[发明专利]一种船闸人字门底止水止水状况监测系统及其监测方法

权利要求书

1.一种船闸人字门底止水止水状况监测系统，其特征在于：包括振动检测子系统(1)、裂纹检测子系统(2)、应变检测子系统(3)、闸室水位测量子系统(5)、解调模块(4)、数据传输单元(6)、数据库(7)和可靠性分析与评估子系统(8)；

所述的振动检测子系统(1)、裂纹检测子系统(2)和应变检测子系统(3)均与解调模块(4)连接，所述的闸室水位测量子系统(5)和解调模块(4)均与数据传输单元(6)连接，所述的数据传输单元(6)与数据库(7)串联，所述的数据库(7)与可靠性分析与评估子系统(8)连接；

所述的振动检测子系统(1)和裂纹检测子系统(2)分别由振动传感器阵列和光纤裂纹传感器阵列组成；所述的应变检测子系统(3)由光纤光栅应变传感器阵列和温度传感器组成；其中振动检测子系统(1)、裂纹检测子系统(2)和应变检测子系统(3)将振动、裂纹和应变信息通过解调模块(4)解调之后送入数据传输单元(6)，数据传输单元(6)同时收集闸室水位测量子系统(5)采集的水位信息一并上传到数据库(7)中，可靠性分析与评估子系统(8)通过访问数据库(7)，调用历史数据并结合现行数据，综合考虑人字门门体实际运行情况来判断底止水止水状况。

2.根据权利要求1所述的一种船闸人字门底止水止水状况监测系统，其特征在于：所述的振动传感器阵列分别安装在底枢底止水左、右两处位置；所述的光纤裂纹传感器阵列安装在底枢底止水的中部；所述的光纤光栅应变传感器阵列分别安装在底枢底止水左、中、右三处位置；所述的温度传感器分别安装在底枢底止水左、中、右三处位置。

3.一种船闸人字门底止水止水状况监测系统的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、安装传感器

在船闸启闭过程中，底止水受动水作用影响很大，特别是两侧边缘位置受到高速水流的强烈冲击，从而引起整个底止水装置和门体的剧烈振动，因此在底枢底止水左、右两处位置安装振动传感器阵列实时监测其振动情况；同时如果底止水两侧受力不一致，在底枢底止水中部产生不同程度的拉伸形变，因此在底止水裂纹易发生区域的中间位置布设光纤裂纹传感器阵列；在底枢底止水左、中、右三处位置采用分布式的监测方式安装光纤光栅应变传感器阵列来实时监测底止水各处的受力情况，同时分别布设温度传感器进行温度补偿；

B、实时获取底止水状态信息

振动检测子系统(1)、裂纹检测子系统(2)和应变检测子系统(3)实时监测底止水状态信息，所述的底止水状态信息包括：底止水振动是否异常、是否出现裂纹、应力是否过大；

C、解调信息

解调模块(4)实时解调振动检测子系统(1)、裂纹检测子系统(2)和应变检测子系统(3)采集到的底止水状态信息；

D、处理并上传数据

在人字门关门充水阶段底止水开始止水，这一阶段中门体振动的主要激励源是由于水位变化而产生的水压和冲击载荷，而水位是逐渐上升的，因此在此阶段中冲击载荷激励次数相对较少，解调模块(4)根据振动检测子系统(1)监测到的振动时域信息，得出振动加速度响应值，实时了解稳态响应的变化趋势和极值区间范围以及瞬时响应的最大冲击加速度是否超过了底止水强度限度的加速度极值；

由于光纤光栅应变传感器的波长频谱会受到外界温度的影响而发生漂移，为了保证监测数据的稳定性，需要用温度传感器对其进行温度补偿，补偿公式如下：

$V_B\left(\mathrm{\ϵ}\right)-\frac{{\mathrm{dV}}_B\left(T\right)}{dT}(T-T_0)=\frac{{\mathrm{dV}}_B\left(\mathrm{\ϵ}\right)}{d\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ϵ}---\left(1\right)$

式中：为温度影响系数，取值在0.8～1.2MHz/K之间；ε为光纤应变量；V_B(ε)为光纤应变量是ε时的波长漂移量；为比例系数，取值在0.48GHz/％～0.55GHz/％之间；T-T₀为温度变化量，T₀为标定的初始温度，T为补偿温度；

在满足温度补偿条件下，即在式(1)的基础上，光纤应变量由下式求得：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}(1-{\mathrm{\ρ}}_e)}---\left(2\right)$

式中：λ为布拉格参考波长；Δλ为波长漂移量；ρ_e为弹光系数，由材料本身决定；

应力与光纤应变量满足线性关系：

σ＝E*E(3)

式中：σ为底止水应力；E为钢材的弹性模量，取2.1×10⁵MPa；

由闸室水位测量子系统(5)采集的闸室水位值，求得底止水水位差压力为：

P＝ρgh (4)

式中：P为底止水水位差压力；ρ为水的密度；g为重力加速度；h为闸室水位值；

根据式(1)-(4)求得底止水所受压力为：

$F=\sqrt[2]{{\mathrm{a\σ}}^2+(1-a)P^2}$

式中：F为底止水压力；a为常数，取值在0～1之间；

数据传输单元(6)将处理之后的底止水状态信息上传到数据库(7)中；

E、可靠性评估与故障诊断

可靠性分析与评估子系统(8)通过访问数据库(7)，读取处理、汇总之后的数据，并调用保存的历史数据和维修记录作为参考，同时结合底止水自身设计规范要求，考虑到门体运行过程中的实际受力、振动状态、裂纹情况，最终评估底止水止水状况。