基于FBG傳感器的船體結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1

張 昆，劉驍暘，田 駿，鄭如炎

（海軍裝備部駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913）

0 引言

隨著造船技術(shù)的飛躍發(fā)展，船舶不斷朝著大型化和智能化的方向發(fā)展，其安全性受到越來(lái)越高的重視。船舶在高速航行時(shí)，船體結(jié)構(gòu)敏感部位易發(fā)生疲勞等損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響船舶與船員的安全。因此，有必要對(duì)船體結(jié)構(gòu)典型位置實(shí)施長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)以及疲勞強(qiáng)度評(píng)估。

光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）傳感技術(shù)作為一種新興的傳感技術(shù)，具有靈敏度高、壽命長(zhǎng)以及抗腐蝕性強(qiáng)等傳統(tǒng)傳感技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已逐步開(kāi)展了基于FBG傳感技術(shù)的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面的相關(guān)研究。

針對(duì)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)問(wèn)題，本文研究了FBG傳感技術(shù)在船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，可為各種類型船舶的安全健康監(jiān)測(cè)提供一定的參考。

1 船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)是對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)、處理、顯示和監(jiān)測(cè)等一系列配套和交叉內(nèi)容的綜合性技術(shù)，在眾多工程領(lǐng)域已取得廣泛應(yīng)用。然而，結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用仍處在起步階段，大量關(guān)鍵技術(shù)亟須深入研究。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

1998年，Gcrmtc等研究機(jī)構(gòu)為了加快對(duì)FBG傳感器的應(yīng)用，將傳感器覆蓋全船，并取得了不錯(cuò)的監(jiān)測(cè)效果。HJELME等驗(yàn)證了基于FBG技術(shù)的船舶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的可行性，并將FBG傳感器應(yīng)用在雙體船模型的監(jiān)測(cè)當(dāng)中。美國(guó)海軍與 SPA（Systems Planning and Analysis）公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一套FBG解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可高速運(yùn)行，且能較好地完成對(duì)船體結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)。此外，該系統(tǒng)還用于測(cè)量英國(guó)某型艦艇船體結(jié)構(gòu)的彎矩和砰擊壓力，取得了良好的試驗(yàn)效果。英國(guó)的 SMDS（Ship &Marine Data Systems）公司和 SUL（Strainstall UK Limited）公司、挪威的Lightstruct公司、韓國(guó)的GME（Global Maritime Engineering）公司和法國(guó)的Hullmos公司等都已形成各自較為完善的船體結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并已成功運(yùn)用在各類船舶中。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)基于 FBG技術(shù)的船舶結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究仍處于起步階段，大量理論與技術(shù)都還需進(jìn)一步研究與完善。金永興等自主研發(fā)了一套船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)安裝該套系統(tǒng)的集裝箱船進(jìn)行了實(shí)船試驗(yàn)，取得了不錯(cuò)的監(jiān)測(cè)效果。但該系統(tǒng)只局限于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線處理。侯超運(yùn)用FBG傳感器，對(duì)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器布置和解調(diào)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，但缺乏對(duì)信號(hào)分析以及數(shù)據(jù)處理的相關(guān)研究。深圳遠(yuǎn)舟科技實(shí)業(yè)有限公司宣布研發(fā)出一套完整的基于FBG技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但因涉及商業(yè)秘密，鮮有報(bào)道。王為重點(diǎn)研究了FBG監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感與檢測(cè)、信號(hào)處理與分析等關(guān)鍵技術(shù)。梁文彬?qū)鞲衅鞯姆庋b等安裝工藝和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體方案進(jìn)行了相關(guān)研究。賈連徽針對(duì)船體結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)問(wèn)題，提出了一套采用FBG技術(shù)的船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。迄今為止，國(guó)內(nèi)尚未形成一套可用于預(yù)報(bào)和評(píng)估各類船型技術(shù)狀態(tài)的全面的船體結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 FBG 傳感器介紹

自1978年FBG問(wèn)世以來(lái)，光纖光柵技術(shù)在通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，F(xiàn)BG傳感技術(shù)在監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也受到廣泛關(guān)注，這是因?yàn)镕BG傳感技術(shù)具有質(zhì)量小、傳輸損耗少、測(cè)量范圍大、體積小、靈敏度強(qiáng)、精度高、電測(cè)量，以及分布式測(cè)量等眾多傳統(tǒng)傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。光纖光柵的纖芯折射率可依據(jù)周圍的應(yīng)變和溫度變化情況而產(chǎn)生周期性改變。FBG傳感器主要通過(guò)光纖光柵對(duì)外界的變化進(jìn)行測(cè)量，其組成部分一般包括探測(cè)器、光纖光柵和光源等。FBG傳感器滿足布拉格條件，如式（1）所示：

式中：為布拉格波長(zhǎng)；為有效折射率；為光柵周期。

光纖光柵周圍環(huán)境發(fā)生應(yīng)變等變化，會(huì)導(dǎo)致FBG傳感器有效折射率與光柵周期發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移，通過(guò)對(duì)漂移變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最終得到應(yīng)變和溫度等被測(cè)物理量的變化量。FBG傳感器的組成見(jiàn)圖1。

圖1 FBG傳感器的組成

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 FB G傳感器優(yōu)選原則

當(dāng)今，各種傳感器層出不窮，原理結(jié)構(gòu)也不盡相同。在對(duì)傳感器進(jìn)行選擇時(shí)，需要根據(jù)具體監(jiān)測(cè)目的、監(jiān)測(cè)環(huán)境和監(jiān)測(cè)對(duì)象，同時(shí)兼顧傳感器具體的性能指標(biāo)對(duì)比，合理做出選擇。傳感器選擇原則主要包括：

1）依據(jù)不同監(jiān)測(cè)環(huán)境和對(duì)象選擇相應(yīng)的傳感器類型。不同類型的傳感器適用于不同的對(duì)象和環(huán)境，在選擇最優(yōu)類型的傳感器時(shí)需要統(tǒng)籌兼顧。

2）線性范圍。線性范圍越廣，對(duì)應(yīng)的量程與測(cè)量精度就越高。一般情況下，在選定傳感器類型后應(yīng)該首先考慮傳感器的精度和量程是否滿足要求。

3）靈敏度的選擇。一般情況下，傳感器靈敏度的高低決定著信號(hào)處理的性能，靈敏度越高信號(hào)處理越快。但并不是靈敏度越高越好，靈敏度越高，外界噪聲影響越大，越會(huì)對(duì)信號(hào)處理的質(zhì)量造成負(fù)面影響。

4）頻率響應(yīng)（頻響）特性。傳感器的頻響會(huì)有不可避免的延遲，延遲太多會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的失真。傳感器的延遲越小，頻響越高，誤差就會(huì)越小，信號(hào)處理質(zhì)量越好。

5）穩(wěn)定性。傳感器穩(wěn)定性的影響因素一般包括自身結(jié)構(gòu)、外界環(huán)境和環(huán)境適應(yīng)能力。傳感器穩(wěn)定性的好壞決定著監(jiān)測(cè)壽命期內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 FB G傳感器優(yōu)化布置

傳感器的布置優(yōu)化是傳感器子系統(tǒng)的首要問(wèn)題，而傳感器子系統(tǒng)又是基于 FBG傳感技術(shù)的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置優(yōu)化至關(guān)重要。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化包含監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和位置的選擇。理論上講，監(jiān)測(cè)點(diǎn)越多，越能獲得更加全面和有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。然而，船體結(jié)構(gòu)型式一般比較復(fù)雜，傳感器布置易受限；同時(shí)，測(cè)點(diǎn)越多，傳感器和配套的系統(tǒng)成本會(huì)大幅增加。因此，F(xiàn)BG傳感器優(yōu)化布置的目的在于使用最少數(shù)量的傳感器布置在合適位置上，獲取最有效、全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3.2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)類型選擇

對(duì)于船體結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分類情況見(jiàn)圖2。監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般可分為應(yīng)力、沖擊和姿態(tài)等監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要包括屈服監(jiān)測(cè)點(diǎn)和疲勞監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分類示意圖

3.2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取流程

目前，關(guān)于船體結(jié)構(gòu)傳感器的優(yōu)化布置一般參考相關(guān)規(guī)范，采用專家經(jīng)驗(yàn)或者根據(jù)數(shù)值仿真方法確定。由于船體結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)較為復(fù)雜，上述方法存在人為主觀因素大、仿真條件與實(shí)際情況有差異等問(wèn)題，部分應(yīng)力熱點(diǎn)部位容易遺漏。因此，可采用實(shí)船試驗(yàn)和有限元分析等相結(jié)合的思路進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置優(yōu)化，主要方法流程見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)點(diǎn)選取方法流程圖

3.3 荷載信號(hào)處理

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般需要測(cè)量很多數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)和采集系統(tǒng)本身也比較復(fù)雜。即使對(duì)各種測(cè)量?jī)x器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等仔細(xì)校核標(biāo)定，也會(huì)存在各類誤差。因此，在對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之前必須對(duì)其進(jìn)行誤差分析和預(yù)處理，以便消除測(cè)量數(shù)據(jù)中可能存在的誤差。

測(cè)量原始數(shù)據(jù)誤差一般可分為異常誤差、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理一般是對(duì)歷史實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)誤差的處理，其主要流程為：

1）導(dǎo)入特定時(shí)間段的歷史應(yīng)力數(shù)據(jù)。

2）設(shè)置帶通的上下截止頻率，通過(guò)帶通形成濾波器進(jìn)行濾波，以消除隨機(jī)誤差。

3）利用最小二乘法進(jìn)行波形的矯正，并可去除直流量，這一步主要為消除系統(tǒng)誤差。

4）篩選并剔除個(gè)別異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，這一步主要為消除異常誤差。

3.4 強(qiáng)度評(píng)估

船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估主要包括屈服強(qiáng)度評(píng)估和疲勞強(qiáng)度評(píng)估兩部分，根據(jù)誤差處理后的數(shù)據(jù)計(jì)算出強(qiáng)度評(píng)估的結(jié)果，通過(guò)曲線圖和條形圖等形式，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行顯示并存儲(chǔ)。

3.4.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法

由 FBG傳感器采集并處理的應(yīng)力數(shù)據(jù)一般只是船體結(jié)構(gòu)受諸如荷載變化等外界影響而產(chǎn)生的應(yīng)力，不等同于總的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總應(yīng)力除了包含F(xiàn)BG傳感器所測(cè)應(yīng)力外，還應(yīng)包含船體焊接殘余應(yīng)力等初始應(yīng)力。這是因?yàn)槌跏紤?yīng)力一般會(huì)導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在復(fù)雜受力情況下更容易形成疲勞等損傷。結(jié)構(gòu)總應(yīng)力的計(jì)算公式為

式中：為結(jié)構(gòu)總應(yīng)力；為FBG傳感器所測(cè)應(yīng)力；為初始應(yīng)力。

主要根據(jù)FBG傳感器以及配套的光纖解調(diào)儀等解調(diào)出的結(jié)構(gòu)應(yīng)變與材料的彈性模量確定，其計(jì)算公式為

式中：為楊氏模量；為應(yīng)變。

通常包含結(jié)構(gòu)初始靜載造成的應(yīng)力和初始?xì)堄鄳?yīng)力，可通過(guò)盲孔法進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)配置文件在系統(tǒng)中予以配置。

3.4.2 屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評(píng)估流程圖4

圖4 屈服強(qiáng)度評(píng)估流程圖

圖5 疲勞強(qiáng)度評(píng)估流程圖

4 結(jié)論

基于FBG傳感技術(shù)，結(jié)合船體結(jié)構(gòu)特征，采用信號(hào)處理和強(qiáng)度評(píng)估等理論，構(gòu)建船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)體系，以實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)典型位置技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)警判斷。

1）針對(duì)船舶安全監(jiān)測(cè)問(wèn)題，對(duì)基于FBG傳感技術(shù)的船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述。

2）對(duì)FBG傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，并基于傳感器優(yōu)化布置、荷載信號(hào)處理和強(qiáng)度評(píng)估等研究開(kāi)展船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體系構(gòu)建。

3）對(duì)FBG傳感技術(shù)在船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，為各種類型船舶的安全健康監(jiān)測(cè)提供一定的借鑒和參考。