光纖布拉格光柵結構應變監測系統在船體上的應用

冒如權

（海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室 上海200011）

光纖布拉格光柵結構應變監測系統在船體上的應用

冒如權

（海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室 上海200011）

介紹一種光纖布拉格光柵應變結構檢測系統，該系統是針對如船舶、橋梁、飛行器等需要對關鍵結構進行應變測量的智能監測系統。該系統傳感器采用減敏片式彈簧結構，使應變測量范圍可達到10 000 με，滿量程精度為0.1%，同時可達到實時準確的在線監測。經實船驗證，該系統數據采集迅速、可靠性高。

光纖布拉格光柵；應變傳感器；船體結構監測

引 言

光纖光柵作為近年來發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測，對船舶結構應力變化關鍵點進行監測，得到結構應力值，由此實現對船體整體的監測。實驗結果證實產品擬合的線性度已經達到99.99%以上，并達到國內領先水平。

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

1 原理及結構

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。當柵區受到應力作用時，光柵的中心波長就會發生一定的變化，其去應力的變化為線性關系，即：

式中：ρe為光纖的彈光系數；Δε為光纖的應變值；彈光系數只與光纖的材料有關。

從式中可以看出波長變化量與其應變為一階線性關系，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，受應力與溫度聯合影響，在有兩個傳感參量（f1，f2）的系統中，應變和溫度（ε，T）的變化所引起的變化規律表示為［12］：

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

1.2 結構設計與仿真

在傳感器結構設計上也采用減敏基片的形式，減敏結構屬于平面對稱型結構，由固定端、環形平面彈簧結構、弧形過渡段、平板結構等構成。基于前面的設計原理，初步預設尺寸為28 mm×10 mm×1.5 mm，其中固定端長3 mm、平板結構長15 mm、環形彈簧結構長7 mm。減敏結構示意如圖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點的solid186體單元，該單元采用二次位移差值函數，可以很好地適應曲線邊界，對不規則結構具有較高的計算精度。在結構的厚度方向劃分大于3層網格，能夠滿足計算精度需求劃分網格后對單元的橫縱比、對邊平行度、最大夾角、雅格比率、翹曲系數進行檢查，檢查后顯示網格質量良好，均能保證較高的計算精度要求。

在實驗前對上述結構進行結構分析，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。對網格的橫縱比、對邊平行度、最大夾角、雅格比率、翹曲系數進行檢查結果良好。采用結構兩端對稱拉壓的加載方式進行加載，其中軟件仿真結果如圖3所示。經過對其兩端結構的仿真在水平方向的位移就能得出其應變的具體測量范圍。

圖3 水平方向的位移圖

由以上仿真結果可知，復合結構的形變基本被環形減敏結構吸收，其中兩端定光的大環起到絕對減敏的作用，小環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。若假設光纖光柵的長度為10 mm，則計算出光纖光柵的應變為1 446 με，處在光纖光柵長期使用范圍（3 000 με ）內，結構的減敏比約為3.5。

（2）固定端受拉伸、壓縮載荷時，最大等效應力為509 MPa，最大值位置在圓環內側及過渡圓環的弧底。

（3）該結構的分析結果與設計原理相符合，滿足 -5 000 με~+5 000 με的設計要求。

所以該結構滿足強度設計要求具有一定的可行性。

圖4 實驗裝置示意圖

2 實驗結果及分析

首先對船底部進行拉伸實驗，在底部兩個位置分別粘貼應變片，其作用是對比光纖光柵應變結構的測量結果，應變片的值近似為實際應變值，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，此時無線應變測量片會顯示出實際應變值，光纖布拉格光柵應變傳感器中的數據會通過采集箱傳送到數據控制柜中，經過數據控制柜的計算求得測量的應變值，再與應變結果對比即可得到精度與誤差，經過多次實驗各數據取平均值（見下頁表1）。

表1 船板拉伸實驗結果（溫度20℃）

將表1中的計算結果進行擬合，結果見圖5。

圖5 應變波長擬合結果

如圖5中的實驗結果所示，應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，其試驗結果見表2。實船安裝時，其中各指標參數如下：

應變量程：±5 000 με

應變精度：≤0.1‰FS

表2 實船試驗數據（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 論

綜上所述，光纖布拉格光柵結構應變監測系統在船體上對船板的應變健康監測的測量準確性與可靠性高，實際應用中具有如下明顯優勢：

（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的長期蠕變、老化問題，在長時間工作時比較穩定可靠，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構的簡化，致使其成本降低，便于大面積應用，故可廣泛應用于船體工程監測。

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MARIC引領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計研究院（MARIC）擁有完全自主知識產權的設計方案，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動力船舶的快速發展。

天然氣是一種優質、高效、清潔的低碳能源，加快天然氣產業發展，提高天然氣在一次能源消費中的比重，是我國加快建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系的必由之路，也是化解環境約束、改善大氣質量，實現綠色低碳發展的有效途徑，同時對推動節能減排、穩增長惠民生促發展具有重要意義。

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WinGD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能效指數低于現行標準60%。該船型滿足全球最嚴格排放限制區域的排放標準，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（1979-），男，工程師。研究方向：艦船電氣及自動化。