一種基於光纖光柵傳感的主動激勵式壓濾機濾板健康檢測系統的製作方法

2023-08-05 06:00:51 1

本發明涉及一種基於光纖光柵傳感的主動激勵式壓濾機濾板健康檢測系統。

背景技術：

壓濾機是通過對濾板的間歇性加壓與卸載來實現過濾的設備。其濾板的工作環境十分惡劣，服役過程中會出現不同程度的疲勞開裂和過載損傷以及磨損，目前我國尚未實現對壓濾機濾板健康狀態的自動檢測，生產現場排查受損濾板的傳統技術方法費時費力，長期依靠熟練工人的經驗積累，並且故障排查也只能在已經發生不可挽回的損失的情況後才能進行。損壞的濾板在工作人員不知情的情況下繼續工作可能會對整個設備造成重大的損傷。由此可見，濾板的健康檢測十分重要。

常見的健康檢測方法主要是射線、超聲、紅外、渦流、微波、雷射全息照相、目視檢測等一些無損探傷方式。這些檢測方式通常需要壓濾機的拆卸和重新安裝，需要具有專業技術的檢測人員，而且大多設備龐大、價格昂貴。

光纖光柵傳感以其本質安全、不受電磁幹擾、靈敏度高、質量輕、體積小、易於復用、可遠距離測量等特點而在傳感領域備受關注，並得到廣泛應用，已成為傳感器技術發展的主流方向之一。

相比內埋式的光纖光柵傳感器，外貼式的光纖光柵傳感器無需調整濾板的成型工藝，在壓濾機濾板健康狀態的無損檢測中具有更大的優越性。但是，現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，做成傳感器並保護好接頭後使用。膠基基片封裝的傳感器由於膠基的強度和剛度低、易發生應力鬆弛或蠕變、不耐高溫等缺點的限制，無法適應壓濾機的長期高溫環境及惡劣工況。金屬基板封裝貼片的製備工藝複雜、自身質量密度高，且由於金屬基板自身模量遠大於壓濾機濾板採用的短玻璃纖維增強聚丙烯基複合材料的模量，與濾板的相容性不好，其傳遞濾板應變的準確度大幅降低，進而致使光纖光柵測試的精度無法滿足要求。

另一方面，光纖光柵傳感器在壓濾機濾板健康狀態的無損檢測中的應用通常是被動式的，即依靠濾板本身在使役過程中的應力應變狀態來決定光纖光柵的中心波長偏移量的大小。而通常濾板的使役條件複雜，存在大量的振動、衝擊等外界幹擾，致使光纖光柵的檢測信號出現背景噪聲，降低了濾板健康狀態檢測的準確程度。在定期檢修的停機期間以及濾板裝配於壓濾機之前，可以有效消除壓濾機的振動、衝擊等外界幹擾，但是濾板本身在這種時候沒有了應力應變，被動式的光纖光柵檢測技術失去了檢測功能。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種基於光纖光柵傳感的主動激勵式壓濾機濾板健康檢測系統，本發明能夠在壓濾機定期停機檢修期間以及濾板裝配於壓濾機之前檢測濾板的健康狀態，實現無損檢測，及時發現損傷嚴重的濾板。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種基於光纖光柵傳感的主動激勵式壓濾機濾板健康檢測系統，包括對壓濾機濾板施加主動激勵的主動激勵模塊，檢測濾板在激勵下形成的動態響應信號、外貼於濾板上的光纖光柵傳感模塊，接收動態響應信號並從中提取損傷特徵信號以進行濾板狀態評估的智能分析模塊，接收並顯示濾板健康狀態的可視模塊，以及接收評估結果、並在評估結果超過預警時報警的預警模塊。

所述主動激勵模塊為壓電陶瓷激勵模塊或錘擊激勵模塊。

所述壓電陶瓷激勵模塊包括驅動電源和若干壓電陶瓷驅動器，驅動電源利用高頻電信號激勵壓電陶瓷，根據負壓電效應，壓電陶瓷驅動器將驅動濾板材料產生超聲應力波並向四周擴散，超聲應力波在板的上下表面不斷反射而形成Lamb波。Lamb波可以傳播相對較遠的距離，且對損傷敏感。

所述壓電陶瓷驅動器粘貼在濾板邊框上，且粘貼位置與角度通過有限元軟體模擬Lamb波在整塊濾板中的傳播狀態而確定，以保證其能在濾板邊框引發濾板內部0.1-0.6％的應變。

所述壓電陶瓷驅動器可以布設於多點，各驅動器採用統一驅動電源，驅動力大小相同，通過調試而保證驅動器輸出相位一致；優選布設於四個點上，即在每個邊框的中心位置布設一個壓電陶瓷驅動器。

所述錘擊激勵模塊包括力錘，力錘是由錘柄中裝有信號傳輸專用電纜的衝擊錘和力傳感器組成，利用力錘以確定大小的力敲擊濾板從而在濾板內部引發應變，所述力錘敲擊力的大小由力傳感器檢測，敲擊力與敲擊位置根據濾板型號確定，以不對濾板造成損傷並能在濾板邊框引發應變為標準。

所述光纖光柵傳感模塊包括光源、外貼式光纖光柵傳感器、光纖耦合器和光纖光柵解調儀，其中，所述光源產生連續調頻雷射，雷射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儀。

所述光纖耦合器有兩個，雷射信號分成兩路，分別通過一個光纖耦合器傳輸到光纖光柵解調儀的兩端，形成兩個埠。

所述光源為單獨光源或光纖光柵解調儀的內置光源，產生連續調頻雷射，雷射信號通過光纖進入光纖光柵傳感器，形成穩定的反射信號。

所述外貼式光纖光柵傳感器包括布排於濾板邊框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構相同，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，檢測濾板的應力或/和溫度變化。

所述基板為玻璃纖維增強環氧樹脂複合材料，以真空輔助灌注液態環氧樹脂並浸漬玻璃纖維布而後固化的工藝封裝光纖光柵與基板，形成光纖光柵封裝貼片。

在採用壓電陶瓷主動激勵模塊時，所述外貼式光纖光柵傳感器的反射中心波長根據Lamb波而改變，且其柵區長度小於Lamb波長的一半。

在採用力錘主動激勵模塊時，所述外貼式光纖光柵傳感器檢測最大應變值的變化。

所述智能分析模塊，包括濾板資料庫和分析模塊，所述濾板資料庫具體包括濾板的材料學數據、健康濾板的檢測數據以及濾板損傷檢測數據，所述分析模塊對應主動激勵模塊的類型，包括分析模塊A和分析模塊B，分別對應壓電陶瓷主動激勵模塊、力錘主動激勵模塊。

所述分析模塊A對解調後的響應信號進行二維傅立葉變換求取幅頻特性，實現損傷特徵初步提取，然後通過Relieff特徵算法、主成分分析法完成損傷特徵提取，將損傷特徵代入訓練好的損傷識別模型，實現濾板的損傷識別，通過比對健康濾板與被測濾板的檢測數據，結合濾板損傷狀況預測濾板的剩餘壽命。

所述分析模塊B提取各光纖光柵傳感器檢測到的最大應變值，運算得到整塊濾板的應變場，與健康濾板在相同激勵下引發的應變場對比，實現濾板的損傷識別，根據濾板損傷狀況預測濾板的剩餘壽命。

所述可視模塊包括三維幾何模型加載、數據加載和耦合顯示三個子模塊，所述三維幾何模型加載子模塊讀取三維模型格式文件，對模型進行旋轉、縮放和移動操作，所述數據加載子模塊接收智能分析模塊輸出的損傷數據及剩餘壽命數據，所述耦合顯示子模塊將三維幾何模型與數據耦合顯示在顯示器上。

上述系統提供了兩種檢測方法，具體包括：

方法A

(1)將壓電陶瓷驅動器粘貼在濾板邊框上，電線沿濾板邊框引出並固定；

(2)在濾板的邊框上粘貼一組光纖光柵傳感器，安裝光纖光柵解調儀、光纖耦合器，完成光信號的採集、轉換及通信；

(3)導入濾板三維幾何模型，整合模型與光纖光柵傳感器的檢測數據，完成濾板動態可視化顯示；

(4)對解調後的響應信號進行二維傅立葉變換求取幅頻特性，實現損傷特徵初步提取，然後通過Relieff特徵算法、主成分分析法完成損傷特徵提取，將損傷特徵代入訓練好的損傷識別模型，實現濾板的損傷識別；

(5)在預警模塊中設置健康預警閾值，安裝預警鈴。

方法B

(1)在濾板的邊框上粘貼一組光纖光柵傳感器，安裝光纖光柵解調儀、光纖耦合器，完成光信號的採集、轉換及通信；

(2)使用力錘敲擊濾板，在濾板中激勵形成應變信號；

(3)導入濾板三維幾何模型，整合模型與光纖光柵傳感器的檢測數據，完成濾板動態可視化顯示；

(4)提取各光纖光柵傳感器檢測到的最大應變值，運算得到整塊濾板的應變場，與健康濾板在相同激勵下引發的應變場對比，實現濾板的損傷識別；

(5)在預警模塊中設置健康預警閾值，安裝預警鈴。

本發明的有益效果為：

(1)本發明提供了一種基於光纖光柵傳感的主動激勵式壓濾機濾板健康檢測系統，能夠在定期檢修的停機期間以及濾板裝配於壓濾機之前檢測壓濾機濾板的健康狀況，實現濾板的無損檢測，從而及時替換損傷嚴重的濾板，保證生產安全可靠；

(2)光纖光柵傳感器被封裝於玻璃纖維/環氧樹脂複合材料基片內部，與濾板的相容性好，應變傳遞損耗小，測量精度高、穩定性好；

(3)壓電陶瓷驅動器與光纖光柵傳感器均被外貼於濾板邊框，能夠適用於多種型號與規格的濾板；

(4)錘擊法進行主動激勵能夠重複應用於多種型號和規格的濾板，簡單易行；

(5)能夠實現濾板健康狀態的停機自檢測，從而排除壓濾機工作狀態下的振動、衝擊等外界幹擾；

(6)能夠可視化輸出濾板的損傷位置與損傷程度，顯示濾板剩餘壽命，及時發出預警信號。

附圖說明

圖1為光纖光柵封裝貼片的結構示意圖。

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。

圖2為光纖光柵封裝貼片的三維軸測圖。

圖3為基於光纖光柵傳感的主動激勵式壓濾機濾板健康檢測系統示意圖。

圖4為基於光纖光柵傳感的隔膜濾板的光柵中心波長-敲擊力載荷檢測結果。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

如圖1和圖2所示，本發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板3、光柵區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3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，被灌注的液態樹脂浸漬玻璃纖維布，然後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。由此製備的光纖光柵封裝貼片底面平整而上表面隨光纖光柵的排布狀態而自然成型，便於玻璃纖維布更好地保護光纖光柵以及準確地傳遞應變。

如圖3所示，基於光纖光柵傳感的主動激勵式壓濾機濾板健康檢測系統包括主動激勵模塊、外貼式光纖光柵傳感模塊、智能分析模塊、可視化模塊和預警模塊。

壓電陶瓷主動激勵模塊包括驅動電源和壓電陶瓷驅動器。驅動電源有電壓控制型驅動電源和電荷控制型驅動電源。由於電荷控制型驅動電源能夠克服壓電陶瓷自身的遲滯和蠕變現象，而且交流驅動效果好，優選電荷控制型驅動電源。壓電陶瓷驅動器為鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷，通過濾板使役狀態的有限元模擬技術確定主動激勵頻率，選擇合適尺寸型號的壓電陶瓷。本發明中壓電陶瓷作為大型濾板的驅動器，優選PZT-8。

力錘主動激勵模塊的主要結構為力錘，力錘是由錘柄中裝有信號傳輸專用電纜的衝擊錘和力傳感器組成。濾板主要成分為短玻纖增強聚丙烯基複合材料，選用中型力錘，力錘選用中性錘頭以避免引入損傷。

光纖光柵傳感模塊包括光源、光纖光柵傳感器、光纖耦合器、光纖光柵解調儀。其中，光源可以為獨立光源也可以內置於光纖光柵解調儀內，優選內置於光纖光柵解調儀內的光源，產生連續調頻雷射，雷射信號通過引線進入光纖光柵，形成穩定的反射信號。光纖光柵傳感器由若干光纖光柵封裝貼片串聯而成。光纖耦合器為光纖光柵信號耦合器，具有優良的波長選擇能力和多埠的特性，是結構緊湊、損耗小、偏振無關的光纖耦合器。光纖光柵解調儀為中速或高速光纖光柵波長解調儀，具有多通道並行的解調方案，實現信號快速解調，滿足健康檢測需要，可以快速解調光柵信號。光源、光纖光柵傳感器、光纖耦合器、光纖光柵解調儀之間均通過光纖連接，傳輸信號為光信號。

智能分析模塊包括濾板資料庫和智能分析軟體。濾板資料庫由濾板的材料學數據、健康濾板的檢測數據以及濾板損傷檢測數據組成。

智能分析軟體A對解調後的響應信號進行二維傅立葉變換求取幅頻特性，實現損傷特徵初步提取，然後通過Relieff特徵算法、主成分分析法完成損傷特徵提取。將損傷特徵代入訓練好的損傷識別模型，實現濾板的損傷識別。通過比對健康濾板與被測濾板的檢測數據，結合濾板損傷狀況預測濾板的剩餘壽命。

所述分析模塊B提取各貼片檢測到的最大應變值，運算得到整塊濾板的應變場，與健康濾板在相同激勵下引發的應變場對比，實現濾板的損傷識別，根據濾板損傷狀況預測濾板的剩餘壽命。

實時可視化模塊包括三維幾何模型加載、數據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，同時為便於觀察，可對模型進行旋轉、縮放、移動等基本操作。數據加載子模塊接收智能分析模塊輸出的損傷數據及剩餘壽命數據。耦合顯示子模塊將三維幾何模型與數據耦合顯示在顯示器上。

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餘壽命低於健康閾值時，報警鈴發出警報。

具體應用方法：

實施例一：一種上進料廂式濾板的壓電陶瓷激勵健康檢測裝置和方法

系統包括：驅動電源、壓電陶瓷驅動器、貼片式光纖光柵傳感器、光纖耦合器、光纖光柵數字解調儀、計算機系統等。

(1)建立上進料廂式濾板的有限元模型，採用Abaqus、Ansys等有限元軟體模擬Lamb波在濾板中的傳播，確定主動激勵頻率、驅動器位置及方向、光纖光柵傳感器的布設位置及方向。

(2)選用合適的壓電陶瓷驅動器，粘貼到濾板邊框上，電線沿濾板邊框引出並連接驅動電源。

(3)採用環氧樹脂、不飽和聚酯等熱固性樹脂將光纖光柵傳感器按上述方法確定的位置及方向粘貼於濾板邊框上。

(4)選用合適的光纖連接光纖光柵傳感器、光源、光纖光柵解調儀、光纖耦合器。

(5)在檢測服務端計算機安裝濾板智能分析軟體、濾板資料庫，調試損傷分析軟體中各運算器與資料庫之間的通信與數據交換，用數據線連接服務端計算機與光纖光柵解調儀，實現有效通信。

(6)安裝實時可視化模塊，根據實際濾板型號加載其三維幾何模型，設置模型與數據的耦合顯示。

(7)安裝預警模塊，用戶根據健康需要設定濾板剩餘壽命閾值，安裝報警鈴。

實施例二：一種中進料隔膜濾板的力錘激勵健康檢測裝置和方法

系統包括：力錘、貼片式光纖光柵傳感器、光纖耦合器、光纖光柵數字解調儀、計算機系統等。

(1)建立中進料廂式濾板的有限元模型，採用Abaqus、Ansys等有限元軟體模擬錘擊在濾板中引發的應力場，確定錘擊力、錘擊位置、光纖光柵傳感器的布設位置及方向。

(2)採用環氧樹脂、不飽和聚酯等熱固性樹脂將光纖光柵傳感器按上述方法確定的位置及方向粘貼於濾板邊框上。

(3)選用合適的光纖連接光纖光柵傳感器、光源、光纖光柵解調儀、光纖耦合器。

(4)在檢測服務端計算機安裝濾板智能分析軟體、濾板資料庫，調試損傷分析軟體中各運算器與資料庫之間的通信與數據交換，用數據線連接服務端計算機與光纖光柵解調儀，實現有效通信。

(5)安裝實時可視化模塊，根據實際濾板型號加載其三維幾何模型，設置模型與數據的耦合顯示。

(6)安裝預警模塊，用戶根據健康需要設定濾板剩餘壽命閾值，安裝報警鈴。

採用上述的力錘主動激勵濾板健康檢測裝置和方法，獲得了隔膜濾板的光柵中心波長-敲擊力載荷檢測結果，如圖4所示。可見，實測的5條加載-卸載循環曲線的重合度很高，顯示了很好的檢測穩定性和可靠性。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。