一种水下潜航器内爆监测与预警装置

本发明涉及水下潜航器内爆监测与预警装置，尤其涉及一种监测点位更全面、结构应变测量更精确的预防内爆的监测预警装置。

背景技术：

1、水下潜航器在深水工作时面临的一个巨大威胁是外部的水压，将潜航器的外部耐压壳压塌而造成内爆事故。常规的结构监测系统采用应变仪对结构的局部应变进行测量监控，然而监测点位数量有限，有较大监测盲区。

2、一种对真空绝热深冷压力容器的接管应变强化监测的方法(cn202110317562.9)在需要监测的接管表面涂涂料进行散斑处理；读取物体表面变形前后两幅散斑图像；对试件表面在加载前后的图像进行采集；计算试件表面的位移、应变、变形信息；将数据汇成三维云图，显示其应变情况。采用非接触式应变测量系统，开发低温设备在应变强化过程中应力与应变集中位置的应变实时监测技术，重点聚焦应变强化过程中结构不连续处，从而保障低温设备实现应变强化满足合适的塑性应变量要求，保障应变强化低温设备的轻量化与安全性的统一。该方法需要在监测的接管表面涂涂料散斑处理，不适合在水中直接监测。

3、一种基于物联网的爆裂预警探测器(cn201920211941.8)，包括一探测器，探测器包括一线型应变传感器，线型应变传感器的测量端连接一报警装置，报警装置连接一信号处理模块，信号处理模块连接一无线信号发射装置。该技术利用线型应变传感器检测压力容器变形状况，通过报警装置示警，便于检测人员快速观察到发生变形的压力容器，并将报警信息通过无线信号发射装置传输，此设计能够实现实时在线监测压力容器应力变形造成爆裂的风险，提前预警并实时呈现压力容器的工作状态，预防压力容器爆裂变形对于人员及设施的损害，降低安全风险。该预警探测器有较大监测盲区，也无法判断压力容器结构的细微变形量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种更全面更高精度测量水下潜航器结构应变的监测预警装置。本发明利用光的直线传播及折射原理，以激光为显示工具，提出一种螺旋形微型棱镜阵列装置，以实现对结构应变精细化的监测，本发明采用激光和微型棱镜阵列的方法，用微型棱镜阵列将激光导向到终端目标靶，通过激光在目标靶上的位置，判断结构的细微变形量，从而达到结构内爆的监测和预警效果。本发明可以作为水下结构的应变监测，尤其是对安全性要求极高的载人水下潜航器的内爆监测与预警。

2、本发明至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种水下潜航器内爆监测与预警装置，包括螺旋形微型棱镜阵列装置、激光发射器、终端目标靶、中央控制监测系统；

4、所述激光发射器位于在螺旋形微型棱镜阵列装置的起始端，用于发射激光束；

5、所述终端目标靶位于在螺旋形微型棱镜阵列装置的终端，用于接收折射后的激光束，靶上标注有不同结构安全系数等级对应的安全范围及结构应变风险评估范围，当激光束位于安全范围外时终端目标靶将会向中央控制监测系统发射预警信号；

6、所述中央控制监测系统分为控制系统及监测系统两部分，控制系统包括调控激光发射器的激光束入射角度及发射方式、调控目标靶的接收角度、光显效果及信号提示方式；监测系统包括内爆预警、激光轨迹分析及结构应变自检。

7、进一步地，所述激光发射器根据需要设置为脉冲式发射或连续发射，激光发射具有与棱镜斜角、螺旋线轨迹、终端目标靶配套设计的发射角度，根据需要进行校核修正。

8、进一步地，所述螺旋形微型棱镜阵列装置位于水下潜航器圆柱抗压壳内壁，微型棱镜呈螺旋形阵列排布，微型棱镜阵列的数量和螺旋升角根据水下潜航器的抗压壳的结构布局及精度要求确定，棱镜的布置路由应避开结构上的筋板或凸起部件。

9、进一步地，所述螺旋形微型棱镜阵列装置包括棱镜基带、以及位于棱镜基带上的若干棱镜；所述棱镜基带用于连接棱镜阵列，并按螺旋形轨迹固定于水下潜航器圆柱抗压壳内壁，棱镜中心线垂直于螺旋切线。

10、进一步地，所述若干棱镜均匀分布在棱镜基带上，相邻棱镜间间距均相等。

11、进一步地，所述棱镜基带展开后呈条带状，采用一体化镂空加工的方式制成。

12、进一步地，棱镜底面对应棱镜等腰三角形剖面底边；所述棱镜入射光面、出射光面与底面夹角相等，棱镜剖面为等腰三角形。

13、进一步地，相关参数的计算规则如下：

14、首先，获得水下潜航器的抗压壳体的内径d，根据壳体结构及精确度要求选取螺旋升角θ，选取棱镜间距l，棱镜和中间介质的光折射率比为n，则棱镜入射光面设计夹角和出射光面设计夹角γ1、γ2计算公式为：

15、

16、激光发射器的光源入射角的计算公式为：

17、

18、棱镜中心线与螺旋线交点延伸出来的中心线与螺旋线垂直线夹角α1、α2满足条件：

19、

20、进一步地，所述激光发射器通过步进伺服电机控制空间方位角；激光发射器的入射角度和目标靶的接收角度调节采用步进伺服电机控制调节；发射方式包括连续发射、间隔发射。

21、进一步地，目标靶上的光电传感器产生的电信号接入单片机，当激光偏离靶心超过警戒值时，接通报警电路，发出警报；当结构处于动态变形状态时，激光在靶面上的落点也处于动态运动状态，对落点的运动轨迹进行分析，获得结构变形的规律和趋势数据，从而实现监测。

22、本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

23、本发明通过激光和棱镜的组合装置实现对水下潜航器抗压壳结构应变的监测。螺旋形微型棱镜阵列装置紧密贴附于水下潜航器圆柱抗压壳内侧，随着抗压壳结构应变而变化，直接影响激光束的折射路径，从而实现微小结构应变可视化的表达及连续性的监测。相对于常规的结构监测系统采用应变仪对结构的局部应变进行测量监控，本发明优点在于：

24、1.监测范围更完备。常规的应变仪对结构的局部应变进行测量监控的方式监测点数量有限，有较大监测盲区。本发明将微型棱镜阵列装置以螺旋线的形式布局于水下潜航器圆柱抗压壳内侧，能实现多角度监测且点位密集，有效减少监测盲区，使得监测更全面。

25、2.监测的自动化水平更高。本发明的激光束通过中央控制系统设置可选择脉冲式发射或连续发射，均可实现高频率自动化监测。通过微型棱镜阵列装置的传递，激光束可在终端目标靶显示并与中央监测系统连通，一旦结构应变引起激光束超出安全范围便可自动发出预警。相对于现有的应变仪监测系统，本发明监测的连续性和自动化水平都得到了大幅度提升。

26、3.监测的精确度更高。根据光沿直线传播的特性，激光束在微小棱镜阵列中的传递具有高度敏感性，由于结构应变带来的棱镜微量位移均会导致激光束传递路径及终端靶区点位发生变化。通过前期精准的设计计算，可将在终端靶区上圈定出不同结构安全系数等级对应的安全范围及结构应变风险评估范围，从而使得监测的灵敏度及可视化程度在过程及终端上都实现有效提升，并有利于防内爆监测的分级管理。

27、综上所述，本发明水下潜航器内爆监测与预警装置，通过激光束在螺旋形微型棱镜阵列装置的传递及在终端目标靶的投射位置，来实现对水下潜航器圆柱抗压壳结构应变的精确监测，激光束在装置内传递的高度敏感性及连续性，使得利用其观察抗压壳内爆前的形变成为可能，结合中央控制监测系统的设置、监测及自动预警，从而实现高精度的、自动化的内爆监测与预警，大幅提升结构监测完备性、精确度的同时，有效降低防内爆监测及管理的人力成本。