基于光纤光栅的门式起重机健康监测实验系统研究
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摘要
随着我国经济的高速发展,起重机械使用越来越广,同时,为满足日趋复杂的工程建设,起重机械也朝着结构大型化、功能多元化的方向发展。然而起重机械运行工况多变,工作环境也相对恶劣,以往的常规检测耗时耗力,更重要的是无法及时掌握起重机械运行状况,进而导致试验质量的下降。针对上述问题,本文提出对起重机进行在线健康监测。健康监测技术,利用突破常规方法的局限性,利用智能传感技术,能够实现对起重机金属结构状态的长期在线监测,结合起重机损伤预警与安全性评估相关理论,及时对结构损伤发出预警,降低事故发生可能,同时可以根据日常数据积累,对其健康状况做出评估,减少重复检测带来的浪费。
本文首先介绍了健康监测系统的组成、传感器系统原理,通过对不同传感器性能比较,选取MOI光纤光栅应变仪作为传感元件。然后,在分析基于光纤光栅的结构健康监测系统需求与功能的基础上,结合门式起重机金属结构的具体特点,开发了一套集监测、预警、结构安全评价等为一体的门式起重机结构健康监测系统。
文中还提出了基于时间序列分析的主梁变形损伤预警方法。文中通过对比4种时间序列预测模型结果,选取ARIMA模型对起重机主梁应变进行预测,利用相似距离的方法对起重机主梁状态进行识别,实现起重机主梁损伤预警。
本文最后,为了工程应用,在实验室开发了一台门式起重机模型进行工程预演,模拟起重机典型工况,对门式起重机结构健康软件以及基于时间序列分析法的预警方法进行应用。
With the rapid development of economic in China, the use of cranes becomes broader and broader. Meanwhile, to meet the requirement of increasing complex construction project, cranes develop toward large-scale and multiple-function. Because of the bad work environment and complex working condition, the conventional testing always takes too much time and energy, more important, it cannot timely holds the operation status of cranes, which leads to a decline of testing quality. To solve these problems, online health monitoring for crane is presented. Health monitoring technical breaks the limitation of conventional testing, using intelligent sensor technology, not only implements long-term, online monitoring for crane metal structure status, but also gives warning when damage occurred, in order to reduce the possibility of accident. At the same time, with the data those monitoring systems accumulate, combining with related theories of safety assessment for crane structure, it can give the evaluation for crane's health, which reduces the waste of repeat testing.
First, the paper introduces the constitution of health monitoring system, and principle of sensor system. Compared with properties of different sensor, MIO option fiber grating is chosen as monitor sensor. Second, analyzing of requirement and function of health monitoring based on option fiber grating sensor, with the character of crane metal structure, a gantry crane health monitoring system, integrated with monitoring, early warming and safety assessment, is developed.
Third, a crane girder early warming method based on time series analysis is proposed. The paper studies of 4 different kinds of ways to build time series model, and chooses ARIMA model to build mode for the stress of the crane girder. Using similar measure method of time series, the bridge structure condition is recognized. Early warning is implemented based on this method.
Finally, for engineering practice, a crane experimental model is build to preview of typical operating condition. The health monitoring software system mentioned before and early warning based on time series are used to monitor and pre-warn.
本文首先介绍了健康监测系统的组成、传感器系统原理,通过对不同传感器性能比较,选取MOI光纤光栅应变仪作为传感元件。然后,在分析基于光纤光栅的结构健康监测系统需求与功能的基础上,结合门式起重机金属结构的具体特点,开发了一套集监测、预警、结构安全评价等为一体的门式起重机结构健康监测系统。
文中还提出了基于时间序列分析的主梁变形损伤预警方法。文中通过对比4种时间序列预测模型结果,选取ARIMA模型对起重机主梁应变进行预测,利用相似距离的方法对起重机主梁状态进行识别,实现起重机主梁损伤预警。
本文最后,为了工程应用,在实验室开发了一台门式起重机模型进行工程预演,模拟起重机典型工况,对门式起重机结构健康软件以及基于时间序列分析法的预警方法进行应用。
With the rapid development of economic in China, the use of cranes becomes broader and broader. Meanwhile, to meet the requirement of increasing complex construction project, cranes develop toward large-scale and multiple-function. Because of the bad work environment and complex working condition, the conventional testing always takes too much time and energy, more important, it cannot timely holds the operation status of cranes, which leads to a decline of testing quality. To solve these problems, online health monitoring for crane is presented. Health monitoring technical breaks the limitation of conventional testing, using intelligent sensor technology, not only implements long-term, online monitoring for crane metal structure status, but also gives warning when damage occurred, in order to reduce the possibility of accident. At the same time, with the data those monitoring systems accumulate, combining with related theories of safety assessment for crane structure, it can give the evaluation for crane's health, which reduces the waste of repeat testing.
First, the paper introduces the constitution of health monitoring system, and principle of sensor system. Compared with properties of different sensor, MIO option fiber grating is chosen as monitor sensor. Second, analyzing of requirement and function of health monitoring based on option fiber grating sensor, with the character of crane metal structure, a gantry crane health monitoring system, integrated with monitoring, early warming and safety assessment, is developed.
Third, a crane girder early warming method based on time series analysis is proposed. The paper studies of 4 different kinds of ways to build time series model, and chooses ARIMA model to build mode for the stress of the crane girder. Using similar measure method of time series, the bridge structure condition is recognized. Early warning is implemented based on this method.
Finally, for engineering practice, a crane experimental model is build to preview of typical operating condition. The health monitoring software system mentioned before and early warning based on time series are used to monitor and pre-warn.
引文
[1]黄海.港口起重机金属结构安全性评价方法研究.博士论文.武汉：武汉理工大学,2008.
[2]袁慎芳.结构健康监测.北京：国防工业出版社,2007：1～190.
[3]李宏男,任亮.结构健康监测.光纤光栅传感技术.北京：中国建筑工业出版社,2008：1～200.
[4]肖纯.工程结构远程健康监测系统的集成与数据处理的研究.博士学位.武汉：武汉理工大学论文,2006.
[5]纪航宇.基于实时结构健康监测的无线传感器网络研究.硕士论文.北京：北京邮电大学2008.
[6]肖诗轶.结构健康智能监测系统集成研究.硕士生学位论文.武汉：武汉理工大学,2008.
[7]Karen Wood, Timothy Brown, Robert Rogowski. Fiber optic sensors for health monitoring of morphing airframes:1.Bragg grating strain and temperature sensor. Smart Mater. Struct,2005,09:163-169
[8]BOLLER C. Next Generation Structure Health Monitoring and Its Integration into Aircraft Design, International Journal of Systems Science,2000.31.11:1333～1349
[9]张启伟.桥梁结构模型修正与损伤识别.博士论文.上海：同济大学,1999.
[10]SOHN H, FARRAR C R, HEMEZ F, et al. A review of Structural Health Monitoring Literature:1996～2001, Los Alamos National Laboratory Report, LA-13976-MS,2003.
[11]梁磊.光纤光栅智能材料与结构理论和应用研究.博士论文.武汉理工大学,2005
[12]徐志刚.港口大型机械金属结构应力在线检测与专家诊断系统研究.博士论文.武汉：武汉理工大学,2008
[13]MATSUZAKI YUJI. Smart Structures Research in Japan, Review Article, J. Smart Materials and Structures,1997,6.4:1～10
[14]J.E.Udd ·Monitoring Trucks, Cars, and Joggers on the Horsetail Falls Bridge Using Fiber Grating Strain Sensors. Proceedings of SPIE,2005:872～883
[15]Reinhardt Willsch, Wolfgang Ecke·potential Low-Cost Optical Fiber Bragg-Grating Sensor. Systems for Struetural Health Monitoring and Examples of their Application. Proeeedings of SPIE,2002:382～392
[16]N.M.Theune. Multiplexed Temperature Measurement for Power Generators. Proe.of SPIE,2002:214～221
[17]CHANG F K. Ultra Reliable and Super Safe Structure for the New Century Proc.1st European Workshop on Structural Health Monitoring ed D L Balageas,2003:3～12
[18]Valery N.Filippov, Andrey N. Starodumov, Fransisco GPefla Ueona. Fiber Optic Sensor for Simultaneous Measurement of Voltage and Temperature. Proceedings of SPIE,2005
[19]Peter L. Fuhr, Dryver R. Huston, Timothy P. Ambrose. Embedded Sensors Results from the Winooski One Hydroelectric Dam. Proceedings of SPIE,2005:446～45
[20]Y. J. Rao. Recent progress in applications of fiber Bragg grating sensors. Optics and users In Engineering,1999,31:297～324
[21]Ferdinand P, Magne S. Applications of Bragg Grating Sensors in Europe. Proceedings of the 12th International Conference on Optical Fiber Sensors.2005:14～19
[22]李学工.建筑现代港口物流法阵的政策框架.水路运输文摘,2006、2：56～70.
[23]梁磊,姜德生,孙东亚.光纤传感器在混凝土结构中的相容性研究.武汉工业大学学报.2000,22.2：11～14.
[24]杨建良等.刻纹光纤传感阵列及其神经网络处理——适用于结构状态探侧与损伤估计.电子测量与仪器学报.1997,11.11：12～16
[25]杜立峰,闫志刚.光纤传感技术在结构健康监测系统的应用.徐州工程学院学报.2007、4：37～40.
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[32]张华,张志胜等.设备育成监控系统设计与实现.中国制造业信息化,2008、13：46～48
[33]彭强.复杂系统远程智能故障诊断技术研究.博士论文.南京：南京理工大学,2004
[34]吴智深,杨才千,李素贞等.动静态分布传感技术及结构健康监测理论与设计体系. 结构防灾、监测与控制.北京：中国建筑工业出版社,2008：200～252.
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[43]贾振安, 葛朋, 乔学光等.分布式光纤光栅传感系统的波长检测技术.光通信技术.2008、3：32～35.
[44]李爱群,廖长青.桥梁结构健康监测.北京：人民交通出版社,2009：1～174.
[45]刘琨.基于虚拟仪器的光纤传感数据采集与处理系统. 硕士论文.武汉：武汉理工大学,2006.
[46]汪术文.光纤Bragg数据高速采集光栅振动传感和处理系统设计.硕士论文.武汉：武汉理工大学,2003
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[49]朱如龙.SQL Server数据库应用系统开发技术.北京：机械工业出版社,2004：1～164.
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