光纖光柵傳感器在艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

吳 晶，吳晗平，黃俊斌，顧宏?duì)N

(1.海軍工程大學(xué) 兵器工程系，湖北 武漢430033;2.武漢工程大學(xué) 光電子系統(tǒng)技術(shù)研究所，湖北 武漢430205;3.海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽 蚌埠233012)

0 引 言

艦船是一種大型的綜合系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長期服役在惡劣的海洋環(huán)境中，并受到各種載荷的交互作用，如風(fēng)載荷、海流、波浪載荷、冰載荷、深水壓力載荷、爆炸沖擊等，有時(shí)還要遭到臺(tái)風(fēng)、碰撞、擱淺等意外載荷，結(jié)構(gòu)本身還要遭受環(huán)境腐蝕等影響。在這些惡劣的環(huán)境載荷長期作用下，再加上設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生各種形式的損傷，使結(jié)構(gòu)的承載能力下降，發(fā)生災(zāi)害性事故，造成巨大的軍事、經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)在線健康監(jiān)測(cè)成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是通過在艦船結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位布設(shè)傳感器來監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及載荷響應(yīng)，以評(píng)估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中常用的傳感器有:電阻應(yīng)變片、壓電陶瓷PZT和光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器作為一種新型傳感器，相對(duì)傳統(tǒng)的傳感器具有質(zhì)量輕、體積小;高靈敏度、高分辨率;耐腐蝕，耐高溫低溫性能好;抗電磁干擾;能組建大規(guī)模準(zhǔn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，是當(dāng)前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域研究最為廣泛的傳感器。

本文主要對(duì)光纖光柵傳感器在艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，探討基于光纖光柵傳感器的艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和主要研究內(nèi)容。

1 光纖光柵傳感器基本原理

光纖光柵傳感的原理是將被測(cè)結(jié)構(gòu)的物理量轉(zhuǎn)化為光柵反射Bragg 波長的變化量，通過檢測(cè)反射Bragg 波長的變化量即可實(shí)現(xiàn)被測(cè)物理量的測(cè)量，原理如圖1所示。

圖1 光纖布拉格光柵傳感原理Fig.1 Sensing principle of FBG

由耦合模理論可知，光纖光柵的反射波長λB主要取決于光柵周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff，即λB= 2neff·Λ。任何使這2個(gè)參量發(fā)生改變的外界作用都將引起光柵布拉格波長的漂移，即有:

在所有引起光柵布拉格光柵波長漂移的外界因素中，最直接的為應(yīng)變參量，無論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，都將導(dǎo)致光柵周期Λ的變化。并且由于光纖本身具有彈光效應(yīng)也使有效折射率neff隨外界因素的變化而變化。因此，在不考慮溫度作用的條件下，應(yīng)力應(yīng)變引起光柵Bragg 波長的漂移量可由式(2)描述:

式中:Pe為光纖的彈光系數(shù);Kε為測(cè)量應(yīng)變的靈敏度。

同樣，在不考慮應(yīng)力作用的條件下，只有溫度T 作用于FBG 時(shí)，此時(shí)波長的漂移量受光柵的熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)的影響，其表達(dá)式為:

式中:α為FBG的熱膨脹系數(shù);ξ為FBG的熱光系數(shù)。

由式(2)和式(3)可知，通過檢測(cè)光柵中心反射波長的變化量就可以獲得應(yīng)變和溫度的變化量。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鑒于光纖光柵獨(dú)特傳感原理和其他傳統(tǒng)傳感器不具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域［1］。在艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，研究人員也做了大量的研究工作。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

針對(duì)該領(lǐng)域的研究，國外研究較早，取得了一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，具有代表性的工作如下:

1996年，美國和挪威皇家海軍聯(lián)合開發(fā)了一套復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的嵌入式傳感系統(tǒng)(CHESS)［2］，該傳感器系統(tǒng)由12個(gè)光纖光柵傳感器組成，采用波分復(fù)用和干涉解調(diào)技術(shù)。其主要目的是用來監(jiān)測(cè)復(fù)合材料船體由于海浪沖擊引起的瞬間應(yīng)變。并于1996年9月在由增強(qiáng)型玻璃纖維材料制成的雙殼體反水雷艦船上做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在海況SS0～SS5的范圍內(nèi)，其應(yīng)變范圍為1～1 000 με，典型的海浪沖擊時(shí)間大于0.01 s 條件下，采用大于200 Hz的采樣頻率可以有效地監(jiān)測(cè)這種沖擊載荷。

1997年，Systems Planning and Analysis (SPA)公司與美國海軍研究辦公室(ONR)以及海軍水上作戰(zhàn)中心 Carderock 分部 (NSWCCD Naval Surface Warfare Center，Carderock Division)合作開發(fā)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以連續(xù)評(píng)估艦船殼體的應(yīng)變狀態(tài)［3］，確定結(jié)構(gòu)的損傷積累和估計(jì)海軍艦船的生命周期。該系統(tǒng)使用空波分復(fù)用技術(shù)，能夠查詢4個(gè)獨(dú)立通道的120個(gè)分布式傳感器，采樣率可達(dá)到2 kHz。該系統(tǒng)的樣機(jī)在登陸平臺(tái)船塢LPD17的艦船推進(jìn)器上完成了布設(shè)，使用了FBG 傳感器陣列和消除溫度飄移影響的Flat－Pack 傳感器，通過21個(gè)應(yīng)變傳感器，3個(gè)溫度傳感器，對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)。光纖光柵應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)直接和NSWCCD的工程師提供的應(yīng)變片測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果非常接近［4－5］。

1999年，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室用光纖光柵傳感系統(tǒng)對(duì)挪威海軍KNM Skjold 快速巡邏艇進(jìn)行了智能監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)使用安裝在內(nèi)殼和噴水推進(jìn)器上的56個(gè)光纖光柵傳感器，實(shí)時(shí)對(duì)局部應(yīng)變和整船負(fù)載進(jìn)行監(jiān)測(cè)［4］。

2001年，Light Structures 公司開發(fā)了一套基于光纖Bragg 光柵傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［6］，并已經(jīng)安裝于1艘挪威海軍MCMV 艦船上，該系統(tǒng)包括44個(gè)Bragg 光柵，其中17個(gè)用于測(cè)量全局負(fù)載，19個(gè)用于測(cè)量關(guān)鍵部位的負(fù)載，8個(gè)進(jìn)行溫度測(cè)量。該傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)信號(hào)處理、存儲(chǔ)系統(tǒng)與艦艇控制系統(tǒng)及其他設(shè)備聯(lián)為一個(gè)整體，為操作人員提供數(shù)據(jù)信息，如艦船運(yùn)動(dòng)(起伏、傾斜及偏航)、速度、位置、空氣壓力和燃料液位等信息。

2002年，在美國海軍研究室支持下，Systems Planning and Analysis (SPA)公司開發(fā)了一套基于FBG 傳感器技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要用于大型艦船結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)的核心部分是一個(gè)能夠監(jiān)測(cè)上百個(gè)FBG 信號(hào)的測(cè)試單元，并且采樣頻率可達(dá)2 kHz。并在British Trimaran Research Vessel Triton(三體船)上安裝了一套光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)陣列，進(jìn)行了為期2 周的海上測(cè)試［7］。2004年，SPA的工程師們?cè)跐撏习惭b一個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器系統(tǒng)并進(jìn)行測(cè)試，對(duì)潛艇的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，并考察有限元方法分析預(yù)測(cè)此設(shè)計(jì)性能的有效性。FBG 傳感器布設(shè)于6 根光纖內(nèi)，其中2 根光纖(33個(gè)傳感器)安裝于殼體內(nèi)部，4 根光纖(64個(gè)傳感器)安裝于外部。將潛艇降至設(shè)計(jì)的深度紀(jì)錄應(yīng)變信息，光纖傳感器的信號(hào)通過2 000 英尺長的光纜直接傳輸至水面并通過Micron Optic Inc的si425 掃描激光解調(diào)以檢測(cè)，測(cè)量所得的經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變值與有限元模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)比較吻合。該項(xiàng)測(cè)試是FBG 傳感器第一次成功的應(yīng)用于潛艇設(shè)計(jì)的驗(yàn)證測(cè)試［8－9］。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相對(duì)國外來說，國內(nèi)研究人員只進(jìn)行了理論上的研究，到目前為止還沒有相應(yīng)的實(shí)體系統(tǒng)報(bào)道。2004年，陳熙源［10］提出采用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與分布式光纖布拉格光柵網(wǎng)絡(luò)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形測(cè)量和健康監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)方案，建立了由捷聯(lián)慣性系統(tǒng)和光纖布拉格傳感器組成的光電多傳感器初步測(cè)量模型，并對(duì)其可行性進(jìn)行了分析。2006年，陳熙源等［11］在綜述了Bragg 光柵傳感器在國外艦船結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的基礎(chǔ)上，根據(jù)光纖Bragg 光柵的傳感特性，分析了Bragg 光柵在智能船舶結(jié)構(gòu)中應(yīng)用研究的7個(gè)主要內(nèi)容和研究途徑，為后續(xù)研究提供了一定的參考和借鑒作用。

2010年，天津大學(xué)王為［12］在其博士論文中重點(diǎn)研究了光纖光柵傳感器用于船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的各種關(guān)鍵技術(shù):

1)理論分析了橫向應(yīng)力作用下光纖光柵傳感器的波譜特性，及表面式光纖光柵的應(yīng)變傳遞規(guī)律，提出了適用于船體結(jié)構(gòu)和航行環(huán)境的光纖光柵傳感器封裝結(jié)構(gòu);

2)運(yùn)用有限元分析法研究了船舶和潛水器強(qiáng)度彎矩監(jiān)測(cè)的光纖光柵傳感器配置原則，提出了船體波浪抨擊載荷監(jiān)測(cè)的光纖光柵傳感器優(yōu)化配置準(zhǔn)則，并運(yùn)用改進(jìn)型自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法，結(jié)合混沌搜索算法實(shí)現(xiàn)了光柵傳感器的快速、高精度優(yōu)化配置。

3)建立了基于隨機(jī)載荷統(tǒng)計(jì)分析的船體結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估流程，重點(diǎn)研究了船舶關(guān)鍵位置的疲勞壽命模型、應(yīng)力循環(huán)技術(shù)、疲勞損傷累計(jì)準(zhǔn)則等關(guān)鍵技術(shù);

4)針對(duì)船體常見的T型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)損傷特點(diǎn)，提出了基于光纖光柵應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)損傷識(shí)別方法，運(yùn)用支持向量機(jī)技術(shù)識(shí)別了結(jié)構(gòu)損傷程度。為后續(xù)的研究工作提供了技術(shù)上的支持。2012年，李碩對(duì)基于光纖光柵應(yīng)變傳感器的潛艇結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究［13］。對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、具體的設(shè)計(jì)方案及工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問題進(jìn)行論述，并給出了一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為今后的研究提供了參考。

3 艦船結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在參考前人工作的基礎(chǔ)上，本課題組也進(jìn)行了相關(guān)的研究，提出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和研究的主要內(nèi)容。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2011年，針對(duì)艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，顧鈞元［14］借鑒美國波音公司制定的OSA－CBM 體系設(shè)計(jì)思想，提出了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通用框架體系。借鑒前人的思想，結(jié)合實(shí)際課題的工程化應(yīng)用，提出如圖2所示的系統(tǒng)組成。

圖2 艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成圖Fig.2 Figure of ship structure healthy monitoring system

該系統(tǒng)主要包括光纖光柵應(yīng)變、溫度、壓力傳感網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)采集與解調(diào)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸、處理，損傷識(shí)別、定位、等級(jí)評(píng)估和故障預(yù)測(cè)，人機(jī)交互與顯示5個(gè)部分。傳感網(wǎng)絡(luò)部分的功能是通過分復(fù)用技術(shù)將光柵應(yīng)變、溫度、壓力傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，從而獲取各測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù);信號(hào)采集解調(diào)部分的功能是接收傳感網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行解調(diào)得到相應(yīng)的光波波長信號(hào)，以供數(shù)據(jù)處理;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸、處理部分的功能是對(duì)波長信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的靈敏度系數(shù)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的應(yīng)變、溫度和壓力參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)通信傳輸給上位機(jī)并存儲(chǔ);損傷識(shí)別部分的功能是根據(jù)獲得的狀態(tài)參數(shù)評(píng)估損傷的類型、等級(jí)、位置，預(yù)測(cè)出可能產(chǎn)生的故障，提供報(bào)警信號(hào);人機(jī)交互與顯示部分的功能是以直觀、人性化的界面顯示各種狀態(tài)參數(shù)的變化過程，供操作人員查看和操作。

3.2 研究的主要內(nèi)容

根據(jù)艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想和實(shí)際工程化需求，艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究的主要內(nèi)容應(yīng)包括:

1)確定各光柵傳感器的布設(shè)位置

根據(jù)艦船的具體結(jié)構(gòu)，通過有限元分析的方法對(duì)艦船在不同狀態(tài)下的受力情況進(jìn)行分析，標(biāo)定出艦船結(jié)構(gòu)中受力最大和結(jié)構(gòu)最弱的關(guān)鍵部位，并結(jié)合艦船實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行綜合評(píng)判，從而確定出傳感器的布設(shè)方案。

2)確定各光柵的中心波長

根據(jù)受力分析的結(jié)果，確定出各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光柵傳感器的中心波長及其動(dòng)態(tài)范圍的大小，動(dòng)態(tài)范圍的大小取決于各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變范圍，避免在使用波分復(fù)用技術(shù)組網(wǎng)時(shí)光柵傳感器的波長發(fā)生重疊，從而影響解調(diào)結(jié)果。

3)確定傳感器的封裝和安裝

傳感器的封裝應(yīng)根據(jù)待測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變范圍，選擇合適的封裝結(jié)構(gòu)和工藝。如普通的光柵傳感器的應(yīng)變范圍小于3 000 με，而在實(shí)際檢測(cè)過程中有些關(guān)鍵部位的應(yīng)變范圍會(huì)超過這個(gè)范圍，因此，必需采用合適的封裝技術(shù)使其能夠滿足要求。另外，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)要選擇不同的安裝方式。常用的安裝方式有:埋入式、表面式和粘貼式。其中，粘貼方式又分為膠粘和點(diǎn)焊2 種工藝。

4)確定傳感網(wǎng)絡(luò)的解調(diào)系統(tǒng)

根據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大小、動(dòng)態(tài)應(yīng)變的范圍、使用的分復(fù)用技術(shù)，結(jié)合系統(tǒng)的指標(biāo)要求和精度要求選擇合適的解調(diào)系統(tǒng)和解調(diào)軟件。

5)確定各種參量的交叉敏感問題解決方案

由光柵傳感器的傳感特性可知，易受到多種因素的綜合作用，典型的是溫度和應(yīng)變的交叉敏感問題。根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用的方法，通常采用的參考光柵的溫度補(bǔ)償方法。

6)確定各光柵傳感器的靈敏度系數(shù)問題

依據(jù)各傳感器的結(jié)構(gòu)方式和安裝方式，通過試驗(yàn)預(yù)先測(cè)出各傳感器的應(yīng)變、溫度和壓力靈敏度系數(shù)，并與對(duì)應(yīng)的波長進(jìn)行標(biāo)定，以方便在監(jiān)控系統(tǒng)中直觀地顯示出各參量的變化情況。

7)確定光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)方案

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用的分布式測(cè)量，連接各傳感器的光纜布設(shè)應(yīng)充分考慮艦船結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、安全性、水密性、抗惡劣環(huán)境性要求，確定合理的布設(shè)方案。

8)結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的分析和評(píng)估

依據(jù)結(jié)構(gòu)上各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的各參量的值，結(jié)合艦船結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度和穩(wěn)定性強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)和艦船結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度、剩余強(qiáng)度理論，進(jìn)行艦船結(jié)構(gòu)故障模式分析和預(yù)測(cè)，并對(duì)極限狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

4 結(jié)論與展望

基于光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠全天候、不間斷地實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)艦船結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)、艦船使用過程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和完整性，對(duì)其結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部的情況進(jìn)行損傷估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)艦船結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的智能化。當(dāng)出現(xiàn)過大變形、疲勞性損傷、斷裂或火災(zāi)等危險(xiǎn)情況時(shí)，及時(shí)發(fā)出警告信號(hào)，提醒有關(guān)人員采取應(yīng)急措施，保證艦船結(jié)構(gòu)安全可靠地使用。同時(shí)，也可用來確定艦船的維修計(jì)劃、改進(jìn)設(shè)計(jì)、進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性早期安全告警，對(duì)提高艦船使用的安全可靠性具有十分重要的意義。隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟和研發(fā)成本的不斷降低，基于光柵傳感器的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)將在艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

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