网式检查耗时耗力的缺点。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种管体变形状态实时监测方法及系统，通过实时在线监测橡胶接管管体的变形状态，从而对橡胶接管的工作寿命进行有效的评估，能够在管体破裂失效前发出警报，提高橡胶接管的安全性能，其目的在于解决现有的拉网式检查存在的无法有效识别管体内部的异常变形、耗时耗力的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种管体变形状态实时监测方法，包括以下步骤：

S1：建立基于传感器灵敏度的参数设计模型，确定金属导线传感器的性能参数；所述性能参数包括金属导线传感器的缠绕角度、电阻率、半径；

S2：根据管体的结构和尺寸确定传感器的布置位置和测点数量，将光纤光栅传感器和金属导线传感器固定在管体内部；

S3：分别建立管体在正常变形和局部异常变形状态下光纤光栅传感器、金属导线传感器的输出信号的计算模型，将正常变形状态下输出信号的最大值设定为特征阈值；

S4：实时获取光纤光栅传感器和金属导线传感器的输出信号并将其与对应的特征阈值进行比较，并根据预设的评判准则对管体状态进行评估。

优选的，上述管体变形状态实时监测方法，其步骤S2中具体包括：将所述光纤光栅传感器以埋入或表贴的方式布置在管体内部的测试点处，将所述金属导线传感器按照一定的缠绕角度缠绕在管体内部的测试点。在管体敏感薄弱区域，光纤光栅传感器的数量增多，金属导线传感器的缠绕角度变大。

优选的，上述管体变形状态实时监测方法，其特征阈值包括光纤光栅传感器的波长阈值和金属导线传感器的电流阈值。

优选的，上述管体变形状态实时监测方法，步骤S4中的评判准则为：

当光纤光栅传感器的波长变化量小于波长阈值且金属导线传感器的电流变化量小于电流阈值时，判定管体处于正常状态；

当局部光纤光栅传感器的波长变化量大于波长阈值且金属导线传感器的电流变化量小于电流阈值时，判定管体已产生局部异常变形，并发出可能失效预警；

当局部光纤光栅传感器的波长变化量大于波长阈值且金属导线传感器的电流变化量大于电流阈值时，判定管体即将破裂失效，并发出已经失效警报。

优选的，上述管体变形状态实时监测方法，其参数设计模型为：

式中，ΔI_b为管体在局部异常状态下的电流变化量；

U为电源电压；

ρ为金属导线传感器的电阻率；

L_b为局部异常变形区域沿管体轴向上的长度；

r为金属导线传感器的半径；

Δr为金属导线局部的径向磨损量；

R_x为限流电阻；

为金属导线传感器的缠绕角度。

优选的，上述管体变形状态实时监测方法，其金属导线传感器和光纤光栅传感器的横截面的半径为0.25-1mm，金属导线传感器的缠绕角度为55°44'。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种管体变形状态实时监测系统，包括光纤光栅传感列阵、金属导线传感器、光纤光栅解调仪、前置电路和上位机；

所述光纤光栅传感列阵安装在管体内部并通过传输光纤与光纤光栅解调仪相连，所述光纤光栅解调仪将光纤光栅传感列阵采集的波长变化量进行解调后传输至上位机；

所述金属导线传感器按照一定的缠绕角度缠绕在管体内部，所述前置电路将金属导线传感器采集的电流变化量进行处理后传输至上位机；

所述上位机获取并显示所述波长变化量和电流变化量，并根据预设的判定规则对管体状态进行评估。

优选的，上述管体变形状态实时监测系统，其光纤光栅传感列阵包括沿管体轴向布置的多个光纤通道，每个所述光纤通道通过一条传输光纤与光纤光栅解调仪相连；每个光纤通道包括多个串联的光纤光栅传感器。

优选的，上述管体变形状态实时监测系统，其前置电路包括依次相连的直流可调电源、限流电阻和电流检测仪；所述直流可调电源的一端与金属导线传感器的一端相连，金属导线传感器的另一端与电流检测仪相连。

优选的，上述管体变形状态实时监测系统，其金属导线传感器和光纤光栅传感器的横截面的半径为0.25-1mm，金属导线传感器的缠绕角度为55°44'。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的管体变形状态实时监测方法及系统，提出了变形监测传感器的参数设计方法，能够提高传感器灵敏度、监测范围等性能指标；建立了传感器输出信号在管体正常变形和异常变形状态下的数学计算模型，以此为依据可以提取出识别局部异常变形的特征阈值；将实时监测到的传感器输出信号与对应的特征阈值进行比较，根据判定准则对管体的变形状态进行监测和评估，评估结果具有实时性、准确性、预见性的优点，能够在管体损坏前发出警报，提示工作人员及时采取预防性维护应对措施，防止橡胶接管破裂等极端问题的产生，适用于一般型号橡胶接管的变形状态监测。

(2)本发明提供的管体变形状态实时监测方法及系统，采用了两种传感器相结合的变形监测方法，通过金属导线传感器对管体的全局变形趋势进行监测，而通过光纤光栅传感器对管体局部敏感薄弱的部位进行重点监测，使管体变形实时监测的结果更准确。

附图说明

图1是本发明实施例提供的管体变形状态实时监测方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的传感器测点布置图；

图3是本发明实施例提供的光纤光栅传感器输出信号变化特性图；

图4是本发明实施例提供的金属导线传感器输出信号变化特性图；

图5是本发明实施例提供的管体变形状态实时监测对系统的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的管体状态判定流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实施例以直径65cm，长度166cm的舰用型挠性接管为试验对象，它的结构组成为内胶层、凯夫拉纤维帘布缠绕成型的骨架层和外胶层，管体两端外接有法兰，靠近两端法兰的管体区域为敏感薄弱区域，更易出现异常变形。

图1是本发明实施例提供的管体变形状态实时监测方法的流程图；如图1所示，该管体变形状态实时监测方法包括以下步骤：

S1：根据挠性接管的型号尺寸参数，确定金属导线传感器、光纤光栅传感器的布置位置和测点数量；

对于挠性接管来说，其靠近两端法兰的管体区域为敏感薄弱区域，为需要重点监测的区域，并需要增加测点数量；挠性接管的尺寸越大，需要监测的范围越大，测量数量越多。

S2：建立基于传感器灵敏度的参数设计模型，确定金属导线传感器的性能参数，包括金属导线传感器的缠绕角度、电阻率、半径等；

该基于传感器灵敏度的参数设计模型为：

式中，ΔI_b为管体在局部异常状态下的电流变化量；

U为金属导线传感器外接电路的电源电压；

ρ为金属导线传感器的电阻率；

L_b为局部异常变形区域沿管体轴向上的长度；

r为金属导线传感器的半径；

Δr为金属导线局部的径向磨损量；

R_x为金属导线传感器外接电路中的限流电阻；

为金属导线传感器的缠绕角度。

当管体型号尺寸确定之后，为了提高金属导线传感器识别管体局部异常变形的灵敏度ΔI_b，在保证电路安全的前提下，可以尽量增大金属导线传感器外接电路的电源电压U、及其自身的电阻率ρ和缠绕角度

减小外接电路的限流电阻R_x、金属导线传感器横截面的半径r。

为了不改变挠性接管的原有结构，优选将金属导线传感器横截面的半径r和埋入式光纤光栅传感器的半径r_g控制在0.25-1mm之间；增大金属导线传感器的缠绕角度

使导线缠绕更加紧密，可提高传感器的监测范围。金属导线传感器的半径过大，将导致检测信号的灵敏度降低；但是半径过小，金属导线容易发生断裂，影响正常的监测过程；

S3：确定光纤光栅传感器和金属导线传感器的性能参数后，分别将光纤光栅传感器和金属导线传感器固定在管体内部的测试点处；图2是本发明实施例提供的传感器测点布置图；

(1)金属导线传感器的测点布置

将金属导线传感器按照确定的缠绕角度缠绕在挠性接管的骨架层中，对于靠近两端法兰的管体敏感薄弱区域，优选将金属导线缠绕得更紧密，从而增大监测范围。

(2)光纤光栅传感器的测点布置

光纤光栅传感器分为埋入式和表贴式两种类型，埋入式光纤光栅传感器布置在管体的骨架层中，表贴式光纤光栅传感器粘贴在外胶层，对于靠近法兰位置的管体敏感薄弱区域，须增加光纤光栅传感器的设置数量；将多个光纤光栅传感器安置于管体的敏感薄弱部位，形成光纤光栅传感列阵。

S4：分别建立挠性接管的管体在正常变形和局部异常变形状态下光纤光栅传感器、金属导线传感器的输出信号的计算模型，金属导线传感器输出信号为电流变化量，光纤光栅传感器输出信号为波长变化量；将正常变形状态下光纤光栅传感器输出信号的最大值设定为波长阈值，将正常变形状态下金属导线传感器输出信号的最大值设定为电流阈值；

挠性接管的管体变形类型分为正常变形和局部异常变形，其中，正常变形类型包括轴向变形、径向变形和充压变形；本实施例中管体不同变形状态下输出信号的计算模型如表1所示：

表1管体不同变形状态下输出信号的计算模型

其中，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆为固定参数，r为金属导线传感器的半径，L为挠性接管的管体长度，Z为轴向变形量，J为径向变形量，P为管体内部流体的充压压力，Δr为金属导线传感器局部区域的径向磨损量；

将管体的固定参数、金属导线传感器的性能参数带入计算模型中，建立传感器输出信号与管体变形量之间的映射曲线；图3为光纤光栅传感器输出的中心波长偏移量与不同类型的管体变形量之间的对应关系曲线；如图3所示，当管体出现轴向变形时，全部光纤光栅传感器的波长变化量较大；当管体出现径向变形时，全部光纤光栅传感器的波长变化量极其微小，基本可忽略不计；当管体出现充压变形时，全部光纤光栅传感器的波长变化量极其微小，基本可忽略不计；当管体出现局部异常变形时，某些测点的光纤光栅传感器的波长变化量很大，其他测点的光纤光栅传感器的波长变化量较小；本实施例以管体的轴向变形量为100％时对应的波长偏移量作为管体在正常变形状态下光纤光栅传感器的波长阈值Δλ_y，确定该波长阈值为4.5nm；图4为金属导线传感器输出的电流变化量与不同类型的管体变形量之间的对应关系曲线；如图4所示，当管体出现轴向变形和径向变形时，金属导线传感器输出的电流变化量较小；当管体出现充压变形时，金属导线传感器输出的电流变化量及其微小，基本可忽略不计；当管体出现局部异常变形时，在变形的初始阶段ΔI较小，而当变形量较大时ΔI迅速增大；本实施例以管体的径向变形量为100％时对应的波长偏移量作为管体在正常变形状态下金属导线传感器的电流阈值ΔI_y，确定该电流阈值为0.025A。若光纤光栅传感器和金属导线传感器的输出信号超出对应的特征阈值，判断管体变形已超出正常变形的范围，为异常变形。

S4：实时获取光纤光栅传感器输出的中心波长偏移量Δλ以及金属导线传感器输出的电流变化量ΔI，并将其与对应的特征阈值进行比较，并根据预设的评判准则对管体状态进行评估；

由于光纤光栅原理识别管体局部异常变形的灵敏度要高于电阻感应原理，因此本实施例采用表2中的评判准则对挠性接管的管体变形状态进行评估；

表2评判准则

本实施例还提供了一种管体变形状态实时监测系统，如图5所示，包括光纤光栅传感列阵、金属导线传感器、光纤光栅解调仪、前置电路和上位机；

光纤光栅传感列阵安装在管体内部并通过传输光纤与光纤光栅解调仪相连，该光纤光栅解调仪将光纤光栅传感列阵采集的波长变化量进行解调后传输至上位机的显示界面，上位机可以显示光纤光栅传感器反射波中心波长的变化量，通过监测各个测点反射波中心波长的变化量来反映管体的应变水平；该光纤光栅传感列阵包括沿管体轴向布置的四个光纤通道，相邻的光纤通道之间相差90度的弧度；每个光纤通道通过一条传输光纤与光纤光栅解调仪相连；每个光纤通道包括四个串联的光纤光栅传感器；

金属导线传感器按照55°44'的缠绕角度缠绕在管体内部，螺距保持一致，金属导线传感器横截面的半径为1mm；前置电路将金属导线传感器采集的电流变化量进行处理后传输至上位机的显示界面；通过监测电流的变化量来得到管体的全局变形量。前置电路包括依次相连的直流可调电源、限流电阻和电流检测仪；直流可调电源的一端与金属导线传感器的一端相连，金属导线传感器的另一端与电流检测仪相连；电流检测仪将金属导线传感器采集的电流变化量进行处理后传输至上位机。

上位机获取并显示波长变化量和电流变化量，并且上位机中预存有表2所示的评判准则，上位机可根据该评判规则对管体状态进行评估，具体的判定流程如图6所示；

(1)上位机实时监测光纤光栅传感器的波长变化信号，判断该波长变化信号是否超出波长阈值；若是，则判定管体已经发生局部异常变形，发出可能失效预警，提示工作人员更换挠性接管；若否，则继续监测；

(2)上位机实时监测金属导线传感器的电流变化信号，判断该电流变化信号是否超出电流阈值；若是，则判定管体即将破裂失效，发出已经失效警报，提示工作人员关闭设备；若否，则继续监测。

相比于现有的人工拉网式检查方法，本发明提供的管体变形状态实时监测方法及系统，提出了变形监测传感器的参数设计方法，能够提高传感器灵敏度、监测范围等性能指标；建立了传感器输出信号在管体正常变形和异常变形状态下的数学计算模型，以此为依据可以提取出识别局部异常变形的特征阈值；将实时监测到的传感器输出信号与对应的特征阈值进行比较，根据判定准则对管体的变形状态进行监测和评估，评估结果具有实时性、准确性、预见性的优点，能够在管体损坏前发出警报，提示工作人员及时采取预防性维护应对措施，防止橡胶接管破裂等极端问题的产生，适用于一般型号橡胶接管的变形状态监测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种管体变形状态实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立基于传感器灵敏度的参数设计模型，确定金属导线传感器的性能参数；所述性能参数包括金属导线传感器的缠绕角度、电阻率、半径；

S2：根据管体的结构和尺寸确定传感器的布置位置和测点数量，将光纤光栅传感器和所述金属导线传感器固定在管体内部；

S3：分别建立管体在正常变形和局部异常变形状态下光纤光栅传感器、金属导线传感器的输出信号的计算模型，将正常变形状态下光纤光栅传感器输出信号的最大值设定为波长阈值，将正常变形状态下金属导线传感器输出信号的最大值设定为电流阈值；

S4：实时获取光纤光栅传感器和金属导线传感器的输出信号并将其与特征阈值进行比较，并根据预设的评判准则对管体状态进行评估；所述评判准则为：

当光纤光栅传感器的波长变化量小于波长阈值且金属导线传感器的电流变化量小于电流阈值时，判定管体处于正常状态；

当局部光纤光栅传感器的波长变化量大于波长阈值且金属导线传感器的电流变化量小于电流阈值时，判定管体已产生局部异常变形，并发出可能失效预警；

当局部光纤光栅传感器的波长变化量大于波长阈值且金属导线传感器的电流变化量大于电流阈值时，判定管体即将破裂失效，并发出已经失效警报。

2.如权利要求1所述的管体变形状态实时监测方法，其特征在于，步骤S2中具体包括：将所述光纤光栅传感器以埋入或表贴的方式布置在管体内部，将所述金属导线传感器按照一定的缠绕角度缠绕在管体内部。

3.如权利要求1所述的管体变形状态实时监测方法，其特征在于，所述参数设计模型为：

式中，ΔI_b为管体在局部异常状态下的电流变化量；

U为电源电压；

ρ为金属导线传感器的电阻率；

L_b为局部异常变形区域沿管体轴向上的长度；

r为金属导线传感器的半径；

Δr为金属导线局部的径向磨损量；

R_x为限流电阻；

为金属导线传感器的缠绕角度。

4.如权利要求3所述的管体变形状态实时监测方法，其特征在于，所述金属导线传感器和光纤光栅传感器的横截面的半径为0.25-1mm，金属导线传感器的缠绕角度为55°44'。

5.一种管体变形状态实时监测系统，其特征在于，包括光纤光栅传感列阵、金属导线传感器、光纤光栅解调仪、前置电路和上位机；

所述光纤光栅传感列阵安装在管体内部并通过传输光纤与光纤光栅解调仪相连，所述光纤光栅解调仪将光纤光栅传感列阵采集的波长变化量进行解调后传输至上位机；

所述金属导线传感器按照一定的缠绕角度缠绕在管体内部，所述前置电路将金属导线传感器采集的电流变化量进行处理后传输至上位机；

所述上位机获取并显示所述波长变化量和电流变化量，并根据预设的评判规则对管体状态进行评估；所述评判准则为：

当光纤光栅传感器的波长变化量小于波长阈值且金属导线传感器的电流变化量小于电流阈值时，判定管体处于正常状态；所述波长阈值为正常变形状态下光纤光栅传感器输出信号的最大值，所述流阈值为正常变形状态下金属导线传感器输出信号的最大值；

当局部光纤光栅传感器的波长变化量大于波长阈值且金属导线传感器的电流变化量小于电流阈值时，判定管体已产生局部异常变形，并发出可能失效预警；

当局部光纤光栅传感器的波长变化量大于波长阈值且金属导线传感器的电流变化量大于电流阈值时，判定管体即将破裂失效，并发出已经失效警报。

6.如权利要求5所述的管体变形状态实时监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感列阵包括沿管体轴向布置的多个光纤通道，每个所述光纤通道通过一条传输光纤与光纤光栅解调仪相连；每个光纤通道包括多个串联的光纤光栅传感器。

7.如权利要求5或6所述的管体变形状态实时监测系统，其特征在于，所述前置电路包括依次相连的直流可调电源、限流电阻和电流检测仪；所述直流可调电源的一端与金属导线传感器的一端相连，金属导线传感器的另一端与电流检测仪相连。

8.如权利要求7所述的管体变形状态实时监测系统，其特征在于，所述金属导线传感器和光纤光栅传感器的横截面的半径为0.25-1mm，金属导线传感器的缠绕角度为55°44'。

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