本發(fā)明涉及一種應用于隔膜濾板的外貼式光纖光柵傳感器、檢測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隔膜壓濾機是將高壓流體介質(zhì)注入隔膜濾板中，使整張隔膜鼓起壓迫濾餅，實現(xiàn)濾餅脫水的過濾機械。隔膜壓濾機具有壓榨壓力高、耐腐蝕性好、維修方便、安全可靠等優(yōu)點，是冶金、造紙、制藥、食品、釀造、污水處理等行業(yè)的首選。

隔膜壓濾機所采用的隔膜濾板由兩個隔膜和一個芯板組成，外部高壓流體介質(zhì)進入芯板與隔膜之間的腔室內(nèi)，使隔膜鼓脹從而對濾腔進行壓縮，進而更好地分離濾料與濾液，提高濾餅的含固率。

其中隔膜為主要動部件，其自身反復的膨脹收縮運動及外部高溫高壓濾料的擠壓與沖刷容易使隔膜發(fā)生永久變形和磨損進而損壞。損壞的隔膜濾板若不及時更換則可能會進一步對整個壓濾機造成更為嚴重的損傷。然而生產(chǎn)中通常無法實時掌握隔膜濾板的健康狀態(tài)，只能在發(fā)生不可挽回的損失后依靠經(jīng)驗排查損壞的隔膜濾板。

由此可見，隔膜濾板的實時健康監(jiān)測十分重要。對其使役狀態(tài)進行健康監(jiān)測以確保生產(chǎn)安全，對存在問題的濾板進行預警，能夠大幅降低濾板破壞造成的損失。同時，通過分析從現(xiàn)場采集、記錄、保存的隔膜濾板使役過程數(shù)據(jù)也可判定設備用戶在使用過程中是否存在違規(guī)行為，有效地避免壓濾機制造廠商與用戶之間的產(chǎn)品質(zhì)量糾紛。

常見的健康監(jiān)測方法主要是射線、超聲、紅外、渦流、微波、激光全息照相技術(shù)、目視檢測等一些無損探傷方法。這些傳統(tǒng)無損檢測方法的特點通常是離線、靜態(tài)、被動的。到目前為止，受多方面技術(shù)的制約，我國尚未可靠實現(xiàn)對隔膜濾板的實時健康監(jiān)測與剩余壽命評估。

在隔膜濾板中內(nèi)埋光纖光柵傳感器的監(jiān)測技術(shù)，可以在線監(jiān)測隔膜濾板的工作狀態(tài)，及時、全面地發(fā)現(xiàn)隔膜濾板發(fā)生的損傷。但是，其應用存在以下問題：

(1)在隔膜濾板的芯板及隔膜中內(nèi)埋光纖光柵傳感器需要重新制作兩者的模具、調(diào)整成型工藝，使技術(shù)升級的成本高昂、風險加大；

(2)由于隔膜的變形量較大，內(nèi)埋于隔膜中的光纖光柵有效變形量需要超過10％，需要定制特種光纖，升級成本進一步增加。

(3)在隔膜濾板的芯板及隔膜復雜的成型過程中埋入的光纖光柵傳感器易錯位，產(chǎn)生形狀畸變、應力集中甚至損壞，可控性差，廢品率增加，技術(shù)風險大；

(4)內(nèi)埋的陣列式光纖光柵傳感器的柵區(qū)數(shù)量大，顯著增加了技術(shù)升級的關(guān)鍵器件成本；

(5)成型后的隔膜與芯板裝配成完整的隔膜濾板，裝配好的隔膜濾板的邊框需要進行刨削、鉆孔等機械加工，內(nèi)埋式的光纖光柵傳感器接頭給這些加工帶來了諸多不便，使工序復雜化，增加濾板制造成本；

(6)一旦內(nèi)埋的光纖光柵傳感器失活，則沒有修補、更換這些失活傳感器的可能性。

在隔膜濾板上外貼光纖光柵傳感器的健康監(jiān)測技術(shù)，不僅可以在線監(jiān)測隔膜濾板的工作狀態(tài)，及時、全面地發(fā)現(xiàn)隔膜濾板發(fā)生的損傷，而且可以避免上述的內(nèi)埋式光纖光柵傳感器的技術(shù)缺陷。由此可見，外貼式的光纖光柵傳感器在隔膜濾板健康狀態(tài)的無損檢測中比內(nèi)埋式的光纖光柵傳感器具有優(yōu)越性。但是，現(xiàn)有的表面粘貼式光纖光柵傳感器是將光纖光柵首先粘貼在膠基基片或者刻有凹槽的金屬基板上，做成傳感器并保護好接頭后使用。而膠基基片封裝的傳感器由于膠基的強度和剛度較低、易發(fā)生松弛或蠕變、不耐高溫，所以無法滿足壓濾機的長期高溫環(huán)境及惡劣工況。金屬基板封裝貼片的制備工藝復雜、自身的質(zhì)量密度高，且金屬基板自身模量遠大于隔膜濾板所用的短玻璃纖維增強聚丙烯基復合材料的模量，導致其傳遞應變的準確度大幅度降低，進而致使光纖光柵的測試精度無法滿足要求。

此外，隔膜濾板在工作過程中，其凹凸不平的工作表面不斷受到高壓高溫水流等的沖刷與擠壓，無法布排傳感器，因此外貼式的傳感器貼片只能粘貼于隔膜濾板邊框的外表面，這對傳感器的檢測精度和靈敏度提出了更高的要求。由于粘貼于隔膜濾板邊框外表面的傳感器只能直接監(jiān)測邊框部分的應變與溫度情況，無法直接獲取隔膜濾板整體的應變場與溫度場，更無法直接獲知隔膜濾板的損傷情況，因此現(xiàn)有的測試分析系統(tǒng)尚不能基于濾板邊框的應變、溫度情況對隔膜濾板的整體健康狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種應用于隔膜濾板的外貼式光纖光柵傳感器、檢測系統(tǒng)及方法，所提供的以玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料為基片的外貼式的光纖光柵傳感器，能夠精確地監(jiān)測隔膜濾板邊框處的微小應變，所提供的以上述傳感器為基礎的隔膜濾板的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，能夠基于隔膜濾板邊框處的微小應變進行實時、可靠、整體的健康狀態(tài)監(jiān)測。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種應用于隔膜濾板的外貼式光纖光柵傳感器，包括粘貼于壓濾機的隔膜濾板上的呈矩陣式排布的若干個光纖光柵封裝貼片，每個光纖光柵封裝貼片結(jié)構(gòu)相同，均包括基板以及在基板上布設的光纖光柵以及與所述光纖光柵連接的傳導光纖，所述光纖光柵和基板整體封裝，檢測隔膜濾板的應變或/和溫度變化。

所述基板為玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，以真空輔助灌注液態(tài)環(huán)氧樹脂并浸漬玻璃纖維布而后固化的工藝封裝光纖光柵與基板，形成光纖光柵封裝貼片。

所述封裝的光纖光柵可以為單應變監(jiān)測光柵，也可包括溫度監(jiān)測光柵，當包括溫度監(jiān)測光柵時，所述溫度監(jiān)測光柵可用于溫度監(jiān)測也可用于應變監(jiān)測時的溫度補償。

所述光纖光柵貼片以環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯等熱固性樹脂與隔膜濾板進行粘貼。

所述光纖光柵貼片分別粘貼在邊框外表面對應隔膜與芯板的位置，分別監(jiān)測兩片隔膜及中間芯板的應變狀態(tài)。

一種應用于隔膜濾板的外貼式光纖光柵傳感裝置，包括光源、上述外貼式光纖光柵傳感器、光纖耦合器和光纖光柵解調(diào)儀，所述光源產(chǎn)生連續(xù)調(diào)頻激光，激光信號通過引線進入外貼式光纖光柵傳感器的光纖光柵，形成穩(wěn)定的反射信號，外貼式光纖光柵傳感器通過光纖依次連接光纖耦合器和光纖光柵解調(diào)儀。

所述光纖耦合器有兩個，激光信號分成兩路，分別通過一個光纖耦合器傳輸?shù)焦饫w光柵解調(diào)儀的兩端，形成兩個端口。

所述光源為單獨光源或光纖光柵解調(diào)儀的內(nèi)置光源，產(chǎn)生連續(xù)調(diào)頻激光，激光信號通過光纖進入光纖光柵傳感器，形成穩(wěn)定的反射信號。

一種隔膜濾板智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括應用于隔膜濾板的外貼式光纖光柵傳感裝置、智能分析模塊、預警模塊、顯示模塊和隔膜濾板損傷數(shù)據(jù)庫，其中，外貼式光纖光柵傳感裝置的光纖光柵傳感器布排于隔膜濾板邊框的外側(cè)，對隔膜濾板的應變和/或溫度進行實時監(jiān)測和信號解調(diào)，智能分析模塊根據(jù)采集的參數(shù)信息分析隔膜濾板的損傷程度，預警模塊讀取隔膜濾板的損傷程度，超過警戒閾值時進行報警，顯示模塊對隔膜濾板的損傷情況進行實時動態(tài)顯示。

所述智能分析模塊，包括應變場和溫度場分析器、疲勞累積運算器、濾板損傷識別運算器和剩余強度運算器，其中：

所述應變場和溫度場分析器，被配置為根據(jù)傳感裝置輸入的實時溫度和/或應變數(shù)據(jù)進行運算得出隔膜濾板的實時溫度場和/或應變場，將結(jié)果輸出至顯示模塊，并保存至數(shù)據(jù)庫，形成隔膜濾板歷史工況數(shù)據(jù)；

所述疲勞累積運算器，被配置為結(jié)合隔膜濾板材料蠕變及松弛等特有屬性，基于雨流計數(shù)法進行疲勞計算，其讀取數(shù)據(jù)庫中隔膜濾板的歷史工況數(shù)據(jù)，計算濾板的疲勞損傷；

所述隔膜濾板損傷識別運算器，被配置為根據(jù)隔膜濾板的監(jiān)測數(shù)據(jù)，借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡的模式識別功能對濾板的應力應變狀態(tài)與隔膜濾板損傷數(shù)據(jù)庫進行匹配，實現(xiàn)損傷識別；

所述剩余強度運算器，被配置為根據(jù)隔膜濾板損傷程度進行剩余強度計算并預測隔膜濾板的剩余壽命，將結(jié)果輸出至顯示模塊及預警模塊。

所述隔膜濾板損傷數(shù)據(jù)庫，被配置為結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，利用有限元軟件模擬在發(fā)生不同類型、不同部位的損傷時濾板各處的應變而建立的損傷指紋庫，以及隔膜濾板的材料學數(shù)據(jù)及歷史工況數(shù)據(jù)。

所述顯示模塊，包括：

模型加載模塊，被配置為讀取三維模型格式文件，提取隔膜濾板的有限元模型，同時可對模型進行旋轉(zhuǎn)、縮放或移動，從多個方向觀察模型；

數(shù)據(jù)加載模塊，被配置為與智能分析模塊通信，讀取智能分析模塊輸出的實時場分布數(shù)據(jù)及剩余壽命數(shù)據(jù)；

耦合顯示模塊，被配置為將實時場分布數(shù)據(jù)、剩余壽命數(shù)據(jù)在濾板的三維模型上對應顯示。

所述預警模塊，包括健康閾值設定接口和報警鈴。用戶可根據(jù)需要設定健康閾值，當從智能分析模塊向健康預警模塊輸出的剩余壽命低于健康閾值時，報警鈴發(fā)出警報。

一種隔膜濾板的分析預警方法，包括以下步驟：

(1)建立隔膜濾板的有限元模型，分析隔膜濾板在工作狀態(tài)下的受力狀態(tài)，分別找出位于隔膜及芯板對應的應變場變化敏感點，從而確定光纖光柵傳感器的布設位置及方向；

(2)連接檢測系統(tǒng)，采集隔膜濾板的溫度和/或應變參數(shù)；

(3)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)確定隔膜濾板的實時溫度場和應變場，結(jié)合其歷史工況數(shù)據(jù)計算、判斷其損傷程度和剩余強度，預測隔膜濾板的剩余壽命；

(4)剩余壽命低于健康閾值時，進行報警。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)可在現(xiàn)有隔膜濾板成品上直接粘貼布排，不需要重新設計模具及其成型工藝，傳感器的外貼和布線都是在隔膜濾板裝配完成并機械加工之后，應用簡便，可操作性強，成本低，適用范圍廣，可快速應用于不同型號規(guī)格、不同用途的隔膜濾板；

(2)外貼技術(shù)簡單、成熟，可控性強；傳感器數(shù)量少，技術(shù)升級所需的關(guān)鍵器件成本低；

(3)以玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料為基片封裝的光纖光柵傳感器具有重量輕、強度和剛度高、耐疲勞、透明度高、抗電磁干擾能力強等特點；

(4)玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料具有與隔膜濾板自身材料相近的模量，能夠更準確可靠地實時監(jiān)測隔膜濾板的應變和溫度狀態(tài)；

(5)通過監(jiān)測隔膜濾板邊框的應變與溫度情況運算得出隔膜濾板整體的應變溫度場，并以三維模型動態(tài)顯示，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能分析，得出濾板的健康狀態(tài)及剩余壽命，及時發(fā)出預警，給設備供應商及用戶提供可靠的決策依據(jù)，從而有效避免隔膜濾板損壞所帶來的財產(chǎn)損失，提高設備應用效率，具有很高的經(jīng)濟效益。

附圖說明

圖1為光纖光柵封裝貼片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為光纖光柵封裝貼片的三維軸測圖。

圖3為外貼于壓濾機隔膜濾板的光纖光柵傳感器監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。

圖4為外貼于壓濾機隔膜濾板的光纖光柵傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的應用方法示意圖。

圖5為外貼于壓濾機隔膜濾板的光纖光柵傳感器的光柵中心波長-壓力載荷檢測結(jié)果。

其中，1、玻璃纖維增強樹脂保護膜，2、傳導光纖，3、玻璃纖維增強樹脂基板，4、光柵區(qū)。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供一種玻璃纖維增強樹脂基片式光纖光柵封裝貼片，包括傳導玻璃纖維增強樹脂保護膜1、傳導光纖2、玻璃纖維增強樹脂基片3、光柵區(qū)4。

玻璃纖維增強樹脂保護膜1是在傳導光纖2及玻璃纖維增強樹脂基板的上方通過真空輔助灌注工藝而得的一層玻璃纖維增強樹脂薄膜，被灌注的液態(tài)樹脂浸漬玻璃纖維布，然后通過共固化反應與玻璃纖維增強樹脂基板3成型為一個整體。由此制備的光纖光柵封裝貼片底面平整而上表面隨光纖光柵排布自然成型，便于玻璃纖維布更好地保護光纖光柵以及準確地傳遞應變。

外貼式光纖光柵傳感器由封裝有n個并列的光纖光柵的m個封裝貼片串聯(lián)而成，1≤n≤10，1≤m≤60。所述封裝貼片以玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料為基片，封裝有n根光纖光柵，可以同時檢測溫度和應變等待測參數(shù)，也可以單獨檢測溫度或應變。

由于隔膜濾板的芯板與兩側(cè)的隔膜具有完全不同的應變場，所以光纖光柵傳感器須分別粘貼在隔膜濾板邊框上對應隔膜和濾板的區(qū)域，以分別監(jiān)測芯板和隔膜的應變場。

如圖3所示，外貼于隔膜濾板的光纖光柵傳感器應用系統(tǒng)包括光纖光柵傳感模塊、智能分析模塊、實時可視化模塊和健康預警模塊。

光纖光柵傳感模塊包括光源、光纖光柵傳感器、光纖耦合器、光纖光柵解調(diào)儀。其中，光源可以為獨立光源也可以內(nèi)置于光纖光柵解調(diào)儀內(nèi)，優(yōu)選內(nèi)置于光纖光柵解調(diào)儀內(nèi)的光源，產(chǎn)生連續(xù)調(diào)頻激光，激光信號通過引線進入光纖光柵，形成穩(wěn)定的反射信號。光纖光柵傳感器由若干光纖光柵封裝貼片串聯(lián)而成。光纖耦合器為光纖光柵信號耦合器，具有優(yōu)良的波長選擇能力和多端口的特性，是結(jié)構(gòu)緊湊、損耗小、偏振無關(guān)的光纖耦合器。光纖光柵解調(diào)儀為中速或高速光纖光柵波長解調(diào)儀，具有多通道并行的解調(diào)方案，實現(xiàn)信號快速解調(diào)，滿足健康監(jiān)測需要，可以快速解調(diào)濾板在工作環(huán)境下的光柵信號。光源、光纖光柵傳感器、光纖耦合器、光纖光柵解調(diào)儀之間均通過光纖連接，傳輸信號為光信號。

光纖光柵傳感器布排于隔膜濾板邊框的外側(cè)。

光纖耦合器有兩個，光信號分成兩路，分別通過一個光纖耦合器傳輸?shù)焦饫w光柵傳感器組件的兩端，形成兩個端口。

光信號通過一個光纖耦合器傳輸?shù)焦饫w光柵傳感器組件的一端，形成一個兼具光入射和光反射的端口。

光源為光纖光柵解調(diào)儀的內(nèi)置光源，產(chǎn)生連續(xù)調(diào)頻激光，激光信號通過光纖進入光纖光柵傳感器，形成穩(wěn)定的反射信號。

光纖光柵封裝貼片使用環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯等熱固性樹脂與隔膜濾板進行粘貼，粘貼后再涂覆一層環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯等熱固性樹脂以確保光纖光柵探測單元在惡劣工況下的存活率并保證其與濾板應變傳遞的準確性和溫度的一致性。

智能分析模塊，包括隔膜濾板損傷數(shù)據(jù)庫和損傷分析軟件。

濾板損傷數(shù)據(jù)庫包含隔膜濾板的材料學數(shù)據(jù)及其歷史工況數(shù)據(jù)，以及結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，利用有限元軟件模擬發(fā)生不同類型、不同部位的損傷時，濾板各處的應變數(shù)據(jù)建立的損傷指紋庫。

損傷分析軟件為基于有限元模擬軟件、疲勞分析軟件開發(fā)的應用于隔膜濾板損傷分析的專用軟件，包括應變場、溫度場分析器，疲勞累積運算器，隔膜濾板損傷識別運算器和剩余強度運算器。應變場、溫度場分析器通過對光纖光柵傳感模塊得出的實時溫度及應變數(shù)據(jù)進行運算得出隔膜濾板的實時溫度場和應變場，將結(jié)果輸出至實時可視化模塊，并保存至數(shù)據(jù)庫，形成濾板歷史工況數(shù)據(jù)。疲勞累積運算器通過隔膜濾板的歷史工況數(shù)據(jù)計算、判斷隔膜濾板的疲勞損傷。隔膜濾板損傷識別運算器，根據(jù)隔膜濾板監(jiān)測數(shù)據(jù)，借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡的模式識別功能對濾板的應力應變狀態(tài)與損傷指紋庫進行匹配，實現(xiàn)損傷識別。剩余強度運算器根據(jù)隔膜濾板損傷程度進行剩余強度計算并預測隔膜濾板的剩余壽命，將結(jié)果輸出至實時可視化模塊及預警模塊。

健康預警模塊，包括健康閾值設定接口和報警鈴。用戶可根據(jù)需要設定健康閾值，當從智能分析模塊向健康預警模塊輸出的剩余壽命低于健康閾值時，報警鈴發(fā)出警報。

實時可視化模塊，包括三維幾何模型加載、數(shù)據(jù)加載和耦合顯示三個子模塊。通過三維幾何模型加載子模塊讀取igs、dwg等三維模型格式文件，提取隔膜濾板的有限元模型，同時可對模型進行旋轉(zhuǎn)、縮放、移動等基本操作，以便從多個方向觀察。數(shù)據(jù)加載子模塊接收智能分析模塊輸出的實時場分布數(shù)據(jù)及剩余壽命數(shù)據(jù)。耦合顯示子模塊根據(jù)空間幾何關(guān)系將隔膜濾板有限元模型中單元與對應的數(shù)據(jù)單元映射顯示在顯示器上。

圖4所示為外貼于隔膜濾板的光纖光柵傳感器應用系統(tǒng)的應用方法，采用上述傳感器及應用系統(tǒng)，具體包括以下步驟：

(1)確定隔膜濾板的監(jiān)測部位，布設傳感器。

建立壓濾機隔膜濾板的有限元模型，采用Abaqus、Ansys等有限元模擬軟件分析隔膜濾板在工作狀態(tài)下的受力狀態(tài)，并使用FE-SAFE等疲勞分析軟件進行疲勞分析，分析位于濾板外側(cè)的應力場變化敏感點，確定光纖光柵傳感器的布設位置及方向。進一步結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進行各種損傷情況的模擬建立起該型號隔膜濾板的損傷指紋庫。

(2)采用環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯等熱固性樹脂將光纖光柵傳感器按(1)中確定的位置及方向粘貼于隔膜濾板邊框，選用合適的光纖連接光纖光柵傳感器與光源、光纖光柵解調(diào)儀、光纖耦合器。

(3)在監(jiān)測服務端計算機安裝濾板損傷分析軟件、濾板損傷數(shù)據(jù)庫。調(diào)試損傷分析軟件中各運算器與數(shù)據(jù)庫間的通信與數(shù)據(jù)交換，用數(shù)據(jù)線連接服務端計算機與光纖光柵解調(diào)儀，實現(xiàn)有效通信。

(4)安裝實時可視化模塊。根據(jù)實際隔膜濾板型號加載其三維模型，提取有限元模型，并完成有限元模型單元與數(shù)據(jù)單元的映射關(guān)系。

(5)安裝預警模塊，用戶根據(jù)所需健康等級設定濾板剩余壽命閾值，安裝連接報警鈴。

采用上述的外貼于隔膜濾板的光纖光柵傳感器，獲得了隔膜濾板的光柵中心波長-壓力載荷檢測結(jié)果，如圖5所示，可見，實測的5條加載-卸載循環(huán)曲線的重合度很高，顯示了很好的檢測穩(wěn)定性和可靠性。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術(shù)人員應該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎上，本領域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。