光纖光柵傳感器在艦船結構健康監測中的應用

吳 晶，吳晗平，黃俊斌，顧宏燦

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

0 引 言

艦船是一種大型的綜合系統，結構復雜，長期服役在惡劣的海洋環境中，并受到各種載荷的交互作用，如風載荷、海流、波浪載荷、冰載荷、深水壓力載荷、爆炸沖擊等，有時還要遭到臺風、碰撞、擱淺等意外載荷，結構本身還要遭受環境腐蝕等影響。在這些惡劣的環境載荷長期作用下，再加上設計或使用不當，結構容易產生各種形式的損傷，使結構的承載能力下降，發生災害性事故，造成巨大的軍事、經濟損失。因此，對艦船結構的實時在線健康監測成為結構健康監測領域的一個熱點。

艦船結構健康監測系統主要是通過在艦船結構的關鍵部位布設傳感器來監測結構應力應變狀態及載荷響應，以評估結構的健康狀態。目前結構健康監測系統中常用的傳感器有:電阻應變片、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，相對傳統的傳感器具有質量輕、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;能組建大規模準分布式傳感網絡等特點，是當前結構健康監測領域研究最為廣泛的傳感器。

本文主要對光纖光柵傳感器在艦船結構健康監測領域中的應用進行綜述，探討基于光纖光柵傳感器的艦船結構健康監測系統的設計和主要研究內容。

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結構的物理量轉化為光柵反射Bragg 波長的變化量，通過檢測反射Bragg 波長的變化量即可實現被測物理量的測量，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個參量發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，最直接的為應變參量，無論是對光柵進行拉伸還是壓縮，都將導致光柵周期Λ的變化。并且由于光纖本身具有彈光效應也使有效折射率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，應力應變引起光柵Bragg 波長的漂移量可由式(2)描述:

式中:Pe為光纖的彈光系數;Kε為測量應變的靈敏度。

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

式中:α為FBG的熱膨脹系數;ξ為FBG的熱光系數。

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

2 國內外研究現狀

鑒于光纖光柵獨特傳感原理和其他傳統傳感器不具有的諸多優點，被廣泛的應用于結構健康監測領域［1］。在艦船結構健康監測領域，研究人員也做了大量的研究工作。

2.1 國外研究現狀

針對該領域的研究，國外研究較早，取得了一些實質性的進展，具有代表性的工作如下:

1996年，美國和挪威皇家海軍聯合開發了一套復合材料結構的嵌入式傳感系統(CHESS)［2］，該傳感器系統由12個光纖光柵傳感器組成，采用波分復用和干涉解調技術。其主要目的是用來監測復合材料船體由于海浪沖擊引起的瞬間應變。并于1996年9月在由增強型玻璃纖維材料制成的雙殼體反水雷艦船上做實驗。實驗結果表明，在海況SS0～SS5的范圍內，其應變范圍為1～1 000 με，典型的海浪沖擊時間大于0.01 s 條件下，采用大于200 Hz的采樣頻率可以有效地監測這種沖擊載荷。

1997年，Systems Planning and Analysis (SPA)公司與美國海軍研究辦公室(ONR)以及海軍水上作戰中心 Carderock 分部 (NSWCCD Naval Surface Warfare Center，Carderock Division)合作開發在線實時監測系統，用以連續評估艦船殼體的應變狀態［3］，確定結構的損傷積累和估計海軍艦船的生命周期。該系統使用空波分復用技術，能夠查詢4個獨立通道的120個分布式傳感器，采樣率可達到2 kHz。該系統的樣機在登陸平臺船塢LPD17的艦船推進器上完成了布設，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個應變傳感器，3個溫度傳感器，對推進器進行應變和溫度監測。光纖光柵應變傳感器的數據直接和NSWCCD的工程師提供的應變片測試數據進行比較，結果非常接近［4－5］。

1999年，美國海軍研究實驗室用光纖光柵傳感系統對挪威海軍KNM Skjold 快速巡邏艇進行了智能監測，系統使用安裝在內殼和噴水推進器上的56個光纖光柵傳感器，實時對局部應變和整船負載進行監測［4］。

2001年，Light Structures 公司開發了一套基于光纖Bragg 光柵傳感器的監測系統［6］，并已經安裝于1艘挪威海軍MCMV 艦船上，該系統包括44個Bragg 光柵，其中17個用于測量全局負載，19個用于測量關鍵部位的負載，8個進行溫度測量。該傳感網絡系統與實時信號處理、存儲系統與艦艇控制系統及其他設備聯為一個整體，為操作人員提供數據信息，如艦船運動(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)公司開發了一套基于FBG 傳感器技術的結構健康監測技術，主要用于大型艦船結構監測。該系統的核心部分是一個能夠監測上百個FBG 信號的測試單元，并且采樣頻率可達2 kHz。并在British Trimaran Research Vessel Triton(三體船)上安裝了一套光纖傳感器網絡陣列，進行了為期2 周的海上測試［7］。2004年，SPA的工程師們在潛艇上安裝一個光纖光柵應變傳感器系統并進行測試，對潛艇的設計進行驗證測試，并考察有限元方法分析預測此設計性能的有效性。FBG 傳感器布設于6 根光纖內，其中2 根光纖(33個傳感器)安裝于殼體內部，4 根光纖(64個傳感器)安裝于外部。將潛艇降至設計的深度紀錄應變信息，光纖傳感器的信號通過2 000 英尺長的光纜直接傳輸至水面并通過Micron Optic Inc的si425 掃描激光解調以檢測，測量所得的經過溫度補償的應變值與有限元模型的預測值進行比較，數據比較吻合。該項測試是FBG 傳感器第一次成功的應用于潛艇設計的驗證測試［8－9］。

2.2 國內研究現狀

相對國外來說，國內研究人員只進行了理論上的研究，到目前為止還沒有相應的實體系統報道。2004年，陳熙源［10］提出采用捷聯慣導系統與分布式光纖布拉格光柵網絡對船舶結構進行變形測量和健康監測的設計方案，建立了由捷聯慣性系統和光纖布拉格傳感器組成的光電多傳感器初步測量模型，并對其可行性進行了分析。2006年，陳熙源等［11］在綜述了Bragg 光柵傳感器在國外艦船結構中應用的基礎上，根據光纖Bragg 光柵的傳感特性，分析了Bragg 光柵在智能船舶結構中應用研究的7個主要內容和研究途徑，為后續研究提供了一定的參考和借鑒作用。

2010年，天津大學王為［12］在其博士論文中重點研究了光纖光柵傳感器用于船舶結構健康監測的各種關鍵技術:

1)理論分析了橫向應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變傳遞規律，提出了適用于船體結構和航行環境的光纖光柵傳感器封裝結構;

2)運用有限元分析法研究了船舶和潛水器強度彎矩監測的光纖光柵傳感器配置原則，提出了船體波浪抨擊載荷監測的光纖光柵傳感器優化配置準則，并運用改進型自適應粒子群優化算法，結合混沌搜索算法實現了光柵傳感器的快速、高精度優化配置。

3)建立了基于隨機載荷統計分析的船體結構疲勞壽命評估流程，重點研究了船舶關鍵位置的疲勞壽命模型、應力循環技術、疲勞損傷累計準則等關鍵技術;

4)針對船體常見的T型節點結構損傷特點，提出了基于光纖光柵應變傳感網絡的靜態損傷識別方法，運用支持向量機技術識別了結構損傷程度。為后續的研究工作提供了技術上的支持。2012年，李碩對基于光纖光柵應變傳感器的潛艇結構監測系統進行了研究［13］。對系統的設計、具體的設計方案及工程應用中的關鍵問題進行論述，并給出了一些實驗數據，為今后的研究提供了參考。

3 艦船結構監測系統設計

在參考前人工作的基礎上，本課題組也進行了相關的研究，提出了系統的結構設計思路和研究的主要內容。

3.1 系統結構設計

2011年，針對艦船結構健康監測系統的設計，顧鈞元［14］借鑒美國波音公司制定的OSA－CBM 體系設計思想，提出了結構健康監測系統的通用框架體系。借鑒前人的思想，結合實際課題的工程化應用，提出如圖2所示的系統組成。

圖2 艦船結構健康監測系統基本構成圖Fig.2 Figure of ship structure healthy monitoring system

該系統主要包括光纖光柵應變、溫度、壓力傳感網絡，信號采集與解調，數據存儲、傳輸、處理，損傷識別、定位、等級評估和故障預測，人機交互與顯示5個部分。傳感網絡部分的功能是通過分復用技術將光柵應變、溫度、壓力傳感器組成傳感網絡，從而獲取各測點的狀態參數;信號采集解調部分的功能是接收傳感網絡的信號，并對其進行解調得到相應的光波波長信號，以供數據處理;數據存儲、傳輸、處理部分的功能是對波長信號進行解調，根據預先標定的靈敏度系數將其轉換為相應的應變、溫度和壓力參數，通過網絡通信傳輸給上位機并存儲;損傷識別部分的功能是根據獲得的狀態參數評估損傷的類型、等級、位置，預測出可能產生的故障，提供報警信號;人機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參數的變化過程，供操作人員查看和操作。

3.2 研究的主要內容

根據艦船結構設計思想和實際工程化需求，艦船結構健康監測研究的主要內容應包括:

1)確定各光柵傳感器的布設位置

根據艦船的具體結構，通過有限元分析的方法對艦船在不同狀態下的受力情況進行分析，標定出艦船結構中受力最大和結構最弱的關鍵部位，并結合艦船實際應用過程中出現的問題進行綜合評判，從而確定出傳感器的布設方案。

2)確定各光柵的中心波長

根據受力分析的結果，確定出各測點對應的光柵傳感器的中心波長及其動態范圍的大小，動態范圍的大小取決于各測點的應變范圍，避免在使用波分復用技術組網時光柵傳感器的波長發生重疊，從而影響解調結果。

3)確定傳感器的封裝和安裝

傳感器的封裝應根據待測點的應變范圍，選擇合適的封裝結構和工藝。如普通的光柵傳感器的應變范圍小于3 000 με，而在實際檢測過程中有些關鍵部位的應變范圍會超過這個范圍，因此，必需采用合適的封裝技術使其能夠滿足要求。另外，根據不同的結構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焊2 種工藝。

4)確定傳感網絡的解調系統

根據傳感網絡的規模大小、動態應變的范圍、使用的分復用技術，結合系統的指標要求和精度要求選擇合適的解調系統和解調軟件。

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，典型的是溫度和應變的交叉敏感問題。根據實際工程應用的方法，通常采用的參考光柵的溫度補償方法。

6)確定各光柵傳感器的靈敏度系數問題

依據各傳感器的結構方式和安裝方式，通過試驗預先測出各傳感器的應變、溫度和壓力靈敏度系數，并與對應的波長進行標定，以方便在監控系統中直觀地顯示出各參量的變化情況。

7)確定光柵傳感網絡的布設方案

結構健康監測系統通常采用的分布式測量，連接各傳感器的光纜布設應充分考慮艦船結構的特點、安全性、水密性、抗惡劣環境性要求，確定合理的布設方案。

8)結構整體狀態的分析和評估

依據結構上各測點實測的各參量的值，結合艦船結構應力強度和穩定性強度標準和艦船結構極限強度、剩余強度理論，進行艦船結構故障模式分析和預測，并對極限狀態進行預報。

4 結論與展望

基于光纖光柵傳感器的結構故障監測系統能夠全天候、不間斷地實時在線監測艦船結構整體工作狀態、艦船使用過程中的結構強度和完整性，對其結構材料內部的情況進行損傷估計，從而實現艦船結構監測的智能化。當出現過大變形、疲勞性損傷、斷裂或火災等危險情況時，及時發出警告信號，提醒有關人員采取應急措施，保證艦船結構安全可靠地使用。同時，也可用來確定艦船的維修計劃、改進設計、進行結構完整性早期安全告警，對提高艦船使用的安全可靠性具有十分重要的意義。隨著該項技術的不斷成熟和研發成本的不斷降低，基于光柵傳感器的結構監測技術將在艦船結構健康監測領域發揮更重要的作用。

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