基于光纖光柵傳感器的游樂設施框架結構應變智能監測方法

摘要：游樂設施在運行中易受外界環境干擾，導致其應變力信號波動幅度較小。因此，文章設計一種基于光纖光柵傳感器的游樂設施框架結構應變智能監測方法。該方法利用光纖光柵傳感器的高靈敏度和穩定性，能夠精準采集游樂設施框架結構的應變數據。在設置監測約束條件時，文章充分考慮應變監測的目標函數，通過提取應變幅值、應變速率等關鍵特征，實時掌握結構在受力作用下的變形情況。一旦發現應變數據超過預設的安全閾值，系統會立即發出預警信號，提醒管理人員迅速采取措施。實驗結果表明，在200～300 mm和400～500 mm的關鍵測試點位，該智能監測方法監測到的應變力信號波動幅度顯著，且與實際信號變化情況高度一致，顯示出優異的監測效果和極高的準確性。

關鍵詞：光纖光柵傳感器；游樂設施；框架結構應變；智能監測

中圖分類號：TN388" 文獻標志碼：A

0 引言

大型游樂設施框架結構的應變監測尤為重要，在過去的研究中，有學者專注于層合梁結構，通過內嵌滑動式摩擦納米發電機設計了層合梁結構模型，實現了層合梁結構內部應變的監測［1］。同時，也有其他學者利用光纖傳感器的高靈敏度和高分辨率特性，實時采集隧洞工程結構在受力過程中的應變數據，從而精確掌握結構的應力分布和變化規律［2］。然而，這些方法往往效率有限，人工干預的成本較高，因此，本文提出了一種基于光纖光柵傳感器的游樂設施框架結構應變智能監測方法。該方法能夠實時采集和分析結構應變數據，及時發現結構中的異常情況，為游樂設施的安全管理提供有力支持。

1 基于光纖光柵傳感器采集框架結構應變數據

光纖光柵作為一種前沿的光纖器件，巧妙地將纖芯模、包層導模及包層輻射模間的模式耦合與波長選擇功能融為一體。其獨特之處在于，通過光刻和全息干涉技術，光纖光柵能在纖芯折射率上實現周期性的精細調制［3］。光纖光柵的中心波長與有效折射率和光柵周期緊密相關，這種緊密聯系使得光纖光柵能夠敏銳地捕捉到外界環境的變化，從而實現精準傳感。

在框架結構的關鍵部位，如梁、柱的連接處，本文按照預設的監測點位來布置光纖光柵傳感器。隨后，本文將這些傳感器與數據采集系統連接起來，通過光纖確保數據的實時、穩定傳輸。此外，本文還根據框架結構的振動特性和應變變化范圍，設定合適的采樣頻率和采集時長，以確保能夠精確地捕捉到應變數據的變化趨勢。

2 設置游樂設施框架結構應變監測約束條件

為了確保游樂設施框架結構監測的準確性，本文依據其結構特性，針對性地構建了應變監測目標函數。該函數以結構應變數據為核心指標，公式為：

f=∑ni=1wi|εi（x）-εi|（1）

其中，n表示監測點的數量，wi表示第i個監測點的權重，εi（x）表示第i個監測點在給定條件x下的應變數據，εi表示第i個監測點的標準應變值。目標函數f的值越小，監測結果與參考值的偏差越小，說明監測的準確性越高。

以目標函數為導向，本文對游樂設施框架結構的應變信號實施了嚴格的約束。為了確保信號在傳輸過程中的同步性和準確性，本文設定了以下約束條件。

2.1 監測點布置

本文對框架結構進行力學分析，以確定其受力特點和關鍵部位?；诹W分析結果［4］，本文設定監測點位置選擇的約束條件。假設游樂設施框架結構的關鍵部位經過力學分析后確定，記為集合S，而計劃設置的監測點位置則記作集合P，約束條件表示如下：

PF（x）S（2）

即監測點的位置集合P必須是經過力學分析確定的關鍵部位集合S的子集，同時這些監測點的數據還須滿足目標函數f的要求。這意味著本文只能在力學分析確定的關鍵部位上布置監測點，以確保所采集的監測數據的有效性和代表性。

2.2 游樂設施框架結構應變時間差

游樂設施框架結構應變時間差公式為：

|tr（i）-tf（i）|F（x）≤maxΔt（3）

其中，tr（i）表示第i個監測點接收到應變信號的時間，tf（i）表示第i個監測點反饋出應變信號的時間，其中i∈｛1，2，···，n｝，maxΔt表示允許的最大時間差閾值。

這個約束條件確保了接收信號與反饋信號之間的時間差在預定的最大閾值之內，從而保證了信號傳輸的同步性［5］。在滿足這一條件后，本文能夠更準確地監測和分析游樂設施框架結構的應變情況，確保結構的安全性和穩定性。

3 提取游樂設施框架結構應變監測特征

在游樂設施框架結構應變監測中，提取有效的監測特征是確保監測結果準確性和可靠性的關鍵步驟。這些特征能夠反映結構應變的動態變化［6］，為結構安全評估提供重要依據。

3.1 應變幅值

應變幅值，即結構在受到外力作用時，其最大變形量與原始尺寸之間的比值，直接反映了結構在受力作用下的變形程度。假設結構的原始尺寸為L，在受力作用下的最大變形量為ΔL，則應變幅值φ可以表示為：

φ=ΔLL（4）

結構通過監測不同位置的應變幅值，得出結構在不同受力條件下的變形情況，從而判斷其是否處于安全范圍內。

3.2 應變速率

應變速率通常定義為單位時間內應變的變化量。假設在某一時間段T內，結構的應變幅值從φ1變化到φ2，則應變速率v表示為：

v=ΔφΔT=φ2-φ1T2-T1（5）

其中，Δφ=φ2-φ1表示應變幅值的變化量，ΔT=T2-T1表示時間的變化量。

通過監測不同位置的應變速率，本文能夠得出結構在不同受力條件下的變形速度，從而判斷其是否存在快速變形或突變。當應變速率超過預設的閾值時，結構可能存在潛在的安全隱患，需要及時采取相應的干預措施以確保結構的安全穩定。

4 實現游樂設施框架結構應變智能監測

利用aBaQUs有限元軟件，本文成功建立了游樂設施框架結構的應變智能監測模型。通過對該模型進行詳細的分析和推導，本文得到的游樂設施框架結構應變智能監測閾值如下：

λ=f（φ，v）（6）

當游樂設施框架結構的應變智能監測模型實時監測到結構應變數據超過預設的安全閾值λ時，系統將立即啟動預警機制。通過聲光報警裝置在監測現場發出明顯的警報，以引起現場工作人員的注意。同時，預警信息會迅速通過無線網絡或有線傳輸方式，傳至管理人員的移動設備或監控中心的大屏幕上，確保管理人員能在第一時間掌握險情。管理人員收到預警后，會立即啟動應急預案，組織相關人員進行現場檢查和處理。

5 實驗

5.1 實驗準備

本試驗所研究的游樂設施框架結構，由高強度Q235級鋼板精心構建，整體跨度達到2.4 m。游樂設施框架梁設計獨特，由2片水平鋼板組成，總長度與跨度相匹配，寬度和厚度經過精確計算，以確保結構的穩固性。

本次試驗選用德國米銥公司的optoNCDT ILR系列光纖光柵傳感器，測量范圍達300 mm，分辨率高達0.1 μm，精度±0.5 mm，且采樣頻率達到1000 Hz。

為確保實驗結果的精準性與實用性，本文利用上述光纖光柵傳感器采集了游樂設施框架結構中可能出現的多種應變輸入情況。在眾多信號中，斷裂信號因其顯著性和動態特性被選中作為主要的應變輸入信號。根據圖1，信號波動保持在正常范圍內，未出現異常的幅值變化，這充分表明當前游樂設施框架結構的應力狀態良好，未出現嚴重的結構應力變化。

為了更全面地評估所提基于光纖光柵傳感器的游樂設施框架結構應變智能監測方法的有效性，本文特別引入基于摩擦納米發電機的層合梁結構應變監測方法和基于光纖傳感器地下隧洞工程結構應變監測方法作為對比。在關鍵測試點位200～300 mm和400～500 mm處，本文實施激光掃描信號輸入，采用這3種方法進行了詳細的監測。

5.2 實驗結果分析

在對比3種應變監測方法時，本文方法在監測應變力信號變化幅值上表現最為顯著，與實際應變輸入后的信號變化情況高度一致。相比之下，另外2種方法在信號監測上存在一定的誤差，無法全面、準確地捕捉到信號的波動。因此，本文所提方法具有更高的準確性，監測效果更好，能夠為游樂設施的安全監測提供更加可靠的數據支持。

6 結語

基于光纖光柵傳感器的游樂設施框架結構應變智能監測方法，能實時追蹤并精確感知結構應變的細微變化，有效預防潛在的安全隱患。本文通過實際應用和對比分析，充分證明了該方法在游樂設施框架結構應變監測中的優越性和可靠性。

參考文獻

［1］甘曉輝.基于摩擦納米發電機的層合梁結構應變監測研究［J］.低溫建筑技術，2023（10）：60-64.

［2］馬崇璽.基于光纖傳感器地下隧洞工程結構應變監測［J］.水利技術監督，2022（7）：34-37.

［3］周愷，李婧.面向激光光源的光纖智能結構應變監測研究［J］.激光雜志，2023（9）：243-247.

［4］張意，楊陽，車野，等.不銹鋼管智能筋在鋼筋混凝土結構應變監測中的應用［J］.大眾科技，2023（4）：24-28.

［5］荊根強，段發階，彭璐，等.基于被動激勵的結構應變監測系統在線校準方法［J］.儀器儀表學報，2021（8）：137-145.

［6］孫曉東，楊松峰，劉天宇，等.錐形光纖光柵傳感器的傳感特性［J］.中國新技術新產品，2024（1）：1-3.

（編輯 王永超）

Intelligent strain monitoring method for amusement facility framework structure based on fiber grating sensors

MIAO" Chunfeng， CHAI" Hongxu

（Gansu Institute of Special Equipment Inspection and Testing， Lanzhou 730050， China）

Abstract： Amusement facilities are susceptible to external environmental interference during operation， resulting in smaller fluctuations in their strain force signals. Therefore， this article designs an intelligent strain monitoring method for amusement facility framework structures based on fiber grating sensors. This method utilizes the high sensitivity and stability of fiber grating sensors to accurately collect strain data of amusement facility frame structures. When setting monitoring constraints， this article fully considers the objective function of strain monitoring， and by extracting key features such as strain amplitude and strain rate， real-time grasp of the deformation of the structure under stress. Once the strain data exceeds the preset safety threshold， the system will immediately issue an alert signal to remind management personnel to take measures quickly. The experimental results show that at the key testing points of 200～300 mm and 400～500 mm， the fluctuation amplitude of the strain force signal monitored by this intelligent monitoring method is significant and highly consistent with the actual signal changes， demonstrating excellent monitoring effect and extremely high accuracy.

Key words： fiber grating sensors; amusement facilities; strain of frame structure; intelligent monitoring

基金項目：甘肅省科技廳自主研發計劃-工業類；項目名稱：觀覽車類游樂設施關鍵結構部件應力監測技術研發；項目編號：22YF11GA315。

作者簡介：苗春風（1975— ），男，助理工程師，學士；研究方向：特種設備檢驗。