[發明專利]一種隔膜濾板的芯板在線監測系統及方法

有效

• 申請號: 201510969891.6
• 申請日: 2015-12-21
• 公開（公告）號: CN105606275B
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 賈玉璽;董琪;萬國順;郭云力
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01K11/32
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

1.一種隔膜濾板的芯板在線監測系統，其特征是：包括光纖光柵解調儀、光纖耦合器、處理器和光纖光柵傳感器組件，其中，光纖光柵傳感器組件設置于芯板內，光源發出光信號，光信號通過光纖耦合器傳輸到光纖光柵傳感器組件，光信號與光纖光柵相互作用后，反射光經過光纖耦合器進入光纖光柵解調儀，光纖光柵解調儀連接處理器；

所述光纖光柵傳感器組件，包括若干列的光纖光柵對傳感器嵌件，所述光纖光柵對傳感器嵌件，包括溫度光纖光柵和應變光纖光柵，溫度光纖光柵用來測量溫度，應變光纖光柵用來測量應變，溫度光纖光柵和應變光纖光柵平行、相鄰排列，溫度光纖光柵中的每個溫度光柵單元與應變光纖光柵的每個應變光柵單元一一對應；

所述光纖光柵對傳感器嵌件的端部設有光纖連接器的內埋接頭，光纖光柵對傳感器嵌件上分布有若干個棒狀支撐，以實現在模壓、注塑成型過程中嵌件在模具中的定位和固定，所述棒狀支撐與芯板模具上預設的安裝孔相配合或將棒狀支撐的端部粘接固定在模具上。

2.如權利要求1所述的一種隔膜濾板的芯板在線監測系統，其特征是：所述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端口； 所述光纖耦合器有一個或者兩個，光信號分成一路或者兩路，分別通過一個或者兩個光纖耦合器傳輸到光纖光柵傳感器組件的一端或者兩端，形成一個或者兩個端口。

3.如權利要求1所述的一種隔膜濾板的芯板在線監測系統，其特征是：所述光纖光柵對傳感器嵌件固定于芯板的模具內腔，在模壓或者注塑過程中和芯板一體成型。

4.如權利要求1所述的一種隔膜濾板的芯板在線監測系統，其特征是：所述的光纖光柵對傳感器嵌件是通過熱塑性塑料封裝技術來制備的，將芯板結構內埋用雙芯光纖連接器的內埋接頭預安裝在封裝模具的一端或兩端，光纖光柵對置于封裝模具中，向模具中澆注熱塑性塑料熔體，冷卻后開模即得到熱塑性塑料封裝的端部帶有雙芯光纖連接器的光纖光柵對傳感器嵌件。

5.如權利要求1所述的一種隔膜濾板的芯板在線監測系統，其特征是：所述處理器包括光纖光柵信號解析模塊、芯板損傷數據庫模塊、CAD建模模塊、CAE有限元分析模塊、芯板健康整體評估模塊和顯示輸出模塊，其中，所述光纖光柵信號解析模塊，用于解析光纖光柵解調儀采集的信號；所述芯板損傷數據庫模塊，用于存儲芯板損傷數據；所述CAD建模模塊，用于建立芯板的三維幾何模型；所述CAE有限元分析模塊，用于仿真計算芯板損傷程度；所述芯板健康整體評估模塊，用于根據芯板的損傷分布狀況評估濾板的健康情況；所述顯示輸出模塊，用于顯示芯板的三維幾何模型和健康情況。

6.一種基于如權利要求1-5中任一項所述的監測系統的方法，其特征是：包括以下步驟：

(1)根據隔膜濾板的芯板的結構以及監測需要刻制光柵單元，并對每個光柵單元編號，選擇兩條光纖光柵組建光纖光柵對；

(2)對光纖光柵對傳感器以及雙芯光纖連接器的內埋接頭采用熱塑性塑料熔體澆注的方式在封裝模具中進行封裝，得到光纖光柵對傳感器嵌件；

(3)采用模壓或者注塑工藝制備隔膜濾板芯板，實現隔膜濾板芯板和光纖光柵對傳感器嵌件的一體成型；

(4)把每個光纖光柵對傳感器嵌件的一端或兩端的雙芯光纖連接器的內埋接頭分別連接光纖耦合器的對應端口，光纖耦合器通過光纖接入光纖光柵解調儀，光纖光柵解調儀通過數據線連接信號處理器，信號處理器解析光纖光柵解調儀采集的信號，求解芯板溫度、應變和應力；

(5)建立隔膜濾板的芯板的三維幾何模型，利用有限元分析方法計算芯板的損傷程度，判斷芯板是否出現損傷，如若出現損傷，判斷損傷位置及損傷程度，輸出損傷，進而評價芯板健康程度。

7.如權利要求6所述的方法，其特征是：所述步驟(3)中，在隔膜濾板芯板模壓或者注塑成型前，在模具內腔中根據封裝后的光纖光柵對傳感器嵌件的棒狀支撐數量預設安裝孔，將光纖光柵對傳感器嵌件的棒狀支撐與模具內腔中預設的安裝孔配合，或將棒狀支撐端部粘膠接固定實現嵌件在模具中的固定；將嵌件端部的光纖連接器的內埋接頭與封堵頭配合；在芯板模壓或注塑成型后，將多余殘留在芯板外部的光纖光柵對傳感器嵌件的棒狀支撐去除，并將芯板表面打磨平整。

8.如權利要求6所述的方法，其特征是：所述步驟(5)中，具體步驟包括：

(5-1)利用CAD建模軟件建立隔膜濾板芯板的三維幾何模型，并導入CAE有限元分析軟件，劃分網格，建立有限元模型；

(5-2)根據空間位置對應關系，建立有限元模型中單元e_xkj和光柵單元xkj的對應關系：將光柵測量的溫度、應變和應力映射到有限元模型中，開展芯板的溫度場和應力應變場的有限元模擬；

(5-3)處理器接收光纖光柵解調儀傳輸來的信號，并統計死亡光柵編號；

(5-4)將接收到的光柵xkj信號進行處理后和芯板損傷數據庫中相應的損傷數據模型對比，診斷光柵單元位置的芯板是否發生損傷以及損傷程度，建立光柵單元和芯板損傷程度之間的關系：xkj→d_(xkj)；

(5-5)結合步驟(5-2)、(5-4)，得到有限元模型中的光柵單元集團在健康監測過程中損傷程度的變化關系：e_(xkj)→d_(xkj)，比較分析損傷程度的有限元模擬結果和步驟(5-4)中所得的診斷結果，豐富、優化芯板的損傷數據庫，然后通過云圖輸出芯板損傷程度的分布狀態；

(5-6)根據損傷程度，預估芯板的安全性和使用壽命，及時發出警報，提高隔膜濾板芯板的使役安全性。