[发明专利]一种隔膜滤板的芯板在线监测系统及方法

权利要求书

1.一种隔膜滤板的芯板在线监测系统，其特征是：包括光纤光栅解调仪、光纤耦合器、处理器和光纤光栅传感器组件，其中，光纤光栅传感器组件设置于芯板内，光源发出光信号，光信号通过光纤耦合器传输到光纤光栅传感器组件，光信号与光纤光栅相互作用后，反射光经过光纤耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪连接处理器；

所述光纤光栅传感器组件，包括若干列的光纤光栅对传感器嵌件，所述光纤光栅对传感器嵌件，包括温度光纤光栅和应变光纤光栅，温度光纤光栅用来测量温度，应变光纤光栅用来测量应变，温度光纤光栅和应变光纤光栅平行、相邻排列，温度光纤光栅中的每个温度光栅单元与应变光纤光栅的每个应变光栅单元一一对应；

所述光纤光栅对传感器嵌件的端部设有光纤连接器的内埋接头，光纤光栅对传感器嵌件上分布有若干个棒状支撑，以实现在模压、注塑成型过程中嵌件在模具中的定位和固定，所述棒状支撑与芯板模具上预设的安装孔相配合或将棒状支撑的端部粘接固定在模具上。

2.如权利要求1所述的一种隔膜滤板的芯板在线监测系统，其特征是：所述光信号通过一个光纤耦合器传输到光纤光栅传感器组件的一端，形成一个兼具光入射和光反射的端口； 所述光纤耦合器有一个或者两个，光信号分成一路或者两路，分别通过一个或者两个光纤耦合器传输到光纤光栅传感器组件的一端或者两端，形成一个或者两个端口。

3.如权利要求1所述的一种隔膜滤板的芯板在线监测系统，其特征是：所述光纤光栅对传感器嵌件固定于芯板的模具内腔，在模压或者注塑过程中和芯板一体成型。

4.如权利要求1所述的一种隔膜滤板的芯板在线监测系统，其特征是：所述的光纤光栅对传感器嵌件是通过热塑性塑料封装技术来制备的，将芯板结构内埋用双芯光纤连接器的内埋接头预安装在封装模具的一端或两端，光纤光栅对置于封装模具中，向模具中浇注热塑性塑料熔体，冷却后开模即得到热塑性塑料封装的端部带有双芯光纤连接器的光纤光栅对传感器嵌件。

5.如权利要求1所述的一种隔膜滤板的芯板在线监测系统，其特征是：所述处理器包括光纤光栅信号解析模块、芯板损伤数据库模块、CAD建模模块、CAE有限元分析模块、芯板健康整体评估模块和显示输出模块，其中，所述光纤光栅信号解析模块，用于解析光纤光栅解调仪采集的信号；所述芯板损伤数据库模块，用于存储芯板损伤数据；所述CAD建模模块，用于建立芯板的三维几何模型；所述CAE有限元分析模块，用于仿真计算芯板损伤程度；所述芯板健康整体评估模块，用于根据芯板的损伤分布状况评估滤板的健康情况；所述显示输出模块，用于显示芯板的三维几何模型和健康情况。

6.一种基于如权利要求1-5中任一项所述的监测系统的方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)根据隔膜滤板的芯板的结构以及监测需要刻制光栅单元，并对每个光栅单元编号，选择两条光纤光栅组建光纤光栅对；

(2)对光纤光栅对传感器以及双芯光纤连接器的内埋接头采用热塑性塑料熔体浇注的方式在封装模具中进行封装，得到光纤光栅对传感器嵌件；

(3)采用模压或者注塑工艺制备隔膜滤板芯板，实现隔膜滤板芯板和光纤光栅对传感器嵌件的一体成型；

(4)把每个光纤光栅对传感器嵌件的一端或两端的双芯光纤连接器的内埋接头分别连接光纤耦合器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据线连接信号处理器，信号处理器解析光纤光栅解调仪采集的信号，求解芯板温度、应变和应力；

(5)建立隔膜滤板的芯板的三维几何模型，利用有限元分析方法计算芯板的损伤程度，判断芯板是否出现损伤，如若出现损伤，判断损伤位置及损伤程度，输出损伤，进而评价芯板健康程度。

7.如权利要求6所述的方法，其特征是：所述步骤(3)中，在隔膜滤板芯板模压或者注塑成型前，在模具内腔中根据封装后的光纤光栅对传感器嵌件的棒状支撑数量预设安装孔，将光纤光栅对传感器嵌件的棒状支撑与模具内腔中预设的安装孔配合，或将棒状支撑端部粘胶接固定实现嵌件在模具中的固定；将嵌件端部的光纤连接器的内埋接头与封堵头配合；在芯板模压或注塑成型后，将多余残留在芯板外部的光纤光栅对传感器嵌件的棒状支撑去除，并将芯板表面打磨平整。

8.如权利要求6所述的方法，其特征是：所述步骤(5)中，具体步骤包括：

(5-1)利用CAD建模软件建立隔膜滤板芯板的三维几何模型，并导入CAE有限元分析软件，划分网格，建立有限元模型；

(5-2)根据空间位置对应关系，建立有限元模型中单元e_xkj和光栅单元xkj的对应关系：将光栅测量的温度、应变和应力映射到有限元模型中，开展芯板的温度场和应力应变场的有限元模拟；

(5-3)处理器接收光纤光栅解调仪传输来的信号，并统计死亡光栅编号；

(5-4)将接收到的光栅xkj信号进行处理后和芯板损伤数据库中相应的损伤数据模型对比，诊断光栅单元位置的芯板是否发生损伤以及损伤程度，建立光栅单元和芯板损伤程度之间的关系：xkj→d_(xkj)；

(5-5)结合步骤(5-2)、(5-4)，得到有限元模型中的光栅单元集团在健康监测过程中损伤程度的变化关系：e_(xkj)→d_(xkj)，比较分析损伤程度的有限元模拟结果和步骤(5-4)中所得的诊断结果，丰富、优化芯板的损伤数据库，然后通过云图输出芯板损伤程度的分布状态；

(5-6)根据损伤程度，预估芯板的安全性和使用寿命，及时发出警报，提高隔膜滤板芯板的使役安全性。