一种升船机对接焊缝安全状态的远程监测系统的制作方法

本发明涉及水工金属结构健康监测技术领域，一种升船机承船厢焊缝健康状况在线监测系统。

背景技术：

目前常用的钢材焊缝无损检测比较有效的方法有超声波探伤和射线探伤，超声波探伤是利用压电换能器对被测工件发射超声波，然后用换能器接收反射回来的超声波，测量反射回来超声波的幅度及传播时间就可评定工件中缺陷的位置及严重程度；射线探伤是利用x、γ射线源发出的贯穿辐射线穿透焊缝后使胶片感光，焊缝中的缺陷影像便显示照相底片上。目前的无损检测方法不管是超声波探伤还是射线探伤，所需要的设备体积都比较大，操作步骤繁琐，只能现场作业而无法做到实时在线检测，因此以上两种方法都存在着严重的缺陷和不足。

为了实现设备的在线实时监测，工作人员通常会采用电阻应变片并结合监测电路的方式来对设备焊缝进行在线监测，传统电阻应变片，因其技术已较为成熟且制造成本低廉而被广泛使用，但传统电阻应变片通常不抗腐蚀并且寿命较短，长期测量稳定性较差、易受电磁干扰、特别是零点漂移，所以通常只能用于测试静态，不适合测试动态变化。受此技术的限制，目前国内尚无针对大型升船机金属结构的焊缝在线检测系统。

技术实现要素：

鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供一种升船机承船厢焊缝健康状况在线监测系统，该系统通过在升船机承船厢焊缝处布置光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，快速实时获取焊缝在升船机悬停状态、上/下行运行状态等不同状态下的应变信息，辅以水位检测子系统和环境参数检测子系统，采用多种算法和先验知识，通过数据分析、处理、系统对升船机承船厢焊缝的结构动态特性及健康运行状况做出准确判断，以达到实时同步监测升船机承船厢焊缝安全状况的目的。

一种升船机对接焊缝安全状态的远程监测系统，系统包括有数据检测系统、数据传输单元、解调单元、数据处理单元、数据库管理单元和安全性分析与评估单元，数据检测系统由光纤光栅应变检测子系统、光纤光栅温度检测子系统、承船厢水位测量子系统和环境参数检测子系统组成，数据传输单元将数据检测系统中的各个检测机构相连接并将检测到的信号传输到解调单元，解调单元将信号以光波的形式长传输到数据处理单元，数据处理单元将光波转变为升船机承船厢各焊缝应力值数据并上传到数据库管理单元，安全性分析与评估单元通过访问数据库管理单元，再参考升船机工作情况与船舶过闸的航行信息，分析升船机上下运行时，承船厢焊缝的健康状态以决定是否通知巡检人员及时排除险情。

优选的方案中，光纤光栅应变检测子系统由若干个光纤光栅应变传感器组成，所述的若干个光纤光栅应变传感器安装在升船机承船厢焊缝连接处的上下厢板上。

优选的方案中，光纤光栅温度检测子系统由若干个光纤光栅温度传感器组成，所述的若干个光纤光栅温度传感器安装在所述光纤光栅应变传感器的周围。

优选的方案中，承船厢水位测量子系统由若干个水位传感器组成，所述的若干个水位传感器安装在承船厢载船水域底部。

优选的方案中，环境参数检测子系统由若干个综合数据传感器组成，综合数据传感器组分为自动检测外部环境系数和人工设置外部环境系数两种工作形式。

优选的方案中，应变传感器基座通过点焊的方式与上厢板和下厢板固定连接，应变传感器基座上安设有安装夹块，光纤应变片通过安装夹块固定在上下端的应变传感器基座上。

优选的方案中，温度传感器的基座安设在光纤光栅应变传感器的附近，温度传感器的基座上同样设有安装夹块，温度应变片通过安装夹块固定在温度传感器的基座上。

本专利可达到以下有益效果：

1、本系统通过数据检测系统，可快速实时获取焊缝在升船机悬停状态、上/下行运行状态等不同状态下的应变、温度以及环境信息，通过对数据进行分析处理，可快速对升船机承船厢焊缝的结构动态特性及健康运行状况做出准确判断，实现了实时同步监测升船机承船厢焊缝安全状况的功能；

2、工作人员通过本系统可掌握在不同的运行状态下，升船机承船厢焊缝的安全状况，并且可以对长期积累获得的海量数据采用数据挖掘与安全性分析等手段，定量决策出升船机承船厢焊缝的最佳维修时期，并对维修决策给出指导性意见和理论依据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本专利作进一步说明：

图1为本发明焊缝安全状态的远程监测系统图；

图2为本发明检测部位整体结构示意图；

图3为本发明检测运行流程示意图。

图中：数据检测系统1、光纤光栅应变检测子系统101、光纤光栅温度检测子系统102、承船厢水位测量子系统103、环境参数检测子系统104、数据传输单元2、解调单元3、数据处理单元4、数据库管理单元5、安全性分析与评估单元6、安装夹块7、应变传感器基座8、光纤应变片9、温度传感器的基座10、温度应变片11、焊缝12、上厢板13、下厢板14。

具体实施方式

优选的方案如图1和图2所示，一种升船机对接焊缝安全状态的远程监测系统，系统包括有数据检测系统1、数据传输单元2、解调单元3、数据处理单元4、数据库管理单元5和安全性分析与评估单元6，数据检测系统1由光纤光栅应变检测子系统101、光纤光栅温度检测子系统102、承船厢水位测量子系统103和环境参数检测子系统104组成，数据传输单元2将数据检测系统1中的各个检测机构相连接并将检测到的信号传输到解调单元3，解调单元3将信号以光波的形式长传输到数据处理单元4，数据处理单元4将光波转变为升船机承船厢各焊缝12应力值数据并上传到数据库管理单元5，安全性分析与评估单元6通过访问数据库管理单元5，再参考升船机工作情况与船舶过闸的航行信息，分析升船机上下运行时，承船厢焊缝12的健康状态以决定是否通知巡检人员及时排除险情。

优选的方案如图1和图2所示，光纤光栅应变检测子系统101由若干个光纤光栅应变传感器组成，所述的若干个光纤光栅应变传感器安装在升船机承船厢焊缝12连接处的上下厢板上；光纤光栅温度检测子系统102由若干个光纤光栅温度传感器组成，所述的若干个光纤光栅温度传感器安装在所述光纤光栅应变传感器的周围；承船厢水位测量子系统103由若干个水位传感器组成，所述的若干个水位传感器安装在承船厢载船水域底部，环境参数检测子系统104由若干个综合数据传感器组成，综合数据传感器组分为自动检测外部环境系数和人工设置外部环境系数两种工作形式，检测的外部环境参数包含湿度、环境温度、船厢载重系数等。

优选的方案如图2所示，应变传感器基座8通过点焊的方式与上厢板13和下厢板14固定连接，应变传感器基座8上安设有安装夹块7，光纤应变片9通过安装夹块7固定在上下端的应变传感器基座8上；温度传感器的基座10安设在光纤光栅应变传感器的附近，温度传感器的基座10上同样设有安装夹块7，温度应变片11通过安装夹块7固定在温度传感器的基座10上。

实施例1：

整个升船机承船厢焊缝健康状态在线监测系统的工作方法，包括以下步骤：

1.1、数据处理单元4将光纤光栅应变检测子系统101在时刻t的中心波长设置为波长零点并记为λyn0；

1.2、数据处理单元4将光纤光栅温度检测子系统102在时刻t的中心波长设置为波长零点并记为λtn0；

2.1、光纤光栅应变检测子系统101通过数据传输单元2将信号传输到解调单元3，解调单元3解调出光纤光栅应变检测子系统101的实时中心波长并记为λyn；

2.2、光纤光栅温度检测子系统102通过数据传输单元2将信号传输到解调单元3，解调单元3解调出光纤光栅温度检测子系统102的实时中心波长并记为λtn；

3、数据处理单元4接收从解调单元3发出的实时中心波长λyn和λtn；

4.1、数据处理单元4对实时中心波长λtn进行处理，得到偏移量δλt，其中：δλt＝λtn-λtn0；

4.2、数据处理单元4对实时中心波长λyn进行处理，得到偏移量δλt其中：

δλyn＝(λyn-λym0)/λyn0；

5.1、数据处理单元4再对偏移量δλt进行处理，得到实时温度相对于t时刻的变化量δtn，其中：δtn＝1e³*(δλt/st)

st为所述光纤光栅温度检测子系统102的温度灵敏度；

5.2、数据处理单元4再对偏移量δλyn进行处理，得出光纤光栅应变检测子系统101中第n个光纤光栅应变传感器的应变值εn，其中：εn＝(1e⁶*δλyn)/fgn

fgn为第n个光纤光栅应变传感器的应变因子；

6.1、数据处理单元4对实时温度相对于t时刻的变化量δtn进行处理，计算出相对温度变化导致的应变值δεtn：

δεtn＝(δtn)*(c1n/fgn+ctesn-c2n)

其中，c1n、c2n为光纤光栅应变传感器的应变常数，fgn为光纤光栅应变传感器的应变因子，ctesn为光纤光栅应变传感器的热膨胀系数，下标n是指第n个光纤光栅应变传感器；

6.2、数据处理单元4对第n个光纤光栅应变传感器的应变值εn进行处理，计算出实时应力值εt：

εt＝1e^-6*δεn*e

其中，δεn＝εn-δεtn，e为升船机承船厢焊缝的弹性模量；

7、根据步骤6.3中得到的实时应力值εt来判断焊缝的安全状况，设置升船机悬停状态下的应力值为参考值εt0，计算出实时应力值变化量δεt：δεt＝εt-εt0；

8、安全性分析与评估单元6根据焊缝实时应力值变化量δεt，对升船机承船厢焊缝的结构动态特性及健康运行状况立即做出准确判断：

若δεt＜5mpa认为焊缝在升船机悬停状态下的正常振动范围；

若5mpa＜δεt＜15mpa认为焊缝在升船机上下行状态下的正常振动范围；

若δεt＞15mpa认为已超过极限阈值，焊缝深层次已经处于断裂状态；

当焊缝实时应力值变化量δεt超过极限阈值时，为避免升船机因焊缝突然断裂出现事故，应及时通知巡检人员将升船机下行至最低点，并进行停航检修；

当焊缝实时应力值变化量δεt超过设定阈值的10％并且持续出现多次或者出现信号噪声干扰过大，建议对光纤光栅应变检测子系统101周围的环境情况进行谨慎排查。

上面结合附图对本发明的实施进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。