本發(fā)明涉及光纖光柵傳感監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的橋式起重機健康在線監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

橋式起重機作為港口起重機械中不可或缺一種，具有起吊能力強，作業(yè)效率高的特點，廣泛應(yīng)用于各大裝備制造業(yè)、物流運輸業(yè)中。隨著橋式起重機的廣泛應(yīng)用，其安全性能也日益受到人們的關(guān)注。

目前，設(shè)計人員為了保證橋式起重機的安全性能，在設(shè)計中預(yù)留的安全系數(shù)裕量較大，使得橋式起重機形式笨重、體積龐大。在保證橋式起重機作業(yè)安全的同時，也增加了其作業(yè)能耗。因此，在保證橋式起重機作業(yè)安全的前提下進行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計具有十分重要的意義。

本發(fā)明專利依托國家科技支撐計劃“橋式起重機械輕量化共性技術(shù)研究”資助(批準(zhǔn)號：2015BAF06B01)，旨在建立一套橋式起重機結(jié)構(gòu)健康長期在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時評估起重機作業(yè)中的應(yīng)力情況，保證其作業(yè)安全，同時為橋式起重機的輕量化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持和安全保障。通過輕量化技術(shù)以獲取低能耗、高性能的橋式起重機是現(xiàn)今機械發(fā)展的大趨勢。

目前技術(shù)最成熟且應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試傳感器為電阻應(yīng)變片，它具有分辨率高、尺寸下、價格便宜、測量范圍大的有點，但不適用于長期監(jiān)測。本項目選擇光纖光柵應(yīng)變傳感器對橋式起重機進行應(yīng)力測試，它具有可靠性好、抗干擾能力強、測量精度高的特點，適用于長期監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供了一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的橋式起重機健康在線監(jiān)測系統(tǒng)，對作業(yè)中的橋式起重機應(yīng)力情況進行實時在線監(jiān)測，保證橋式起重機的安全運行，結(jié)合預(yù)警機制完成結(jié)構(gòu)健康評估，為起重機的使用、維護以及輕量化設(shè)計提供量化數(shù)據(jù)和安全保障，提高橋式起重機的節(jié)能性和經(jīng)濟性。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的橋式起重機健康在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括橋式起重機主體，多個光纖光柵應(yīng)變傳感器、光纖光柵傳感解調(diào)儀、光纖接線盒和計算機，光纖接線盒內(nèi)設(shè)有多個光纖分路器，多個光纖光柵應(yīng)變傳感器分布于橋式起重機的應(yīng)力測量點上，多個光纖光柵應(yīng)變傳感器采用并聯(lián)連接，每一個光纖光柵應(yīng)變傳感器均同光纖分路器的出線端連接，多個光纖光柵應(yīng)變傳感器分為多個組，每一組的光纖光柵應(yīng)變傳感器均與相對應(yīng)的光纖分路器的出線端連接，光纖分路器的進線端通過傳導(dǎo)光纖與光纖光柵傳感器調(diào)節(jié)儀連接，光纖光柵傳感器調(diào)節(jié)儀通過以太網(wǎng)與計算機連接。

接上述技術(shù)方案，光纖光柵應(yīng)變傳感器的個數(shù)為16個，光纖分路器的個數(shù)為4個，每4個光纖光柵應(yīng)變傳感器為一組，與相應(yīng)的光纖分路器相連，光纖光柵傳感解調(diào)儀的通道數(shù)為4個。

接上述技術(shù)方案，光纖光柵應(yīng)變傳感器分布于橋式起重機主梁的端部、主梁的中部和主梁的連接部位。

接上述技術(shù)方案，所述光纖光柵應(yīng)變傳感器為自帶溫度補償?shù)膽?yīng)變傳感器。

接上述技術(shù)方案，自帶溫度補償?shù)膽?yīng)變傳感器包括應(yīng)力片和溫度片，應(yīng)力片和溫度片緊密連接，應(yīng)力片4個角均有焊點，溫度片的一端同應(yīng)變片相連，溫度片的另一端懸空。

接上述技術(shù)方案，光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度為：0～1.2pm/με，工作溫度范圍為：-40℃～80℃，應(yīng)變測量范圍為：±2,500με，光纜類型為：3mm鎧裝光纜。

接上述技術(shù)方案，光纖光柵應(yīng)變傳感器焊接于橋式起重機的測點位置上。

接上述技術(shù)方案，光纖光柵應(yīng)變傳感器外設(shè)有金屬保護套罩著。

接上述技術(shù)方案，光纖光柵應(yīng)變傳感器尾芯通過防火套管防護，防火套管通過卡扣固定于橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)上。

接上述技術(shù)方案，所述的光纖光柵傳感解調(diào)儀的波長范圍:1520--1580nm，掃描頻率:100Hz。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、通過多個光纖光柵應(yīng)變傳感器實現(xiàn)對大型工程機械進行分布式測量，測量點多，測量范圍大，多個光纖光柵應(yīng)變傳感器形成并聯(lián)，避免了采用串聯(lián)時其中一個傳感器出故障導(dǎo)致整條線圖癱瘓的弊病，對作業(yè)中的橋式起重機應(yīng)力情況進行實時在線監(jiān)測，根據(jù)所測的結(jié)構(gòu)應(yīng)力對橋式起重機進行故障預(yù)警，保證橋式起重機的安全運行，結(jié)合預(yù)警機制完成結(jié)構(gòu)健康評估，同時，通過在線傳輸系統(tǒng)將測量值傳輸給地面技術(shù)監(jiān)測中心的計算機，為起重機的使用、維護以及輕量化設(shè)計提供量化數(shù)據(jù)和安全保障，避免了因金屬結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力過大而造成的事故發(fā)生，提高橋式起重機的節(jié)能性和經(jīng)濟性，利用光纖光柵傳感器技術(shù)使應(yīng)力監(jiān)測穩(wěn)定性好，精度高，可用于長期監(jiān)測。

2、通過選用自帶溫度補償?shù)膽?yīng)變傳感器(即集溫度傳感器和應(yīng)力傳感器一體的光纖傳感器)，溫度片和應(yīng)變片緊密連接保證二者一直處于同一溫度場。應(yīng)變片受被測物形變影響而溫度片不受被測物形變影響，能較好的實現(xiàn)測試過程中的溫度補償。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中基于光纖光柵傳感技術(shù)的橋式起重機健康在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理圖；

圖2是本發(fā)明實施例中橋式起重機主梁的應(yīng)力測量點的布置主視圖；

圖3是圖2的俯視圖；

圖4是圖2的左視圖；

圖中，1-光纖光柵應(yīng)變傳感器，2-光纖接線盒，3-光纖分路器，4-傳導(dǎo)光纖，5-光纖光柵傳感解調(diào)儀，6-計算機。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

參照圖1～圖4所示，本發(fā)明提供的一個實施例中的基于光纖光柵傳感技術(shù)的橋式起重機健康在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括橋式起重機主體，多個光纖光柵應(yīng)變傳感器1、光纖光柵傳感解調(diào)儀5、光纖接線盒2和計算機6，光纖接線盒2內(nèi)設(shè)有多個光纖分路器3，多個光纖光柵應(yīng)變傳感器1分布于橋式起重機的測量點上，多個光纖光柵應(yīng)變傳感器采用并聯(lián)連接，每一個光纖光柵應(yīng)變傳感器均同光纖分路器的出線端連接，多個光纖光柵應(yīng)變傳感器1分為多個組，每組光纖光柵應(yīng)變傳感器1與同一個光纖分路器3對應(yīng)連接，每一組的光纖光柵應(yīng)變傳感器1的尾芯均與相對應(yīng)的光纖分路器3的出線端連接，光纖分路器3的進線端通過傳導(dǎo)光纖4與光纖光柵傳感器調(diào)節(jié)儀5連接，光纖光柵傳感器調(diào)節(jié)儀5通過以太網(wǎng)與計算機6連接；通過多個光纖光柵應(yīng)變傳感器1實現(xiàn)對大型工程機械進行分布式測量，測量點多，測量范圍大，多個光纖光柵應(yīng)變傳感器1形成并聯(lián)，避免了采用串聯(lián)時其中一個傳感器出故障導(dǎo)致整條線圖癱瘓的弊病，對作業(yè)中的橋式起重機應(yīng)力情況進行實時在線監(jiān)測，根據(jù)所測的結(jié)構(gòu)應(yīng)力對橋式起重機進行故障預(yù)警，保證橋式起重機的安全運行，結(jié)合預(yù)警機制完成結(jié)構(gòu)健康評估，同時，通過在線傳輸系統(tǒng)將測量值傳輸給地面技術(shù)監(jiān)測中心，為起重機的使用、維護以及輕量化設(shè)計提供量化數(shù)據(jù)和安全保障，避免了因金屬結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力過大而造成的事故發(fā)生，提高橋式起重機的節(jié)能性和經(jīng)濟性，利用光纖光柵傳感器技術(shù)使應(yīng)力監(jiān)測穩(wěn)定性好，精度高，可用于長期監(jiān)測。

進一步地，光纖光柵應(yīng)變傳感器1的個數(shù)為16個，光纖分路器3的個數(shù)為4個，每4個光纖光柵應(yīng)變傳感器1為一組，與相應(yīng)的光纖分路器3相連，光纖光柵傳感解調(diào)儀5的通道數(shù)為4個；在線監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)有4個光纖分路器3，分光比均為1：4，16個光纖光柵應(yīng)變傳感器1分成4組，分別與4個光纖分路器3連接，4個光纖分路器3通過4根傳導(dǎo)光纖4與光纖光柵傳感解調(diào)儀5連接。

進一步地，如圖2～圖4所示，光纖光柵應(yīng)變傳感器1分布于橋式起重機主梁的端部、主梁的中部和主梁的連接部位，A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，I，J，K，L，M，N，O，P均為橋式起重機主梁上的測量點，也是光纖光柵應(yīng)變傳感器的分布位置。

進一步地，所述光纖光柵應(yīng)變傳感器1為自帶溫度補償?shù)膽?yīng)變傳感器；通過選用自帶溫度補償?shù)膽?yīng)變傳感器(即集溫度傳感器和應(yīng)力傳感器一體的光纖傳感器)，溫度片和應(yīng)變片緊密連接保證二者一直處于同一溫度場。應(yīng)變片受被測物形變影響而溫度片不受被測物形變影響，能較好的實現(xiàn)測試過程中的溫度補償。

進一步地，自帶溫度補償?shù)膽?yīng)變傳感器包括應(yīng)力片和溫度片，應(yīng)力片和溫度片緊密連接，應(yīng)力片4個角均有焊點，保證應(yīng)力片同橋式起重機主梁緊密焊接在一起，可實時并準(zhǔn)確的感受作業(yè)中橋式起重機的應(yīng)變，溫度片的一端同應(yīng)變片相連，溫度片的另一端懸空，這樣既保證了溫度片和應(yīng)力片處于同一溫度場，同時另一端懸空也保證了溫度片不受橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)變的影響，能夠較好的實現(xiàn)溫度補償。

進一步地，光纖光柵應(yīng)變傳感器1的應(yīng)變靈敏度為：0～1.2pm/με，工作溫度范圍為：-40℃～80℃，應(yīng)變測量范圍為：±2,500με，光纜類型為：3mm鎧裝光纜。

進一步地，對橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)上測點位置進行打磨后，光纖光柵應(yīng)變傳感器1通過專用的點焊機焊接于橋式起重機的測點位置上。

進一步地，光纖光柵應(yīng)變傳感器1外設(shè)有金屬保護套罩著；保證光纖光柵應(yīng)變傳感器1不受踩踏等外力破壞。

進一步地，光纖光柵應(yīng)變傳感器上貼有粘彈體防護，金屬保護套通過粘彈體罩設(shè)于光纖光柵應(yīng)變傳感器1外。

進一步地，光纖光柵應(yīng)變傳感器1尾芯通過防火套管防護，防火套管通過卡扣固定于橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)上。

進一步地，所述的光纖光柵傳感解調(diào)儀5的波長范圍:1520--1580nm，掃描頻率:100Hz。

利用光纖光柵應(yīng)變傳感器1本身的特性，使測量穩(wěn)定性好和測量精度高：

1.穩(wěn)定性好：光纖光柵應(yīng)變傳感器1由較穩(wěn)定的二氧化硅制成，測量值為波長，不受電磁干擾、也不受線路老化或布線產(chǎn)生的光功率損耗等影響。

2.測量精度高：光纖光柵應(yīng)變傳感器1精確的透射和反射特征使其更加準(zhǔn)確的反映了應(yīng)力和溫度的變化量。

本發(fā)明的一個實施例中，本發(fā)明的工作原理：

本發(fā)明為基于光纖光柵傳感技術(shù)的橋式起重機結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測系統(tǒng)，其測點數(shù)目可以根據(jù)實際需求做出相應(yīng)調(diào)整，橋式起重機測點數(shù)量改變以及光纖光柵傳感解調(diào)儀5通道數(shù)目改變，均為本發(fā)明專利所涵蓋。

通過有限元分析結(jié)合實際情況，確定輕量化橋式起重機主梁的主要受力部位，在主梁中部、主梁端部以及主梁連接出選定應(yīng)力測點，測點位置可根據(jù)起重機現(xiàn)場環(huán)境以及焊接光纖光柵應(yīng)變傳感器1的可操作性進行適當(dāng)調(diào)整。如圖2～圖4所示，在橋式起重機主梁上選擇16個應(yīng)力測點后，用專用的點焊機將光纖光柵應(yīng)變傳感器1焊接在相應(yīng)的位置。所選用的傳感器為自帶溫度補償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器1，應(yīng)力片和溫度片緊密連接，應(yīng)力片4個角均有焊點，保證應(yīng)力片同橋式起重機主梁緊密焊接在一起，可實時并準(zhǔn)確的感受作業(yè)中橋式起重機的應(yīng)變。溫度片一端同應(yīng)變片相連，另一端懸空，這樣既保證了溫度片和應(yīng)力片處于同一溫度場，同時另一端懸空也保證了溫度片不受橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)變的影響，能夠較好的實現(xiàn)溫度補償。

基于光纖光柵傳感技術(shù)的橋式起重機結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測系統(tǒng)框架，如圖1所示。包括光纖光柵應(yīng)變傳感器1、光纖光柵傳感解調(diào)儀5、光纖分路器3、光纖接線盒2和計算機6。16個光纖光柵應(yīng)變傳感器1采用并聯(lián)連接，每4個光纖光柵應(yīng)變傳感器1同一個分光比為1：4的光纖分路器3相連，光線分路器置于光纖接線盒2中，防止其受到人為損壞，4個光纖分路器3通過傳導(dǎo)光纖同光纖光柵傳感解調(diào)儀5相連，光纖光柵傳感解調(diào)儀5通過網(wǎng)線同計算機6連接。因此，光纖光柵應(yīng)變傳感器1-光纖分路器3-光纖光柵傳感解調(diào)儀5-計算機6構(gòu)成一個橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試線路。

橋式起重機在作業(yè)過程中，由于受載會使其主梁金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)變，光纖光柵應(yīng)變傳感器1由于焊接作用同橋式起重機緊密連接，可很好的感受起重機的結(jié)構(gòu)應(yīng)變。因此當(dāng)橋式起重機產(chǎn)生應(yīng)變時，光纖光柵應(yīng)變傳感器1的應(yīng)力片也產(chǎn)生相應(yīng)的變形，傳感器變形使得內(nèi)部的光纖光柵產(chǎn)生彎曲和拉升，從而改變其中心波長。掃頻光源由光纖光柵傳感解調(diào)儀5的4個通道發(fā)射出，經(jīng)過光纖分路器3后分為16個支路到16個光纖光柵應(yīng)變傳感器1上，當(dāng)光纖光柵傳感解調(diào)儀5發(fā)出的掃頻光波同此時傳感器的中心波長吻合時，光波反射回來，此時可通過光纖光柵傳感解調(diào)儀5對光波信號進行解調(diào)。

光纖光柵傳感解調(diào)儀5對光波信號進行解調(diào)后，再通過專用的公式可計算出測點位置橋式起重機的應(yīng)力值，該應(yīng)力值可在與通過以太網(wǎng)同解調(diào)儀相連接的計算機6上進行處理，然后通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將處理好的數(shù)據(jù)傳送給地面技術(shù)監(jiān)測中心顯示，利用該實時數(shù)據(jù)可以對橋式起重機進行健康評估，同時為橋式起重機輕量化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

以上的僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明申請專利范圍所作的等效變化，仍屬本發(fā)明的保護范圍。