船体结构应力监测系统传感器偏差故障诊断方法
阅读：1040发布：2020-06-30
专利汇可以提供船体结构应力监测系统传感器偏差故障诊断方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于船体结构应 力 监测领域，具体涉及一种船体结构 应力 监测系统 传感器 偏差故障诊断方法。本发明由布置在结构监测点的光纤光栅应变传感器采集某段时间内的应力实时数据，在 数据库 中搜索与 船舶 运动幅值相同或接近的光纤光栅应变传感器的历史应力数据，结合传感器发生偏差故障的判定条件，即可判断对应的光纤光栅应变是否发生偏差故障。本发明易实现、可操作性高且具有高可靠性，不会发生误判，且可以实时准确地判断光纤光栅应变是否发生偏差故障，并可指导人员对发生偏差故障的传感器进行及时检查与维修，从而保证船体结构应力监测系统的正常运行。，下面是船体结构应力监测系统传感器偏差故障诊断方法专利的具体信息内容。
1.一种船体结构应力监测系统传感器偏差故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：光纤光栅应变传感器采集一段时间内船体结构的应变信号；
步骤2：对应变信号处理，得到应力数据；
步骤3：计算当前时间段内光纤光栅应变传感器测量的应力数据的样本均值 应力平均幅值 和平均跨零周期
步骤4：从数据库中搜索与当前时间段内船舶运动幅值的平均值相差小于5％时的某历史时间段内光纤光栅应变传感器测量的应力数据的平均幅值 和平均跨零周期 判断当前时间段内光纤光栅应变传感器测量的应力数据是否满足以下条件：
一、
二、
三、
其中，σs为光纤光栅应变传感器所测量的钢材材料的屈服极限；k的取值范围为0.75至
0.80；m1取值范围为0.8至0.9，m2取值范围为1.1至1.2；
步骤5：若当前时间段内光纤光栅应变传感器测量的应力数据同时满足步骤4中所述的三个条件，则诊断为光纤光栅应变传感器发生偏差故障。
2.根据权利要求1所述的一种船体结构应力监测系统传感器偏差故障诊断方法，其特征在于：所述的步骤2中对对应变信号处理的具体方法为：
步骤2.1：光纤光栅应变传感器将采集到的应变信号转化为波长信号；
步骤2.2：将波长信号传输到解调仪，转化为电信号；
步骤2.3：将电信号传输到应变信号处理程序，转化为应力数据；
步骤2.4：对应力数据进行采样频率滤波，去除数据中混杂的高频噪音成分。
船体结构应力监测系统传感器偏差故障诊断方法
技术领域
背景技术
[0002] 船体结构强度是影响船舶安全性的主要因素之一，为保证船体具有足够的强度抵抗环境载荷对结构的破坏作用，人们在船舶的设计和建造过程中制定了各种规范和准则，但对于航行在海洋环境中的船舶而言，结构受到的载荷具有很强的随机性，这些随机因素无法在设计和建造过程中被准确预报，因此引入船体结构应力监测系统来保障船舶在使用过程中的安全。
[0003] 船体结构应力监测系统是智能船体的重要组成部分，而传感器作为船体结构应力监测技术的重要元件，其能否正常工作决定了整套系统的有效性和可靠性。鉴于光纤光栅应变传感器的量程大、不需配备温度补偿传感器和可避免电磁干扰等外界影响的优点，其可保证监测数据的准确性；因此，船体结构应力监测系统采用此种类型的传感器。但由于传感器的工作环境复杂、恶劣，安装部位特殊等原因，使得传感器成为系统中最易发生故障的部件。其中，由于传感器的光源强度减弱或传感器与底座、底座与结构、光通路等结构出现虚焊等造成的偏差故障是传感器最常见的故障之一。若传感器发生偏差故障，其主要的信号特征是传感器测得的应力数据与正常数据相比存在一定的差异，但并不能简单的以此为故障判别的条件。所以，为了能准确地判断传感器是否发生偏差故障，需要设计一种专用的传感器偏差故障的诊断算法，该算法能实时准确地诊断传感器的偏差故障，并能将传感器的偏差故障信息及时反馈给船舶操作及设备维护人员。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供能准确地诊断传感器的偏差故障的一种船体结构应力监测系统传感器偏差故障诊断方法。
[0005] 本发明的目的通过如下技术方案来实现：
[0006] 一种船体结构应力监测系统传感器偏差故障诊断方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1：光纤光栅应变传感器采集一段时间内船体结构的应变信号；
[0008] 步骤2：对应变信号处理，得到应力数据；
[0009] 步骤3：计算当前时间段内光纤光栅应变传感器测量的应力数据的样本均值 应力平均幅值 和平均跨零周期
[0010] 步骤4：从数据库中搜索与当前时间段内船舶运动幅值的平均值相差小于5％时的某历史时间段内光纤光栅应变传感器测量的应力数据的平均幅值 和平均跨零周期 判断当前时间段内光纤光栅应变传感器测量的应力数据是否满足以下条件：
[0011] 一、
[0012] 二、
[0013] 三、
[0015] 步骤5：若当前时间段内光纤光栅应变传感器测量的应力数据同时满足步骤4中所述的三个条件，则诊断为光纤光栅应变传感器发生偏差故障。
[0016] 本发明还可以包括：
[0017] 所述的步骤2中对对应变信号处理的具体方法为：
[0018] 步骤2.1：光纤光栅应变传感器将采集到的应变信号转化为波长信号；
[0020] 步骤2.3：将电信号传输到应变信号处理程序，转化为应力数据；
[0022] 本发明的有益效果在于：
[0023] 本发明由布置在结构监测点的光纤光栅应变传感器采集某段时间内的应力实时数据，在数据库中搜索与船舶运动幅值相同或接近的光纤光栅应变传感器的历史应力数据，结合传感器发生偏差故障的判定条件，即可判断对应的光纤光栅应变是否发生偏差故障。本发明易实现、可操作性高且具有高可靠性，不会发生误判，且可以实时准确地判断光纤光栅应变是否发生偏差故障，并可指导人员对发生偏差故障的传感器进行及时检查与维修，从而保证船体结构应力监测系统的正常运行。附图说明
[0024] 图1为本发明的流程图。
[0025] 图2为光纤光栅应变传感器发生偏差故障时的数据特征曲线图。
[0026] 图3为船体结构应力监测系统的功能模块图。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0028] 船体结构应力监测系统是综合运用结构参数识别技术、光纤传感技术、数据库技术、多数据信息融合技术、超大信息量数据处理技术、船体结构有限元分析技术和强度评估理论，以及相关的传感器、软硬件设备等，实现船舶结构安全性的实时监测与评估，系统主要具备数据采集、环境监测、应力监测、数据处理、强度评估、报警与记录、数据库、交互界面等主要功能，从而提高航行船舶的安全性能，并为船舶结构设计积累数据。系统主要功能如图3所示。
[0029] 船体结构应力监测系统是智能船体的重要组成部分，而传感器作为船体结构应力监测技术的重要元件，其能否正常工作决定了整套系统的有效性和可靠性。鉴于光纤光栅应变传感器的量程大、不需配备温度补偿传感器和可避免电磁干扰等外界影响的优点，其可保证监测数据的准确性；因此，船体结构应力监测系统采用此种类型的传感器。但由于传感器的工作环境复杂、恶劣，安装部位特殊等原因，使得传感器成为系统中最易发生故障的部件。
[0030] 船体结构应力监测系统中应力的采集利用光纤光栅应变传感器。信号传递过程如下：光纤传感器将船体结构的应变信号转化为波长信号，并通过光缆传输到信号解调仪，由解调仪将波长信号转化为电信号并上传至应变信号处理程序，再由应变信号处理程序将信号进行识别并转化为应力信号存储于数据库系统中。应变转化为应力的计算公式如表1所示，其具体由传感器的布置形式决定。
[0031] 本发明的目的在于提供一种船体结构应力监测系统传感器偏差故障诊断方法，以解决现有船体结构应力监测系统中传感器故障的准确诊断问题。
[0032] 本发明的原理如下：
[0033] 造成传感器偏差故障的可能原因有传感器安装方式引起的可能故障、光源强度变弱等。传感器发生偏差故障时，其信号特征主要包括光源强度减弱或传感器与底座、底座与结构、光通路等结构出现虚焊等，这会造成传感器测得数据与正常数据相比有所减小的问题。若传感器发生偏差故障，其主要的信号特征是传感器测得的应力数据与正常数据相比存在一定的差异，特征曲线见图2，但并不能简单的以此为故障判别的条件。事实上，若传感器在某段时间内测试数据的样本均值为零、该段时间内的传感器测得数据的幅值小于与船舶运动相同或接近的某历史时间内的正常数据、且该段时间内测试数据的平均跨零周期和与船舶运动幅值相同或接近的某历史时间段内的正常数据一致，便基本上可以确定传感器发生偏差故障。
[0034] 表1
[0035]
[0036] 本发明的具体方案如下：
[0037] 为实现对船体结构应力监测系统传感器偏差故障的实时有效诊断，本发明根据传感器发生偏差故障时，数据信号的特征，确定了传感器发生偏差故障的判定条件。本发明可以实时准确地判断传感器的工作状态，并能准确判别发生偏差故障的传感器，可给予设备操作或维护人员及时的反馈。
[0038] 由布置在结构监测位置的光纤光栅应变传感器采集某段时间内的应变信号，先经船体结构应力监测系统的解调仪处理和应变处理；然后以采样频率滤波，去除数据中混杂的高频噪音成分；最后，结合数据库中存储的正常历史数据和传感器发生偏差故障的判定条件，识别产生故障的传感器，并显示其故障信息。具体流程见图1，具体方法如下：
[0039] 1.采集数据低通滤波，阻带截止频率设为采样频率，去除高频噪音；
[0040] 2.计算过去60秒(5-10个周期)内的应力时历信号的样本均值、跨零周期和幅值；
[0041] 3.计算平均跨零周期和应力平均幅值；
[0042] 4.若某一传感器发生偏差故障，其测得数据需同时满足以下几个条件：
[0043] 1)传感器应力数据样本均值为零，本发明中，零值的范围上限定义为钢材材料屈服极限的5％，即当前时间段内光纤光栅应变传感器测量的应力数据的样本均值 的绝对值小于光纤光栅应变传感器所测量的钢材材料的屈服极限σs的5％。
[0044] 若{X1,X2,…,Xn}为应力测量值的总样本，则样本均值 满足：
[0045]
[0046] 其中：n为该段时间内总样本个数，σs为钢材材料屈服极限。
[0047] 2)该传感器在该时间段内测得数据的幅值小于与船舶运动幅值相同或接近的某历史时间段测试数据的幅值；所述该传感器在该时间段内测得数据的幅值小于与船舶运动幅值相同或接近的某历史时间段测试数据的幅值，需要采用系数判别法，给出“小于”的具体范围。本发明中，应力平均幅值的上限取为历史应力平均幅值的0.75～0.80。所述与船舶运动幅值相同或接近，需要给出“接近”的具体幅值范围。对于船舶运动幅值的平均值，当其当前值与历史值相差小于5％时，可认为相近。即当前时间段内光纤光栅应变传感器测量的应力数据的平均幅值 小于与当前时间段内船舶运动幅值的平均值相差小于5％时的某历史时间段内光纤光栅应变传感器测量的应力数据的平均幅值 的75％至80％。
[0048]
[0049] 其中： 为应力平均幅值， 为历史应力平均幅值，m为该时间段中应力信号的跨零周期个数，k的取值0.75～0.80。
[0050] 3)平均跨零周期和与船舶运动幅值相同或接近的某历史时间段内测得数据一致。应力的平均跨零周期，其应力是由波浪诱导弯矩所产生的。平均跨零周期和与船舶运动幅值相同或接近的某历史时间段内测得数据一致，需要采用系数判别法，具体给出“一致”的范围。本发明中，应力平均跨零周期的取值介于历史应力平均跨零周期的m1～m2，其中，m1取值为0.8～0.9，m2取值为1.1～1.2。所述与船舶运动幅值相同或接近，需要给出“接近”的具体幅值范围。对于船舶运动幅值的平均值，当其当前值与历史值相差小于5％时，可认为相近。即当前时间段内光纤光栅应变传感器测量的应力数据的平均跨零周期 和与当前时间段内船舶运动幅值的平均值相差小于5％时的某历史时间段内光纤光栅应变传感器测量的应力数据的平均跨零周期 的比值满足：
[0051]
[0052] 其中： 分别为当前和历史的应力平均跨零周期；m1取值为0.8～0.9，m2取值为1.1～1.2。
[0053] 进一步限定，所述的数据幅值的统计，采用分析传感器监测数据在跨零周期内的极值的方法，并计算得到对应的幅值。
[0054] 所述的数据跨零周期的确定，采用数据的值由负值变为正值的情况。
[0055] 所述的船舶运动历史数据(包括幅值、平均跨零周期)的统计，采用如下方法：首先，将首次出现的船舶运动记录为历史数据；若在未来的某时刻，相同的船舶运动再次出现，则更新数据库。船舶运动幅值相同或接近，幅值“接近”的规定存在一定的范围。对于船舶运动幅值的平均值，当其当前值与历史值相差小于5％时，可认为相近。如果不能满足条件，则可认为当前工况是新的工况，将其存在数据库中，作为将来同海况的参考或比较值。
[0056] 船舶运动幅值相同或接近，幅值“接近”的规定存在一定的范围。对于船舶运动幅值的平均值，当其当前值与历史值相差小于5％时，可认为相近。如果不能满足条件，则可认为当前工况是新的工况，将其存在数据库中，作为将来同海况的参考或比较值。
[0057] 统计传感器在某段时间内所采集的实时数据，分析其在各跨零周期内的极值，并计算相对应的幅值；统计该段时间内实时数据的样本均值；在数据库中搜索与船舶运动幅值相同或接近的传感器历史应力幅值；在数据库中搜索与船舶运动幅值相同或接近的传感器历史应力的平均跨零周期；结合传感器发生偏差故障的判定条件，即可判断对应的传感器是否发生偏差故障。
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