[发明专利]基于光纤传感网络的起重装备应力在线监测与预警系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，尤其是涉及基于光纤传感网络的起重装备应力在线监测与预警系统

背景技术

岸边集装箱起重机是集装箱码头的主力装卸设备和标志性建筑，是一种工作非常繁重的重型机械设备，其载荷量大，使用频率高，所以作为整台起重机骨架的金属结构，其设计制造质量的好坏将直接影响整个起重机的使用寿命。因此，必须保证岸桥起重机的坚固耐用、性能良好，且其金属结构必须有足够的静强度、规定的寿命下的疲劳强度以及整体和局部稳定性。

应变是大型起重设备检测最为重要的参数之一，它反映了工程结构的固有特征，对局部特性变化——尤其是对局部应力、局部结构损伤比较敏感。大型起重机由于体积、质量庞大，结构、受力复杂，在开展结构健康监测时，往往需要在多点对其应变进行监测以及时发现并排除安全隐患。现有的传统的结构监测方法主要是在金属结构上粘贴电阻应变片，通过测量应变片阻值，来算出结构所受力的大小及方向。应变片一般是电阻值为120Ω的薄片，通过特殊胶水与结构完全贴合，结构在受力变形时，拉压应变片从而改变它的阻值。用应变仪采集数据，根据结构的特性计算出金属结构的受力情况。传统的应变监测手段在使用中往往受到限制，一是测试的准备工作和实施过程工作量很大，效率不高，二是岸边集装箱起重机的钢结构所受应力较为复杂,采用应变片采取不够全面和精确，三是只能开展短期应变测量，不能对金属结构应变进行长期的监测，更不能满足大型起重设备高精度、远距离、分布式监测的技术要求。因此，迫切需要一种应力在线监测与预警系统来克服上述困难。

发明内容

光纤光栅传感器的出现较好地解决这些难题，它具有精度高、波长编码、绝对值测量和在一路光纤上采用波分复用的技术可以实现分布式监测等优点，寿命最长可达到十五年，极具发展潜力和良好的市场前景。

本发明主要提出基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，该系统极大的改善大型结构应力测试的工作，使原来繁琐、困难的数据采集变得更加可靠、安全、方便；分布式的数据采集和集中式的数据处理将极大的减少工作量；数据采集和处理软件的模块化使系统具有很好的扩展性，给用户有足够的灵活度来定制今后的新的需求，为起重机健康监测系统的工程应用奠定理论和试验基础，具有较大的工程实用价值，将产生巨大的社会经济效益。

本发明公开了一种基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，该系统包括感知层、传感网络、网络层和应用层，其特征在于：

所述感知层包括固定在岸边集装箱起重装备上的光纤传感器、光纤信号解析系统和光纤传感网络，所述光纤信号解析系统包括光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪用于检测光纤光栅传感器采集的光波长信息，并将其解调成便于识别的电信号，经光纤传感网络传输至所述网络层；所述网络层将采集到的数据利用分组数据网络通过DTU进行远程在线传输至应用层，或在现场设立工作站，通过工作站再将数据借助有线网、在线网、专网等互联网介质进行传输至应用层；应用层包括系统平台软件和远端数据中心，其中系统平台软件包括数据查询、数据分析、预警、可视化信息管理平台，远端数据中心实现数据存储。其中可视化信息管理平台基于数字地图与三维组态技术，建立大型起重机械可视化信息管理平台，实现对大型起重机械可视化管理。

其中光纤传感网络当传感器数量小于或等于4个，可以直接与光纤光栅解调仪相连接。其中当传感器数量大于4个，采用分路器经测试后经星型或其他形式进入光纤光栅传感器解调仪。

其中考虑岸边起重机的应力分布，在应力集中的22个监测点处设置有66个温补型焊接式光纤光栅传感器，温补型焊接式光纤光栅传感器的布点根据所述起重装备主金属结构有限元静态和动态分析确定。其中光纤传感网络在鲁棒性模型基础上，针对结构损伤监测、从传感器类型、传感器数目、结构冗余性和故障诊断方面建立光纤传感网络。其中起重装备主金属结构的健康参数的光信号包括应力、应变、温度和加速度等参数。

其中温补型焊接式光纤光栅传感器的布点根据所述起重装备主金属结构有限元静态和动态分析确定。

附图说明

图1：为基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统的健康系统拓扑图；

图2：为在线监测与预警系统拓扑结构的组合方式；

图3：为岸桥起重机的结构示意图；

图4：为岸桥起重机应力测点示意图。

具体实施方式

下面结合附图对具体实施方式进行说明：