基于FBG傳感器的船體結構實時監測系統1

張 昆，劉驍暘，田 駿，鄭如炎

（海軍裝備部駐上海地區第一軍事代表室，上海 201913）

0 引言

隨著造船技術的飛躍發展，船舶不斷朝著大型化和智能化的方向發展，其安全性受到越來越高的重視。船舶在高速航行時，船體結構敏感部位易發生疲勞等損傷，嚴重時會影響船舶與船員的安全。因此，有必要對船體結構典型位置實施長期在線監測以及疲勞強度評估。

光纖光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）傳感技術作為一種新興的傳感技術，具有靈敏度高、壽命長以及抗腐蝕性強等傳統傳感技術無可比擬的優點。近年來，國內已逐步開展了基于FBG傳感技術的船體結構強度監測系統方面的相關研究。

針對強度監測問題，本文研究了FBG傳感技術在船體結構強度監測中的應用，可為各種類型船舶的安全健康監測提供一定的參考。

1 船體結構強度監測研究現狀

結構安全監測技術是對傳感器采集的數據信息進行傳輸、存儲、處理、顯示和監測等一系列配套和交叉內容的綜合性技術，在眾多工程領域已取得廣泛應用。然而，結構安全監測技術在船舶領域的應用仍處在起步階段，大量關鍵技術亟須深入研究。

1.1 國外研究現狀

1998年，Gcrmtc等研究機構為了加快對FBG傳感器的應用，將傳感器覆蓋全船，并取得了不錯的監測效果。HJELME等驗證了基于FBG技術的船舶結構安全監測的可行性，并將FBG傳感器應用在雙體船模型的監測當中。美國海軍與 SPA（Systems Planning and Analysis）公司聯合開發了一套FBG解調系統，該系統可高速運行，且能較好地完成對船體結構的安全監測。此外，該系統還用于測量英國某型艦艇船體結構的彎矩和砰擊壓力，取得了良好的試驗效果。英國的 SMDS（Ship &Marine Data Systems）公司和 SUL（Strainstall UK Limited）公司、挪威的Lightstruct公司、韓國的GME（Global Maritime Engineering）公司和法國的Hullmos公司等都已形成各自較為完善的船體結構實時監測系統，并已成功運用在各類船舶中。

1.2 國內研究現狀

國內對基于 FBG技術的船舶結構安全狀態實時監測系統的研究仍處于起步階段，大量理論與技術都還需進一步研究與完善。金永興等自主研發了一套船體結構應力監測系統，并對安裝該套系統的集裝箱船進行了實船試驗，取得了不錯的監測效果。但該系統只局限于對數據進行采集，并不能對數據進行在線處理。侯超運用FBG傳感器，對應力實時監測系統的傳感器布置和解調系統等關鍵技術進行了深入研究，但缺乏對信號分析以及數據處理的相關研究。深圳遠舟科技實業有限公司宣布研發出一套完整的基于FBG技術的實時監測系統，但因涉及商業秘密，鮮有報道。王為重點研究了FBG監測系統的傳感與檢測、信號處理與分析等關鍵技術。梁文彬對傳感器的封裝等安裝工藝和監測系統的整體方案進行了相關研究。賈連徽針對船體結構的監測問題，提出了一套采用FBG技術的船舶結構監測系統。迄今為止，國內尚未形成一套可用于預報和評估各類船型技術狀態的全面的船體結構安全監測系統。

2 FBG 傳感器介紹

自1978年FBG問世以來，光纖光柵技術在通信等領域得到廣泛應用。目前，FBG傳感技術在監測領域也受到廣泛關注，這是因為FBG傳感技術具有質量小、傳輸損耗少、測量范圍大、體積小、靈敏度強、精度高、電測量，以及分布式測量等眾多傳統傳感器無可比擬的優點。光纖光柵的纖芯折射率可依據周圍的應變和溫度變化情況而產生周期性改變。FBG傳感器主要通過光纖光柵對外界的變化進行測量，其組成部分一般包括探測器、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；為有效折射率；為光柵周期。

光纖光柵周圍環境發生應變等變化，會導致FBG傳感器有效折射率與光柵周期發生改變，進而導致中心波長發生漂移，通過對漂移變化進行監測，最終得到應變和溫度等被測物理量的變化量。FBG傳感器的組成見圖1。

圖1 FBG傳感器的組成

3 監測系統的構建

3.1 FB G傳感器優選原則

當今，各種傳感器層出不窮，原理結構也不盡相同。在對傳感器進行選擇時，需要根據具體監測目的、監測環境和監測對象，同時兼顧傳感器具體的性能指標對比，合理做出選擇。傳感器選擇原則主要包括：

1）依據不同監測環境和對象選擇相應的傳感器類型。不同類型的傳感器適用于不同的對象和環境，在選擇最優類型的傳感器時需要統籌兼顧。

2）線性范圍。線性范圍越廣，對應的量程與測量精度就越高。一般情況下，在選定傳感器類型后應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處理的性能，靈敏度越高信號處理越快。但并不是靈敏度越高越好，靈敏度越高，外界噪聲影響越大，越會對信號處理的質量造成負面影響。

4）頻率響應（頻響）特性。傳感器的頻響會有不可避免的延遲，延遲太多會導致數據處理的失真。傳感器的延遲越小，頻響越高，誤差就會越小，信號處理質量越好。

5）穩定性。傳感器穩定性的影響因素一般包括自身結構、外界環境和環境適應能力。傳感器穩定性的好壞決定著監測壽命期內監測系統的穩定性。

3.2 FB G傳感器優化布置

傳感器的布置優化是傳感器子系統的首要問題，而傳感器子系統又是基于 FBG傳感技術的船體結構強度監測系統的基礎。因此，監測點的布置優化至關重要。監測點的優化包含監測點的數量和位置的選擇。理論上講，監測點越多，越能獲得更加全面和有效的監測數據。然而，船體結構型式一般比較復雜，傳感器布置易受限；同時，測點越多，傳感器和配套的系統成本會大幅增加。因此，FBG傳感器優化布置的目的在于使用最少數量的傳感器布置在合適位置上，獲取最有效、全面和準確的數據。

3.2.1 監測點類型選擇

對于船體結構，監測點分類情況見圖2。監測點一般可分為應力、沖擊和姿態等監測點，其中應力監測點主要包括屈服監測點和疲勞監測點。

圖2 監測點分類示意圖

3.2.2 監測點的選取流程

目前，關于船體結構傳感器的優化布置一般參考相關規范，采用專家經驗或者根據數值仿真方法確定。由于船體結構形式和受力特點較為復雜，上述方法存在人為主觀因素大、仿真條件與實際情況有差異等問題，部分應力熱點部位容易遺漏。因此，可采用實船試驗和有限元分析等相結合的思路進行監測點布置優化，主要方法流程見圖3。

圖3 測點選取方法流程圖

3.3 荷載信號處理

監測系統一般需要測量很多數據，測量數據和采集系統本身也比較復雜。即使對各種測量儀器、數據采集系統等仔細校核標定，也會存在各類誤差。因此，在對所測得的數據進行分析之前必須對其進行誤差分析和預處理，以便消除測量數據中可能存在的誤差。

測量原始數據誤差一般可分為異常誤差、隨機誤差和系統誤差，監測數據的處理一般是對歷史實時數據誤差的處理，其主要流程為：

1）導入特定時間段的歷史應力數據。

2）設置帶通的上下截止頻率，通過帶通形成濾波器進行濾波，以消除隨機誤差。

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

4）篩選并剔除個別異常數據點，這一步主要為消除異常誤差。

3.4 強度評估

船體結構強度評估主要包括屈服強度評估和疲勞強度評估兩部分，根據誤差處理后的數據計算出強度評估的結果，通過曲線圖和條形圖等形式，對船體結構的屈服強度和疲勞強度進行顯示并存儲。

3.4.1 應力監測方法

由 FBG傳感器采集并處理的應力數據一般只是船體結構受諸如荷載變化等外界影響而產生的應力，不等同于總的結構應力。強度監測系統的總應力除了包含FBG傳感器所測應力外，還應包含船體焊接殘余應力等初始應力。這是因為初始應力一般會導致船體結構出現局部應力集中的現象，在復雜受力情況下更容易形成疲勞等損傷。結構總應力的計算公式為

式中：為結構總應力；為FBG傳感器所測應力；為初始應力。

主要根據FBG傳感器以及配套的光纖解調儀等解調出的結構應變與材料的彈性模量確定，其計算公式為

式中：為楊氏模量；為應變。

通常包含結構初始靜載造成的應力和初始殘余應力，可通過盲孔法進行測量，并通過配置文件在系統中予以配置。

3.4.2 屈服強度和疲勞強度評估流程圖4

圖4 屈服強度評估流程圖

圖5 疲勞強度評估流程圖

4 結論

基于FBG傳感技術，結合船體結構特征，采用信號處理和強度評估等理論，構建船體結構強度監測體系，以實現船體結構典型位置技術狀態監測及預警判斷。

1）針對船舶安全監測問題，對基于FBG傳感技術的船體結構監測技術研究現狀進行概述。

2）對FBG傳感器進行簡單的介紹，并基于傳感器優化布置、荷載信號處理和強度評估等研究開展船體結構監測系統的體系構建。

3）對FBG傳感技術在船體結構強度監測中的應用進行了相關研究，為各種類型船舶的安全健康監測提供一定的借鑒和參考。