船闸人字门结构健康监测系统及故障诊断方法技术方案

本发明专利技术公开了一种船闸人字门结构健康实时在线监测系统及方法，其中系统包括：信号检测模块，包括多个光纤光栅应力应变传感器、光纤光栅倾角传感器、光纤光栅裂缝传感器；数据采集处理模块，用于采集信号检测模块中各个传感器的传感数据并进行解调，并将解调后的数据发送给远程监管模块；远程监管平台，包括数据展示模块、监测预警模块、结构诊断模块。本发明专利技术采用大规模、多参量光纤光栅传感器对船闸人字门所有关键部分和受力集中区域进行全方位的监测，实现了对人字门门体结构应力应变、塌拱度、裂纹的全时全域的动态监测。裂纹的全时全域的动态监测。裂纹的全时全域的动态监测。

【技术实现步骤摘要】
船闸人字门结构健康监测系统及故障诊断方法


[0001]本专利技术涉及金属结构健康监测
，特别涉及一种船闸人字门结构健康监测系统及故障诊断方法。

技术介绍

[0002]船闸人字门长期工作在复杂水域且低速重载的环境下，随着闸门启闭次数的増加，其门体结构会因水中微生物、偏酸或偏碱性、两侧水压差等因素的影响而受到损伤。当门体结构损伤累计到一定程度时，就会引发诸如门体凹陷、闸门深水区出现裂纹等严重后果,不但影响通航安全，还会给社会造成巨大的经济损失。因此，对船闸人字门结构性能及健康状态进行实时监测和诊断，及时发现其结构损伤并提前预警，对保障工程安全运营、减少经济损失、预防事故发生具有极其重要的作用。
[0003]目前对船闸人字门结构进行维护的方式多采取定期停航人工检修方法，这种方式不仅耗时耗力、智能化程度低，还存在误判或漏检的风险。因此，建立人字门结构实时在线监测系统对船闸的日常运营和维护显得十分必要。
[0004]既有专利(CN107844067A)公开了一种水电站闸门在线状态监测控制方法及监测系统，通过闸门控制柜、闸门电机变频器和设置在闸门上的传感器实时监测闸门的使用和运行状态。该专利所涉及到的支臂和门叶应变测量技术均采用电阻应变计，电类传感器在复杂的水下环境长期使用很容易受江水腐蚀，可靠性较差。
[0005]既有专利(CN106289388A)公开了一种船闸健康状态的远程监测系统及其监测方法，可以获取人字门各监测位置的应变、温度以及人字门三维运动状态信息。该专利所涉及到的传感器数量不多，种类不齐全，通过局部少量传感器数据来反映人字门结构健康状况具有一定的局限性，且未能涉及对人字门门体结构的塌拱度进行监测与分析。

技术实现思路

[0006]本专利技术主要目的在于设计一种对人字门结构健康进行实时监测、故障诊断方法，通过对船闸人字门门体结构应力应变、塌拱度、裂纹进行动态监测，为门体结构的安全评估提供数据参考，为船闸安全、高效、稳定、可靠的运行提供技术支持。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]提供一种船闸人字门结构健康实时在线监测系统，包括：
[0009]信号检测模块，包括多个光纤光栅应力应变传感器、光纤光栅倾角传感器、光纤光栅裂缝传感器，其中光纤光栅应力应变传感器用于对船闸人字门受力集中区域及门体关键部位形变情况进行监测、光纤光栅倾角传感器用于对船闸门体结构的塌拱度进行监测、光纤光栅裂缝传感器用于对船闸门体结构裂纹大小和扩展趋势进行监测；
[0010]数据采集处理模块，用于采集信号检测模块中各个传感器的传感数据并进行解调，并将解调后的数据发送给远程监管模块；
[0011]远程监管平台，包括数据展示模块、监测预警模块、结构诊断模块；
[0012]其中，数据展示模块用于展示所有光纤光栅传感器所在的物理位置及对应的状态值、时域曲线、闸门三维动态画面；监测预警模块用于监测各传感器的实时变化值，并通过不同颜色进行展示；结构诊断模块用于根据解调后的数据对人船闸人字门结构进行力学分析与仿真，提取出反映人字门结构健康状况的特征值，结合大数据和深度学习方法，实现对人字门结构健康的智能诊断。
[0013]接上述技术方案，其中，信号检测模块组成三级检测网络：
[0014]第一级包括闸门启闭机房总接续处，通过传输光缆连接闸门启闭机房到顶层舱室总接续处；
[0015]第二级包括应变接续盒、倾角接续盒、裂缝接续盒，均通过防水光缆连接闸门启闭机房总接续处；
[0016]第三级包括多个光纤光栅应力应变传感器、光纤光栅倾角传感器、光纤光栅裂缝传感器和多个防水接续盒，相同传感器串接在一起，串接后的传感器与防水接续盒连接，多个防水接续盒通过传输光缆与第二级中相应类型的接续盒连接。
[0017]接上述技术方案，所述光纤光栅应变传感器采用耐压密封设计，自带温度补偿，耐50m水压，多个光纤光栅应变传感器串接。
[0018]接上述技术方案，船闸的每扇闸门安装的光纤光栅应变传感器均匀分布在门轴、门隔、斜接柱、门缝处，每个光纤光栅应变传感器安装之处作为一个测点；相邻测点之间在横向和竖向均有连接通孔，光缆利用这些连接通孔进行敷设组网。
[0019]接上述技术方案，船闸的每扇闸门安装的光纤光栅倾角传感器均匀分布在人字门上，根据不同的物理位置将距离相隔最近的多个传感器串接在一起，再接入防水接续盒中。
[0020]接上述技术方案，船闸的每扇闸门上安装的裂缝监测点，主要集中在人字门下部，根据就近原则将最近的多个裂缝传感器串接在一起，再接入防水接续盒中。
[0021]接上述技术方案，监测预警模块具体用于当待测参量变化值小于设定阈值时，监测点状态显示为绿色；当待测参量变化值接近设定阈值时，监测点状态显示为黄色；当待测参量变化值接近设定阈值时，监测点状态显示为红色，并发出警报。
[0022]接上述技术方案，将若干只类型相同、中心波长不同的光纤光栅传感器采用首尾连接的方式进行串接，传感器之间采用外径为6.2mm的2芯防水光缆进行连接，组串后的光纤光栅传感器串首尾预留5m的光缆用于组网焊接。
[0023]接上述技术方案，所有传感器均固定在安装底座上，安装底座焊接在人字门上。
[0024]本专利技术还提供一种船闸人字门结构健康实时在线监测方法，该方法基于接上述技术方案的船闸人字门结构健康实时在线监测系统，该方法包括以下步骤：
[0025]步骤1：根据解调的数据，采用有限元分析软件对人字门各关键部分和集中受力区域进行瞬态结构应力分析，结合闸门本体在不同动荷载下各测点应力应变值，从而推导出各测点在不同工况下的应力变化范围和极限值；
[0026]步骤2：采用有限元分析软件对人字门整体结构进行受力分析，建立人字门母材局部结构形变与塌拱度之间的相互关系，推导出人字门在极限受力情况下门体的最大塌拱度；
[0027]步骤3：监测修复后的裂缝在动荷载情况下是否还会发生裂纹，根据所监测的实际裂缝值大小，结合焊缝质量等级来评定结构损伤程度。
[0028]步骤4：依据理论仿真计算值，同时结合人字门门体结构相关设计参数，将传感器各测点极限值的70％设置为预警值，极限值的80％设置为报警值，若超出报警值，则发出报警提示。
[0029]步骤5：根据预警信息，锁定传感器编号，查找其对应的物理位置信息，为门体结构检修信息。
[0030]本专利技术产生的有益效果是：本专利技术采用大规模、多参量光纤光栅传感器对船闸人字门所有关键部分和受力集中区域进行全方位的监测，实现了对人字门门体结构应力应变、塌拱度、裂纹的全时全域的动态监测，为后期的结构分析积累大量的工况数据。
[0031]进一步地，本专利技术通过建立人字门结构动力学模型，结合闸门实际运行工况实时提取待测参量特征值，建立基于人工智能算法的结构健康诊断方法，对系统运行状态进行分析与风险评估，并制定预警/报警策略，实现对人字门结构健康状态的评估。
[0032]进一步地，本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船闸人字门结构健康实时在线监测系统，其特征在于，包括：信号检测模块，包括多个光纤光栅应力应变传感器、光纤光栅倾角传感器、光纤光栅裂缝传感器，其中光纤光栅应力应变传感器用于对船闸人字门受力集中区域及门体关键部位形变情况进行监测、光纤光栅倾角传感器用于对船闸门体结构的塌拱度进行监测、光纤光栅裂缝传感器用于对船闸门体结构裂纹大小和扩展趋势进行监测；数据采集处理模块，用于采集信号检测模块中各个传感器的传感数据并进行解调，并将解调后的数据发送给远程监管模块；远程监管平台，包括数据展示模块、监测预警模块、结构诊断模块；其中，数据展示模块用于展示所有光纤光栅传感器所在的物理位置及对应的状态值、时域曲线、闸门三维动态画面；监测预警模块用于监测各传感器的实时变化值，并通过不同颜色进行展示；结构诊断模块用于根据解调后的数据对人船闸人字门结构进行力学分析与仿真，提取出反映人字门结构健康状况的特征值，结合大数据和深度学习方法，实现对人字门结构健康的智能诊断。2.根据权利要求1所述的船闸人字门结构健康实时在线监测系统，其特征在于，其中，信号检测模块组成三级检测网络：第一级包括闸门启闭机房总接续处，通过传输光缆连接闸门启闭机房到顶层舱室总接续处；第二级包括应变接续盒、倾角接续盒、裂缝接续盒，均通过防水光缆连接闸门启闭机房总接续处；第三级包括多个光纤光栅应力应变传感器、光纤光栅倾角传感器、光纤光栅裂缝传感器和多个防水接续盒，相同传感器串接在一起，串接后的传感器与防水接续盒连接，多个防水接续盒通过传输光缆与第二级中相应类型的接续盒连接。3.根据权利要求1所述的船闸人字门结构健康实时在线监测系统，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器采用耐压密封设计，自带温度补偿，耐50m水压，多个光纤光栅应变传感器串接。4.根据权利要求1所述的船闸人字门结构健康实时在线监测系统，其特征在于，船闸的每扇闸门安装的光纤光栅应变传感器均匀分布在门轴、门隔、斜接柱、门缝处，每个光纤光栅应变传感器安装之处作为一个测点；相邻测点之间在横向和竖向均有连接通孔，光缆利用这些连接通孔进行敷设组网。5.根据权利要求1所述的船闸人字门结构健康实时在线监测系统，其特征在于，船闸的每扇闸门安装的光纤光栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘维兵，姜茹，南秋明，潘建军，梁磊，胡军，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：