应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器、检测系统及方法与流程

本发明涉及一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器、检测系统及方法。

背景技术：

隔膜压滤机是将高压流体介质注入隔膜滤板中，使整张隔膜鼓起压迫滤饼，实现滤饼脱水的过滤机械。隔膜压滤机具有压榨压力高、耐腐蚀性好、维修方便、安全可靠等优点，是冶金、造纸、制药、食品、酿造、污水处理等行业的首选。

隔膜压滤机所采用的隔膜滤板由两个隔膜和一个芯板组成，外部高压流体介质进入芯板与隔膜之间的腔室内，使隔膜鼓胀从而对滤腔进行压缩，进而更好地分离滤料与滤液，提高滤饼的含固率。

其中隔膜为主要动部件，其自身反复的膨胀收缩运动及外部高温高压滤料的挤压与冲刷容易使隔膜发生永久变形和磨损进而损坏。损坏的隔膜滤板若不及时更换则可能会进一步对整个压滤机造成更为严重的损伤。然而生产中通常无法实时掌握隔膜滤板的健康状态，只能在发生不可挽回的损失后依靠经验排查损坏的隔膜滤板。

由此可见，隔膜滤板的实时健康监测十分重要。对其使役状态进行健康监测以确保生产安全，对存在问题的滤板进行预警，能够大幅降低滤板破坏造成的损失。同时，通过分析从现场采集、记录、保存的隔膜滤板使役过程数据也可判定设备用户在使用过程中是否存在违规行为，有效地避免压滤机制造厂商与用户之间的产品质量纠纷。

常见的健康监测方法主要是射线、超声、红外、涡流、微波、激光全息照相技术、目视检测等一些无损探伤方法。这些传统无损检测方法的特点通常是离线、静态、被动的。到目前为止，受多方面技术的制约，我国尚未可靠实现对隔膜滤板的实时健康监测与剩余寿命评估。

在隔膜滤板中内埋光纤光栅传感器的监测技术，可以在线监测隔膜滤板的工作状态，及时、全面地发现隔膜滤板发生的损伤。但是，其应用存在以下问题：

(1)在隔膜滤板的芯板及隔膜中内埋光纤光栅传感器需要重新制作两者的模具、调整成型工艺，使技术升级的成本高昂、风险加大；

(2)由于隔膜的变形量较大，内埋于隔膜中的光纤光栅有效变形量需要超过10％，需要定制特种光纤，升级成本进一步增加。

(3)在隔膜滤板的芯板及隔膜复杂的成型过程中埋入的光纤光栅传感器易错位，产生形状畸变、应力集中甚至损坏，可控性差，废品率增加，技术风险大；

(4)内埋的阵列式光纤光栅传感器的栅区数量大，显著增加了技术升级的关键器件成本；

(5)成型后的隔膜与芯板装配成完整的隔膜滤板，装配好的隔膜滤板的边框需要进行刨削、钻孔等机械加工，内埋式的光纤光栅传感器接头给这些加工带来了诸多不便，使工序复杂化，增加滤板制造成本；

(6)一旦内埋的光纤光栅传感器失活，则没有修补、更换这些失活传感器的可能性。

在隔膜滤板上外贴光纤光栅传感器的健康监测技术，不仅可以在线监测隔膜滤板的工作状态，及时、全面地发现隔膜滤板发生的损伤，而且可以避免上述的内埋式光纤光栅传感器的技术缺陷。由此可见，外贴式的光纤光栅传感器在隔膜滤板健康状态的无损检测中比内埋式的光纤光栅传感器具有优越性。但是，现有的表面粘贴式光纤光栅传感器是将光纤光栅首先粘贴在胶基基片或者刻有凹槽的金属基板上，做成传感器并保护好接头后使用。而胶基基片封装的传感器由于胶基的强度和刚度较低、易发生松弛或蠕变、不耐高温，所以无法满足压滤机的长期高温环境及恶劣工况。金属基板封装贴片的制备工艺复杂、自身的质量密度高，且金属基板自身模量远大于隔膜滤板所用的短玻璃纤维增强聚丙烯基复合材料的模量，导致其传递应变的准确度大幅度降低，进而致使光纤光栅的测试精度无法满足要求。

此外，隔膜滤板在工作过程中，其凹凸不平的工作表面不断受到高压高温水流等的冲刷与挤压，无法布排传感器，因此外贴式的传感器贴片只能粘贴于隔膜滤板边框的外表面，这对传感器的检测精度和灵敏度提出了更高的要求。由于粘贴于隔膜滤板边框外表面的传感器只能直接监测边框部分的应变与温度情况，无法直接获取隔膜滤板整体的应变场与温度场，更无法直接获知隔膜滤板的损伤情况，因此现有的测试分析系统尚不能基于滤板边框的应变、温度情况对隔膜滤板的整体健康状态进行实时监测。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器、检测系统及方法，所提供的以玻璃纤维增强环氧树脂复合材料为基片的外贴式的光纤光栅传感器，能够精确地监测隔膜滤板边框处的微小应变，所提供的以上述传感器为基础的隔膜滤板的智能健康监测系统，能够基于隔膜滤板边框处的微小应变进行实时、可靠、整体的健康状态监测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器，包括粘贴于压滤机的隔膜滤板上的呈矩阵式排布的若干个光纤光栅封装贴片，每个光纤光栅封装贴片结构相同，均包括基板以及在基板上布设的光纤光栅以及与所述光纤光栅连接的传导光纤，所述光纤光栅和基板整体封装，检测隔膜滤板的应变或/和温度变化。

所述基板为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，以真空辅助灌注液态环氧树脂并浸渍玻璃纤维布而后固化的工艺封装光纤光栅与基板，形成光纤光栅封装贴片。

所述封装的光纤光栅可以为单应变监测光栅，也可包括温度监测光栅，当包括温度监测光栅时，所述温度监测光栅可用于温度监测也可用于应变监测时的温度补偿。

所述光纤光栅贴片以环氧树脂、不饱和聚酯等热固性树脂与隔膜滤板进行粘贴。

所述光纤光栅贴片分别粘贴在边框外表面对应隔膜与芯板的位置，分别监测两片隔膜及中间芯板的应变状态。

一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感装置，包括光源、上述外贴式光纤光栅传感器、光纤耦合器和光纤光栅解调仪，所述光源产生连续调频激光，激光信号通过引线进入外贴式光纤光栅传感器的光纤光栅，形成稳定的反射信号，外贴式光纤光栅传感器通过光纤依次连接光纤耦合器和光纤光栅解调仪。

所述光纤耦合器有两个，激光信号分成两路，分别通过一个光纤耦合器传输到光纤光栅解调仪的两端，形成两个端口。

所述光源为单独光源或光纤光栅解调仪的内置光源，产生连续调频激光，激光信号通过光纤进入光纤光栅传感器，形成稳定的反射信号。

一种隔膜滤板智能健康监测系统，包括应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感装置、智能分析模块、预警模块、显示模块和隔膜滤板损伤数据库，其中，外贴式光纤光栅传感装置的光纤光栅传感器布排于隔膜滤板边框的外侧，对隔膜滤板的应变和/或温度进行实时监测和信号解调，智能分析模块根据采集的参数信息分析隔膜滤板的损伤程度，预警模块读取隔膜滤板的损伤程度，超过警戒阈值时进行报警，显示模块对隔膜滤板的损伤情况进行实时动态显示。

所述智能分析模块，包括应变场和温度场分析器、疲劳累积运算器、滤板损伤识别运算器和剩余强度运算器，其中：

所述应变场和温度场分析器，被配置为根据传感装置输入的实时温度和/或应变数据进行运算得出隔膜滤板的实时温度场和/或应变场，将结果输出至显示模块，并保存至数据库，形成隔膜滤板历史工况数据；

所述疲劳累积运算器，被配置为结合隔膜滤板材料蠕变及松弛等特有属性，基于雨流计数法进行疲劳计算，其读取数据库中隔膜滤板的历史工况数据，计算滤板的疲劳损伤；

所述隔膜滤板损伤识别运算器，被配置为根据隔膜滤板的监测数据，借助人工神经网络的模式识别功能对滤板的应力应变状态与隔膜滤板损伤数据库进行匹配，实现损伤识别；

所述剩余强度运算器，被配置为根据隔膜滤板损伤程度进行剩余强度计算并预测隔膜滤板的剩余寿命，将结果输出至显示模块及预警模块。

所述隔膜滤板损伤数据库，被配置为结合实验数据，利用有限元软件模拟在发生不同类型、不同部位的损伤时滤板各处的应变而建立的损伤指纹库，以及隔膜滤板的材料学数据及历史工况数据。

所述显示模块，包括：

模型加载模块，被配置为读取三维模型格式文件，提取隔膜滤板的有限元模型，同时可对模型进行旋转、缩放或移动，从多个方向观察模型；

数据加载模块，被配置为与智能分析模块通信，读取智能分析模块输出的实时场分布数据及剩余寿命数据；

耦合显示模块，被配置为将实时场分布数据、剩余寿命数据在滤板的三维模型上对应显示。

所述预警模块，包括健康阈值设定接口和报警铃。用户可根据需要设定健康阈值，当从智能分析模块向健康预警模块输出的剩余寿命低于健康阈值时，报警铃发出警报。

一种隔膜滤板的分析预警方法，包括以下步骤：

(1)建立隔膜滤板的有限元模型，分析隔膜滤板在工作状态下的受力状态，分别找出位于隔膜及芯板对应的应变场变化敏感点，从而确定光纤光栅传感器的布设位置及方向；

(2)连接检测系统，采集隔膜滤板的温度和/或应变参数；

(3)根据采集的数据确定隔膜滤板的实时温度场和应变场，结合其历史工况数据计算、判断其损伤程度和剩余强度，预测隔膜滤板的剩余寿命；

(4)剩余寿命低于健康阈值时，进行报警。

本发明的有益效果为：

(1)可在现有隔膜滤板成品上直接粘贴布排，不需要重新设计模具及其成型工艺，传感器的外贴和布线都是在隔膜滤板装配完成并机械加工之后，应用简便，可操作性强，成本低，适用范围广，可快速应用于不同型号规格、不同用途的隔膜滤板；

(2)外贴技术简单、成熟，可控性强；传感器数量少，技术升级所需的关键器件成本低；

(3)以玻璃纤维增强环氧树脂复合材料为基片封装的光纤光栅传感器具有重量轻、强度和刚度高、耐疲劳、透明度高、抗电磁干扰能力强等特点；

(4)玻璃纤维增强环氧树脂复合材料具有与隔膜滤板自身材料相近的模量，能够更准确可靠地实时监测隔膜滤板的应变和温度状态；

(5)通过监测隔膜滤板边框的应变与温度情况运算得出隔膜滤板整体的应变温度场，并以三维模型动态显示，根据监测数据进行智能分析，得出滤板的健康状态及剩余寿命，及时发出预警，给设备供应商及用户提供可靠的决策依据，从而有效避免隔膜滤板损坏所带来的财产损失，提高设备应用效率，具有很高的经济效益。

附图说明

图1为光纤光栅封装贴片的结构示意图。

图2为光纤光栅封装贴片的三维轴测图。

图3为外贴于压滤机隔膜滤板的光纤光栅传感器监测系统示意图。

图4为外贴于压滤机隔膜滤板的光纤光栅传感器监测系统的应用方法示意图。

图5为外贴于压滤机隔膜滤板的光纤光栅传感器的光栅中心波长-压力载荷检测结果。

其中，1、玻璃纤维增强树脂保护膜，2、传导光纤，3、玻璃纤维增强树脂基板，4、光栅区。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明提供一种玻璃纤维增强树脂基片式光纤光栅封装贴片，包括传导玻璃纤维增强树脂保护膜1、传导光纤2、玻璃纤维增强树脂基片3、光栅区4。

玻璃纤维增强树脂保护膜1是在传导光纤2及玻璃纤维增强树脂基板的上方通过真空辅助灌注工艺而得的一层玻璃纤维增强树脂薄膜，被灌注的液态树脂浸渍玻璃纤维布，然后通过共固化反应与玻璃纤维增强树脂基板3成型为一个整体。由此制备的光纤光栅封装贴片底面平整而上表面随光纤光栅排布自然成型，便于玻璃纤维布更好地保护光纤光栅以及准确地传递应变。

外贴式光纤光栅传感器由封装有n个并列的光纤光栅的m个封装贴片串联而成，1≤n≤10，1≤m≤60。所述封装贴片以玻璃纤维增强环氧树脂复合材料为基片，封装有n根光纤光栅，可以同时检测温度和应变等待测参数，也可以单独检测温度或应变。

由于隔膜滤板的芯板与两侧的隔膜具有完全不同的应变场，所以光纤光栅传感器须分别粘贴在隔膜滤板边框上对应隔膜和滤板的区域，以分别监测芯板和隔膜的应变场。

如图3所示，外贴于隔膜滤板的光纤光栅传感器应用系统包括光纤光栅传感模块、智能分析模块、实时可视化模块和健康预警模块。

光纤光栅传感模块包括光源、光纤光栅传感器、光纤耦合器、光纤光栅解调仪。其中，光源可以为独立光源也可以内置于光纤光栅解调仪内，优选内置于光纤光栅解调仪内的光源，产生连续调频激光，激光信号通过引线进入光纤光栅，形成稳定的反射信号。光纤光栅传感器由若干光纤光栅封装贴片串联而成。光纤耦合器为光纤光栅信号耦合器，具有优良的波长选择能力和多端口的特性，是结构紧凑、损耗小、偏振无关的光纤耦合器。光纤光栅解调仪为中速或高速光纤光栅波长解调仪，具有多通道并行的解调方案，实现信号快速解调，满足健康监测需要，可以快速解调滤板在工作环境下的光栅信号。光源、光纤光栅传感器、光纤耦合器、光纤光栅解调仪之间均通过光纤连接，传输信号为光信号。

光纤光栅传感器布排于隔膜滤板边框的外侧。

光纤耦合器有两个，光信号分成两路，分别通过一个光纤耦合器传输到光纤光栅传感器组件的两端，形成两个端口。

光信号通过一个光纤耦合器传输到光纤光栅传感器组件的一端，形成一个兼具光入射和光反射的端口。

光源为光纤光栅解调仪的内置光源，产生连续调频激光，激光信号通过光纤进入光纤光栅传感器，形成稳定的反射信号。

光纤光栅封装贴片使用环氧树脂、不饱和聚酯等热固性树脂与隔膜滤板进行粘贴，粘贴后再涂覆一层环氧树脂、不饱和聚酯等热固性树脂以确保光纤光栅探测单元在恶劣工况下的存活率并保证其与滤板应变传递的准确性和温度的一致性。

智能分析模块，包括隔膜滤板损伤数据库和损伤分析软件。

滤板损伤数据库包含隔膜滤板的材料学数据及其历史工况数据，以及结合实验数据，利用有限元软件模拟发生不同类型、不同部位的损伤时，滤板各处的应变数据建立的损伤指纹库。

损伤分析软件为基于有限元模拟软件、疲劳分析软件开发的应用于隔膜滤板损伤分析的专用软件，包括应变场、温度场分析器，疲劳累积运算器，隔膜滤板损伤识别运算器和剩余强度运算器。应变场、温度场分析器通过对光纤光栅传感模块得出的实时温度及应变数据进行运算得出隔膜滤板的实时温度场和应变场，将结果输出至实时可视化模块，并保存至数据库，形成滤板历史工况数据。疲劳累积运算器通过隔膜滤板的历史工况数据计算、判断隔膜滤板的疲劳损伤。隔膜滤板损伤识别运算器，根据隔膜滤板监测数据，借助人工神经网络的模式识别功能对滤板的应力应变状态与损伤指纹库进行匹配，实现损伤识别。剩余强度运算器根据隔膜滤板损伤程度进行剩余强度计算并预测隔膜滤板的剩余寿命，将结果输出至实时可视化模块及预警模块。

健康预警模块，包括健康阈值设定接口和报警铃。用户可根据需要设定健康阈值，当从智能分析模块向健康预警模块输出的剩余寿命低于健康阈值时，报警铃发出警报。

实时可视化模块，包括三维几何模型加载、数据加载和耦合显示三个子模块。通过三维几何模型加载子模块读取igs、dwg等三维模型格式文件，提取隔膜滤板的有限元模型，同时可对模型进行旋转、缩放、移动等基本操作，以便从多个方向观察。数据加载子模块接收智能分析模块输出的实时场分布数据及剩余寿命数据。耦合显示子模块根据空间几何关系将隔膜滤板有限元模型中单元与对应的数据单元映射显示在显示器上。

图4所示为外贴于隔膜滤板的光纤光栅传感器应用系统的应用方法，采用上述传感器及应用系统，具体包括以下步骤：

(1)确定隔膜滤板的监测部位，布设传感器。

建立压滤机隔膜滤板的有限元模型，采用Abaqus、Ansys等有限元模拟软件分析隔膜滤板在工作状态下的受力状态，并使用FE-SAFE等疲劳分析软件进行疲劳分析，分析位于滤板外侧的应力场变化敏感点，确定光纤光栅传感器的布设位置及方向。进一步结合实验数据进行各种损伤情况的模拟建立起该型号隔膜滤板的损伤指纹库。

(2)采用环氧树脂、不饱和聚酯等热固性树脂将光纤光栅传感器按(1)中确定的位置及方向粘贴于隔膜滤板边框，选用合适的光纤连接光纤光栅传感器与光源、光纤光栅解调仪、光纤耦合器。

(3)在监测服务端计算机安装滤板损伤分析软件、滤板损伤数据库。调试损伤分析软件中各运算器与数据库间的通信与数据交换，用数据线连接服务端计算机与光纤光栅解调仪，实现有效通信。

(4)安装实时可视化模块。根据实际隔膜滤板型号加载其三维模型，提取有限元模型，并完成有限元模型单元与数据单元的映射关系。

(5)安装预警模块，用户根据所需健康等级设定滤板剩余寿命阈值，安装连接报警铃。

采用上述的外贴于隔膜滤板的光纤光栅传感器，获得了隔膜滤板的光栅中心波长-压力载荷检测结果，如图5所示，可见，实测的5条加载-卸载循环曲线的重合度很高，显示了很好的检测稳定性和可靠性。

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。