基于FBG傳感的水下潛器結構健康監測系統研究

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(海軍工程大學，武漢 430033)

水下潛器在執行任務中，常常伴隨有深潛和上浮，這對于水下潛器耐壓殼結構的強度要求極高；同時，由于海洋環境腐蝕等因素，耐壓殼體的結構強度和安全儲備下降，結構安全性下降。基于此，船廠會在水下潛器執行任務前進行相應的勘驗和修理。但耐壓殼結構復雜，維修、施工困難，難以避免隱患的存在。因此，研制能對耐壓殼體結構進行健康監測的設備及系統對于提高水下潛器航行安全性至關重要。

傳統的結構健康監測常常使用應變片等機電類傳感器，但這類傳感器難以避免會有溫漂、零漂等問題且不能滿足水下潛器深潛的需要。而新型光纖光柵傳感器(FBG)溫漂、零漂問題較小，且其網絡能夠測知材料和結構中很苛刻的參數，容易實現多傳感探頭的密集波分復用[1-2],并且具有抗電磁干擾、質量輕、耐溫性好(工作溫度上限達400 ℃以上)、傳輸距離遠、耐腐蝕等優點[3-5]，更重要的是它能實現水下全光化的傳感，并在光纖共享、結構尺寸和接口方式等與現有的光纖水聽器陣列有很好的兼容性。所以，采用FBG通過監測水下應變實現水下結構健康監測是一個十分可行的途徑[6]。應變是能夠很好地反映結構特征的參數[7-8]，運用光纖光柵傳感技術對結構應變進行測量，從而實時反映局部結構受力特征，便于結構安全評價與損傷定位。

1 光纖光柵技術及其在水下潛器上的應用

光纖光柵傳感器(fiber grating sensor,FGS)屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布拉格(Bragg)波長的調制來獲取傳感信息，是一種波長調制型光纖傳感器[9]，見圖1。

圖1 FBG傳感原理

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在纖芯內形成空間相位光柵，其作用實質是在纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡，其光學性質又受控于外界環境物理量，從而構成了光纖光柵傳感器。

當光源發出的連續寬帶光入射到光纖中時，光柵會有選擇地反射一個窄帶光，其余寬帶光繼續透射，在下一個具有不同中心波長的光纖光柵處反射。

反射光的中心波長λB為

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff——光柵區的有效折射率；

Λ——布拉格光柵的周期。

Bragg光柵的反射譜主要由其帶寬和峰值反射率決定，而這些參數又是光柵長度、折射率調制系數等參數的函數。任何使這些參量發生改變的物理過程都將引起光柵Bragg波長的漂移。建立并標定光纖光柵中心波長的變化與被測量間的關系，即可由光纖Bragg中心波長的變化獲得被測量。

當傳感器外界溫度、應力發生變化時，光纖Bragg中心波長發生漂移，可表示為

ΔλB=2neffΔΛ+2ΛΔneff

(2)

其中,溫度場恒定時，應變影響Brag波長是由光柵周期的伸縮和彈光效應引起的，對應關系為

ΔλB=ε(1-Pe)λB

(3)

式中：Pe——光纖的彈光系數。

可見，在溫度場恒定時，光纖Bragg光柵的波長漂移與應變變化成線性關系，故可以通過測量波長漂移的變化實現對應變的測量。

水下潛器在深潛過程中，耐壓殼體會受到靜水壓力的作用產生應變和應力，從而引起附著在殼體表面的光纖光柵傳感器光柵周期改變，同時會改變有效折射率，進而會改變光纖光柵中心波長漂移。由式(3)，通過測量波長漂移的變化實現對應變的測量，進而由胡克定律求出結構應力，公式如下。

1)對于單向應力狀態

σ=Eε

(4)

2)對于雙向應力狀態

(5)

(6)

2 監測系統構成

監測系統包括硬件設備和軟件結構兩個方面。在硬件結構中，采取多通道傳輸方式，即根據初始中心波長將多個傳感器串聯在同一條光纖線纜上，將每個傳感器串組成的通道集合到數據收發器，從而形成監測現場的分布式傳感器網絡結構。為避免次峰和伴模對傳感器網絡分析儀的干擾，應在同一通道中選擇反射率相近的FBG，且傳感器反射率應大于90%[10]，以減少噪聲影響。在軟件結構中，宜采取多線程模式，及時采集和分析試驗數據，節省采集時間。

水下潛器結構健康監測系統組成及工作流程見圖2。

圖2 監測系統流程示意

FBG傳感子系統：應用先進的準分布式光纖傳感技術，通過各種不同功能的FBG傳感器，將被測的物理量轉變成便于記錄及再處理的光信號。由于從傳感器輸出的信號為光信號，所以可以直接通過光纜進行遠距離傳輸。

1)數據采集與傳輸子系統。包括安裝在水下潛器表面的FBG傳感網絡分析儀和光纜傳輸系統，通過光纜傳輸系統將傳感信息傳輸到FBG傳感網絡分析儀上，并以波長的方式在計算機終端顯示、記錄存貯在線監測數據。

2)數據信號處理與管理子系統。該系統主要功能是收集采集系統傳輸過來的數據，并在解調軟件中進行設置，通過數據接口將光纖光柵解調儀與水下潛器結構應力實時監控系統連接，實現應力監控數據的實時采集。并采用濾噪方法，對結構應力實時監控數據進行預處理，達到消噪的目的。

3)結構健康狀態評估子系統。評估被監測系統的健康狀態，分析結構的強度儲備，評估結構的可靠度。

整個結構健康監測的作用是對結構健康狀態進行診斷，通過傳感器對結構響應進行監測，得到測試數據后，先完成數據處理，再結合數值模擬分析對結構進行診斷，分析結構可能發生的損傷，最后對結構的健康狀態進行評估，確定維修保養策略。

FBG應變傳感器通過點焊固定工藝固定于水下潛器耐壓殼體表面。測點應遍布全船結構最弱或應力最大的部位。同時，布置既要考慮力學性能，又要考慮實船建造質量復查和使用中所出現的問題。

傳感器主要包括兩部分：一部分是典型片，即布置于應力計算結果較大的各典型部位；另一部分是安全監控片，主要是根據勘驗、厚度測量及返修情況所確定的部位。

光纖光珊應變片用纖焊方法固定。在Ⅱ艙設應變應力監測站，安放監測裝置。對船外各貼片區采用防水密封處理，并將測量導線用專用防海水塑料軟包線包覆，穿過位于Ⅱ艙的通舷外電纜的水密裝置進于耐壓船體內部。各艙室內部的測量導線穿過特制的水密接頭逐步過渡到應變監測站與數字應變儀連接。

另外，由于光纖光柵傳感器易碎、抗沖擊能力差，在施工布點時應加強保護。

3 水下潛器耐壓殼結構分析及主要監測內容

由于經濟和結構運行狀態等方面的原因，在整個水下潛器所有自由度上安置傳感器是不可能的，因此，就出現了傳感器的優化布設問題。通過盡可能少的傳感器來獲取最可靠最有效的水下潛器健康狀況信息，就是優化布設的目的。

在選取測點前，應具體分析水下潛器全船結構最弱或應力最大部位，對結構應力復雜區應力狀態進行分析，確保全船安全可靠性。同時，測點位置需要綜合考慮施工、維修便利性，且測量數據能與相應理論計算或仿真計算相比較。

基于此，運用艦艇強度理論，對全艇耐壓殼結構進行初步力學計算分析。由于艏艉端球面艙壁結構復雜，運用有限元軟件對其進行數值仿真計算。根據計算及分析結果，選定“熱點”區域，對一些“熱點”位置的應力狀態進行監控，為水下潛器指揮員的操縱提供技術依據。

3.1 耐壓船體強度理論計算

水下潛器耐壓船體強度理論計算主要包含以下部位應力：錐柱結合部位應力、斜錐殼板跨中中面周向應力、斜錐殼板跨端內表面縱向應力、錐殼肋骨應力、柱殼肋骨應力、圓柱殼跨端內表面縱向應力、圓柱殼跨中中面周向應力及球面膜應力等。

按應力飽和度(與許用應力的比值)計算各艙室部位應力，結果見表1。

另外，一艙二艙球面艙壁膜應力飽和度s=0.670 987。

為保障結構安全，在此規定：對于應力飽和度計算值s≥0.70位置，均需進行實船監測。其它監測位置則根據實船具體工況確定。

在監測過程中，首先將各測點處的應力實測值與計算值進行比較，從而判斷該部位是否因使用過程中腐蝕或維修等因素，造成該部位的強度降低，如果出現了強度降低，則需要對該部位進行重點監測。其次將各測點處的應力與相關規范規定的許用應力進行比較，從而判斷是否可以繼續安全使用。

表1 各艙室部位應力飽和度s

3.2 復雜應力區的有限元建模與分析

由于艏艉端球面艙壁結構比較復雜，所以對其進行有限元數值模擬計算分析，掌握其應力分布特點，為該區域傳感器優化布設提供力學基礎。

采用MSC/Nastran有限元分析軟件對艏艉端球面艙壁進行數值模擬計算,圖3、圖4為有限元計算模型網格圖，圖5、圖6為其應力分布云圖。

圖3 艏端球面艙壁

圖4 艉端球面艙壁

圖5 艏端球面艙壁應力分布

圖6 艉端球面艙壁應力分布

根據有限元分析結果，計算模型艏、艉環形殼體連接處的應力飽和度：

s艏=0.767 697≥0.7s艉=0.795 613≥0.7

且該環形殼體連接處為計算模型的最大應力位置。

因此，需要對環形殼體連接處進行重點監測。布設位置需根據實船結構特點及施工要求確定。

4 結論

本文的理論分析及數值仿真計算能為水下潛器上FBG傳感器的初步優化布設提供力學指導，文中闡述的監測系統構成對實船安全監測具有一定的借鑒作用。但將FBG傳感器運用于大型水下潛器還需考慮施工及維修要求，特別是FBG傳感器易碎、抗沖擊能力差，在施工布點時的保護措施應重點研究。因此，對于實船安裝工藝還需進一步分析。

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