一种港口系泊缆绳张紧力监测装置及其应用方法

本发明涉及智能传感与港口安全监测，更具体的涉及一种港口系泊缆绳张紧力监测装置及其应用方法。

背景技术：

1、港口系泊系统是保障船舶安全停靠、货物装卸作业的核心基础设施。系泊缆绳作为连接船舶与系泊桩的关键受力构件，其张紧力直接反映了风、浪、流等复杂环境载荷对船舶的动态作用。当张紧力异常波动时，轻则导致缆绳疲劳损伤，重则引发缆绳断裂、船舶漂移甚至碰撞码头等重大安全事故。因此对系泊缆绳张紧力进行实时、精准的监测是智慧港口安全运维不可或缺的关键环节。

2、目前，港口系泊缆绳张紧力监测中最接近本发明的现有技术为基于电阻应变片的接触式表面应变监测装置，该装置主要由电阻应变片、粘合剂层、惠斯通电桥及信号处理单元构成，其中电阻应变片通过粘合剂贴附于系泊桩表面，应变片本身由敏感栅、基底、覆盖层及引出线构成，敏感栅为金属箔材经光刻腐蚀形成的栅状结构，作为感知应变的直接元件，覆盖层为有机高分子薄膜，覆盖于敏感栅之上，起绝缘和机械防护作用。测量时，外部载荷使系泊桩表面受产生的微应变经粘合剂层和基底传递至敏感栅，引起敏感栅几何形变，导致其电阻值发生变化，惠斯通电桥将该电阻变化量转换为电信号，信号处理单元根据预先标定的应变-张紧力映射关系反推得到缆绳张紧力的大小。

3、然而，上述装置中覆盖层既作为应变传递路径，又作为环境隔绝屏障，受此结构限制，高灵敏度要求覆盖层足够薄以确保应变高效传递至敏感栅，但薄型覆盖层使金属敏感栅近乎裸露于外界。在港口高盐雾、强紫外线的海洋环境中，敏感栅易发生电化学腐蚀，导致灵敏度衰减、零漂增大、信号信噪比劣化；若为提升耐受性而增加覆盖层厚度或增设金属铠装，则应变传递路径延长，传递效率大幅降低，无法满足微应变信号的精准捕捉需求。

技术实现思路

1、针对上述领域中存在的问题，本发明提出了一种港口系泊缆绳张紧力监测装置及其应用方法，设置的柔性应变传感器，将仿生蛛网传感层设置于柔性绝缘基底上，并由覆盖于仿生蛛网传感层之上的超疏水封装层进行保护，使高灵敏度感知与轻薄化防护在垂直空间上分层设置，以打破二者之间的制约关系。

2、为解决上述技术问题，本发明公开了一种港口系泊缆绳张紧力监测方法，包括以下步骤：

3、柔性应变传感器，贴附于系泊桩表面，所述传感器为三明治式层状结构，由下至上依次包括柔性绝缘基底、设置于所述柔性绝缘基底上的仿生蛛网传感层、以及覆盖于所述仿生蛛网传感层之上的超疏水封装层；所述仿生蛛网传感层为具有多通道放射状蛛网拓扑的三维层状多孔网络结构，各通道沿圆周方向均匀分布，用于在应变作用下通过所述三维层状多孔网络结构的孔隙开闭改变所述仿生蛛网传感层内部的导电通路数量，以将所述系泊桩表面因缆绳张紧力产生的微应变转化为电阻变化；所述超疏水封装层用于隔绝海洋环境中的盐雾与湿气侵入；

4、数据处理单元，与所述柔性应变传感器电连接，用于获取各通道的电阻值，并根据所述电阻值相对于初始电阻的变化量，确定系泊缆绳张紧力。

5、优选地，所述仿生蛛网传感层为mxene介导激光诱导石墨烯mxene/lig传感层。

6、优选地，所述仿生蛛网传感层的每个通道独立引出1根信号线与1根地线，各通道的所述信号线与地线通过fpc排线连接至所述数据处理单元。

7、优选地，所述仿生蛛网传感层在0-0.01%应变范围内具有≥253的灵敏度系数。

8、优选地，所述多通道放射状蛛网拓扑结构为六通道放射状结构，六个通道沿圆周方向均匀分布，相邻通道夹角为60°。

9、优选地，所述超疏水封装层为ptfe超疏水封装层，所述ptfe超疏水封装层的表面接触角均>160°，滚动角均<5°；所述ptfe超疏水封装层覆盖于所述仿生蛛网传感层之上，用于隔绝海洋环境中自上而下的盐雾与湿气侵入并抑制液滴横向铺展产生的附加应力。

10、优选地，所述数据处理单元还部署有双流kan-bi-lstm多任务深度学习算法模型，用于同步解耦输出缆绳张紧力的大小与方向类别。

11、优选地，所述柔性应变传感器的整体厚度<1mm，允许弯曲的曲率半径≤50mm。

12、优选地，所述柔性绝缘基底为pi基底，厚度为50µm。

13、优选地，还包括一种港口系泊缆绳张紧力监测装置的应用方法，包括以下步骤：

14、根据所述柔性应变传感器同步采集的各通道的电阻值，确定各通道的归一化电阻变化率；

15、对各通道的归一化电阻变化率进行去均值处理，得到各通道相对于多通道平均水平的偏差值；基于偏差值在滑动窗口内构建多通道应变指纹矩阵；

16、根据各通道的空间分布角度，对所述偏差值进行空间谐波分解，提取方向判别的物理先验相位和张紧力幅值表征量；

17、根据预先标定的幅值表征量-张紧力映射曲线，获得张紧力大小初估值；根据物理先验相位与预设方向基准的匹配关系，获得方向类别初估值；

18、将所述多通道应变指纹矩阵输入双流神经网络模型，所述双流神经网络模型包括回归分支和分类分支，其中：

19、所述回归分支以多通道应变指纹矩阵为输入，输出张紧力大小残差；基于张紧力大小初估值与张紧力大小残差，获得最终张紧力大小；

20、所述分类分支基于所述多通道应变指纹矩阵提取时序特征，并结合所述方向类别初估值进行特征融合，输出最终张紧力方向类别。

21、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

22、本发明提出的港口系泊缆绳张紧力监测装置，仿生蛛网传感层采用三维层状多孔网络结构，在微应变作用下通过孔隙开闭改变内部导电通路数量，产生可精准测量的电阻变化，实现了高灵敏度感知，通过将仿生蛛网传感层与覆盖于其上的超疏水封装层在垂直空间上分层设置，使仿生蛛网传感层的高灵敏度感知与超疏水封装层的轻薄化防护得以同时实现且互不制约，从而打破了传统应变传感器中灵敏度与耐受性难以兼顾的技术矛盾，使得贴附于系泊桩表面的柔性应变传感器在保持微应变级高灵敏度感知的同时具备长期海洋环境耐受性。

1.一种港口系泊缆绳张紧力监测装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的港口系泊缆绳张紧力监测装置，其特征在于，所述仿生蛛网传感层为mxene介导激光诱导石墨烯mxene/lig传感层。

3.根据权利要求1所述的港口系泊缆绳张紧力监测装置，其特征在于，所述仿生蛛网传感层的每个通道独立引出1根信号线与1根地线，各通道的所述信号线与地线通过fpc排线连接至所述数据处理单元。

4.根据权利要求1所述的港口系泊缆绳张紧力监测装置，其特征在于，所述仿生蛛网传感层在0-0.01%应变范围内具有≥253的灵敏度系数。

5.根据权利要求1所述的港口系泊缆绳张紧力监测装置，其特征在于，所述多通道放射状蛛网拓扑结构为六通道放射状结构，六个通道沿圆周方向均匀分布，相邻通道夹角为60°。

6.根据权利要求1所述的港口系泊缆绳张紧力监测装置，其特征在于，所述超疏水封装层为ptfe超疏水封装层，所述ptfe超疏水封装层的表面接触角均>160°，滚动角均<5°；所述ptfe超疏水封装层覆盖于所述仿生蛛网传感层之上，用于隔绝海洋环境中自上而下的盐雾与湿气侵入并抑制液滴横向铺展产生的附加应力。

7.根据权利要求1所述的港口系泊缆绳张紧力监测装置，其特征在于，所述数据处理单元还部署有双流kan-bi-lstm多任务深度学习算法模型，用于同步解耦输出缆绳张紧力的大小与方向类别。

8.根据权利要求1所述的港口系泊缆绳张紧力监测装置，其特征在于，所述柔性应变传感器的整体厚度<1mm，允许弯曲的曲率半径≤50mm。

9.根据权利要求1所述的港口系泊缆绳张紧力监测装置，其特征在于，所述柔性绝缘基底为pi基底，厚度为50µm。

10.根据权利要求1~9任意一项所述的港口系泊缆绳张紧力监测装置的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：