（机械电子工程专业论文）机械设备结构应力在线监测无线数据传输研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 金属结构作为大型机械设备的支持构架，其结构强度是影响机械设备安全 可靠运行的关键。随着机械设备朝着大型化、重型化、高速化方向发展，要求 设备具有更高安全性，从而突出了结构的强度要求。应力应变测试是研究机械 结构强度的重要手段。但目前实际应用的应力检测系统多采取定期检测和有线 数据传输方式。随着监测技术、嵌入式技术、通信、网络等技术的成熟与发展， 尤其是工程信息检测技术( d t ，d e t e c t i o nt e c h n i q u e ) 的深a 研究，传统的监测显示 系统己越来越不能满足信息时代工业的要求。以智能传感技术、信息技术为基 础的多功能监测监控系统已经成为当今监测监控领域技术发展的热点之一，它 的出现标志着工业监测领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重 要影响。 g p r s 技术一通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，简称g p r s ) 是第二代移动通信技术( g s m 技术) 向第三代移动通信技术( 3 g ) 的过渡技术， 是在现有的全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ，简称g s m ) 上发展 出来的一种新的分组数据承载业务，面向用户提供移动分组的或者x 2 5 连接 3 1 。目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务。基于这种业务的各种应用也 蓬勃发展起来。它具有接入迅速，永远在线，流量计费等特点，在远程突发性 数据实时传输中有不可比拟的优势；既具有有线方式的效率高、实时性好、成 本低的优点，同时安装方便，能解决监测或检测数据采集中布置导线的难题， 可维护性好，容易实现网络化的管理。本课题针对传统大型机械结构应力远程 在线监测中存在的缺点的不足，提出了基于g p r s 的应力数据无线传输方案， 实现了对机械结构应力的长期、实时、在线监测，对保证机械安全、降低管理 维护成本、提高机械设备管理水平具有定的应用价值。 本文分析了大型机械结构应力监测理论方法，系统的硬件和软件组成并结合 应用案例分析了大型机械结构应力远程在线监测系统在实际工程项目中的应用。 关键词：机械设备，结构应力检测，远程监测，g p r s ，n e t 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h es k e l e t o no fl a r g em a c h i n e r y ，m e t a ls t r u c t u r a ls t r e n g t hi st h ek e yo f m a c h i n e r ya n de q u i p m e ms a f e l ya n dr e l i a b l yo p e r a t i n g w i t ht h em a c h i n e r ya n d e q m p m e n td e v e l o p p i n gt o w a r dt h el a r g e , h e a v ya n dh i g h s p e e dd i r e c t i o n , i tr e q u i r e s m a c h i n e r ya n de q m p m e n t 、访t l lh i g h e rs e c u r i t ya n ds oh i g h l i g h t st h es t r u c t u r a l s t r e n g t h r e q u i r e m e n t s s t r e s s s t r a i n t e s ti sa n i m p o r t a n tm e a n so ft e s t i n gt h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r es t r e n g t h , b u tt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h es t r e s sd e t e c t i o n s y s t e mu s e st h ew a yo fd e t e c t i n g r e g u l a r l ya n dw i r e dd a t at r a n s m i s s i o n w i t h s o p h i s t i c a t e d a n dd e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y ，e m b e d d e dt e c h n o l o g y ， c o m m u n i c a t i o n s , n e t w o r k s ，e s p e c i a l l yt h ei n - d e p t hs t u d yo ne n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o n d e t e c t i o nt e c h n i q u e ，t r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gd i s p l a ys y s t e mh a sb e e ni n c r e a s i n g l y u n a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a li n f o r m a t i o nt i m e i n t e l l i g e n ts e n s i n g t e c h n o l o g y ，m u l t i - f u n c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d0 1 1i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh a s b e c o m et h eh o tf i e l d t h ee m e r g e n c em a r k sab e g i n n i n go fan e we r aa tt h ef i e l do f i n d u s t r i a lm o n i t o r i n g ，a n di tw i l lh a v ea ni m p o r t a n ti m p a c to nt h ed e v e l o p m e n to ft h i s f i e l d g p r st e c h n o l o g yi sag e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e i ti sa t r a n s i t i o nt e c h n o l o g y f r o ms e c o n d - g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ( g s mt e c h n o l o g y ) t ot h e t h i r d - g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ( 3 g ) i ti sat e c h n o l o g yb a s e do n g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，r e f e r r e dt oa sg s m i tp r o v i d e sm o b i l e p a c k e ts e r v i c ef o ru s e r s ，n l ea i mi sp r o v i d i n gp a c k e td a t as e r v i c e sf o rg s m u s e r s a p p l i c a t i o n sb a s e do nt h i sb u s i n e s sd e v e l o p e d i th a sc h a r a c t e r i s t i c so fr a p i da c c e s s ， a l w a y so n l i n e ，f l o wb i l l i n g ，e t c i th a su n p a r a l l e l e da d v a n t a g e so f t h er e m o t er e a l - t i m e d a t at r a n s m i s s i o n i th a sh i g he f f i c i e n c y ，g o o dr e a l t i m ea n dl o wc o s ta d v a n t a g e sa n d i n s t a l l sc o n v e n i e n t l y i tc a ns o l v et h ep r o b l e mo fm o n i t o r i n gd a t ao rt e s t i n gd a t a c o l l e c t e di nt h ew i r el a y o u t i th a sg o o dm a i n t a i n a b i l i t ya n db ee a s yt oa c h i e v e n e t w o r k b a s e dm a n a g e m e n t 1 1 1 i sp a p e r a n a l y z e dt h eo n - l i n e m o n i t o r i n gt h e o r ya n dm e t h o do fl a r g e m e c h a n i c a ls t r u c t u r e s s t r e s s , s y s t e mh a r d w a r e a n ds o f t w a r e c o m p o s i t i o na n d a n a l y z e d s y s t e ma p p l i c a t i o nw i t l lt h er e a la p p l i c a t i o np r o j e c t k e y w o r d s ：m a c h i n e r y a n de q u i p m e n t , s t r e s sd e t e c t i o n , r e m o t em o n i t o r i n g , g p r s ，n e t 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：参扯日期：蠢堕受l 垃 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编 本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库 使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签孙审椭导师c 签孙夭军磊t 日期砌罗咖 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第1 章绪论 科学技术的发展使机械设备在现代化工业生产中的作用日益突出。设备在 运行过程中的任何故障，都会造成一定程度的经济损失，甚至导致灾难性的人 员伤亡和恶劣的社会影响【l 】。如：据日本共同社报道，大分市消防局和大分县警 方透露，2 0 0 9 年1 月2 3 日上午9 点半左右，该市青崎地区的南日本造船公司发 生安全事故，一座架于在建船只上的栈桥脱落，多名正在栈桥上的工作人员坠 落。据大分东警署称，事故造成2 3 人受伤，其中2 人已经死亡。2 0 0 8 年5 月 3 0 日零时2 3 分，在沪东中华造船( 集团) 有限公司一船坞区域内，两台龙门吊 在吊运过程中发生倒塌事故，造成3 人死亡，2 人重伤，直接经济损失4 7 6 6 万 元。为了保证机械金属结构在服役期内的安全性，实时了解结构的工作状况， 及时调整结构的运行条件或采取适当的养护、维修措施已经成为设备制造厂和 使用单位所关注的重点。 状态监测与诊断旨在通过各种检测手段，判断机械设备运行是否正常，并 经过分析，找出故障原因，以便维修，或者在故障尚未发生之前作出预报，避 免发生事故。研究资料表明，开展监测与诊断工作所取得的经济效益非常显著【l 】： 日本在采用诊断技术之后，事故率减少了7 5 ，维修费用降低了2 5 5 0 ； 英国两千多开展了监测诊断工作的大型企业每年节省维修费用数亿英镑：在我 国，推广监测与诊断技术，每年可减少事故5 0 - 7 0 ，节约维修费用1 0 3 0 。专家分析，开展监测与诊断技术工作的投入产出比约为1 ：1 7 ，在保障安全 生产的同时，不仅可以取得巨大的经济效益，而且还具有深远的社会意义【2 】。 现阶段我国对于大型机械设备的结构应力检测仍主要沿用传统的定期检测 和有线数据传输方式。检测人员定期携带大量的检测仪器和设备到工作环境复 杂的的机械设备上进行检测。由于现场环境复杂，贴片、布置电缆、和携带测 试仪器都十分困难，在需要多次测试的时候，检测人员更是疲于奔命。尽管检 测人员的工作危险而且繁琐，但所得到的数据只是我们所选取时间点的机械的 工作状况，并不能完全说明整台机械设备长期以来的工作状态。由于无法长期 武汉理工大学硕士学位论文 监测机械的结构应力，使操作人员无法在第一时间发现设备的安全隐患。在机 械设备结构应力现场检测中，检测人员检测到的数据只能以文件的方式存储于 笔记本中。事后将数据带回来进行显示和分析，最后出具相应的检测报告。数 据无法实现远距离传输，操作人员更无法在远程的控制室中方便直观的了解当 前设备的工作状态。 随着设备的大型化、连续化、高速化，使得对安全的要求越来越高。传统 的检测方式存在的以上缺点使得它日益不能满足人们的要求。因此一种能长期 稳定实时远程在线监测大型机械设备结构应力的系统对厂家和用户来说都是及 其需要的。这样不但可以大大减轻专业检测人员的劳动强度、节约人力、提到 效率，而且工作人员能够远程实时了解机械设各的运行状况，及时发现问题并 采取相应的措施，避免事故的发生。 本课题来源于国内大型港口企业“港口大型机械金属结构在线监测与诊断 系统研制 课题。要求利用安装于现场的传感器和检测仪表等设备，通过可靠 的数据传输手段，对机械设备主要机构的金属结构应力状况进行远程在线监测， 对结构应力异常情况进行诊断分析。 1 2 课题研究的目的与意义 本课题研究的目的是在国内外机械设备监测诊断技术发展的基础上，针对 大型机械监测现状及现代化管理的要求，以大型型机械金属结构应力应变为研 究对象，提出大型机械设备结构应力远程在线监测与诊断方案；以先进传感技 术、g p r s 技术和n e t 开发环境为基本构架，建立结构应力远程在线监测系统， 为现代化设备监测和管理提供一个新的思路与帮助。 随着机械设备朝着大型化、连续化、高速化和自动化方向发展，使得设备 的组成与结构变得越来越复杂。这一方面提高了效率，降低了生产成本，但另 一方面机械设备发生故障的机会越来越多，造成停工停产所带来的经济损失也 越来越大。因此对现代化机械设备工作的安全性和可靠性都提出了更加严格的 要求。为了确保各种机械设备结构的安全运行，提高其可靠性和安全运转率， 必须采取相应的措施对机械设备的运行状态安全性实行有效的监测和控制，以 便及时发现异常情况，采取措施减少或避免发生故障和事故，保证设备运行安 全可靠。 2 武汉理工大学硕士学位论文 通过g p r s 无线网络将采集到的设备应力数据方便的传送到监测中心，监 测人员只需要在一台联网的主机上便可以方便，形象直观的看到机械结构工作 状态的详细数据，从而使工作人员能随时掌握机械结构的状态，有利于从根本 上改变传统的“定期维修 和“事后维修”方式。这对提高设备的安全性和经 济性，提高设备的运行效率都具有非常重要的意义。 1 3 国内外研究现状及发展动态 1 3 1 国外研究现状及发展动态 美国最早开展状态监测与诊断技术研究，1 9 6 7 年，在美国宇航局和海军研 究所的倡导和组织下，成立了美国机械故障预防小组，其后，美国的b e n t l y 、 h p 、s c i e m i f i ca t l 锄m 等公司也都成立了诊断技术研究中心，各自开发了高水平 的诊断系统；英国对设备故障诊断技术的研究开始于2 0 世纪6 0 年代末，目前， 英国在摩擦磨损、汽车、飞机发动机监测和诊断方面具有领先优势：日本在钢 铁、化工、铁路等民用工业中的诊断技术也具有较高水平【3 1 。 1 ) 日本：大型机械监控技术应用研究 日本安川公司的基于无线接入技术的起重机监控系统( c r a n em o m t o f i n g s y m e m ，c m s ) 利用移动通信技术与智能传感技术相结合，实现了对集装箱装卸 设备的远程监控。借助于远程监控可以将企业内部的信息网与控制网有效地连 接起来，实现对生产状况的随时掌握，把生产状况同企业的经营管理策略紧密 结合，从而实现企业的综合自动化；可以建立网络范围内的监控信息、数据、 知识的资源库；可以实现现场运行数据的实时采集，为远程故障诊断提供依据： 技术人员无需亲临现场或恶劣环境就可及时监视现场设备状况并控制生产系 统，实现无人或少人值守。 日本住友公司开发的包括金属结构应力在内的大型起重机械监控系统应用 超高速交换路由技术实现其遍布全世界的机械产品在线状态检测。在结构应力 检测中，住友主要使用可靠性高的焊接式电阻应变计，为其国际化、网络化、 高品质服务提供有力依据。 2 ) 马来西亚：港口设备监控与调度管理系统 马来西亚的j o h o r 港口利用无线接入技术实现装卸机械、集装箱、船舶与监 3 武汉理工大学硕士学位论文 控中心的实时数据通信，并借助o r a c l e 数据库软件和相应计算机硬件完成实时 在线数据交换，利用美国n a v i s 公司的s p a r c s 和e x p r e s s 软件系统，进行统 一监控与调度，实现了集装箱自动化作业。 3 ) 荷兰：基于g i s 和无线通信的港口智能化信息管理系统 荷兰鹿特丹港的智能信息管理系统包括三个子系统：港区地理信息系统、 港区箱管信息系统、港区监控调度系统。采用2 4 g 微波扩频技术提供信息交换 平台，使三个系统无缝连接。港区地理信息平台是收集、存储、管理、综合分 析和处理空间信息和港区车辆交通信息的计算机系统，是g i s 技术在港口车辆 调度系统中的延伸。港区箱管信息系统建设在通讯网络和地理信息平台的基础 上，将港区现场的各种机械( 岸桥、场桥、叉车、集卡等) 相关信息一方面实 时地反映到电子地图，另一方面送入监控调度系统。港区监控调度系统把整个 港区的设备集成到一个网络中，实现作业信息和设备状态的一体化管理【4 】。 1 3 2 国内研究现状及发展动态 监测与诊断技术在我国广泛的研究开始于2 0 世纪8 0 年代，目前，国内有 多家科研院所和高校正在进行故障诊断技术的研究，清华大学、西安交通大学、 华中科技大学、东南大学、同济大学、武汉理工大学等高校都有自己非常有特 色的研究成果l 引。 1 ) 上海交通大学：基于移动通信技术的港口起重机远程监控系统n e t s c a d 上海交通大学n e t s c a d 系统的现场监控采用的是g e 9 0 3 0 系列p l c ，利用 无线网关连接现场起重设备和监控中心，通过t c p f i p 协议实现检测数据的无线 传输 5 】。系统可对码头的任一台设备进行在线监测，必要时可对故障设备进行 远程诊断。但是，该系统监控对象仅为设备电控信号，且在港口恶劣环境下的 实时性、可靠性和稳定性有待进一步提高。 2 ) 天津港：基于短信平台的起重机动态监测装置 天津港起重机动态监测装置安装在港口门式起重机上，于2 0 0 1 年投入使用， 可以动态地测出门式起重机的吊装重量、电源的工作电压、耗用的电能、各运 行电机的三相定子与转子电流、卷扬系统齿轮箱的冷却油温、起重机旋转的角 度、起重钩头的高度及桥臂前后运动的限度等，可将测得的主要信息记录在i c 卡、磁卡或其他记录媒体上，定时将上述信息以无线通讯方式发送到局域网。 该装置除缺少金属结构监测外，因其使用特殊记录载体，较适合于生产经营管 4 武汉理工大学硕士学位论文 理监督，而不利于操作人员管理人员及时、直观地掌握设备状况【6 j 。 3 ) 华中科技大学：网络化远程监控 以华中科技大学为代表的国内科研机构将i n t e m e t 技术引入设备远程监控系 统中，实现了基于i n t e m e t 的远程监控。目前正在向嵌入式i n t e m e t 接入技术和 基于m u l t i a g e n t 的分布式智能测控方向作进一步研究。在分布式监控领域，目 前，m a s 的研究在国外逐渐增多，国内也在起步，但大多这些研究或者停留在 理论层面，或者只具备不多的a g e n t 特性，并且缺少与控制算法有机融合。基 于m a s 的分布式智能监控技术与一般智能信息系统中的m a s 技术相比具有 一定的特殊性，它要求高的实时性和可靠性，同时要考虑其强的资源受限性。 4 ) 武汉理工大学：光纤光栅大坝健康监控系统 该系统应用光纤光栅传感器，建立结构应变监测系统，目前在武汉长江二 桥、水布垭大坝等重要设施的监控中发挥巨大作用。 5 ) 南京长江大桥：利用电阻应变计的结构在线健康监测系统 南京长江大桥健康监测系统于2 0 0 4 年投入使用，由传感系统、信号分析与 处理系统、监测与评估系统组成。为了满足采样速率和数据实时处理的要求， 系统将信号分为三类由三台计算机分别控制，三类信号分别是：应变类( 传感 器采用金属电阻应变计) 、振动类( 传感器主要有加速度传感器、拾振器) 和位 移环境类( 传感器主要有位移计以及温度计、风速仪、地震仪等) 。设备运行的 可靠性、被测信号的真实性和有效性( 特别是识别雷击、周边环境等各种干扰) 在该系统中得到较好的解决。为了保证采集箱数据远距离传送的可靠性，采用 r s 4 8 5 标准接口；为了防止扩展时前级机箱故障对后级系统的影响，扩展采用 分别中继，保证了1 6 公里范围内所有数据安全可靠的传送。数据进入控制室后， 经r s 4 8 5 e p p 转换器传入计算机，为提高数据传输的快速和可靠，后期改为用 1 3 9 4 火线口或直接使用p c i 口。转换器内设置的单片机，负责控制数据采集和 将数据直接传送到计算机内存，保证了计算机的c p u 有足够的时间对信号进行 预处理、存硬盘、显示以及将有效数据传送至上位机，实现了对数据的实时处 理，避免了大量监测数据得不到妥善处理和利用，无用数据造成数据库的堵塞。 控制中心利用获取的信息分析结构的工作状态，评估结构的可靠性，为大桥的 管理和维护提供科学的决策依据【7 j 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 课题研究的内容 论文的主要研究内容如下： 第一章简要阐述研究目的和意义，并就国内外有关机械结构应力监测技术 的现状及发展动态作出综合评述。 第二章分析大型机械结构应力监测理论方法，对基于应变电测和基于光纤光 栅传感的应力监测技术进行对比分析。 第三章构建大型机械结构应力远程在线监测系统硬件。对系统硬件进行设 计和选型。 第四章重点研究大型机械结构应力远程在线监测系统软件。对系统软件的 结构、各个功能模块的工作原理、作用进行详细的阐述，并编制软件程序。 第五章结合应用案例，分析大型机械结构应力远程在线监测系统在实际工 程项目中的应用，对系统在复杂现场环境中的工作状况给出直接的评价。 第六章全面总结论文主要研究工作和成果，并对下一步研究工作和发展方 向做出展望。 本文提出的机械结构应力远程在线监测系统目的是为了解决机械结构应力 长期实时在线监测和应力数据的远程无线传输问题。通过采用g p r sd t u 实现 数据的无线运程传输；采用s q ls e r v e r 2 0 0 0 大型数据库解决机械结构应力长期 监测中海量数据存储问题；同时基于n e t 平台的a d o n e t 技术通过非连接方 式访问数据源则大幅度提高了数据库数据检索和查询的速度。本文研究成果可 以提高机械设备的安全性、减少设备故障的发生和提高设备的使用率，具有一 定得理论指导和工程应用价值。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章机械结构应力监测方法 本章的研究目的是提出大型机械结构应力在线监测的理论基础。讨论当前 工程实践中常用的监测方法和不同方法下所采用的方案。 2 1 机械及其金属结构 1 ) 概述 机械结构应力是大型机械安全性的重要指标，它直接反映大型机械的安全 状况。港口机械做为大型机械的一类代表，主要是用来完成船舶与车辆装卸、 库场的堆码、拆垛和转运，以及舱内、库内、车内作业的起重运输机械，是一 种间歇动作机械，具有短暂、重复、周期性循环的工作特点。港口机械种类繁 多，就其基本组成而言，主要由工作机构、金属结构以及动力和控制系统三个 基本部分组成【8 】。 ( 1 ) 工作机构 工作机构是起重机械不同运动的执行机构，其作用是实现物品的升降和平 移运动，从而实现装卸、转载、搬运、安装作业要求。港口机械常用的工作机 构有起升、运行、变幅以及回转四大机构。此外针对某些起重机的特殊使用要 求，有时还设有伸缩机构、放倒机构等。在所有这些机构中，实现物品垂直升 降运动的起升机构是起重机械的基本工作机构，其他机构则是配合起升机构工 作实现物品搬运的辅助机构，可根据不同类型的起重机械和使用要求设置。 ( 2 ) 金属结构 金属结构是港口机械的支持构架，用以支承各工作机构物品、自重及外部 载荷，并将这些外载荷传递到起重机械的支承基础。 ( 3 ) 动力和控制系统 动力装置是港口机械的动力源，它在很大程度上决定了起重机的性能和特 点。控制系统是控制各机构执行的系统，通过控制系统实现工作机构的各种动 作。此外还包括起重机上的照明、安全装置的控制和联络等。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 港口机械金属结构的一般簧求 港蹬机械一般都是工作条件十分繁重的重型机械设备，其载荷复杂多变， 动态性质显著。作为骨架的金属结构，设计制造质量的好坏直接影响整机可靠 性、适用性和制造、运转成本。对港口机械金属结构一般有如下基本要求： ( 1 ) 满足总体设计要求。即满足总体提出的机构学及总体布置的要求，使 结构与结构之间，结构与机构之间关系协调，互不相碰。 ( 2 ) 坚固耐用、性能良好。为保证港口机械坚固耐用、安全可靠，金属结 构必须有足够的静强度、规定寿命下的疲劳强度和各构件的整体和局部稳定性。 为了具有疑好的使用性能和动态毪麓，金属结构瘫其有足够的静态、动态刚性。 ( 3 ) 重量轻、材料省。重量是港口机械重簧的技术经济指标。港口机械金 属结构的重量通常要占整机重量的6 0 7 0 ，对具有大型结构件的起重机，这一 篦例可上升到8 5 - - , 9 0 。降低金属结构的重量不仅能节约结构本身的钢材，丽且 能减轻机构和码头的负荷，降低机器和码头的造价。 ( 4 ) 构造合理、工艺性好。金属结构的构造型式既要适应结构的受力特点， 使传力路径短、力流乎德，又应保证结构具有良好的工艺性，使制造、运输、 安装和维修方便。 ( 5 ) 造型美观。 3 ) 港口机械金属结构状态 港霸机械金属结构状态，是指金属结构或结构系统的工作性镜满足使焉要 求的程度，它主要表现为： ( 1 ) 金属结构对工作中各种可能出现的载荷的承载能力( 强度、刚度、稳 定性等) ，亦即结构的安全性。 ( 2 ) 金属结构在工作中的变形与动态响应对静刚度、动刚度条件的符合程 度，亦即结构的适用性。 ( 3 ) 金属结构在实际使用条件下使用寿命与设计寿命的符合程度，即结构 的耐久性。 由于各种原因，金属结构在使用过程中会出现不同形式的破坏，因而金属 结构的工作状态是一个随时间、随工作条件不断变化的物理过程或化学过程。 在港日机械中，常见豹金属结构俘的失效现象主要有以下几种： ( 1 ) 构件折断。门座起重机的臂架、象鼻梁、大拉杆、小拉杆、支承圆筒、 g 武汉理工大学硕士学位论文 转台主梁等均会发生弯折、断裂现象。 ( 2 ) 连接焊缝开裂。港1 5 1 机械的金属结构件的转折处及其连接焊缝往往产 生裂纹现象。 ( 3 ) 结构件的连接销轴严重磨损，最终导致连接螺栓剪断或拉断。 ( 4 ) 主要承载结沟变形过大，乃至出现塑性变形。 此外，还有异常工况造成两机相撞，甚至脱轨倾覆造成金属结构严重变形。 引起机械金属结构失效的原因十分复杂。根据实际中反映出来的问题分析， 主要有以下方面： ( 1 ) 材料因素。港口机械采用的金属材料虽然需要进行一定的检验，但是 在冶炼、加工、运输等过程中所产生的微小缺陷是不可避免的。 ( 2 ) 设计因素。金属结构目前采用设计方法几乎都是传统的强度理论( 虽 然说防断裂设计、可靠性设计等一些新的设计方法也正得到广泛的使用) 。传统 的强度理论是在假设材料是各向同性的、均匀、连续的基础上建立起来的。由 于它没有考虑材料本身的缺陷，这种方法虽然简单、实用，其强度和韧度指标 及计算结果也能满足设计要求，但它不能保证具有缺陷结构的安全使用。 ( 3 ) 制造安装因素。制造质量问题主要表现在：有的结构件在制造时未充 分满足设计的技术条件；有的焊缝布置不当，焊缝质量不符合有关规范，质量 不高，存在漏焊、假焊、气泡、夹渣等现象，焊缝接头不好，不平度太大，制 造及安装过程中未注意到这些问题造成局部失稳，因而丧失了应有的承载能力； 有的制造、安装精度达不到设计要求，使结构件在起重机作业过程中承受较大 的冲击载荷。 ( 4 ) 使用、维护因素。港口大型机械金属结构在使用过程中，经常处于反 复起制动的交变动载荷的作用，冲击载荷大，超载使用也时有发生。此外对有 的使用年代过长，超期服役的机械缺乏必要的保养和检查。 2 2 机械结构应力在线监测方法 工程中的力学问题一般采用计算分析和实验分析两种方法，其中实验分析 运用各种实验方法和技术，确定结构受力情况下应力应变状态，研究构件之间 的相互作用。实验应力分析的任务就是采用实验方法测定结构的力学参数，如 9 武汉理工大学硕士学位论文 应力、应变等，用以解决力学中的工程结构和机械强度问题。本节结合实际应 用实验，研究基于光纤光栅传感技术与电阻应变传感技术的结构应力在线监测 方法。 2 2 1 基于光纤光栅传感技术的应力在线监测方法 光纤光栅是上世纪9 0 年代新兴的一种在光纤通讯、光纤传感和光信息处理 领域有着广泛应用前景的基础性光学器件1 9 1 。其利用掺杂光纤的光敏特性，经某 种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用导致纤芯折射率沿纤 轴方向周期性或非周期性的永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅。当向光栅 中注入宽带光时，在其中传输的光波就在这种折射率微扰下产生模式耦合，在 光栅的入口反射出布拉格( b r a g g ) 波长的反射谱。 1 ) 光纤光栅应变传感原理 光纤光栅的传感原理如图2 1 所示。 通过检测光纤内部写入的光栅反射或透射布拉格波长光谱，可以实现被测 结构的应变和温度值的绝对测量。光纤光栅的反射或透射波长主要取决于光栅 周期改变量人和反向耦合模的有效折射率玎折，任何使这两个参量发生改变的 物理过程都将引起光栅波长的漂移，它们与波长改变量m b 间有式2 1 的关系。 此= 2 八 ( 2 - 1 ) 由于光栅无论是拉伸还是压缩，均会导致光栅周期人发生变化。此外，光 1 0 粤圃 武汉理工大学硕士学位论文 纤本身具有的弹光效应决定了它的有效折射率甩折必定随外界应力状态的变化 而变化，因此应力应变是所有反映光栅波长漂移的最直接外界因素，这是光纤 光栅可以制作成光纤应变传感器并检测应力应变特性等基本物理参量的原因。 应力应变引起的光栅波长漂移可用下式表示： a 2 b = 以( 1 一) a c = k ，s ( 2 - 2 ) 式中：只一光栅的弹光系数： k 。一测量应变的灵敏度。 由式( 2 - 2 ) 可知，光纤光栅应变传感器是以光的波长移位量为最小计量单 位的，目前检测波长移动的分辨率已高达p m 量级，因此，光纤光栅应变传感器 具有非常高的测量精度。光纤光栅传感器在结构检测中只需要检测光纤光栅波 长分布图中波峰的准确位置，而与光强无关，故对光强的波动不敏感。与普通 光纤传感器相比，光纤光栅传感器具有更高的抗干扰能力和更加优异的变形匹 配特性。 温度变化引起的波长漂移k 可用下式表示： = k r a t = k + 孝) r ( 2 3 ) 式中：口一光栅的热膨胀系数； f 一光栅的热光系数。 试验证明，采用光纤光栅温度补偿传感器可以克服温度对应变测量的影响。 光纤光栅应变传感系统由四大部分组成：光纤光栅传感器、宽带光源、光 纤光栅解调器、二次仪表部分。光纤光栅分布传感的原理如图2 2 所示。假设多 个光纤光栅的反射光波长为 ，五，以，与待测结构沿光纤光栅阵列各 测量点1 ，2 ，刀相对应，则这些光纤光栅感应待测构件沿线分布的应变 并使它们的反射光波长发生改变；改变的反射光经传输光纤从测量现场传出， 通过光纤光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将它们转换成电信号；由二 武汉理工大学硕士学位论文 入射光谱 i 睑工1 川丸1 j r 应变场 上 图2 2 光纤光栅分布传感的原理图 次仪表计算出待测结构各个测点的应变大小，从而获得各构件应变分布。 2 ) 光纤光栅传感技术研究现状 近年来，光纤光栅传感技术已成为一种具有变革意义的技术，在结构检测 方面有重要的应用价值。 自1 9 8 9 年m o r e y 首次提到将光纤光栅用作传感以来，光纤光栅传感器受到 了世界范围内的广泛重视，各国研究者积极开展有关研究，在每年的国际光纤 传感会议( o f s ) 及国际光学工程会议( s p 正) 上，这方面的研究论文一直占有 相当的比重。光纤光栅传感技术现己发展成为工程结构状态监测研究的热点。 据统计9 1 ，国外光纤光栅传感器已经在市政工程、电力工业、航空航天业、 船舶工业、医学、核工业、石化工业、水利、采矿业等领域获得了应用。 目前，其应用最多的领域之一是桥梁安全监测【1 0 1 。自1 9 9 3 年加拿大的 b e d d i n g t o nt r a i l 大桥首先使用了光纤光栅传感器进行桥梁结构长期监测以来， 国外先进发达国家都用它作为桥梁长期安全监测的首选技术。如美国新墨西哥 l a sc r u c e s 的i 1 0 桥梁工程用了6 7 个光纤光栅传感器贴在桥下的钢梁上测量桥 上车辆运动引起的形变应变，传感器可探测经过桥梁的重型卡车和超重卡车数， 也可探测动态荷载引起的结构响应；此工程也可将传感器置于强应力位置来验 明结构的损坏和退化，了解桥梁对交通响应的长期变化。佛蒙特大学的f u h r 和 h u s t o n 领导的研究小组用光纤光栅传感器远距离监测沃特伯里佛蒙特钢桥；德 国的m e i s s n e r 等人将布拉格光栅埋入德累斯顿高速公路上一座跨度7 2 米的预应 力水泥大桥的混凝土棱柱中，测量荷载下的基本线性响应。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 应用光纤光栅传感器的领域还包括电力、石化、航空航天和核工业等行业。 电力工业中的设备大都处在高电压、强电磁场中，很多情况都无法在线检测如 高压变压器绕组、发电机定子的温度和位移等参数。光纤光栅传感器是进行这 些测量的很好的选择。有一些电力设备经常位于难以到达的地方，如荒山野岭、 沙漠荒原中的传输电缆和中继变电站，使用分布式光纤光栅传感系统的遥测能 力可以极大的减少设备维护费用。国外已有将光纤光栅传感器用于高压电流测 量、高压变压器线圈绕组温度测量以及传输电缆荷载监测的成功案例。石化工 业属于易燃易爆的领域，电类传感仪器用于诸如油气罐、油气井、油气管等地 方的测量存在不安全因素。国外正在尝试使用光纤光栅传感器监测输油管的泄 漏和在线测量钻井过程中井下温度、压力等参数。在航空航天，分布式光纤光 栅传感器可高精度地、高空间分辨率地测量温度、压力和应变，监测炭纤增强 复合材料的制造和性能以及喷气涡轮发动机的高级测试。核工业是个高辐射的 地方，核泄漏对人类是一个极大的威胁。核电厂的反应堆建筑或外壳结构有很 厚的钢或钢筋混凝土地板和墙，是设计用于防止核泄漏的最后防护屏障。使用 光纤光栅传感系统进行遥测将极大地增强可靠性、安全性。1 9 9 5 年，法国的 c e a - l e t i 、e d f 和f r a m a t o m e 就开始了一个联合计划发展布喇格光栅变形测量 仪用于核电厂的混凝土测量。美国和德国也在研究用光纤光栅传感器监测地下 核废料储藏器中的应变和温度。 光纤光栅传感器已开始从实验室走向实用化和商品化。由于光纤光栅性能 的稳定、温度与应变的交叉敏感效应、增敏与去敏封装技术、感测信号解调的 光电转换及性价比等一系列问题还未有效地解决，致使多数研究成果仍处于实 验室研究阶段，其中传感机构、解调方案及复用技术的研发一直是重点内容。 首先是传感机构，目前相关的研究集中在以下方面【l l 】： ( 1 ) 光纤光栅传感器及其交叉敏感分离技术。1 9 7 8 年，b u t t e r 最先推导了 裸光纤光栅变形时折射率变化与应变、温度的关系。实际上，应变与温度对光 纤光栅的作用是耦合的，因此检测单个光栅的波长变化无法对应变和温度加以 区分。目前，在解决光纤光栅对温度与应变交叉敏感的问题上，国内外多采用 双波长矩阵运算法、双参量矩阵运算法和温度补偿法三种方法。 ( 2 ) 光纤光栅与被测构件之间的相互影响，以及光纤光栅传感器的有效性 和可靠性的研究，该方面研究直接关系到光纤光栅在结构中的应用。m s o n g 等 对非均匀应力场下埋入式光纤光栅应变i 温度传感器的响应特性进行实验研究， 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 并进行对比；a t a l a v i e 等制作了一系列的光纤光栅传感器，其中包括位移、应 变、温度传感器等，并且还对这些标准化的传感器进行了一系列的试验，分析 制造过程中各种因素对光纤光栅传感器有效性和可靠性的影响；k a r ap e t e r s 则对 埋入光纤光栅后的应力集中问题进行研究，并且对参数进行优化以使应力集中 最小化。 ( 3 ) 光纤光栅传感器的耐久性的研究。c y w e i a 对影响埋入的光纤光栅的 耐久性的各个因素进行分析，并且通过静载与疲劳荷载等实验以及数值模拟， 研究不同荷载状态下埋入式光纤光栅的耐久性，而且还对粘结材料对光纤光栅 耐久性的产生的影响进行了研究；r i c c a r d of a l c i a i 等对光纤的多种粘结材料进行 研究分析，发现不同的粘结材料对测量信号以及耐久性都有比较大的影响。 ( 4 ) 多维应变场测量技术的研究。普通光纤光栅对轴向应变敏感，而横向 应变不敏感，因此单根光栅不可能用来测量复杂应变场，这方面u d d 和l a w r e n c e 采用偏振保持光纤上写入两个波长相差很大的光栅，反射谱包含4 个峰值，与 温度作用下构成四个独立的方程，通过标定求得灵敏度矩阵，可以方便地由波 长移动值求得复杂应力状态下的三个主应变和温度值。 ( 5 ) 多参量传感器的研究。根据待测参量的性质，通过选择适当的传感机 构、材料、工艺等设计传感器，将待测参量转化为可检测的光纤光栅波长漂移 量。目前，传感器已应用于应变、位移、加速度、电压、磁场、频率、浓度等。 其次是解调方案。利用光纤光栅具有波长编码的特点，通过波长解调可获 得传感信号的变化状态。目前，解调方案大致分为三大类：准静态解调方案、 动态解调方案及动静两态解调方案。但从以上方案来看，每种解调方法都有自 己的优点，但没有哪种能够同时满足高分辨率、动态与静态参量同时测量、多 点复用以及成本不高的要求【1 2 j 。 ( 1 ) 微弱光信号的微小波长偏移量检测问题。在结构监测中，要求光纤光 栅传感器在0 0 1 和l g 的情况下，解调器的分辨率要能够达到l p m ，这是极高 的波长分辨率。另外布拉格光栅的光谱带宽常为0 0 7 - 4 ) 2 5 n m ，反射信号的光能 量只是系统光源总能量的非常小一部分，要求系统具有高的信噪比能力。 ( 2 ) 静态与动态信号结合性检测。在工程结构的安全监测中，被测量既有 大幅度缓慢变化，又有小幅度快速变化，所以动态和静态结合检测法极为重要。 ( 3 ) 复用型系统传感信号的解复用检测。光栅传感最大的优势在于可方便 地进行传感器复用实现分布式测量，然而传感器复用数目的增多加大了解调难 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 度。波分复用信号是长信号，需要解调装置具有传感定位并且宽的解调能力； 时分复用信号是时域离散信号，其解复用是以不同的时隙为依据，借助光开关 而进行的分时波长解码处理，但光开关效应速率不高，只能用在对准静态信号 如温度的测量，而不能用做动态测量使用。目前武汉理工大学光纤传感中心已 开发出四通道同步扫描光纤光栅解调器。 还有复用技术，这是光纤光栅传感器独有的技术，是实现多点传感的重要 途径。光纤光栅传感网络中的各个传感元件在空间上以分立方式呈线型、面型 或体型结构分布。已报道的复用技术可分为单项复用技术与综合复用技术两大 类。前者包括波分复用( w d m ) 、时分复用( t d m ) 、空分复用( s d m ) 、码分 复用( c d m