一种岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法
【专利摘要】本发明公开了一种岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法，包括：优化传感器布点位置，确定光纤光栅传感器布置位置及数量，并计算各个应力集中点的预警阈值和报警阈值；确定岸边集装箱装卸桥主金属结构的预警阈值和报警阈值的设计方案；对焊接在岸边集装箱装卸桥主金属结构表面的光纤光栅传感器组成传感网络，并实时采集岸边集装箱装卸桥主金属结构健康参数的光信号；将采集到的光信号转换为电信号，读取传感器信号信息并进行计算；将计算后的数据与设定的阈值进行比较，判定是否发送预警或报警信息。本发明采用光纤光栅传感器，可对岸边集装箱装卸桥金属结构进行全生命周期的健康监测，具有无电磁干扰、精度高、量程宽、可靠性高、寿命长等特点。
【专利说明】一种岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法。
【背景技术】
[0002]现有起重机械是主要工业企业生产环节的“骨干”，但大型起重机械安全问题面临的形势和挑战却非常严峻，重特大事故仍时有发生，因此，研究起重机安全预警措施是当务之急。目前，国内对起重机械安全保证仍然以维保单位的“定期保养，事后维修”和质检部门的2年一个周期的定期检验为主，缺乏大型起重机结构健康监测与预警技术，亟需提出一种有针对性的措施来预防此类事故发生。国质检特联
[2011] 137号文件《关于印发大型起重机械安装安全监控管理系统实施方案的通知》指出，在“十二五”期间，要在大型起重机上逐步安装监控系统，强化安全管理，可见国家对起重机安全监控的重视。
[0003]岸边集装箱装卸桥在岸边工作，专门用于装、卸集装箱的起重机。岸边集装箱装卸桥由三大系统组成:(I)起升机构:实现集装箱或吊钩横梁升降运动，是岸边集装箱装卸桥最主要的工作机构；(2)俯仰机构:实现前大梁绕大梁绞点作俯仰运动的机构称为俯仰机构；(3)运行小车系统:使集装箱或吊具和上架作水平往复运动的机构总成称为运行小车系统。岸边集装箱装卸桥作为一种使用面大量广的大型起重机械，其面临的安全形势和挑战则更加严峻。
[0004]因此，对岸边集装箱装卸桥金属结构进行实时监测，是岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法开发的具体实施方案。
【发明内容】
[0005]为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法，核心是利用不受电磁干扰的光纤光栅传感技术，无线传输技术等技术手段，将起重机械结构监测由定期检测提升至实时在线监测层次，具有高精度、宽量程、高可靠性、智能性、寿命长等特点。
[0006]本发明的目的通过以下的技术方案来实现:
[0007]—种岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法，该方法包括:
[0008]A、优化传感器布点位置，确定光纤光栅传感器布置位置及数量；
[0009]B、根据材料的许用应力和使用年限，确定岸边集装箱装卸桥主金属结构各个应力集中点的预警阈值和报警阈值；
[0010]C、对焊接在岸边集装箱装卸桥主金属结构表面的光纤光栅传感器组成传感网络，并实时采集岸边集装箱装卸桥主金属结构健康参数的光信号；
[0011]D、将采集到的光信号转换为电信号，读取传感器信号信息并进行计算；
[0012]E、将步骤D计算后的数据与步骤B设定的阈值进行比较，判定是否发送预警或报
自目 I I=I ο
[0013]与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点:
[0014]该方法采用光纤光栅传感器，可以对岸边集装箱装卸桥金属结构进行全生命周期的健康监测，具有无电磁干扰、精度高、量程宽、可靠性高、寿命长等特点。建立起重机械的虚拟三维模型，通过有限元仿真技术取得应力集中点，用于布置岸边集装箱装卸桥的传感器。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法流程图；
[0016]图2a为岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法硬件设计图；
[0017]图2b为岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法软件设计图；
[0018]图3a为传感器布置示意主视图；
[0019]图3b为传感器布置示意左视图；
[0020]图4为岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法中软件系统平台的结构框图。
【具体实施方式】
[0021]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
[0022]图1是岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法的方法，该方法包括:
[0023]步骤10优化传感器布点位置，确定光纤光栅传感器布置位置及数量；
[0024]步骤20根据材料的许用应力和使用年限，确定岸边集装箱装卸桥主金属结构各个应力集中点的预警阈值和报警阈值；
[0025]步骤30对焊接在岸边集装箱装卸桥主金属结构表面的光纤光栅传感器组成传感网络，并实时采集岸边集装箱装卸桥主金属结构健康参数的光信号；
[0026]步骤40将采集到的光信号转换为电信号，读取传感器信号信息并进行计算；
[0027]步骤50将步骤40计算后的数据与步骤20设定的阈值进行比较，判定是否发送预警或报警信息。
[0028]上述步骤10具体包括:通过有限元(FEM)计算结果进行设点优化，传感器数量及类型选择，确定光纤光栅传感器布置位置及数量；通过材料力学理论计算各个应力集中点的预警阈值和报警阈值。
[0029]上述步骤20具体包括:理论基础准备就绪以后，进行软件系统平台的编程工作，并确定预警阈值与报警阈值的设计方案。
[0030]上述步骤30具体包括:进行光纤光栅传感器现场焊接，组网，由焊接在岸边集装箱装卸桥主金属结构表面上的光纤光栅传感器组成传感网，实时采集岸边集装箱装卸桥主金属结构的应力、应变、温度等结构健康参数的光信号。
[0031]上述步骤40具体包括:将传感器信号连接到光纤光栅解调仪，光纤光栅传感器解调仪把采集到的光信号解调成电信号传输到串口，串口将传感数据电信号进行压缩封装后发送到远程中央服务器；发送过程采用EDGE/3G网络。
[0032]远程中央服务器接受数据，通过软件系统平台对岸边集装箱装卸桥实时工况、应力、温度等信号进行分析;光纤光栅应变传感器对温度敏感,所以采集温度信号为应力传感器进行温度补偿，下面为光纤光栅温度传感器的一次线性拟合公式、因载荷变化而引起的载荷变化计算公式:
[0033]Τ = Μ(λ_λ0)+Τ0(I)
[0034]ξ = N ( λ λ 0) +B ( λ tl- λ t(l) - α.Δ T(2)
[0035]公式(I)为光纤光栅温度传感器的一次线性拟合公式。式中，M(°C /nm)为温度系数，λ (nm)为光波当前波长。λ O 一般取TO = (TC的波长。温度传感器在TO温度下的波长为λ。公式(2)为因载荷变化引起的应变计算公式。N为应变计的应变系数(μ ξ/nm)；B为传感器修正系数(μ ξ /nm) ； λ I为应变光纤当前的波长值(nm) ； λ O为应变光纤初始的波长值(nm) ； λ tl为温补光纤当前的波长值(nm) ； λ t0为温补光纤初始的波长值(nm)；α (μ ξ /°C )为被测物体热膨胀系数Λ T = 100 X ( λ tl- λ t0)，单位取。C。
[0036]上述步骤50具体包括:通过计算结果判断是否发送岸边集装箱装卸桥主金属结构安全预警或危险报警信号；软件系统平台计算后的数据与设定的阈值进行比较，判定是否发送预警信息；人机界面安装于司机室，起重机实时运行状态传输到司机室，在显示器上显示；超过阈值，人机界面就会发出报警信号提示操作人员采取紧急措施，同时报警信号通过EDGE/3G技术，以短信方式发送到主管岸边集装箱装卸桥安全运行的工作人员手机客户端；具有网络连接的个人电脑终端，用于远程浏览岸边集装箱装卸桥结构健康状况。
[0037]上述步骤的实施硬件部分如图2a，主要包括焊接在岸边集装箱装卸桥主金属结构上的光纤光栅传感器采集网络，光纤光栅解调仪，以及连接在光纤光栅解调仪上电脑显示器，触摸屏，互联网服务器，3G短信服务器以及PC客户端。
[0038]软件部分如图2b所示。软件系统平台安装在光纤光栅解调仪上，软件系统平台从光纤光栅解调仪的串口读取传感器监测的数据，计算后进行阈值判断，判断系统处于无警、预警还是报警状态，如果处于预警或者报警状态，系统通过3G模块向负责人发送报警短信，安装在司机室的触摸屏发出报警信号；同时软件系统平台通过GPRS模块或者无线网络将数据传输到远端服务器，用户在网上实时查看监测数据和历史数据。
[0039]图3a为传感器布置示意主视图，图3b为传感器布置示意左视图；图中第一个字母为截面编号；第二个字母除K-K截面外，L(Left)指左侧，R(Right)指右侧，以面向海侧为前侧，相应可确定左右侧，K-K截面的KWl和KLl中W(Waterside)、L(Landside)分别指海侧和陆侧；第三个字母，除唯一的温度传感器DRT外，其他皆为应力传感器相应序号。各截面具体位置如表I所示。
[0040]图4为软件系统平台结构框图。用户信息管理模块主要用于存放可以访问本系统的用户个人信息和用户权限管理，包括用户名、登陆密码、用户权限以及用户的详细资料坐寸ο
[0041]系统配置模块用于信息采集时硬件部分的相关参数的设置。该模块由传感器设置与采集方式设置组成。传感器设置主要设定光纤光栅传感器的中心波长、所在通道、测量类型，以及计算所需物理量所需系数。采集方式设定模块用于设定采集的采集控制方式与采集频率。
[0042]信息采集与传输模块负责读取光纤光栅传感实时波长信息，经温度及应变计算获得结构实时应变信息并存储数据；同时，将监测信息定时或实时传输到远程数据库服务器。
[0043]数据库管理模块主要用于监测数据的存储和查询。包括门座式起重机信息、传感器信息和监测数据管理。
[0044]数据分析模块是健康监测系统的核心模块。它实现了对起重机械关键结构应变信息的实时显示功能，同时结合损伤预警、损伤识别、寿命评估等相关理论，对门座式起重机的健康状况进行评价，监测信息超出设定范围时向指定手机用户发送短信报警，并给出维护建议。
[0045]现场显示模块负责向现场用户显示结构各处的应变情况，并显示预警信息，紧急时可控制蜂鸣器发出警报。
[0046]用户帮助模块用于向用户介绍系统的使用说明。
[0047]虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属【技术领域】内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
【权利要求】
1.一种岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法，其特征在于，所述方法包括: A、优化传感器布点位置，确定光纤光栅传感器布置位置及数量； B、根据材料的许用应力和使用年限，确定岸边集装箱装卸桥主金属结构各个应力集中点的预警阈值和报警阈值； C、对焊接在岸边集装箱装卸桥主金属结构表面的光纤光栅传感器组成传感网络，并实时采集岸边集装箱装卸桥主金属结构健康参数的光信号； D、将采集到的光信号转换为电信号，读取传感器信号信息并进行计算； E、将步骤D计算后的数据与步骤B设定的阈值进行比较，判定是否发送预警或报警信肩、O
2.根据权利要求1所述的岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法，其特征在于，所述步骤A和步骤B中: 传感器布点位置通过有限元计算结果进行优化； 应力集中点的预警阈值和报警阈值通过材料力学计算得到。
3.根据权利要求1所述的岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法，其特征在于，光纤光栅传感器采集的光信号参数包括岸边集装箱装卸桥主金属结构的应力、应变、温度和加速度结构健康参数。
4.根据权利要求1所述的岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法，其特征在于，所述步骤D具体包括:由光纤光栅传感器解调仪将采集到的光信号解调成电信号传输到PCI串口，由软件系统平台读取传感器信息并进行计算。
5.根据权利要求1所述的岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法，其特征在于，所述步骤E具体包括:所述计算后的数据超过设定的阈值，则发送报警信号。
6.根据权利要求4所述的岸边集装箱装卸桥结构健康监测与安全预警方法，其特征在于，采集的温度信号用以为温度传感器进行温度补偿，光纤光栅温度传感器的一次性拟合公式、因载荷变化而引起的载荷变化计算公式为: T = Μ(λ-λ0)+Τ0(I) ξ = Ν( λ「λ 0)+B ( λ tl_ λ t0) - α.Δ T(2) 公式(I)为光纤光栅温度传感器的一次线性拟合公式，式中，M(°C/nm)为温度系数，λ (nm)为光波当前波长，λ ^ —般取Ttl = (TC的波长，温度传感器在Ttl温度下的波长为λ ;公式(2)为因载荷变化引起的应变计算公式，N为应变计的应变系数(μ ξ/nm)；B为传感器修正系数(μ ξ /nm) ； λ:为应变光纤当前的波长值(nm) ； λ ^为应变光纤初始的波长值(nm) ; Xtl为温补光纤当前的波长值(nm) ; λ t(l为温补光纤初始的波长值(nm)；α (μ ξ /°C )为被测物体热膨胀系数Λ T = 100 X ( λ tl- λ t0)，单位取。C。
【文档编号】B66C13/16GK104192722SQ201410487079
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】黄国健, 刘济科, 吕中荣, 陈衍茂, 汪巍巍, 王新华 申请人:中山大学, 广州特种机电设备检测研究院