光纖傳感材料在船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用

唐旭，朱亞洲，沈中祥，尹群，趙云鶴

(1. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3. 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引 言

隨著船舶工業(yè)及智能傳感材料的發(fā)展，智能傳感材料與船舶工業(yè)的結(jié)合是必然的趨勢。智能材料應(yīng)用于工程已有先河，包括物理、化學(xué)、電子、航空航天、土木工程等領(lǐng)域的研究都有智能材料的涉足[1]。其中，智能材料在工程應(yīng)用中的一個最主要作用就是工程的監(jiān)測[2]。應(yīng)用的智能材料多種多樣，包括壓電材料、形狀記憶合金、光纖材料等，并且，在工程監(jiān)測研究也相對成熟。

在船舶監(jiān)測領(lǐng)域中，智能材料的引入還處于探索階段，并沒有獲得相對穩(wěn)定、良好的應(yīng)用。船舶與飛行器的運行環(huán)境有相似的地方，卻更加復(fù)雜。智能材料在飛機等飛行器的監(jiān)測中應(yīng)用相對成熟，值得借鑒。船舶長期服役在惡劣的海洋環(huán)境中，不僅受到各種載荷的交互作用，其結(jié)構(gòu)本身還要受到環(huán)境腐蝕等影響[3]，并且在未知的海域環(huán)境中，會大大提高船舶失事的風險。為了保證船舶航行的安全，對船舶自身結(jié)構(gòu)的監(jiān)測以及對航行海域的探測顯得尤為重要，希望通過智能材料在船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用中，形成包含信息采集、行駛監(jiān)控、信息反饋、自我診斷以及自我修復(fù)等作用的船舶監(jiān)測系統(tǒng)。

1 材料的種類和選取

1.1 材料的種類

1.1.1 壓電材料

壓電材料發(fā)展的類型主要有單晶、多晶、微晶玻璃、有機高分子、復(fù)合材料等[4]。近年來，壓電材料向著無鉛化、高性能化、薄膜化的方向進發(fā)。如今應(yīng)用廣泛的一類壓電材料是無鉛壓電材料。無鉛壓電材料主要分為壓電陶瓷和壓電晶體2 類。由于有鉛壓電材料對環(huán)境的有害影響，無鉛壓電材料受到了人們的關(guān)注。與含鉛壓電材料相比無鉛壓電材料壓電性能太低，壓電效應(yīng)和溫度穩(wěn)定性都無法達到如PZT 陶瓷這類含鉛壓電材料，無鉛壓電材料在器件應(yīng)用上還有很大的差距，醫(yī)療和軍事上還是以鉛基壓電陶瓷為主，無鉛壓電陶瓷的性能還有待提高，所以無鉛壓電陶瓷材料仍主要應(yīng)用在大量中端和低端的器件上[5]。對晶體來說，一直向高性能化的單晶體發(fā)展，目前國際上生長出的大尺寸高質(zhì)量的弛豫鐵電單晶，它的機電性能高92%，壓電性能達2000 PC/N，儲能密度約為130 J/kg，幾乎高出傳統(tǒng)PZT 陶瓷10 倍[6]，但由于生產(chǎn)周期、生產(chǎn)成本、受熱不夠穩(wěn)定等影響因素，此類壓電單晶體并沒有實用化。所以，需要提高如今的工藝水平和制備方法才能獲得組分均勻性更好、晶體缺陷更少、晶體性能更優(yōu)的無鉛壓電晶體。

還有一類廣受關(guān)注的壓電材料是聚合壓電材料和復(fù)合壓電材料。聚合壓電材料就是指壓電聚合物，壓電聚合物通常是非導(dǎo)電性高分子材料，從本質(zhì)上講不包含有可移動電子電荷，但是，在一些特殊情況下，可以改變其中帶負電荷的引力中心[7]。壓電聚合物主要分為非晶和半結(jié)晶這2 類聚合物，壓電聚合物最為典型的例子就是聚偏二氟乙烯（PVDF），與壓電陶瓷相比，壓電聚合物在更小的壓電應(yīng)力常數(shù)的情況下，有更高的壓電電壓常數(shù)，并且壓電聚合物的質(zhì)量更輕，韌性更高，有更高的強度和耐沖擊性以及對電壓的敏感性更高，能夠適用于各種極端環(huán)境并應(yīng)用于各種復(fù)雜的傳感器中。目前，壓電聚合物被廣泛應(yīng)用于傳感和驅(qū)動裝置中，包括超聲波、醫(yī)療器械、水聽器、聲電換能器等領(lǐng)域。而壓電復(fù)合材料是指壓電聚合物與其他壓電材料復(fù)合成的材料，如PVDF 基、尼龍基、環(huán)氧樹脂基、有機硅聚合物基壓電復(fù)合材料等[8]，壓電復(fù)合物是迄今為止壓電材料發(fā)展的一個高地，其兼具高分子材料的韌性、易加工性、高機械性和無機壓電材料的較好的壓電性能，壓電復(fù)合材料是壓電材料發(fā)展的必然趨勢。

1.1.2 形狀記憶合金

形狀記憶合金（SMA）是具有形狀記憶效應(yīng)（SME）、超彈性（SE）和高阻尼性的功能材料[9]。此類合金材料對溫度變化感知敏感，是熱能向機械能轉(zhuǎn)換的介質(zhì)，達到對外輸出做功、產(chǎn)生位移、儲存釋放能量的作用。形狀記憶合金主要包括普通SMA、高溫SMA、磁性SMA、復(fù)合SMA 等，其中普通SMA 有Ni-Ti 基、Cu 基、Fe 基、Ag 基、Au 基、Co 基SMA 等多種類，應(yīng)用最廣的還是Ni-Ti 基SMA，雖然它的性能較好，但是由于相變溫度低、對外感知不夠敏感的問題，限制了其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。所以，人們又從Ni-Ti 基SMA 的基礎(chǔ)上發(fā)展出了Ni-Ti-Y（Y=Hf，Pd，Pt，Au）合金[10]，使形狀記憶合金在高溫的情況下，仍然能有很好的反應(yīng)性能，但是其問題在于它的塑性和抗疲勞性能較差，制作成本也高，高溫SMA 的研究還有待發(fā)展。磁性SMA 是通過感知磁場變化驅(qū)動的形狀記憶合金，其應(yīng)變速率較快，且兼具很好的應(yīng)變性能，傳輸頻率也比普通SMA 更高，但應(yīng)用場合局限，僅適用于低溫環(huán)境，成形難度大，并未得到廣泛使用。復(fù)合SMA 是將Ti-Ni 合金絲置于鋁合金、鎂合金和高分子等材料中，使復(fù)合材料具有升溫自增強、抑制裂紋擴展、減振降噪等智能屬性[11]，這樣的結(jié)合產(chǎn)生了具有主動探測和控制裂紋擴展的智能復(fù)合構(gòu)件?？傮w而言，形狀記憶合金具有傳感和驅(qū)動2 種優(yōu)點，而且，其變形在正常情況下是可逆的，適用于結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測，在陸地交通、航天航空以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

1.1.3 光纖材料

光纖材料是一種把光能閉合在纖維中產(chǎn)生導(dǎo)光作用的纖維材料[12]。當入射光線與光軸線的夾角在一定范圍內(nèi)，光纖會發(fā)生全反射，此時，光線在光纖中沿鋸齒狀路徑曲折前進，達到信號傳輸?shù)哪康?。光纖材料主要由纖芯和包層2 部分構(gòu)成，纖芯是以高透明固體材料制成的，而覆蓋在外層的包層是用折射率比纖芯低的石英玻璃、多組分玻璃以及塑料等材料制作的，光纖的傳輸性能主要是由纖芯和包層的性質(zhì)以及兩者的配合決定的。當外界應(yīng)力和溫度發(fā)生變化時，光纖也會產(chǎn)生相應(yīng)的變形，光纖中光的波長隨之會發(fā)生偏移，光纖的折射率也會受到影響，因為光纖材料對外界具有相對敏感的感知能力，光纖材料經(jīng)常被應(yīng)用到傳感器件中，現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的光纖材料主要有石英玻璃光纖、多組分玻璃光纖、紅外光纖、塑料光纖、金屬涂層光纖、摻稀土光纖、發(fā)光光纖等幾類[13]，每種光纖有不同的特點，適用于各個不同的領(lǐng)域。光纖材料以其優(yōu)異的光傳導(dǎo)性能成為了通信領(lǐng)域的佼佼者，在醫(yī)學(xué)方面，光纖材料以其細小、柔軟易彎曲變形的材料特性，應(yīng)用于探查內(nèi)窺設(shè)備中，通過與激光的結(jié)合，甚至作為手術(shù)刀應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)中。在照明和光能傳輸方面，光纖材料以其短距離可實現(xiàn)一個光源多點照明的特點，應(yīng)用于地下、水下照明。在工業(yè)方面，因其優(yōu)異的感知和傳導(dǎo)能力，被制成各種傳感器應(yīng)用于測量壓力、溫度、流量、位移、光澤、顏色、產(chǎn)品缺陷等各個方面。總體而言，光纖材料是作為光能傳輸?shù)囊粋€很好的介質(zhì)，并且其研究較為成熟、傳輸效果穩(wěn)定、能量損耗低，是作為傳感元件的理想選擇。

1.2 材料的選取

1.2.1 材料的對比

船舶在海上行駛時，既要承受風、浪、流等海洋環(huán)境給船舶帶來的載荷效應(yīng)，又要承受海水對其船體結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷，同時因海域的變化，船舶所航行的海洋環(huán)境也隨之變化，因此所選取的智能傳感材料需要具備較強的適應(yīng)性。

上述3 種類型的材料都具有較好的傳感性能，但是在與船體結(jié)合時，需要適應(yīng)復(fù)雜的海洋環(huán)境，才能正常工作。壓電材料的靈敏度高、信噪比高、質(zhì)量輕、工作可靠，一些壓電晶體的工作溫度區(qū)間也大，在測量過程中，材料的形變量也小，所以誤差也不大，但是需要注意的是壓電傳感材料需要進行防潮處理，否則無法正常工作，其次輸出的直流響應(yīng)差，需要通過高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺點。形狀記憶合金沒有磁性、耐磨、耐腐蝕、沒有毒性，并且有較大的變形能力，其形變也是可逆的，但是目前的研究中形狀記憶合金的響應(yīng)溫度范圍較小，只有在較低溫的情況下，才會有所響應(yīng)，這一問題目前還未得到有效的解決方案。光纖材料不受電磁噪聲的干擾、體積小、壽命長、保密性高，并且具有絕緣、耐高溫、耐腐蝕、耐高壓的特點，適用于各種特殊環(huán)境的工作中，但其機械強度較差。

通過上述材料特性的比較，不難發(fā)現(xiàn)，光纖材料是更適合于船舶信息采集的智能材料，不僅是作為傳感器，船舶中的電磁干擾也很多，光纖優(yōu)異的傳輸性能和抗電磁干擾的能力也可以作為信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)。所以，光纖材料與船體結(jié)構(gòu)可以較好的融合，成為船用智能傳感材料的首選。

1.2.2 傳感器的選取

目前，光纖傳感器主要分為法布里-珀羅（F-P）光纖傳感器、光纖布喇格光柵（FBG）傳感器和分布式光纖傳感器等。

F-P 光纖傳感器因其結(jié)構(gòu)精巧、安裝簡便、價格低廉的特點，很容易形成各類型的傳感器，其利用光干涉原理來完成信號的檢測，可以精確測量小位移和細微的波長變化[14]，由寬光譜光源發(fā)出的光被耦合進光纖，經(jīng)2×2 耦合器進入傳感器系統(tǒng)的傳感F-P 腔，進入傳感F-P 腔的光在腔中被作用于其上的外界物理量調(diào)制，表現(xiàn)為F-P 腔腔長大小的改變。通過腔長的改變，從反射光纖反射回得到2 束光的光程差不一致，從而獲得被測物理量的信息。光纖光柵傳感器屬于波長調(diào)制型傳感器[15]，F(xiàn)BG 傳感器是利用摻雜光纖的紫外光敏特性，將呈空間周期性的強紫外激光照射摻雜光纖，使得摻雜光纖的纖芯形成折射率沿軸向周期性分布的結(jié)構(gòu)，得到的一種芯內(nèi)相位光柵就是FBG，F(xiàn)BG 最突出的一個特點就是其傳感信號為波長調(diào)制及復(fù)用組網(wǎng)特性。并且，其傳感探頭結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，適用于各種場合，便于埋入復(fù)合材料中應(yīng)用。分布式光纖傳感器將光纖既作為傳感介質(zhì)，又作為傳輸介質(zhì)，利用光在光纖中的散射原理，對沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進行連續(xù)測量，獲得被測量參數(shù)隨空間和時間變化的信息[16]。被測對象不是一個點而是呈一定空間分布的場時，為了獲取相對完整的信息時，往往是分布式光纖傳感器適用。

經(jīng)過對比，F(xiàn)BG 傳感器因結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小的特點，能夠與船體結(jié)構(gòu)較好融合，因此，從理論上分析可知，F(xiàn)BG 傳感器可應(yīng)用于船舶與海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

2 材料與船體的結(jié)合方式

本文擬定尋找一種能夠與船體結(jié)構(gòu)較好融合，并感知船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變，監(jiān)測船體周圍海洋環(huán)境參數(shù)的智能傳感材料。因此，智能傳感材料與船體結(jié)構(gòu)的有效結(jié)合方式也是研究的難點。因船舶與海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的特殊要求，傳感材料不宜暴露于結(jié)構(gòu)外側(cè)，因此，擬定采用埋入方法與結(jié)構(gòu)結(jié)合。

FBG 傳感器的埋入方式大致有2 類，一類是以復(fù)合材料為基體埋入結(jié)構(gòu)中，另一類是以金屬為基體埋入結(jié)構(gòu)中，但由于金屬材料的融點比復(fù)合材料高很多，F(xiàn)BG 傳感器以金屬為基體時必須面對融入過程中的高溫的熱應(yīng)力，所以需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的耐高溫措施的處理，可能使FBG 中心波長發(fā)生偏移，甚至完全損壞波長的選擇性[17]，相比之下以復(fù)合材料為基體的埋入式方案更加經(jīng)濟、穩(wěn)定，所以選用與復(fù)合板集成埋入的方式。

出于減重及聲、磁性能的考慮，復(fù)合材料夾芯板越來越多地取代了船舶結(jié)構(gòu)中的鋼質(zhì)殼板[18]，1996 年下水的7221GRP 雙體氣墊船，船體外板采用樹脂和玻璃纖維布組成的復(fù)合材料板，平板龍骨采用凱夫拉纖維布，甲板、艙壁和上層建筑則采用法國生產(chǎn)的蜂窩夾芯板[19]。復(fù)合夾芯板材料在船舶與海洋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，為智能傳感材料的有效嵌入提供了有效載體。

如圖1 所示，通過類似的埋入方式將FBG 傳感器與船體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，當外部的船體結(jié)構(gòu)受到外部環(huán)境的影響，溫度發(fā)生變化、結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)變時，內(nèi)部的FBG 傳感器也受到應(yīng)力和溫度的作用，從而達到感知外界環(huán)境變化的作用。

圖 1 FBG 傳感器與船體結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式Fig. 1The way FBG sensors are integrated into the hull structure

3 FBG 傳感器的工作機理

如圖2 所示，此處的信號均為光信號，當寬帶光波作為信號通過光纖傳感器時，一部分光波信號透射，而只有另一部分某波長的光被反射。當外部的環(huán)境發(fā)生改變時，會造成光柵波長位移，可以通過建立傳感模型進行研究。造成波長位移的外界環(huán)境變量主要為應(yīng)力和溫度，所以，建立應(yīng)變和溫度傳感模型。

圖 2 光信號在光纖材料中的傳感原理Fig. 2Sensing principle of optical signals in fibre optic materials

3.1 應(yīng)變傳感模型

本文所建立的模型都是理想模型，規(guī)避掉一些物理量的復(fù)雜情況。模型中的光纖為理想彈性體，并且始終保持各向同性的特性，所受應(yīng)力為均勻的靜應(yīng)力。

波長位移與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系方程[20]為：

其中：ΔλB為波長的位移量；ΔΛ為應(yīng)力作用下光纖彈性變形光柵周期的變化量；Δneff為彈光效應(yīng)下有效折射率的變化量； neff為有效折射率； Λ為光柵周期。

根據(jù)方程（1），當受到外界縱向或軸向應(yīng)力時，方程展開：

其中：ΔL為光纖縱向伸縮量； Δa 為纖芯半徑的變化量；為縱向彈性應(yīng)變效應(yīng)；為光纖的彈光效應(yīng)；為光纖芯徑變化產(chǎn)生的波導(dǎo)效應(yīng)。

介電抗?jié)B張量和某一方向的折射率有以下關(guān)系：

其中： βij為介電抗?jié)B張量； nij為某方向折射率。

因為是理想模型，所以此處的光纖具有各向同性的特征，各方向折射率也相同，即FBG 的有效折射率neff為光纖折射率，由此得：

通過式（2）和式（4）得：

其中： k 為靈敏度系數(shù)； Pij為材料彈光系數(shù)。對于摻鍺石英光纖材料而言，P11=0.121， P12=0.270， ν =0.17，neff=1.46。算得靈敏度系數(shù) k =0.78，波長為1 550 μm時，波長位移為1.22 pm/με。由張曉晶等研究[21]：

所以，當溫度恒定時波長位移與軸向應(yīng)變呈理想線性關(guān)系。

3.2 溫度傳感模型

在建立溫度傳感模型的時候也將其視為理想模型，并沒有考慮實際的復(fù)雜情況。

當溫度發(fā)生變化時，根據(jù) λB=2neffΛ可得[22]：

在摻鍺石英光纖中，內(nèi)部而應(yīng)力導(dǎo)致的彈光和波導(dǎo)效應(yīng)微乎其微，可以忽略不記，那么由式（8）得：

其中： αF為 光纖熱膨脹系數(shù)； ξ為光纖的熱光系數(shù)。

對摻鍺石英光纖來說， ξ取 6 .5×10-6/°C， αF取0.5×10-6/°C，當入射波長為1 550 nm 時，溫度靈敏系數(shù)為10.85×10-6/°C。所以，在理想狀態(tài)下FBG 傳感器的波長位移與溫度變化量成線性關(guān)系。

3.3 數(shù)據(jù)的采集和處理

之后通過接入光纖解調(diào)器，采集光纖材料中的波長位移，再連接計算機，將采集的信號可視化，達到監(jiān)測的目的。將數(shù)據(jù)進行存儲，進一步的將存儲的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，最終達到信息共享的目的。

如圖3 所示，此為現(xiàn)階段研究需要達到的效果。

圖 3 船舶監(jiān)測系統(tǒng)流程圖Fig. 3Flow chart of the ship monitoring system

4 結(jié) 語

在研究過程中，也有許多問題還未得到很好的解決方案。當復(fù)合夾芯板與船體結(jié)構(gòu)結(jié)合時，如何將其對船體結(jié)構(gòu)的影響降到最小？FBG 傳感器在船體結(jié)構(gòu)中的布置有多種，如何選取出最優(yōu)的布置方案？以及船舶上的線路復(fù)雜，光纖傳輸這種有線傳輸勢必影響船舶中的線路規(guī)劃，但船舶中的電器元件繁多，無線電波傳輸也受到其限制，是否可以找出一種合理并且可行的傳輸方式也是需要探索的問題。當問題逐一破解，船舶監(jiān)測系統(tǒng)就會逐步完善。光纖材料是發(fā)展比較成熟的傳感材料，是目前最適合也最有望應(yīng)用于船舶監(jiān)測中的智能傳感材料，主要能應(yīng)用的還是對船體結(jié)構(gòu)的監(jiān)測以及對海洋環(huán)境信息的采集，但隨著智能材料的發(fā)展和進化，可以往更加智能的方向發(fā)展，不只是具有感知能力，甚至可以具有驅(qū)動能力，當面對外界的環(huán)境變化時，能達到自我調(diào)整，自我適應(yīng)的能力。如果將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到船舶領(lǐng)域中，可以使船舶更加整體化，無論是應(yīng)對外界環(huán)境的變化還是船舶內(nèi)部的運行，都是通過智能的思路解決。光纖材料，以及智能材料在船舶領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。