一种基于光纤光栅水密门密封状态的检测方法

本发明属于船舶领域水密门密封状态检测技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅水密门密封状态的检测方法。

背景技术：

水密门是保证船舶安全行驶的重要结构，船舶的水密门对于是否能够保证船舱的水密性，进而保障机舱、乃至船舶的安全至关重要。因此，船舶水密门的密封检测就尤为重要。

密封检测系统是一种重要的船舶信号设备，用传感器检测水密门密封信息，可获取水密门关闭后的密封状态。现有的水密门密封检测系统大多采用超声波检测方法，其基本原理是将超声波发讯器放在水密门的一侧，接收装置放在水密门的另一侧，水密门关闭锁紧后，接收装置用于接收和侦听可能从发讯器发射出来的超声波信号。超声波发讯器发送超声波信号，如果接收装置没有任何声波信号可以侦听和接收到，说明水密门处于密封状态。反之，说明水密门有漏洞，处于未密封转态，检测员也可以通过漏洞位置传来的超声波信号的强弱来判断漏洞的大小。超声波检测系统操作简单，检测员或操作员可以知道水密门的泄漏点或快要形成的泄漏点。但是超声波密封检测系统抗干扰能力差，其检测信号分析与处理复杂，在湿度较大和船舱情况复杂的船舶工业中，耐腐蚀性和化学稳定性较差，目前市场上仅有便携式超声波检漏仪，只能在规定时间进行水密门密封检测，不能达到水密门直接性、实时性的监测目的。因此，很容易造成检测误判或漏判，威胁船舶的运营安全。

光纤光栅传感技术因具有电绝缘性、抗电磁干扰、耐腐蚀，稳定性强、体积小、重量轻等特点，被广泛用于有电磁干扰及各种复杂环境中。为解决现有水密门检测系统在应用中的问题，将光纤光栅传感技术引入到船舶工业中的水密门密封检测应用中。基于光纤光栅开发的水密门密封状态检测方法，无需考虑船舱中电磁设备，可以对水密门密封状态进行直接性、实时性的监测，可以避免上述超声波检测系统中所面临的问题，使得该检测方法的应用场景更加广泛。

技术实现要素：

本发明为了解决目前的水密门密封检测系统抗干扰能力差，耐腐蚀性和化学稳定性较差，不能达到水密门直接性、实时性的监测目的；容易造成检测误判或漏判，威胁船舶的运营安全的问题。

本发明提供了如下技术方案：一种基于光纤光栅水密门密封状态的检测方法，在水密门上设置若干个光纤光栅应变片，光纤光栅应变片包括检测用光纤光栅应变片、温度补偿光纤光栅应变片；在水密门的密封槽底面布置数个检测用光纤光栅应变片，在水密门的门板上布置数个温度补偿光纤光栅应变片，温度补偿光纤光栅应变片本体不受压、与检测用光纤光栅应变片处于同一个温度场中，检测用光纤光栅应变片在水密门闭合时本体受压形变发出信号，温度补偿光纤光栅应变片消除温度影响；若干个光纤光栅应变片经传输光缆连接解调仪表，通过解调仪表与计算机解调软件实时检测光纤光栅应变片中的光纤光栅的波长，判断水密门密封状态。

进一步地，数个所述检测用光纤光栅应变片中，至少一个位于水密门的楔形锁紧点正下方。

进一步地，所述光纤光栅应变片由弹性基片与光纤光栅固化而成，光纤光栅固化前进行预拉，弹性基片为不锈钢拱形结构。

进一步地，固定安装所述光纤光栅应变片前，水密门上与应变片接触的区域进行打磨处理；在水密门的门板外开钻连通密封槽的通孔，用于传输光缆；检测用光纤光栅应变片上的弹性基片的拱顶向上，弹性基片的一端与密封槽底面连接，另一端处于自由状态。

进一步地，若干个所述光纤光栅应变片采用波分复用的组网方式，若干个光纤光栅应变片串联熔接，连接在解调仪表的一个通道上，传输光缆穿过水密门门板的通孔进入密封槽，与一端光纤光栅熔接，并将另一端光纤光栅的尾纤盘卷置于密封槽内，利用胶将检测用光纤光栅应变片之间的光纤进行固定。

进一步地，通过光纤光栅的波长判断水密门启闭状态的具体步骤为：实时检测若干个所述光纤光栅的波长，当水密门处于开启状态时，通过判断检测用光纤光栅的波长与温度补偿光纤光栅的波长差值，得到开门应变曲线；当水密门关闭时，通过判断检测用光纤光栅的波长与温度补偿光纤光栅的波长的差值，得到关门应变曲线，计算关门应变曲线与开门应变曲线差值得到水密门应变差值曲线；利用安装在门板楔形锁紧点正下方的检测用光纤光栅应变片采用阈值法判断水密门的启闭状态，阈值用th1表示，依据实时检测的数据，若锁紧点正下方的检测用光纤光栅应变片所得实时应变值<th1，则表示水密门处于开启状态；若实时应变值>th1，则表示水密门处于关闭状态。

进一步地，判断水密门关闭时是否异常的方法为：建立数据库，将安装在密封槽的非楔形锁紧点正下方的检测用光纤光栅应变片采用建立数据库法判断水密门的多种异常状态，所述的数据库为密封槽的非楔形锁紧点正下方的检测用光纤光栅应变片在水密门门体或密封橡胶处于正常时的应变差值曲线数据库，依据实时检测的数据，若密封槽的非楔形锁紧点正下方的光纤光栅应变片所得实时应变差值曲线与数据库相对应的应变差值曲线相吻合，则判断门体或密封橡胶处于正常状态；若实时应变差值曲线与数据库相对应的应变差值曲线不吻合，则判断水密门密封发生异常状态，触发报警信号，所述的吻合指应变差值曲线的曲线变化规律、曲线幅值吻合。

进一步地，水密门异常原因的判断方法为：若所有的光纤光栅应变差值曲线的变化规律与数据库相符，但应变差值曲线幅值不同，并且所有应变差值曲线之间幅值差异在预期区间内，则判断水密门异常状态是由于水密门门体变形造成；若其中某个光纤光栅应变差值曲线的变化规律与数据库不符，并且应变差值曲线幅值超出预期区间，则判断水密门的异常状态是该点处橡胶与密封槽之间或橡胶与门框之间存在异物造成。

进一步地，所述温度补偿光纤光栅应变片外罩有盖板。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提供的一种基于光纤光栅水密门密封状态的检测方法，将检测用光纤光栅应变片固定安装在水密门的密封槽内，将温度补偿光纤光栅应变片固定安装在水密门的门板上，结构简单，安装方便。由于采用光纤光栅作为传感器，检测精度大大提高，且不受电磁干扰，耐腐蚀，在船舶业复杂恶劣的环境下可进行长期稳定的工作。通过阈值判断法和建立水密门正常密封时光纤光栅应变差值曲线数据库，可准确判断水密门的密封状态，并且在密封槽其他位置采用多个光纤光栅应变片多点位安装方法，当水密门出现异常密封状态时，可判断异常密封原因、对异常密封处精确定位，有利于检修员对水密门的快速检修，提高检测装置的准确性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的光纤光栅应变片安装示意图。

图2为本发明的光纤光栅应变片结构示意图。

图3为本发明的光纤光栅应变差值曲线示意图。

图中：1-检测用光纤光栅应变片；2-温度补偿光纤光栅应变片；3-水密门门板；4-水密门密封槽；5-弹性基片；6-光纤光栅；7-水密门门框；8-密封橡胶；9-门板楔形锁紧点；10-盖板；11-传输光缆通孔。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。各图所示内容仅用于理解发明的技术内容，而不代表产品的实际比例和真实形状，其中相同的标号表示结构相同或功能相同但结构相似的部分。

在本文中，“平行”、“垂直”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，它也可以包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用该产品时允许的误差。另外，“垂直”不仅包括在空间中两物体直接相接的互相垂直，还包括在空间中两物体不相接时的互相垂直。

如图1、图2、图3所示；本发明设计了一种基于光纤光栅水密门密封状态的检测方法，所述检测方法在水密门上设置若干个光纤光栅应变片，光纤光栅应变片包括检测用光纤光栅应变片、温度补偿光纤光栅应变片；在水密门的密封槽底面布置数个检测用光纤光栅应变片，在水密门的门板上布置一个或数个温度补偿光纤光栅应变片，温度补偿光纤光栅应变片本体不受压、与检测用光纤光栅应变片处于同一个温度场中。当操作员对水密门实施关门操作时，检测用光纤光栅应变片发生变形，又用温度补偿光纤光栅应变片消除温度影响，实现光纤光栅应变片对水密门密封状态的感知。若干个光纤光栅应变片经传输光缆连接解调仪表，通过解调仪表与计算机解调软件实时检测多个光纤光栅的波长，判断水密门密封状态。

水密门的密封状态包括水密门的启闭状态和水密门关闭后的正常状态和异常状态。数个检测用光纤光栅应变片中，至少一个位于水密门的楔形锁紧点正下方，其余的检测用光纤光栅应变片在水密门的密封槽的其他位置规则或不规则的布置。安装在锁紧点正下方的光纤光栅应变片受力集中，变形更加明显，用于检测水密门的启闭状态。安装在密封槽其他位置的光纤光栅应变片用来检测水密门门体变形、密封橡胶与密封槽或密封橡胶与门框之间存在异物等造成的异常密封状态。

将温度补偿光纤光栅应变片固定安装在水密门的门板上，使其不受任何压力、并和检测用光纤光栅应变片处于同一温度场中，安装完成后，用盖板对温度补偿光纤光栅应变片进行封装保护，防止在水密门操作过程中受损。

光纤光栅应变片由弹性基片与光纤光栅固化而成。光纤光栅固化前需要进行预拉，使其具有一定的预拉力，也可以根据其预拉力来实现检测装置的自检，保证其光纤光栅应变片处于正常工作状态。弹性基片为不锈钢拱形结构。

固定安装光纤光栅应变片之前，需要对水密门上与应变片接触的区域进行打磨处理，使得光纤光栅应变片能够更好的接触，提高检测结果的准确性。并且，在水密门的门板外开钻连通密封槽的通孔，用于传输光缆；方便传输光缆与外部解调设备的连接。安装时，检测用光纤光栅应变片上的弹性基片的拱顶向上，弹性基片的一端与密封槽底面连接，另一端处于自由状态；其连接方式为粘接，激光焊等。

将水密门内的所有光纤光栅应变片采用波分复用的组网技术，把多个光纤光栅应变片串联熔接，连接在解调仪表的一个通道上。传输光缆穿过水密门门板的通孔进入密封槽，与一端光纤光栅熔接，并将另一端光纤光栅的尾纤盘好置于密封槽内。利用胶将检测用光纤光栅应变片之间的光纤进行固定处理，防止在关门时对光纤的冲击使得光纤拉断，增加检测装置的抗冲击性能。

实时检测多个光纤光栅的波长，当水密门处于完全开启状态时，通过判断检测用光纤光栅的波长与温度补偿光纤光栅的波长差值，得到开门应变曲线；当水密门关闭时，通过判断检测用光纤光栅的波长与温度补偿光纤光栅的波长的差值，得到关门应变曲线。由于所有光纤光栅处于同一温度场中，通过波长差值的方法消除了温度对检测的影响。计算关门应变曲线与完全开门应变曲线的差值得到水密门应变差值曲线，根据应变差值检测算法来判断水密门的启闭状态和水密门关闭时的正常状态和异常状态。

水密门关闭时的异常密封状态主要有水密门门体变形、密封橡胶与密封槽之间或密封橡胶与门框之间存在异物。应变差值检测算法包括阈值判断法和建立数据库法。

利用安装在门板楔形锁紧点正下方的检测用光纤光栅应变片采用阈值法判断水密门的启闭状态，阈值用th1表示，依据实时检测的数据，若锁紧点正下方的检测用光纤光栅应变片所得实时应变值<th1，则表示水密门处于开启状态；若实时应变值>th1，则表示水密门处于关闭状态。通过阈值判断法，应变差值检测算法提高了水密门启闭检测方法的准确性和稳定性。

判断水密门关闭时是否异常的方法为：建立数据库，将安装在密封槽的非楔形锁紧点正下方的检测用光纤光栅应变片采用建立数据库法判断水密门的多种异常状态，所述的数据库为密封槽的非楔形锁紧点正下方的检测用光纤光栅应变片在水密门门体或密封橡胶处于正常时的应变差值曲线数据库，依据实时检测的数据，若密封槽的非楔形锁紧点正下方的光纤光栅应变片所得实时应变差值曲线与数据库相对应的应变差值曲线相吻合，则判断门体或密封橡胶处于正常状态；若实时应变差值曲线与数据库相对应的应变差值曲线不吻合，则判断水密门密封发生异常状态，触发报警信号，通知维修人员对水密门进行检修。所述的吻合指应变差值曲线的曲线变化规律、曲线幅值吻合。

当发生异常关闭状态时，也可以初步判断具体的异常原因。若发现所有的光纤光栅应变差值曲线的变化规律与数据库相符，但应变差值曲线幅值不同，并且所有应变差值曲线之间幅值差异较小，此处的幅值差异较小指的是所有应变差值曲线之间幅值差异在预期区间内，预期区间是根据具体的水密门的门体材质、密封条的厚度设定的。则水密门异常关闭状态可能是由于水密门门体变形造成；若发现其中某个光纤光栅应变差值曲线的变化规律与数据库不符，并且应变差值曲线幅值突然增大，超出预期区间，则水密门的异常关闭状态可能是该点处橡胶与密封槽之间或橡胶与门框之间存在异物造成。通过建立数据库法，应变差值检测算法可以准确判断水密门的异常关闭状态，并初步判断具体的异常原因，对异常位置进行精确定位。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。