基于光纖布拉格光柵的船閘人字門(mén)健康狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

陳明華

(長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

船閘人字門(mén)在其工作過(guò)程中，兩側(cè)承受巨大的水壓差，在長(zhǎng)期工作過(guò)程中逐漸腐蝕老化并積累了結(jié)構(gòu)損傷。為保證船閘運(yùn)行安全，須定期停航進(jìn)行檢查、檢修，人工檢測(cè)方法無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，存在漏檢的可能，有一定的安全隱患。船閘主要設(shè)備一旦發(fā)生故障，將會(huì)嚴(yán)重影響通航，帶來(lái)極壞的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)船閘人字門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和健康診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷并評(píng)估其安全性，對(duì)提高安全通航效率、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義[1]。

本文提出了一種基于光纖布拉格光柵(FBG)的船閘人字門(mén)健康狀態(tài)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損傳感技術(shù)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取船閘各監(jiān)測(cè)位置的應(yīng)變[2]、溫度[3]等信息，經(jīng)信號(hào)解調(diào)、數(shù)據(jù)分析處理，對(duì)船閘人字門(mén)結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性及健康運(yùn)行狀況做出準(zhǔn)確判斷，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損傷或退化。

1 FBG測(cè)量原理

FBG是在光纖中引入周期性的折射率調(diào)制而形成的光波導(dǎo)器件[4]。折射率的起伏必然導(dǎo)致對(duì)入射光的反射。因此光柵周期為Λ的FBG可等效看成一系列周期性排列的單個(gè)發(fā)射鏡面。垂直入射光被各個(gè)鏡面反射后在入射端相干疊加，形成反射光。并且僅當(dāng)各路反射光相位同相時(shí)，總反射光將達(dá)到極大，并稱(chēng)該條件為Bragg條件，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ稱(chēng)為該光柵的Bragg波長(zhǎng)，可寫(xiě)為：

λ=2neffΛm

(1)

式中：neff為光柵的有效折射率；Λ為光纖光柵的周期；m為大于1的整數(shù)。

由式(1)可知:λ隨neff和Λ的變化而變化，而neff和Λ的改變都與應(yīng)變和溫度有關(guān)。因此，通過(guò)檢測(cè)光纖光柵的 Bragg 波長(zhǎng)偏移量即可測(cè)量溫度和應(yīng)力的變化量，這就是光纖光柵用于傳感的原理。光纖光柵在外界應(yīng)力變化或溫度變化時(shí)，其Bragg波長(zhǎng)變化可由式(2)表示：

(2)

式中：pe為彈光系數(shù)；α為熱膨脹系數(shù)；ξ為熱光系數(shù)；λ為光纖光柵的參考Bragg波長(zhǎng)；Δλ為Bragg波長(zhǎng)的改變量；Δε為外部應(yīng)力下光纖光柵的應(yīng)變；ΔT為溫度變化[5]。

當(dāng)溫度或者應(yīng)變變化時(shí)，Bragg波長(zhǎng)就會(huì)漂移，可通過(guò)測(cè)量Bragg波長(zhǎng)的漂移從而得到應(yīng)變和溫度的變化情況。另外，在Bragg波長(zhǎng)變化的表達(dá)式中，設(shè)定ΔT=0，然后通過(guò)試驗(yàn)的方法獲得Δε與Δλ的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器的準(zhǔn)確標(biāo)定。同理，也可對(duì)溫度進(jìn)行標(biāo)定。

2 船閘人字門(mén)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體構(gòu)成

如圖1所示，船閘人字門(mén)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由7個(gè)模塊組成，包括光纖光柵應(yīng)變傳感器陣列、光纖光柵溫度傳感器陣列[6]、光開(kāi)關(guān)、光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程傳輸模塊和損傷識(shí)別與安全評(píng)定子系統(tǒng)。

圖1 船閘人字門(mén)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

傳感器陣列布設(shè)在船閘相應(yīng)的待測(cè)點(diǎn)上，光開(kāi)關(guān)對(duì)光傳輸線路中的信號(hào)進(jìn)行物理切換，以進(jìn)行時(shí)分復(fù)用來(lái)提高光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)串接傳感器的能力。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)將實(shí)時(shí)獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度信息[7]并對(duì)相應(yīng)的應(yīng)變量進(jìn)行補(bǔ)償，并考慮不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際情況選用有線或無(wú)線傳輸?shù)姆绞剑瑢⒋l的狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)送到搭載損傷識(shí)別與安全評(píng)定子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上，系統(tǒng)對(duì)獲得的異常信號(hào)采用多種算法進(jìn)行綜合對(duì)比分析，再參照損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)會(huì)否發(fā)生損傷或破壞，并進(jìn)一步分析推測(cè)其可使用壽命等情況。

2.2 傳感器布設(shè)原則

傳感器的布設(shè)要綜合考慮理論分析與具體應(yīng)用。首先要對(duì)船閘人字門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析(包括靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度)以及模態(tài)分析，根據(jù)應(yīng)力分布云圖和模態(tài)振型確定危險(xiǎn)區(qū)域，并根據(jù)測(cè)量設(shè)備的能力制定測(cè)點(diǎn)分布策略。

根據(jù)實(shí)際情況增減傳感器布設(shè)區(qū)域和密度，例如增加已知危險(xiǎn)區(qū)域的布點(diǎn)密度便于進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)。還須區(qū)別對(duì)待船閘的水上和水下部分，由于水下部分深達(dá)30～40 m，靜態(tài)水壓力以及閘門(mén)開(kāi)合過(guò)程中水流的不斷沖擊對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的影響極大，因此水下部分也要做重點(diǎn)觀測(cè)。此外水上水下部分溫度差異明顯，光纖光柵溫度傳感器是以溫度補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)修正應(yīng)變值的誤差，因此溫度傳感器的布設(shè)也要參考上述應(yīng)用環(huán)境差異。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

采用光纖光柵傳感器組成船閘傳感器陣列，可以方便地串接在通信光纖上實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。同時(shí)，光纖又可以作為信號(hào)傳輸媒介，將采集到的各類(lèi)信息傳輸至光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)和數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。光纖傳輸具有衰減小、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、安全性能高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。此外對(duì)于布線困難或特殊環(huán)境限制的情況，可以考慮使用無(wú)線傳輸?shù)姆绞剑_(dá)到整個(gè)傳輸系統(tǒng)更精簡(jiǎn)高效地運(yùn)行。

2.4 解調(diào)與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

信號(hào)解調(diào)與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是船閘健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成。從光纖傳輸來(lái)的信號(hào)經(jīng)光纖光柵解調(diào)裝置進(jìn)行解調(diào)，再用相應(yīng)算法、軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理，獲得船閘各關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變、溫度等信息，為后續(xù)損傷識(shí)別及安全評(píng)估做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

2.5 損傷識(shí)別與安全評(píng)定子系統(tǒng)

損傷識(shí)別與安全評(píng)定子系統(tǒng)是整個(gè)項(xiàng)目的技術(shù)核心。包括損傷識(shí)別、結(jié)構(gòu)安全健康評(píng)定以及安全預(yù)警等多個(gè)模塊。一旦識(shí)別結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷性形變，即運(yùn)行結(jié)構(gòu)安全健康評(píng)定軟件進(jìn)行分析，如出現(xiàn)異常，則由預(yù)警設(shè)備發(fā)出報(bào)警信息。

船閘人字門(mén)結(jié)構(gòu)損傷通常是積累損傷，即經(jīng)長(zhǎng)時(shí)期使用緩慢累積的損傷，當(dāng)然也不排除遭遇洪水或其他如撞擊事件引起的突然損傷。因此，在船閘人字門(mén)結(jié)構(gòu)損傷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，下面幾個(gè)要素要著重考慮：判斷結(jié)構(gòu)中是否有損傷、損傷的定位、識(shí)別損傷類(lèi)型、量化損傷的嚴(yán)重程度、評(píng)估結(jié)構(gòu)的使用壽命或整修的必要性等。并且損傷數(shù)據(jù)都將存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，便于安全健康評(píng)定軟件對(duì)歷史信息的調(diào)用與分析。

而安全評(píng)定軟件將對(duì)獲得的異常信號(hào)采用多種算法進(jìn)行綜合對(duì)比分析，再參照損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷或破壞，并進(jìn)一步分析推測(cè)其可使用壽命等。

3 人字門(mén)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)應(yīng)用

2015年葛洲壩三號(hào)船閘計(jì)劃性停航檢修的間隙，完成了葛洲壩三號(hào)船閘下游人字門(mén)運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)施工，包括安裝與調(diào)試船閘人字門(mén)光纖光柵形變監(jiān)測(cè)傳感器、振動(dòng)傳感器及光纖裂紋傳感器。在現(xiàn)場(chǎng)安裝結(jié)束后，完成了船閘人字門(mén)運(yùn)行狀況(包括形變、振動(dòng)及裂紋)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟硬件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，經(jīng)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)船通航測(cè)試，傳感器及系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船閘關(guān)門(mén)、充水、放水、開(kāi)門(mén)等運(yùn)行過(guò)程中人字門(mén)的形變、振動(dòng)狀況的實(shí)時(shí)工作狀況監(jiān)測(cè)及裂紋狀態(tài)檢測(cè)，各項(xiàng)功能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

3.1 人字門(mén)應(yīng)變、應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)應(yīng)用

人字門(mén)應(yīng)變、應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人字門(mén)27個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。將每一個(gè)光纖光柵應(yīng)變、溫度傳感器進(jìn)行標(biāo)號(hào)，以方便與表中位置進(jìn)行對(duì)應(yīng)，各光纖光柵傳感器標(biāo)號(hào)見(jiàn)圖2。

圖2 人字門(mén)光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)號(hào)順序

由于光纖光柵應(yīng)變、溫度傳感器在設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)考慮了溫度補(bǔ)償，所以由于天氣等外界溫度改變所引起的測(cè)量值變化，在系統(tǒng)中進(jìn)行了自動(dòng)補(bǔ)償。因此該人字門(mén)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全天候的穩(wěn)定運(yùn)行。為了進(jìn)一步說(shuō)明，特別選擇氣候變化較為明顯的2 d作為對(duì)比。通過(guò)采集單側(cè)人字門(mén)27個(gè)光纖光柵應(yīng)變、應(yīng)力傳感器在閘門(mén)的關(guān)門(mén)、充水、放水、開(kāi)門(mén)等4個(gè)過(guò)程中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的最大值和最小值，共計(jì)6組測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采用頻率為20 Hz。

3.2 人字門(mén)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)應(yīng)用

法-珀光學(xué)振動(dòng)傳感器相比于傳統(tǒng)壓電式振動(dòng)傳感器，具有更高的靈敏度和測(cè)試精度。法-珀振動(dòng)傳感器的硬件解調(diào)與光纖光柵傳感器采用的是同一解調(diào)裝置，在對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行解調(diào)的同時(shí)，同步將法-珀振動(dòng)傳感器的加速度信號(hào)也采集到系統(tǒng)中。

安裝于左側(cè)門(mén)體底樞位置的法-珀振動(dòng)傳感器，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)垂直方向的振動(dòng)加速度信息。分別對(duì)關(guān)門(mén)、充水、放水及開(kāi)門(mén)過(guò)程的振動(dòng)信息進(jìn)行采集，將獲得的加速度信號(hào)保存至系統(tǒng)中。進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)換為振動(dòng)的位移信息，見(jiàn)圖3。統(tǒng)計(jì)分析人字門(mén)關(guān)門(mén)、充水、放水及開(kāi)門(mén)過(guò)程的位移信息發(fā)現(xiàn)：人字門(mén)在關(guān)門(mén)或開(kāi)門(mén)過(guò)程的初始階段，門(mén)體會(huì)發(fā)生近0.2 mm的縱向位移變化，且隨著關(guān)門(mén)或開(kāi)門(mén)過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行，垂直振動(dòng)位移趨于0值，直至門(mén)體再次停止的瞬間再次發(fā)生小的位移量。

圖3 底樞垂直振動(dòng)位移信息

由于目前門(mén)體檢測(cè)剛結(jié)束不久，門(mén)體運(yùn)行狀況良好，因此上述位移信息正常反映了門(mén)體開(kāi)關(guān)過(guò)程。

3.3 人字門(mén)裂紋在線檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

裂紋的產(chǎn)生及蔓延是一個(gè)非常緩慢的變化過(guò)程，因此人字門(mén)裂紋檢測(cè)系統(tǒng)初始階段不需要在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，只須每隔一段時(shí)間檢測(cè)一次即可。但當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)紅燈報(bào)警時(shí)，須調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行更為細(xì)致的檢測(cè)，并逐漸增加檢測(cè)頻率，以觀察裂紋發(fā)展趨勢(shì)及狀況。圖4給出了裂紋檢測(cè)過(guò)程的機(jī)構(gòu)具體實(shí)例。

圖4 裂紋在線檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

4 結(jié)語(yǔ)

1)為降低船閘運(yùn)行過(guò)程中安全隱患，對(duì)船閘人字門(mén)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控十分必要，基于光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方案，是對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的有效補(bǔ)充。

2)2015年人字門(mén)健康狀態(tài)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功應(yīng)用于葛洲壩三號(hào)船閘下游人字門(mén)，實(shí)現(xiàn)了人字門(mén)金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)、閘門(mén)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)以及人字門(mén)裂紋在線檢測(cè)。

3)通過(guò)人字門(mén)健康狀態(tài)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)了解和掌握船閘運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)船閘非正常運(yùn)行、滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)行狀況及時(shí)預(yù)警，可為實(shí)現(xiàn)船閘的安全、高效、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供有力保障。