光纖傳感材料在船舶結構健康監測中的應用

唐旭，朱亞洲，沈中祥，尹群，趙云鶴

(1. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；2. 江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，江蘇 鎮江 212003；3. 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引 言

隨著船舶工業及智能傳感材料的發展，智能傳感材料與船舶工業的結合是必然的趨勢。智能材料應用于工程已有先河，包括物理、化學、電子、航空航天、土木工程等領域的研究都有智能材料的涉足[1]。其中，智能材料在工程應用中的一個最主要作用就是工程的監測[2]。應用的智能材料多種多樣，包括壓電材料、形狀記憶合金、光纖材料等，并且，在工程監測研究也相對成熟。

在船舶監測領域中，智能材料的引入還處于探索階段，并沒有獲得相對穩定、良好的應用。船舶與飛行器的運行環境有相似的地方，卻更加復雜。智能材料在飛機等飛行器的監測中應用相對成熟，值得借鑒。船舶長期服役在惡劣的海洋環境中，不僅受到各種載荷的交互作用，其結構本身還要受到環境腐蝕等影響[3]，并且在未知的海域環境中，會大大提高船舶失事的風險。為了保證船舶航行的安全，對船舶自身結構的監測以及對航行海域的探測顯得尤為重要，希望通過智能材料在船體結構中的應用中，形成包含信息采集、行駛監控、信息反饋、自我診斷以及自我修復等作用的船舶監測系統。

1 材料的種類和選取

1.1 材料的種類

1.1.1 壓電材料

壓電材料發展的類型主要有單晶、多晶、微晶玻璃、有機高分子、復合材料等[4]。近年來，壓電材料向著無鉛化、高性能化、薄膜化的方向進發。如今應用廣泛的一類壓電材料是無鉛壓電材料。無鉛壓電材料主要分為壓電陶瓷和壓電晶體2 類。由于有鉛壓電材料對環境的有害影響，無鉛壓電材料受到了人們的關注。與含鉛壓電材料相比無鉛壓電材料壓電性能太低，壓電效應和溫度穩定性都無法達到如PZT 陶瓷這類含鉛壓電材料，無鉛壓電材料在器件應用上還有很大的差距，醫療和軍事上還是以鉛基壓電陶瓷為主，無鉛壓電陶瓷的性能還有待提高，所以無鉛壓電陶瓷材料仍主要應用在大量中端和低端的器件上[5]。對晶體來說，一直向高性能化的單晶體發展，目前國際上生長出的大尺寸高質量的弛豫鐵電單晶，它的機電性能高92%，壓電性能達2000 PC/N，儲能密度約為130 J/kg，幾乎高出傳統PZT 陶瓷10 倍[6]，但由于生產周期、生產成本、受熱不夠穩定等影響因素，此類壓電單晶體并沒有實用化。所以，需要提高如今的工藝水平和制備方法才能獲得組分均勻性更好、晶體缺陷更少、晶體性能更優的無鉛壓電晶體。

還有一類廣受關注的壓電材料是聚合壓電材料和復合壓電材料。聚合壓電材料就是指壓電聚合物，壓電聚合物通常是非導電性高分子材料，從本質上講不包含有可移動電子電荷，但是，在一些特殊情況下，可以改變其中帶負電荷的引力中心[7]。壓電聚合物主要分為非晶和半結晶這2 類聚合物，壓電聚合物最為典型的例子就是聚偏二氟乙烯（PVDF），與壓電陶瓷相比，壓電聚合物在更小的壓電應力常數的情況下，有更高的壓電電壓常數，并且壓電聚合物的質量更輕，韌性更高，有更高的強度和耐沖擊性以及對電壓的敏感性更高，能夠適用于各種極端環境并應用于各種復雜的傳感器中。目前，壓電聚合物被廣泛應用于傳感和驅動裝置中，包括超聲波、醫療器械、水聽器、聲電換能器等領域。而壓電復合材料是指壓電聚合物與其他壓電材料復合成的材料，如PVDF 基、尼龍基、環氧樹脂基、有機硅聚合物基壓電復合材料等[8]，壓電復合物是迄今為止壓電材料發展的一個高地，其兼具高分子材料的韌性、易加工性、高機械性和無機壓電材料的較好的壓電性能，壓電復合材料是壓電材料發展的必然趨勢。

1.1.2 形狀記憶合金

形狀記憶合金（SMA）是具有形狀記憶效應（SME）、超彈性（SE）和高阻尼性的功能材料[9]。此類合金材料對溫度變化感知敏感，是熱能向機械能轉換的介質，達到對外輸出做功、產生位移、儲存釋放能量的作用。形狀記憶合金主要包括普通SMA、高溫SMA、磁性SMA、復合SMA 等，其中普通SMA 有Ni-Ti 基、Cu 基、Fe 基、Ag 基、Au 基、Co 基SMA 等多種類，應用最廣的還是Ni-Ti 基SMA，雖然它的性能較好，但是由于相變溫度低、對外感知不夠敏感的問題，限制了其在一些領域的應用發展。所以，人們又從Ni-Ti 基SMA 的基礎上發展出了Ni-Ti-Y（Y=Hf，Pd，Pt，Au）合金[10]，使形狀記憶合金在高溫的情況下，仍然能有很好的反應性能，但是其問題在于它的塑性和抗疲勞性能較差，制作成本也高，高溫SMA 的研究還有待發展。磁性SMA 是通過感知磁場變化驅動的形狀記憶合金，其應變速率較快，且兼具很好的應變性能，傳輸頻率也比普通SMA 更高，但應用場合局限，僅適用于低溫環境，成形難度大，并未得到廣泛使用。復合SMA 是將Ti-Ni 合金絲置于鋁合金、鎂合金和高分子等材料中，使復合材料具有升溫自增強、抑制裂紋擴展、減振降噪等智能屬性[11]，這樣的結合產生了具有主動探測和控制裂紋擴展的智能復合構件?？傮w而言，形狀記憶合金具有傳感和驅動2 種優點，而且，其變形在正常情況下是可逆的，適用于結構損傷的監測，在陸地交通、航天航空以及生物醫學領域有廣闊的應用前景。

1.1.3 光纖材料

光纖材料是一種把光能閉合在纖維中產生導光作用的纖維材料[12]。當入射光線與光軸線的夾角在一定范圍內，光纖會發生全反射，此時，光線在光纖中沿鋸齒狀路徑曲折前進，達到信號傳輸的目的。光纖材料主要由纖芯和包層2 部分構成，纖芯是以高透明固體材料制成的，而覆蓋在外層的包層是用折射率比纖芯低的石英玻璃、多組分玻璃以及塑料等材料制作的，光纖的傳輸性能主要是由纖芯和包層的性質以及兩者的配合決定的。當外界應力和溫度發生變化時，光纖也會產生相應的變形，光纖中光的波長隨之會發生偏移，光纖的折射率也會受到影響，因為光纖材料對外界具有相對敏感的感知能力，光纖材料經常被應用到傳感器件中，現在應用廣泛的光纖材料主要有石英玻璃光纖、多組分玻璃光纖、紅外光纖、塑料光纖、金屬涂層光纖、摻稀土光纖、發光光纖等幾類[13]，每種光纖有不同的特點，適用于各個不同的領域。光纖材料以其優異的光傳導性能成為了通信領域的佼佼者，在醫學方面，光纖材料以其細小、柔軟易彎曲變形的材料特性，應用于探查內窺設備中，通過與激光的結合，甚至作為手術刀應用于臨床醫學中。在照明和光能傳輸方面，光纖材料以其短距離可實現一個光源多點照明的特點，應用于地下、水下照明。在工業方面，因其優異的感知和傳導能力，被制成各種傳感器應用于測量壓力、溫度、流量、位移、光澤、顏色、產品缺陷等各個方面?？傮w而言，光纖材料是作為光能傳輸的一個很好的介質，并且其研究較為成熟、傳輸效果穩定、能量損耗低，是作為傳感元件的理想選擇。

1.2 材料的選取

1.2.1 材料的對比

船舶在海上行駛時，既要承受風、浪、流等海洋環境給船舶帶來的載荷效應，又要承受海水對其船體結構的腐蝕損傷，同時因海域的變化，船舶所航行的海洋環境也隨之變化，因此所選取的智能傳感材料需要具備較強的適應性。

上述3 種類型的材料都具有較好的傳感性能，但是在與船體結合時，需要適應復雜的海洋環境，才能正常工作。壓電材料的靈敏度高、信噪比高、質量輕、工作可靠，一些壓電晶體的工作溫度區間也大，在測量過程中，材料的形變量也小，所以誤差也不大，但是需要注意的是壓電傳感材料需要進行防潮處理，否則無法正常工作，其次輸出的直流響應差，需要通過高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺點。形狀記憶合金沒有磁性、耐磨、耐腐蝕、沒有毒性，并且有較大的變形能力，其形變也是可逆的，但是目前的研究中形狀記憶合金的響應溫度范圍較小，只有在較低溫的情況下，才會有所響應，這一問題目前還未得到有效的解決方案。光纖材料不受電磁噪聲的干擾、體積小、壽命長、保密性高，并且具有絕緣、耐高溫、耐腐蝕、耐高壓的特點，適用于各種特殊環境的工作中，但其機械強度較差。

通過上述材料特性的比較，不難發現，光纖材料是更適合于船舶信息采集的智能材料，不僅是作為傳感器，船舶中的電磁干擾也很多，光纖優異的傳輸性能和抗電磁干擾的能力也可以作為信息傳輸的介質。所以，光纖材料與船體結構可以較好的融合，成為船用智能傳感材料的首選。

1.2.2 傳感器的選取

目前，光纖傳感器主要分為法布里-珀羅（F-P）光纖傳感器、光纖布喇格光柵（FBG）傳感器和分布式光纖傳感器等。

F-P 光纖傳感器因其結構精巧、安裝簡便、價格低廉的特點，很容易形成各類型的傳感器，其利用光干涉原理來完成信號的檢測，可以精確測量小位移和細微的波長變化[14]，由寬光譜光源發出的光被耦合進光纖，經2×2 耦合器進入傳感器系統的傳感F-P 腔，進入傳感F-P 腔的光在腔中被作用于其上的外界物理量調制，表現為F-P 腔腔長大小的改變。通過腔長的改變，從反射光纖反射回得到2 束光的光程差不一致，從而獲得被測物理量的信息。光纖光柵傳感器屬于波長調制型傳感器[15]，FBG 傳感器是利用摻雜光纖的紫外光敏特性，將呈空間周期性的強紫外激光照射摻雜光纖，使得摻雜光纖的纖芯形成折射率沿軸向周期性分布的結構，得到的一種芯內相位光柵就是FBG，FBG 最突出的一個特點就是其傳感信號為波長調制及復用組網特性。并且，其傳感探頭結構簡單、尺寸小，適用于各種場合，便于埋入復合材料中應用。分布式光纖傳感器將光纖既作為傳感介質，又作為傳輸介質，利用光在光纖中的散射原理，對沿光纖分布的環境參數進行連續測量，獲得被測量參數隨空間和時間變化的信息[16]。被測對象不是一個點而是呈一定空間分布的場時，為了獲取相對完整的信息時，往往是分布式光纖傳感器適用。

經過對比，FBG 傳感器因結構簡單、尺寸較小的特點，能夠與船體結構較好融合，因此，從理論上分析可知，FBG 傳感器可應用于船舶與海洋結構物結構健康監測。

2 材料與船體的結合方式

本文擬定尋找一種能夠與船體結構較好融合，并感知船體結構應力應變，監測船體周圍海洋環境參數的智能傳感材料。因此，智能傳感材料與船體結構的有效結合方式也是研究的難點。因船舶與海洋結構物結構健康監測的特殊要求，傳感材料不宜暴露于結構外側，因此，擬定采用埋入方法與結構結合。

FBG 傳感器的埋入方式大致有2 類，一類是以復合材料為基體埋入結構中，另一類是以金屬為基體埋入結構中，但由于金屬材料的融點比復合材料高很多，FBG 傳感器以金屬為基體時必須面對融入過程中的高溫的熱應力，所以需要經過一系列復雜的耐高溫措施的處理，可能使FBG 中心波長發生偏移，甚至完全損壞波長的選擇性[17]，相比之下以復合材料為基體的埋入式方案更加經濟、穩定，所以選用與復合板集成埋入的方式。

出于減重及聲、磁性能的考慮，復合材料夾芯板越來越多地取代了船舶結構中的鋼質殼板[18]，1996 年下水的7221GRP 雙體氣墊船，船體外板采用樹脂和玻璃纖維布組成的復合材料板，平板龍骨采用凱夫拉纖維布，甲板、艙壁和上層建筑則采用法國生產的蜂窩夾芯板[19]。復合夾芯板材料在船舶與海洋結構中的應用，為智能傳感材料的有效嵌入提供了有效載體。

如圖1 所示，通過類似的埋入方式將FBG 傳感器與船體結構相結合，當外部的船體結構受到外部環境的影響，溫度發生變化、結構發生應變時，內部的FBG 傳感器也受到應力和溫度的作用，從而達到感知外界環境變化的作用。

圖 1 FBG 傳感器與船體結構的結合方式Fig. 1The way FBG sensors are integrated into the hull structure

3 FBG 傳感器的工作機理

如圖2 所示，此處的信號均為光信號，當寬帶光波作為信號通過光纖傳感器時，一部分光波信號透射，而只有另一部分某波長的光被反射。當外部的環境發生改變時，會造成光柵波長位移，可以通過建立傳感模型進行研究。造成波長位移的外界環境變量主要為應力和溫度，所以，建立應變和溫度傳感模型。

圖 2 光信號在光纖材料中的傳感原理Fig. 2Sensing principle of optical signals in fibre optic materials

3.1 應變傳感模型

本文所建立的模型都是理想模型，規避掉一些物理量的復雜情況。模型中的光纖為理想彈性體，并且始終保持各向同性的特性，所受應力為均勻的靜應力。

波長位移與應力應變的關系方程[20]為：

其中：ΔλB為波長的位移量；ΔΛ為應力作用下光纖彈性變形光柵周期的變化量；Δneff為彈光效應下有效折射率的變化量； neff為有效折射率； Λ為光柵周期。

根據方程（1），當受到外界縱向或軸向應力時，方程展開：

其中：ΔL為光纖縱向伸縮量； Δa 為纖芯半徑的變化量；為縱向彈性應變效應；為光纖的彈光效應；為光纖芯徑變化產生的波導效應。

介電抗滲張量和某一方向的折射率有以下關系：

其中： βij為介電抗滲張量； nij為某方向折射率。

因為是理想模型，所以此處的光纖具有各向同性的特征，各方向折射率也相同，即FBG 的有效折射率neff為光纖折射率，由此得：

通過式（2）和式（4）得：

其中： k 為靈敏度系數； Pij為材料彈光系數。對于摻鍺石英光纖材料而言，P11=0.121， P12=0.270， ν =0.17，neff=1.46。算得靈敏度系數 k =0.78，波長為1 550 μm時，波長位移為1.22 pm/με。由張曉晶等研究[21]：

所以，當溫度恒定時波長位移與軸向應變呈理想線性關系。

3.2 溫度傳感模型

在建立溫度傳感模型的時候也將其視為理想模型，并沒有考慮實際的復雜情況。

當溫度發生變化時，根據 λB=2neffΛ可得[22]：

在摻鍺石英光纖中，內部而應力導致的彈光和波導效應微乎其微，可以忽略不記，那么由式（8）得：

其中： αF為 光纖熱膨脹系數； ξ為光纖的熱光系數。

對摻鍺石英光纖來說， ξ取 6 .5×10-6/°C， αF取0.5×10-6/°C，當入射波長為1 550 nm 時，溫度靈敏系數為10.85×10-6/°C。所以，在理想狀態下FBG 傳感器的波長位移與溫度變化量成線性關系。

3.3 數據的采集和處理

之后通過接入光纖解調器，采集光纖材料中的波長位移，再連接計算機，將采集的信號可視化，達到監測的目的。將數據進行存儲，進一步的將存儲的數據傳輸到數據庫中，最終達到信息共享的目的。

如圖3 所示，此為現階段研究需要達到的效果。

圖 3 船舶監測系統流程圖Fig. 3Flow chart of the ship monitoring system

4 結 語

在研究過程中，也有許多問題還未得到很好的解決方案。當復合夾芯板與船體結構結合時，如何將其對船體結構的影響降到最??？FBG 傳感器在船體結構中的布置有多種，如何選取出最優的布置方案？以及船舶上的線路復雜，光纖傳輸這種有線傳輸勢必影響船舶中的線路規劃，但船舶中的電器元件繁多，無線電波傳輸也受到其限制，是否可以找出一種合理并且可行的傳輸方式也是需要探索的問題。當問題逐一破解，船舶監測系統就會逐步完善。光纖材料是發展比較成熟的傳感材料，是目前最適合也最有望應用于船舶監測中的智能傳感材料，主要能應用的還是對船體結構的監測以及對海洋環境信息的采集，但隨著智能材料的發展和進化，可以往更加智能的方向發展，不只是具有感知能力，甚至可以具有驅動能力，當面對外界的環境變化時，能達到自我調整，自我適應的能力。如果將物聯網應用到船舶領域中，可以使船舶更加整體化，無論是應對外界環境的變化還是船舶內部的運行，都是通過智能的思路解決。光纖材料，以及智能材料在船舶領域有廣闊的發展前景。