基于光纖光柵傳感器的游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變智能監(jiān)測方法

摘要：游樂設(shè)施在運行中易受外界環(huán)境干擾，導(dǎo)致其應(yīng)變力信號波動幅度較小。因此，文章設(shè)計一種基于光纖光柵傳感器的游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變智能監(jiān)測方法。該方法利用光纖光柵傳感器的高靈敏度和穩(wěn)定性，能夠精準采集游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。在設(shè)置監(jiān)測約束條件時，文章充分考慮應(yīng)變監(jiān)測的目標函數(shù)，通過提取應(yīng)變幅值、應(yīng)變速率等關(guān)鍵特征，實時掌握結(jié)構(gòu)在受力作用下的變形情況。一旦發(fā)現(xiàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的安全閾值，系統(tǒng)會立即發(fā)出預(yù)警信號，提醒管理人員迅速采取措施。實驗結(jié)果表明，在200～300 mm和400～500 mm的關(guān)鍵測試點位，該智能監(jiān)測方法監(jiān)測到的應(yīng)變力信號波動幅度顯著，且與實際信號變化情況高度一致，顯示出優(yōu)異的監(jiān)測效果和極高的準確性。

關(guān)鍵詞：光纖光柵傳感器；游樂設(shè)施；框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變；智能監(jiān)測

中圖分類號：TN388" 文獻標志碼：A

0 引言

大型游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測尤為重要，在過去的研究中，有學(xué)者專注于層合梁結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)嵌滑動式摩擦納米發(fā)電機設(shè)計了層合梁結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)了層合梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變的監(jiān)測［1］。同時，也有其他學(xué)者利用光纖傳感器的高靈敏度和高分辨率特性，實時采集隧洞工程結(jié)構(gòu)在受力過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)，從而精確掌握結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變化規(guī)律［2］。然而，這些方法往往效率有限，人工干預(yù)的成本較高，因此，本文提出了一種基于光纖光柵傳感器的游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變智能監(jiān)測方法。該方法能夠?qū)崟r采集和分析結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的異常情況，為游樂設(shè)施的安全管理提供有力支持。

1 基于光纖光柵傳感器采集框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)

光纖光柵作為一種前沿的光纖器件，巧妙地將纖芯模、包層導(dǎo)模及包層輻射模間的模式耦合與波長選擇功能融為一體。其獨特之處在于，通過光刻和全息干涉技術(shù)，光纖光柵能在纖芯折射率上實現(xiàn)周期性的精細調(diào)制［3］。光纖光柵的中心波長與有效折射率和光柵周期緊密相關(guān)，這種緊密聯(lián)系使得光纖光柵能夠敏銳地捕捉到外界環(huán)境的變化，從而實現(xiàn)精準傳感。

在框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，如梁、柱的連接處，本文按照預(yù)設(shè)的監(jiān)測點位來布置光纖光柵傳感器。隨后，本文將這些傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接起來，通過光纖確保數(shù)據(jù)的實時、穩(wěn)定傳輸。此外，本文還根據(jù)框架結(jié)構(gòu)的振動特性和應(yīng)變變化范圍，設(shè)定合適的采樣頻率和采集時長，以確保能夠精確地捕捉到應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化趨勢。

2 設(shè)置游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測約束條件

為了確保游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)監(jiān)測的準確性，本文依據(jù)其結(jié)構(gòu)特性，針對性地構(gòu)建了應(yīng)變監(jiān)測目標函數(shù)。該函數(shù)以結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)為核心指標，公式為：

f=∑ni=1wi|εi（x）-εi|（1）

其中，n表示監(jiān)測點的數(shù)量，wi表示第i個監(jiān)測點的權(quán)重，εi（x）表示第i個監(jiān)測點在給定條件x下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，εi表示第i個監(jiān)測點的標準應(yīng)變值。目標函數(shù)f的值越小，監(jiān)測結(jié)果與參考值的偏差越小，說明監(jiān)測的準確性越高。

以目標函數(shù)為導(dǎo)向，本文對游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變信號實施了嚴格的約束。為了確保信號在傳輸過程中的同步性和準確性，本文設(shè)定了以下約束條件。

2.1 監(jiān)測點布置

本文對框架結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析，以確定其受力特點和關(guān)鍵部位?；诹W(xué)分析結(jié)果［4］，本文設(shè)定監(jiān)測點位置選擇的約束條件。假設(shè)游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位經(jīng)過力學(xué)分析后確定，記為集合S，而計劃設(shè)置的監(jiān)測點位置則記作集合P，約束條件表示如下：

PF（x）S（2）

即監(jiān)測點的位置集合P必須是經(jīng)過力學(xué)分析確定的關(guān)鍵部位集合S的子集，同時這些監(jiān)測點的數(shù)據(jù)還須滿足目標函數(shù)f的要求。這意味著本文只能在力學(xué)分析確定的關(guān)鍵部位上布置監(jiān)測點，以確保所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性和代表性。

2.2 游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變時間差

游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變時間差公式為：

|tr（i）-tf（i）|F（x）≤maxΔt（3）

其中，tr（i）表示第i個監(jiān)測點接收到應(yīng)變信號的時間，tf（i）表示第i個監(jiān)測點反饋出應(yīng)變信號的時間，其中i∈｛1，2，···，n｝，maxΔt表示允許的最大時間差閾值。

這個約束條件確保了接收信號與反饋信號之間的時間差在預(yù)定的最大閾值之內(nèi)，從而保證了信號傳輸?shù)耐叫裕?］。在滿足這一條件后，本文能夠更準確地監(jiān)測和分析游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況，確保結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

3 提取游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測特征

在游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測中，提取有效的監(jiān)測特征是確保監(jiān)測結(jié)果準確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。這些特征能夠反映結(jié)構(gòu)應(yīng)變的動態(tài)變化［6］，為結(jié)構(gòu)安全評估提供重要依據(jù)。

3.1 應(yīng)變幅值

應(yīng)變幅值，即結(jié)構(gòu)在受到外力作用時，其最大變形量與原始尺寸之間的比值，直接反映了結(jié)構(gòu)在受力作用下的變形程度。假設(shè)結(jié)構(gòu)的原始尺寸為L，在受力作用下的最大變形量為ΔL，則應(yīng)變幅值φ可以表示為：

φ=ΔLL（4）

結(jié)構(gòu)通過監(jiān)測不同位置的應(yīng)變幅值，得出結(jié)構(gòu)在不同受力條件下的變形情況，從而判斷其是否處于安全范圍內(nèi)。

3.2 應(yīng)變速率

應(yīng)變速率通常定義為單位時間內(nèi)應(yīng)變的變化量。假設(shè)在某一時間段T內(nèi)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值從φ1變化到φ2，則應(yīng)變速率v表示為：

v=ΔφΔT=φ2-φ1T2-T1（5）

其中，Δφ=φ2-φ1表示應(yīng)變幅值的變化量，ΔT=T2-T1表示時間的變化量。

通過監(jiān)測不同位置的應(yīng)變速率，本文能夠得出結(jié)構(gòu)在不同受力條件下的變形速度，從而判斷其是否存在快速變形或突變。當應(yīng)變速率超過預(yù)設(shè)的閾值時，結(jié)構(gòu)可能存在潛在的安全隱患，需要及時采取相應(yīng)的干預(yù)措施以確保結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

4 實現(xiàn)游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變智能監(jiān)測

利用aBaQUs有限元軟件，本文成功建立了游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變智能監(jiān)測模型。通過對該模型進行詳細的分析和推導(dǎo)，本文得到的游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變智能監(jiān)測閾值如下：

λ=f（φ，v）（6）

當游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變智能監(jiān)測模型實時監(jiān)測到結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的安全閾值λ時，系統(tǒng)將立即啟動預(yù)警機制。通過聲光報警裝置在監(jiān)測現(xiàn)場發(fā)出明顯的警報，以引起現(xiàn)場工作人員的注意。同時，預(yù)警信息會迅速通過無線網(wǎng)絡(luò)或有線傳輸方式，傳至管理人員的移動設(shè)備或監(jiān)控中心的大屏幕上，確保管理人員能在第一時間掌握險情。管理人員收到預(yù)警后，會立即啟動應(yīng)急預(yù)案，組織相關(guān)人員進行現(xiàn)場檢查和處理。

5 實驗

5.1 實驗準備

本試驗所研究的游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)，由高強度Q235級鋼板精心構(gòu)建，整體跨度達到2.4 m。游樂設(shè)施框架梁設(shè)計獨特，由2片水平鋼板組成，總長度與跨度相匹配，寬度和厚度經(jīng)過精確計算，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

本次試驗選用德國米銥公司的optoNCDT ILR系列光纖光柵傳感器，測量范圍達300 mm，分辨率高達0.1 μm，精度±0.5 mm，且采樣頻率達到1000 Hz。

為確保實驗結(jié)果的精準性與實用性，本文利用上述光纖光柵傳感器采集了游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的多種應(yīng)變輸入情況。在眾多信號中，斷裂信號因其顯著性和動態(tài)特性被選中作為主要的應(yīng)變輸入信號。根據(jù)圖1，信號波動保持在正常范圍內(nèi)，未出現(xiàn)異常的幅值變化，這充分表明當前游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)良好，未出現(xiàn)嚴重的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化。

為了更全面地評估所提基于光纖光柵傳感器的游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變智能監(jiān)測方法的有效性，本文特別引入基于摩擦納米發(fā)電機的層合梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測方法和基于光纖傳感器地下隧洞工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測方法作為對比。在關(guān)鍵測試點位200～300 mm和400～500 mm處，本文實施激光掃描信號輸入，采用這3種方法進行了詳細的監(jiān)測。

5.2 實驗結(jié)果分析

在對比3種應(yīng)變監(jiān)測方法時，本文方法在監(jiān)測應(yīng)變力信號變化幅值上表現(xiàn)最為顯著，與實際應(yīng)變輸入后的信號變化情況高度一致。相比之下，另外2種方法在信號監(jiān)測上存在一定的誤差，無法全面、準確地捕捉到信號的波動。因此，本文所提方法具有更高的準確性，監(jiān)測效果更好，能夠為游樂設(shè)施的安全監(jiān)測提供更加可靠的數(shù)據(jù)支持。

6 結(jié)語

基于光纖光柵傳感器的游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變智能監(jiān)測方法，能實時追蹤并精確感知結(jié)構(gòu)應(yīng)變的細微變化，有效預(yù)防潛在的安全隱患。本文通過實際應(yīng)用和對比分析，充分證明了該方法在游樂設(shè)施框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測中的優(yōu)越性和可靠性。

參考文獻

［1］甘曉輝.基于摩擦納米發(fā)電機的層合梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2023（10）：60-64.

［2］馬崇璽.基于光纖傳感器地下隧洞工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2022（7）：34-37.

［3］周愷，李婧.面向激光光源的光纖智能結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測研究［J］.激光雜志，2023（9）：243-247.

［4］張意，楊陽，車野，等.不銹鋼管智能筋在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.大眾科技，2023（4）：24-28.

［5］荊根強，段發(fā)階，彭璐，等.基于被動激勵的結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)在線校準方法［J］.儀器儀表學(xué)報，2021（8）：137-145.

［6］孫曉東，楊松峰，劉天宇，等.錐形光纖光柵傳感器的傳感特性［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2024（1）：1-3.

（編輯 王永超）

Intelligent strain monitoring method for amusement facility framework structure based on fiber grating sensors

MIAO" Chunfeng， CHAI" Hongxu

（Gansu Institute of Special Equipment Inspection and Testing， Lanzhou 730050， China）

Abstract： Amusement facilities are susceptible to external environmental interference during operation， resulting in smaller fluctuations in their strain force signals. Therefore， this article designs an intelligent strain monitoring method for amusement facility framework structures based on fiber grating sensors. This method utilizes the high sensitivity and stability of fiber grating sensors to accurately collect strain data of amusement facility frame structures. When setting monitoring constraints， this article fully considers the objective function of strain monitoring， and by extracting key features such as strain amplitude and strain rate， real-time grasp of the deformation of the structure under stress. Once the strain data exceeds the preset safety threshold， the system will immediately issue an alert signal to remind management personnel to take measures quickly. The experimental results show that at the key testing points of 200～300 mm and 400～500 mm， the fluctuation amplitude of the strain force signal monitored by this intelligent monitoring method is significant and highly consistent with the actual signal changes， demonstrating excellent monitoring effect and extremely high accuracy.

Key words： fiber grating sensors; amusement facilities; strain of frame structure; intelligent monitoring

基金項目：甘肅省科技廳自主研發(fā)計劃-工業(yè)類；項目名稱：觀覽車類游樂設(shè)施關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)研發(fā)；項目編號：22YF11GA315。

作者簡介：苗春風(fēng)（1975— ），男，助理工程師，學(xué)士；研究方向：特種設(shè)備檢驗。