光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)在船體上的應(yīng)用

冒如權(quán)

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

光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)在船體上的應(yīng)用

冒如權(quán)

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

介紹一種光纖布拉格光柵應(yīng)變結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是針對如船舶、橋梁、飛行器等需要對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行應(yīng)變測量的智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)傳感器采用減敏片式彈簧結(jié)構(gòu)，使應(yīng)變測量范圍可達到10 000 με，滿量程精度為0.1%，同時可達到實時準確的在線監(jiān)測。經(jīng)實船驗證，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集迅速、可靠性高。

光纖布拉格光柵；應(yīng)變傳感器；船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測

引 言

光纖光柵作為近年來發(fā)展最快的光纖無源器件之一，先后有Xu等人［1-2］對裸FBG的傳感特性進行了研究，由于光纖光柵傳感器具有其他電學傳感器不具備的諸多優(yōu)點，許多科研工作者開始對其深入研究［3］。本文在船板上進行實時監(jiān)測，對船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化關(guān)鍵點進行監(jiān)測，得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，由此實現(xiàn)對船體整體的監(jiān)測。實驗結(jié)果證實產(chǎn)品擬合的線性度已經(jīng)達到99.99%以上，并達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

光電子器件的產(chǎn)業(yè)是研究系統(tǒng)開放、應(yīng)用、生產(chǎn)與銷售的全方位綜合高科技產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)各類光纖光柵傳感器和解調(diào)儀已廣泛應(yīng)用于艦船、橋梁、建筑、航天等現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中。最近十幾年涌現(xiàn)出一批專業(yè)生產(chǎn)光纖傳感器或相關(guān)的光學器件生產(chǎn)單位，其不僅擁有自己的知識產(chǎn)權(quán)［4-7］，也針對不同的設(shè)備環(huán)境提出相應(yīng)的傳感器設(shè)計方案，解決了許多工程應(yīng)用上的問題。雖然很多光纖類傳感器已在工程上得到應(yīng)用，但目前部分光纖傳感器的研發(fā)仍處于實驗室試驗階段（如對于啁啾光纖的應(yīng)用等［8］），同時對于環(huán)境相對復雜的環(huán)境如何通過無線節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)等問題都有待解決。

1 原理及結(jié)構(gòu)

1.1 FBG的工作原理

光纖布拉格光柵中心波長的公式［9-11］：

式中：Λ為光柵周期；neff為傳導模的平均有效折射率。當柵區(qū)受到應(yīng)力作用時，光柵的中心波長就會發(fā)生一定的變化，其去應(yīng)力的變化為線性關(guān)系，即：

式中：ρe為光纖的彈光系數(shù)；Δε為光纖的應(yīng)變值；彈光系數(shù)只與光纖的材料有關(guān)。

從式中可以看出波長變化量與其應(yīng)變?yōu)橐浑A線性關(guān)系，但是在工程中光纖布拉格光柵的中心波長變化還受溫度的影響，通常采用外溫度補償方法來進行溫補，其封裝原理圖如圖1所示。

圖1 封裝原理圖

圖1 中：其采用四點焊接的形式焊接在船板底部。其中，受應(yīng)力與溫度聯(lián)合影響，在有兩個傳感參量（f1，f2）的系統(tǒng)中，應(yīng)變和溫度（ε，T）的變化所引起的變化規(guī)律表示為［12］：

式中：設(shè)它們具有相同的應(yīng)力系數(shù)Kε，與溫度系數(shù)KT近似相等，且在計算過程中默認，溫度補償光纖不受到應(yīng)力作用的影響。這種方法通過引入僅受溫度影響的的參考光柵，由此算出溫度與應(yīng)變波長的相對影響即溫度補償。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計上也采用減敏基片的形式，減敏結(jié)構(gòu)屬于平面對稱型結(jié)構(gòu)，由固定端、環(huán)形平面彈簧結(jié)構(gòu)、弧形過渡段、平板結(jié)構(gòu)等構(gòu)成?；谇懊娴脑O(shè)計原理，初步預設(shè)尺寸為28 mm×10 mm×1.5 mm，其中固定端長3 mm、平板結(jié)構(gòu)長15 mm、環(huán)形彈簧結(jié)構(gòu)長7 mm。減敏結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 減敏基片示意圖

為保證計算精度，對三維模型我們采用帶中節(jié)點的solid186體單元，該單元采用二次位移差值函數(shù)，可以很好地適應(yīng)曲線邊界，對不規(guī)則結(jié)構(gòu)具有較高的計算精度。在結(jié)構(gòu)的厚度方向劃分大于3層網(wǎng)格，能夠滿足計算精度需求劃分網(wǎng)格后對單元的橫縱比、對邊平行度、最大夾角、雅格比率、翹曲系數(shù)進行檢查，檢查后顯示網(wǎng)格質(zhì)量良好，均能保證較高的計算精度要求。

在實驗前對上述結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析，建模時在基片上表面預開半徑0.25 mm的貫穿基片兩斷面的長槽，用來固定安裝光纖光柵；同時槽內(nèi)滴加少量硅膠對光纖光柵進行保護，但是又不影響光纖光柵的軸向拉伸變形。對網(wǎng)格的橫縱比、對邊平行度、最大夾角、雅格比率、翹曲系數(shù)進行檢查結(jié)果良好。采用結(jié)構(gòu)兩端對稱拉壓的加載方式進行加載，其中軟件仿真結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過對其兩端結(jié)構(gòu)的仿真在水平方向的位移就能得出其應(yīng)變的具體測量范圍。

圖3 水平方向的位移圖

由以上仿真結(jié)果可知，復合結(jié)構(gòu)的形變基本被環(huán)形減敏結(jié)構(gòu)吸收，其中兩端定光的大環(huán)起到絕對減敏的作用，小環(huán)的變形又能確保測量具有較高靈敏度，通過對受水平軸向拉伸、壓縮載荷的鈦合金板分別進行有限元強度分析得出以下結(jié)論：

（1）固定端受水平壓縮、拉伸載荷時，中間平板位移即圖中L1的位移為0.723e-5 m。若假設(shè)光纖光柵的長度為10 mm，則計算出光纖光柵的應(yīng)變?yōu)? 446 με，處在光纖光柵長期使用范圍（3 000 με ）內(nèi)，結(jié)構(gòu)的減敏比約為3.5。

（2）固定端受拉伸、壓縮載荷時，最大等效應(yīng)力為509 MPa，最大值位置在圓環(huán)內(nèi)側(cè)及過渡圓環(huán)的弧底。

（3）該結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果與設(shè)計原理相符合，滿足 -5 000 με~+5 000 με的設(shè)計要求。

所以該結(jié)構(gòu)滿足強度設(shè)計要求具有一定的可行性。

圖4 實驗裝置示意圖

2 實驗結(jié)果及分析

首先對船底部進行拉伸實驗，在底部兩個位置分別粘貼應(yīng)變片，其作用是對比光纖光柵應(yīng)變結(jié)構(gòu)的測量結(jié)果，應(yīng)變片的值近似為實際應(yīng)變值，方便與實驗測量值進行對比。在進行多組測量取平均值，船體實驗參見圖4。在實驗中控制船體在水中向船體邊固定裝置的反方向勻速拉伸船體，此時無線應(yīng)變測量片會顯示出實際應(yīng)變值，光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器中的數(shù)據(jù)會通過采集箱傳送到數(shù)據(jù)控制柜中，經(jīng)過數(shù)據(jù)控制柜的計算求得測量的應(yīng)變值，再與應(yīng)變結(jié)果對比即可得到精度與誤差，經(jīng)過多次實驗各數(shù)據(jù)取平均值（見下頁表1）。

表1 船板拉伸實驗結(jié)果（溫度20℃）

將表1中的計算結(jié)果進行擬合，結(jié)果見圖5。

圖5 應(yīng)變波長擬合結(jié)果

如圖5中的實驗結(jié)果所示，應(yīng)變測量值與傳感器測量的值幾乎相等，精度與可靠性極高，經(jīng)過計算與誤差分析可達1‰的精度。實船試驗時，與上述方法相同，其試驗結(jié)果見表2。實船安裝時，其中各指標參數(shù)如下：

應(yīng)變量程：±5 000 με

應(yīng)變精度：≤0.1‰FS

表2 實船試驗數(shù)據(jù)（溫度22.1℃）

單臂外形（L×W×H）：25 mm×12 mm×3 mm

安裝外形（L×W×H）： 50.6 mm×50.6 mm×9 mm

適用場合：平面，一維曲面（與切線夾角<20°），二維曲面（與切線夾角<15°）

溫補方式：過程后溫補

安裝方式：激光焊接

使用壽命：30年

3 結(jié) 論

綜上所述，光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)在船體上對船板的應(yīng)變健康監(jiān)測的測量準確性與可靠性高，實際應(yīng)用中具有如下明顯優(yōu)勢：

（1）尺寸大為減小

由于采用貼片式封裝，傳感器的尺寸大大減小。傳感器的縮小，意味著傳感器本身對監(jiān)測對象的影響變小，并且其被意外破壞的可能性減小。

（2）長期穩(wěn)定性和壽命提高

由于封裝方式采用了激光焊接，不存在先前用有機粘合方式時出現(xiàn)的長期蠕變、老化問題，在長時間工作時比較穩(wěn)定可靠，并且使用壽命大大提高。

（3）安裝工藝簡化，可靠性提高

由于安裝工藝采用激光焊接后大大簡化，不需要再對焊接表面進行復雜的處理，也避免由于表面處理不到位造成的安裝問題。并且激光焊接設(shè)備較小，即便是狹小的空間也可以焊接。

（4）成本降低

由于光纖光柵的減少以及結(jié)構(gòu)的簡化，致使其成本降低，便于大面積應(yīng)用，故可廣泛應(yīng)用于船體工程監(jiān)測。

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MARIC引領(lǐng)超大型集裝箱船進入LNG動力“新時代”

昨天，法國達飛輪船正式確認前期在中國船舶工業(yè)集團公司訂造的9艘22 000箱超大型集裝箱船訂單全面采用液化天然氣（LNG）動力，該船型基于中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院（MARIC）擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計方案，是LNG動力超大箱船訂造方面的率先示范，這標志著超大型集裝箱船進入LNG動力“新時代”，也將進一步推動LNG動力船舶的快速發(fā)展。

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的低碳能源，加快天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高天然氣在一次能源消費中的比重，是我國加快建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系的必由之路，也是化解環(huán)境約束、改善大氣質(zhì)量，實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的有效途徑，同時對推動節(jié)能減排、穩(wěn)增長惠民生促發(fā)展具有重要意義。

此次22 000箱超大型集裝箱船是世界上首艘采用LNG燃料的超大型集裝箱船，主機由中船集團公司全資子公司W(wǎng)inGD研制，電站同樣采用LNG為燃料。與燃燒重油相比，LNG具有明顯的優(yōu)勢：船舶CO2排放將減少25%；硫排放減少99%；細顆粒物排放減少99%；氮氧化物排放減少85%；EEDI能效指數(shù)低于現(xiàn)行標準60%。該船型滿足全球最嚴格排放限制區(qū)域的排放標準，提前滿足第三階段甚至未來更高的要求。

Application of fiber bragg grating structural strain monitoring system on ship hull

MAO Ru-quang
(Representative Office of Naval Warship Design & Research, Shanghai 200011, China)

This paper introduces a fiber bragg grating (FBG) structural strain monitoring system, which is an intelligent monitoring system for ships, bridges, aircraft, which require strain measurement of key structure. The system sensors adopt desensitization of leaf spring structure, resulting in the strain measurement range up to 10?000?με?and?the?full?range?accuracy?of?0.1%,?as?well?as?the?real-time?and?accurate?online?monitoring.?The?fullscale trial shows that the system has advantages of the rapid data collection and high reliability.

fiber?bragg?grating?(FBG);?strain?sensor;?hull?structure?monitoring

U665.2

A

1001-9855（2017）06-0074-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.074

2017-07-12；

2017-08-24

冒如權(quán)（1979-），男，工程師。研究方向：艦船電氣及自動化。