光纖光柵應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)在船上的應(yīng)用

朱云翔 冒如權(quán) 范井峰

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海 200011）

對(duì)船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于研究和設(shè)計(jì)部門(mén)掌握船體結(jié)構(gòu)在波浪中的響應(yīng)資料，使用部門(mén)及時(shí)了解船體結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)具有重要意義。本文介紹了應(yīng)用FBG 傳感器在一艘新開(kāi)發(fā)的三體船上進(jìn)行力應(yīng)變狀態(tài)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的有關(guān)情況。

1 光纖光柵傳感技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

自從美國(guó)的Morey 等人［1］首次對(duì)光纖光柵（FBG）傳感器的應(yīng)變與溫度傳感進(jìn)行研究以來(lái)，世界各國(guó)都對(duì)其十分關(guān)注并開(kāi)展了廣泛的應(yīng)用研究，取得了豐碩的成果，目前已被廣泛應(yīng)用到土木工程、大型鋼結(jié)構(gòu)、航空航天、電力、石化、醫(yī)學(xué)、核工業(yè)等諸多領(lǐng)域，在船舶領(lǐng)域也不乏很多應(yīng)用實(shí)例。

我國(guó)在20世紀(jì)70年代末就開(kāi)始了FBG 傳感器的研究，其起步時(shí)間與國(guó)際相差不遠(yuǎn)。目前已有多個(gè)單位在這一領(lǐng)域開(kāi)展工作，在FBG 溫度、應(yīng)變、壓力、流量、液位、電流、位移等測(cè)量領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，取得了多項(xiàng)科研成果［4］。在工程應(yīng)用方面主要集中在橋梁、建筑等土木領(lǐng)域，如奧運(yùn)會(huì)主會(huì)場(chǎng)鳥(niǎo)巢工程、五棵松奧運(yùn)會(huì)籃球館工程、中央電視臺(tái)新臺(tái)址工程結(jié)構(gòu)等健康監(jiān)測(cè)，而該技術(shù)在船舶領(lǐng)域中的應(yīng)用還在開(kāi)發(fā)中。

2 光纖光柵應(yīng)變傳感原理

FBG 傳感是根據(jù)Bragg 波長(zhǎng)的變化來(lái)感知外界溫度、應(yīng)變等物理量的變化［5］。由光纖光耦合理論可知，當(dāng)寬帶光入射到FBG 時(shí)，滿(mǎn)足Bragg條件的光將被反射，在反向形成一個(gè)反射峰（見(jiàn)圖1），其中心反射波長(zhǎng)λB由光柵參數(shù)決定。

圖1 FBG 原理圖

式中：ne是光纖纖心對(duì)自由空間中心波長(zhǎng)的折射率；Λ 是FBG 的柵距。

當(dāng)外界溫度、應(yīng)變、壓力等物理參數(shù)變化時(shí)，會(huì)使FBG 的柵距Λ 和有效折射率ne產(chǎn)生變化，從而使λB產(chǎn)生漂移，其漂移量ΔλB可表示為式（2），通過(guò)探測(cè)ΔλB，便可以獲得相應(yīng)的溫度、應(yīng)變和壓力等信息。

假設(shè)光柵僅受軸向應(yīng)力作用，溫度場(chǎng)和均勻場(chǎng)保持恒定，軸向應(yīng)變?chǔ)舲會(huì)引起光柵柵距的變化。

有效折射率的變化可以由彈光系數(shù)矩陣Pij，應(yīng)變張量矩陣εj表示

沿z方向傳播的光波所感受到的折射率變化為

應(yīng)制定針對(duì)博物館公示語(yǔ)的譯寫(xiě)規(guī)范?！豆卜?wù)領(lǐng)域英文譯寫(xiě)規(guī)范》共有10個(gè)部分，涵蓋交通、旅游、文化、娛樂(lè)、體育、教育、醫(yī)療、衛(wèi)生、餐飲等13個(gè)服務(wù)領(lǐng)域共3700余條公示語(yǔ)的推薦譯文，但其中的博物館公示語(yǔ)非常有限。筆者呼吁盡快建立博物館公示語(yǔ)譯寫(xiě)規(guī)范以助推中華歷史文化走出去，并促進(jìn)更多領(lǐng)域的中國(guó)文化走向世界。

若沿光纖軸向施加拉力F，則引起的Bragg波長(zhǎng)的變化為

式中：E 為光纖的彈性模量；S 為光纖的橫截面積。

加速度、超聲波、應(yīng)力等物理參數(shù)都可以轉(zhuǎn)化為應(yīng)變來(lái)測(cè)量，所以在測(cè)量這些參數(shù)時(shí)以上公式仍適用。

當(dāng)傳感溫度改變時(shí)，溫度引起的FGB波長(zhǎng)漂移為

式中：α為光纖的熱膨脹系數(shù)；ξ 為熱光系數(shù)；ΔT為溫度變化。

由于FBG 傳感器中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)變和溫度都很敏感，因此必須解決其交叉敏感問(wèn)題［6－7］。

3 光纖光柵應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)組成與功能

光纖光柵應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理顯示箱、FBG 傳感器裝置（包含應(yīng)力傳感器和溫度傳感器）、傳輸光纜等部件組成（見(jiàn)圖2）?？蓪?duì)15 個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并實(shí)時(shí)儲(chǔ)存測(cè)量結(jié)果，在人機(jī)界面上顯示測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)和圖形，并能對(duì)所采數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。

圖2 FBG 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

由于外界的溫度和應(yīng)力變化都能引起FBG波長(zhǎng)漂移，所以本系統(tǒng)中，為了能正確地測(cè)量出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力變化，在每個(gè)點(diǎn)增加一個(gè)測(cè)量溫度的光纖光柵傳感器，其中σa51和σa52在同一位置，共用1個(gè)溫度傳感器。

3.2 光源

寬帶熒光源是FBG 傳感系統(tǒng)的核心部件之一。高功率、高平坦、高穩(wěn)定性的寬帶熒光源可以降低解調(diào)系統(tǒng)的難度，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高傳感系統(tǒng)的復(fù)用能力，增加信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。本系統(tǒng)采用C 波段摻鉺光纖ASE 光源，該波長(zhǎng)范圍就是普通光纖通信波長(zhǎng)范圍，便于利用現(xiàn)有的通信光纜進(jìn)行信號(hào)傳輸和放大。

此外，對(duì)各種結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖超熒光光源進(jìn)行比較可知，單程后向結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單并且不容易形成激光而被廣泛采用，但是這種結(jié)構(gòu)光源的輸出帶寬相對(duì)較窄；雙程結(jié)構(gòu)的光源可以得到更高的輸出功率和更好的波長(zhǎng)穩(wěn)定性，但是為了得到寬帶輸出需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的濾波器；單程前向結(jié)構(gòu)的光源在帶寬較寬時(shí)輸出功率很小，因而一般不被采用。最近提出的一種雙級(jí)后向輸出的光源，同時(shí)具有很高的輸出功率和較寬的光譜帶寬——前向抽運(yùn)雙級(jí)雙程結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖超熒光光源，其優(yōu)點(diǎn)在于在較小的抽運(yùn)功率下，可以在保持高穩(wěn)定性的情況下同時(shí)獲得大功率、寬光譜的ASE輸出。

本系統(tǒng)采用雙級(jí)雙程結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高功率C 波段寬帶ASE光源。寬帶光源的帶寬40nm，功率10mW，增益高平坦度、不平坦度為±1dB，性能穩(wěn)定。

3.3 解調(diào)系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)的FBG 傳感器在應(yīng)用上多限于大型土木工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)等方面，即對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)的監(jiān)測(cè)限于低速動(dòng)態(tài)信號(hào)。為了提高其對(duì)更高頻率的動(dòng)態(tài)信號(hào)的監(jiān)測(cè)能力，例如艦船上的大型渦輪機(jī)工作時(shí)所引起底座及相關(guān)設(shè)備達(dá)100 Hz以上的振動(dòng)，需要采用高速解調(diào)系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）。其中，高速解調(diào)部分包括可調(diào)諧F－P 濾波器、鋸齒波發(fā)生器、TEC 溫度控制、PIN 光電探測(cè)器和1×16光開(kāi)關(guān)5個(gè)部分。

圖3 FBG 解調(diào)系統(tǒng)圖

3.4 傳感器封裝

采用FBG 技術(shù)測(cè)量船體結(jié)構(gòu)應(yīng)變和溫度，合理、恰當(dāng)?shù)姆庋b是必要的，不但需要考慮對(duì)傳感器裝置的防護(hù)，還要避免傳感器裝置本身對(duì)測(cè)量點(diǎn)的結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生影響。為此對(duì)傳感器裝置的結(jié)構(gòu)做了精心設(shè)計(jì)，把傳統(tǒng)的傳感器裝置的結(jié)構(gòu)分成2個(gè)部分，可分別與結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接，焊接部位與測(cè)量點(diǎn)有足夠的間距，防護(hù)罩不與船體結(jié)構(gòu)接觸，這樣既能準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)力變化，又能避免傳感器裝置的本體結(jié)構(gòu)對(duì)被測(cè)量點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的影響。

3.5 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

圖4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)圖

3.6 測(cè)量精度

本系統(tǒng)所用寬帶光源波長(zhǎng)范圍1525～1565 nm，波長(zhǎng)分辨率1pm，精度±5pm（對(duì)應(yīng)±4×10－6），測(cè)量范圍±5 000pm（對(duì)應(yīng)±4000×10－6）。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用FBG 傳感器監(jiān)測(cè)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力在國(guó)內(nèi)剛剛起步，本文介紹的FBG 應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在一艘最新開(kāi)發(fā)的三體船上安裝使用，至今已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)1年。該系統(tǒng)目前使用的FBG 傳感器只能測(cè)量單向應(yīng)變，下一步將考慮可測(cè)量多向應(yīng)變的FBG 傳感器封裝，完善可直接為操船提供指導(dǎo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析的功能，同時(shí)在船上開(kāi)展FBG 傳感器監(jiān)測(cè)與電阻應(yīng)變測(cè)量的對(duì)比分析工作。

［1］MOREY W W，BALL G A.Fiber Bragg grating technology［G］.Conference：Lasers and Electro－Optics Society，IEEE LEOS Annual Meeting－PHO，1996.

［2］TODD M，SEAVER M.The use of a High－Performance Fiber Optic Measurement System in Structural Damage Assessement［R］.SPIE Smart Structures／NDE 4694，San Diego，California，March 17－21，2002

［3］KARIANNE P，GREGG J.Instrumentation of a High－Speed Surface Effect Ship for Structural Re－sponse Characterisation During Seatrials［R］.bNaval Research Laboratory，Code 5673，Washington，DC 20357USA.2002.

［4］余有龍，譚華耀，鍾永康.基于干涉解調(diào)技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)［J］.光學(xué)學(xué) 報(bào)2011，21（8）：987－989.

［5］劉盛春，陳向飛.光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用專(zhuān)題講座［J］.軍事通信技術(shù)，2009，30（1）：94－100.

［6］張小偉，寧提綱.光纖光柵傳感器交叉敏感問(wèn)題的研究［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2007（4）：1－4.

［7］黃 銳.一種同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變的光纖光柵傳感器［J］.中國(guó)激光，2005，32（2）：232－235.