應用於隔膜濾板的外貼式光纖光柵傳感器、檢測系統及方法與流程

2023-10-18 16:29:19

本發明涉及一種應用於隔膜濾板的外貼式光纖光柵傳感器、檢測系統及方法。

背景技術：

隔膜壓濾機是將高壓流體介質注入隔膜濾板中，使整張隔膜鼓起壓迫濾餅，實現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、安全可靠等優點，是冶金、造紙、製藥、食品、釀造、汙水處理等行業的首選。

隔膜壓濾機所採用的隔膜濾板由兩個隔膜和一個芯板組成，外部高壓流體介質進入芯板與隔膜之間的腔室內，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，其自身反覆的膨脹收縮運動及外部高溫高壓濾料的擠壓與衝刷容易使隔膜發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。然而生產中通常無法實時掌握隔膜濾板的健康狀態，只能在發生不可挽回的損失後依靠經驗排查損壞的隔膜濾板。

由此可見，隔膜濾板的實時健康監測十分重要。對其使役狀態進行健康監測以確保生產安全，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，通過分析從現場採集、記錄、保存的隔膜濾板使役過程數據也可判定設備用戶在使用過程中是否存在違規行為，有效地避免壓濾機製造廠商與用戶之間的產品質量糾紛。

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

在隔膜濾板中內埋光纖光柵傳感器的監測技術，可以在線監測隔膜濾板的工作狀態，及時、全面地發現隔膜濾板發生的損傷。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埋光纖光柵傳感器需要重新製作兩者的模具、調整成型工藝，使技術升級的成本高昂、風險加大；

(2)由於隔膜的變形量較大，內埋於隔膜中的光纖光柵有效變形量需要超過10％，需要定製特種光纖，升級成本進一步增加。

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

(4)內埋的陣列式光纖光柵傳感器的柵區數量大，顯著增加了技術升級的關鍵器件成本；

(5)成型後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、鑽孔等機械加工，內埋式的光纖光柵傳感器接頭給這些加工帶來了諸多不便，使工序複雜化，增加濾板製造成本；

(6)一旦內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測技術，不僅可以在線監測隔膜濾板的工作狀態，及時、全面地發現隔膜濾板發生的損傷，而且可以避免上述的內埋式光纖光柵傳感器的技術缺陷。由此可見，外貼式的光纖光柵傳感器在隔膜濾板健康狀態的無損檢測中比內埋式的光纖光柵傳感器具有優越性。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。而膠基基片封裝的傳感器由於膠基的強度和剛度較低、易發生鬆弛或蠕變、不耐高溫，所以無法滿足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、自身的質量密度高，且金屬基板自身模量遠大於隔膜濾板所用的短玻璃纖維增強聚丙烯基複合材料的模量，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衝刷與擠壓，無法布排傳感器，因此外貼式的傳感器貼片只能粘貼於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。由於粘貼於隔膜濾板邊框外表面的傳感器只能直接監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，因此現有的測試分析系統尚不能基於濾板邊框的應變、溫度情況對隔膜濾板的整體健康狀態進行實時監測。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種應用於隔膜濾板的外貼式光纖光柵傳感器、檢測系統及方法，所提供的以玻璃纖維增強環氧樹脂複合材料為基片的外貼式的光纖光柵傳感器，能夠精確地監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測系統，能夠基於隔膜濾板邊框處的微小應變進行實時、可靠、整體的健康狀態監測。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種應用於隔膜濾板的外貼式光纖光柵傳感器，包括粘貼於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。

所述封裝的光纖光柵可以為單應變監測光柵，也可包括溫度監測光柵，當包括溫度監測光柵時，所述溫度監測光柵可用於溫度監測也可用於應變監測時的溫度補償。

所述光纖光柵貼片以環氧樹脂、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，分別監測兩片隔膜及中間芯板的應變狀態。

一種應用於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儀，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。

一種隔膜濾板智能健康監測系統，包括應用於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資料庫，其中，外貼式光纖光柵傳感裝置的光纖光柵傳感器布排於隔膜濾板邊框的外側，對隔膜濾板的應變和/或溫度進行實時監測和信號解調，智能分析模塊根據採集的參數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餘強度運算器，其中：

所述應變場和溫度場分析器，被配置為根據傳感裝置輸入的實時溫度和/或應變數據進行運算得出隔膜濾板的實時溫度場和/或應變場，將結果輸出至顯示模塊，並保存至資料庫，形成隔膜濾板歷史工況數據；

所述疲勞累積運算器，被配置為結合隔膜濾板材料蠕變及鬆弛等特有屬性，基於雨流計數法進行疲勞計算，其讀取資料庫中隔膜濾板的歷史工況數據，計算濾板的疲勞損傷；

所述隔膜濾板損傷識別運算器，被配置為根據隔膜濾板的監測數據，藉助人工神經網絡的模式識別功能對濾板的應力應變狀態與隔膜濾板損傷資料庫進行匹配，實現損傷識別；

所述剩餘強度運算器，被配置為根據隔膜濾板損傷程度進行剩餘強度計算並預測隔膜濾板的剩餘壽命，將結果輸出至顯示模塊及預警模塊。

所述隔膜濾板損傷資料庫，被配置為結合實驗數據，利用有限元軟體模擬在發生不同類型、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據及歷史工況數據。

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、縮放或移動，從多個方向觀察模型；

數據加載模塊，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據及剩餘壽命數據；

耦合顯示模塊，被配置為將實時場分布數據、剩餘壽命數據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。

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下的受力狀態，分別找出位於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，採集隔膜濾板的溫度和/或應變參數；

(3)根據採集的數據確定隔膜濾板的實時溫度場和應變場，結合其歷史工況數據計算、判斷其損傷程度和剩餘強度，預測隔膜濾板的剩餘壽命；

(4)剩餘壽命低於健康閾值時，進行報警。

本發明的有益效果為：

(1)可在現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並機械加工之後，應用簡便，可操作性強，成本低，適用範圍廣，可快速應用於不同型號規格、不同用途的隔膜濾板；

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

(3)以玻璃纖維增強環氧樹脂複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、抗電磁幹擾能力強等特點；

(4)玻璃纖維增強環氧樹脂複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測隔膜濾板的應變和溫度狀態；

(5)通過監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，並以三維模型動態顯示，根據監測數據進行智能分析，得出濾板的健康狀態及剩餘壽命，及時發出預警，給設備供應商及用戶提供可靠的決策依據，從而有效避免隔膜濾板損壞所帶來的財產損失，提高設備應用效率，具有很高的經濟效益。

附圖說明

圖1為光纖光柵封裝貼片的結構示意圖。

圖2為光纖光柵封裝貼片的三維軸測圖。

圖3為外貼於壓濾機隔膜濾板的光纖光柵傳感器監測系統示意圖。

圖4為外貼於壓濾機隔膜濾板的光纖光柵傳感器監測系統的應用方法示意圖。

圖5為外貼於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。

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排布自然成型，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。

外貼式光纖光柵傳感器由封裝有n個並列的光纖光柵的m個封裝貼片串聯而成，1≤n≤10，1≤m≤60。所述封裝貼片以玻璃纖維增強環氧樹脂複合材料為基片，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，也可以單獨檢測溫度或應變。

由於隔膜濾板的芯板與兩側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域，以分別監測芯板和隔膜的應變場。

如圖3所示，外貼於隔膜濾板的光纖光柵傳感器應用系統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，滿足健康監測需要，可以快速解調濾板在工作環境下的光柵信號。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於隔膜濾板邊框的外側。

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到光纖光柵傳感器組件的兩端，形成兩個埠。

光信號通過一個光纖耦合器傳輸到光纖光柵傳感器組件的一端，形成一個兼具光入射和光反射的埠。

光源為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。

光纖光柵封裝貼片使用環氧樹脂、不飽和聚酯等熱固性樹脂與隔膜濾板進行粘貼，粘貼後再塗覆一層環氧樹脂、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並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，包括隔膜濾板損傷資料庫和損傷分析軟體。

濾板損傷資料庫包含隔膜濾板的材料學數據及其歷史工況數據，以及結合實驗數據，利用有限元軟體模擬發生不同類型、不同部位的損傷時，濾板各處的應變數據建立的損傷指紋庫。

損傷分析軟體為基於有限元模擬軟體、疲勞分析軟體開發的應用於隔膜濾板損傷分析的專用軟體，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餘強度運算器。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據進行運算得出隔膜濾板的實時溫度場和應變場，將結果輸出至實時可視化模塊，並保存至資料庫，形成濾板歷史工況數據。疲勞累積運算器通過隔膜濾板的歷史工況數據計算、判斷隔膜濾板的疲勞損傷。隔膜濾板損傷識別運算器，根據隔膜濾板監測數據，藉助人工神經網絡的模式識別功能對濾板的應力應變狀態與損傷指紋庫進行匹配，實現損傷識別。剩餘強度運算器根據隔膜濾板損傷程度進行剩餘強度計算並預測隔膜濾板的剩餘壽命，將結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。

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，提取隔膜濾板的有限元模型，同時可對模型進行旋轉、縮放、移動等基本操作，以便從多個方向觀察。數據加載子模塊接收智能分析模塊輸出的實時場分布數據及剩餘壽命數據。耦合顯示子模塊根據空間幾何關係將隔膜濾板有限元模型中單元與對應的數據單元映射顯示在顯示器上。

圖4所示為外貼於隔膜濾板的光纖光柵傳感器應用系統的應用方法，採用上述傳感器及應用系統，具體包括以下步驟：

(1)確定隔膜濾板的監測部位，布設傳感器。

建立壓濾機隔膜濾板的有限元模型，採用Abaqus、Ansys等有限元模擬軟體分析隔膜濾板在工作狀態下的受力狀態，並使用FE-SAFE等疲勞分析軟體進行疲勞分析，分析位於濾板外側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。進一步結合實驗數據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)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(1)中確定的位置及方向粘貼於隔膜濾板邊框，選用合適的光纖連接光纖光柵傳感器與光源、光纖光柵解調儀、光纖耦合器。

(3)在監測服務端計算機安裝濾板損傷分析軟體、濾板損傷資料庫。調試損傷分析軟體中各運算器與資料庫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。

(4)安裝實時可視化模塊。根據實際隔膜濾板型號加載其三維模型，提取有限元模型，並完成有限元模型單元與數據單元的映射關係。

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

採用上述的外貼於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-壓力載荷檢測結果，如圖5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。