應用于船舶與海洋工程結構安全監測的應變傳感器技術研究

鄭慶新，汪雪良，趙曉宇，楊華偉，徐春，蔣鎮濤

應用于船舶與海洋工程結構安全監測的應變傳感器技術研究

鄭慶新1,2，汪雪良1,2，趙曉宇2，楊華偉1,2，徐春1,2，蔣鎮濤1,2

（1. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室，廣州 511458；2.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

研制適用于船舶與海洋工程結構安全監測的應變傳感器，并提出標定方法。針對海洋環境特點，考慮傳感器封裝技術，通過結構設計與有限元仿真計算，研制以彈性體和電阻應變片為主要組成的應變傳感器。設計傳感器專用標定梁，并完成標定流程的制定和數據處理方法的研究，開展標定試驗，獲取傳感器的標定數據，得到傳感器的轉換系數和非線性誤差。開展傳感器的環境與可靠性試驗驗證。傳感器的轉換系數具有較高的一致性，系數最大為0.342，最小為0.335，偏差為2.05%，試驗傳感器最大非線性誤差為1.3%，并通過了9項環境試驗與2.56個循環（共1 980 h）的可靠性試驗考核。提出的標定方法適用，傳感器可承受海洋環境條件中溫度、濕度和鹽度的長期作用，滿足實船監測需求。

船海工程；結構安全；應變監測；彈性體；標定技術；環境與可靠性試驗

船舶與海洋工程結構在自身內力和風、浪、流引起的周期性疲勞載荷作用下[1-3]，一些應力集中、高低強度鋼交界、大開口等關鍵部位容易產生裂紋或裂紋擴展[4-6]，若得不到及時抑制，將威脅整體結構安全[7]。另外，在船舶全海域大型化的趨勢下，船舶航行中所遇到的極端波浪海況[8]需要引起重視，這對船舶總縱強度提出了更高的要求[9-11]。為保證人員和物品的安全，提高船舶與海洋工程結構預測風險的能力，結構安全監測技術正在快速發展[12-14]。

在結構安全監測中，應變作為一個關系船舶總縱強度和局部強度非常重要的物理量，是不得不監測的關鍵參數。電阻應變片因其精度高、測量范圍廣、線性度好、品種多樣化和價格便宜等特點，在應變測量領域得到了廣泛的應用[15-18]。但直接將電阻應變片應用于實船環境下的結構安全監測時，施工環境條件和操作工藝無法得到很好的保證，尤其在長期安全監測過程中，受到海洋環境條件中溫度、濕度和鹽度的長期作用，應變片片基容易老化，性能發生蠕變，甚至失效，以致傳感器的長期可靠性無法得到保證[19]。

針對船舶與海洋工程結構應變長期可靠性監測，文中設計了一種彈性體，結合電阻式應變片完成了適用于船舶與海洋工程結構安全監測的應變傳感器研制，并針對應變傳感器開展了標定方法、標定試驗研究及環境與可靠性試驗驗證。

1 應變傳感器研制

1.1 彈性體設計

當船舶與海洋工程結構受力發生微小變形時，彈性體敏感區域應同步發生變形。考慮到±2 000 με應變量程和海洋環境條件要求，彈性體選用經調質處理后的不銹鋼。為充分利用惠斯通電橋的和差特性，提高電橋的靈敏度，在彈性體內部合適位置開圓形槽與方形槽，并合理減小應變片粘貼位置（①—④）的壁厚，使得彈性體①—④位置的拉壓特性與惠斯通電橋的和差特性相對應。設計完成的彈性體包含敏感區域和安裝區域，具體結構如圖1所示。

圖1 彈性體結構

1.2 仿真計算

為獲得彈性體在拉壓載荷下敏感區域的應變響應特性，基于NX Nastran[20]進行彈性體有限元仿真，參照彈性體實際安裝狀態施加邊界條件和載荷，受力分析的應力云圖如圖2所示。根據彈性體受力分析結果可知，當對彈性體兩端施加拉伸載荷時，彈性體敏感區域①和④處于拉伸狀態，敏感區域②和③處于壓縮狀態；當對彈性體兩端施加壓縮載荷時，彈性體敏感區域①和④處于壓縮狀態，敏感區域②和③處于拉伸狀態。

圖2 彈性體有限元仿真計算云圖

經過多組彈性體仿真計算，不同載荷下彈性體兩端相對位移及各敏感區域的應力水平如圖3所示。從曲線可直觀看出所設計的彈性體敏感區域各測點具有較好的線性響應。

圖3 彈性體仿真計算結果

1.3 組橋處理

為提高彈性體的應變輸出靈敏度，并消除由溫度變化引起的測量誤差[21]，采用4個標稱阻值為350 Ω的電阻應變片粘貼在彈性體敏感區域的相應位置上，組成等臂全橋。考慮到彈性體在受到拉伸載荷時輸出應變值應該為正值，根據電橋的和差特性，①和④為相對橋臂，②和③為相對橋臂，具體橋路連接方式如圖4所示，橋路輸出電壓見式（1）。

圖4 橋路接線圖

式中：為應變片的靈敏系數；i為激勵電壓；o為輸出電壓；為傳感器各貼片位置的輸出應變值。

1.4 傳感器封裝

考慮到海洋環境條件中溫度、濕度和鹽度的長期作用，需要對彈性體進行封裝，封裝后的傳感器通過基座安裝在船體上，具體封裝步驟為：在彈性體上按位置要求粘貼好電阻應變片后，采用固化烘烤工藝進行烘烤；組橋處理；使彈性體內部充滿硅橡膠，且采用橡膠墊進一步密封；引出電纜，并安裝傳感器盒蓋。

2 應變傳感器標定方法研究

對傳感器作出封裝處理后，傳感器輸出的應變值并不是測點處的實際應變值，需要對應變傳感器進行標定。標定的目的是獲取傳感器輸出應變與測點應變的轉換系數和傳感器非線性誤差，以便傳感器可以投入實船應用。

2.1 標定梁設計

為獲取傳感器輸出應變與測點應變，需設計一標定梁作為力加載對象，傳感器安裝于標定梁上（前后均有基座可安裝傳感器），另在梁上粘貼參考應變片，作為測點應變值來源。為滿足船體鋼變形測量需求，應變傳感器對應的測點應變應滿足±2 000 με量程范圍，考慮1.5倍安全系數，標定梁材料選用高強度不銹鋼。采用工字形作為標定梁截面形狀，設計加工完成的標定梁長740 mm，梁截面尺寸和外形如圖5和圖6所示。

圖5 標定梁截面尺寸

圖6 標定梁外形

2.2 標定梁應變片布置

根據理論計算，標定梁相同截面段各位置的軸向應變值應相同，在標定梁表面粘貼1個參考應變片，即可實現標定梁加載應變輸出值的測量。但由于標定梁加工、應變片粘貼等工藝處理均存在由加工設備和人為因素導致的不可消除的系統誤差，因此在標定梁中段位置粘貼10個應變片，在后續數據處理時，分別計算10組標定參數，進行均值化處理。標定梁應變片布置（S1—S10）如圖7所示。

2.3 標定梁拉壓載荷計算及標定流程

在加載標定梁時，為達到應變傳感器的滿量程測試，標定梁測點應變輸出至少達到±2 000 με。根據式（2）可知，對標定梁兩端施加的載荷應超過±140 080 N。

式中：為材料彈性模量；為標定梁貼片處原始截面積；為標定梁軸向應變。

根據上述計算結果，并考慮梁裝載過程中的初始應力及梁前后位置存在應變差異的誤差影響，確定如下的應變傳感器標定原則：先進行預加載，再進行正式加載，同時考慮前后傳感器的位置交換（加載速度為4 kN/s，每級載荷保載20 s），如圖8所示。

圖7 標定梁應變片布置

圖8 應變傳感器標定流程

2.4 標定數據數理方法

根據應變傳感器標定流程可知，每次正式加載會有17次保載階段。在保載階段，各應變片與傳感器測量值應趨于小波動下的平穩，使用各測點保載階段的輸出均值進行傳感器標定參數計算具有比較高的可信度。因此，標定數據處理主要包含以下幾個步驟：標定數據保載階段數據提取；各測點保載階段均值計算；計算傳感器與各應變片的線性系數，并作均值化計算，得到傳感器轉換系數；傳感器非線性誤差計算。

經過第二個步驟，得各應變片的測量值為X（為1～10），單個傳感器的測量值為，假設X= kY+b+ε，則可將傳感器與各應變片線性系數k和偏移量b的求解轉化為非線性最優化問題的求解[22-23]，目標函數如式（3）所示。

求解出k（為1～10）后，取傳感器與各應變片線性系數k的均值作為傳感器的轉換系數，即：

將傳感器原始測量值與擬合直線X=kY+b的最大線性偏差作為傳感器輸出的非線性誤差fi，即

式中：為擬合直線與應變片測量值最大偏差的絕對值；為應變片測量值絕對值的最大值。

3 應變傳感器標定試驗

3.1 傳感器標定試驗系統搭建

傳感器標定試驗系統主要包括力加載設備、標定梁裝置和數據采集設備等。力加載設備采用walter+ bai LFV 500 HH疲勞試驗機，數據采集設備采用DE- WESoft SIRIUS數據采集系統，搭建完成的傳感器標定試驗系統如圖9所示。

圖9 傳感器標定試驗系統

3.2 傳感器標定數據處理

按照2.3節標定流程，對編號為Sensor1—Sensor8共8個應變傳感器進行了標定，并按照2.4節標定數據處理方法對8個應變傳感器對應的8組標定數據組（見表1）對應的標定數據進行保載階段數據提取、保載階段均值計算和標定參數計算等數據處理。

通過對各數據文件進行數據提取處理，得到各組傳感器對應的正式加載響應曲線，以第一組為代表，如圖10所示。

圖10 各組傳感器對應的正式加載響應曲線

計算8組保載階段測點響應均值數據，進而計算得到的各傳感器與各參考應變片的線性系數、各傳感器的轉換系數和非線性誤差最大值，見表2。

從表2中可知，各傳感器與各參考應變片的線性系數均值最大為0.342，最小為0.335，系數均值最大偏差為2.05%，各傳感器的最大非線性誤差為1.3%。

表1 傳感器標定數據組

Tab.1 Calibration data group of sensors

表2 傳感器轉換系數和非線性誤差計算結果

Tab.2 Conversion coefficients and non-linear error calculation results of sensors

4 環境與可靠性試驗驗證

為驗證傳感器在海洋環境下的適用性，在中國船舶工業電工電子設備環境與可靠性試驗檢測中心，依據《環境試驗大綱》與《可靠性考核試驗大綱》開展了環境與可靠性試驗驗證，受試傳感器共20套，如圖11所示。環境與可靠性試驗工況參數見表3，在2.56個可靠性循環中（包含1個24 h冷循環，1.56個48 h熱循環），單套受試傳感器累計有效試驗時間為99 h，所有受試傳感器累計有效試驗時間為1 980 h。

圖11 傳感器環境與可靠性試驗

環境與可靠性試驗期間，傳感器功能正常，責任故障數=0。試驗結果表明，傳感器滿足設計指標要求，可承受海洋環境的長期作用。

表3 環境與可靠性試驗工況參數

Tab.3 Duty parameters of environmental and reliability test

5 結論

文中針對船舶與海洋工程結構應變測量需求，研制了適用于海洋環境的應變傳感器，并針對所研制的傳感器開展了標定方法研究。通過標定試驗，得到了多組傳感器的標定數據，結論如下：

1）該應變傳感器利用了惠斯通電橋的和差特性，消除了溫度變化引起的測量誤差影響，并增加了傳感器的輸出靈敏度。

2）采用的傳感器標定方法將標定梁加工、應變片粘貼等系統誤差影響降到最小，通過標定試驗所得到的各傳感器轉換系數具有較高的一致性，傳感器最大非線性誤差為1.3%。

3）通過環境適應性和可靠性試驗驗證，表明傳感器可承受海洋環境條件中溫度、濕度和鹽度的長期作用，滿足實船監測需求。

[1] 韓蕓, 崔維成, 黃小平, 等. 大型船舶結構的疲勞強度校核方法[J]. 中國造船, 2007, 48(2): 60-67.

HAN Yun, CUI Wei-cheng, HUANG Xiao-ping, et al. Fatigue Strength Assessment of Large-Scale Ship Structures[J]. Ship Building of China, 2007, 48(2): 60-67.

[2] 馬麗. 低周疲勞載荷下含裂紋損傷的船舶結構承載力研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2019.

MA Li. Research on the Bearing Capacity of Ship Structure with Crack Damage under Low Cycle Fatigue Load[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2019.

[3] 趙仕倫. 海洋平臺疲勞裂紋擴展評估技術研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2018.

ZHAO Shi-lun. Research on Fatigue Crack Growth Assessment Technique of Offshore Platforms[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2018.

[4] 劉汶征, 王璞. FPSO甲板開孔板架孔邊的應力集中優化[J]. 船舶與海洋工程, 2021, 37(4): 7-11.

LIU Wen-zheng, WANG Pu. Stress Concentration Optimization for the Opening Edges of FPSO Deck Grillage Frame[J]. Naval Architecture and Ocean Engineering, 2021, 37(4): 7-11.

[5] 張博, 林雪, 田素玲. 斷裂力學在船舶結構疲勞評估中的應用[J]. 艦船科學技術, 2018, 40(4): 19-21.

ZHANG Bo, LIN Xue, TIAN Su-ling. Application of Fracture Mechanics to Fatigue Evaluation of Ship Structure[J]. Ship Science and Technology, 2018, 40(4): 19-21.

[6] 賴蕾, 張世聯. 長甲板室端部應力集中分析及優選設計研究[J]. 艦船科學技術, 2016, 38(13): 6-10.

LAI Lei, ZHANG Shi-lian. Analysis and Optimum Design on the Stress Concentration of Long Deckhouse End[J]. Ship Science and Technology, 2016, 38(13): 6-10.

[7] 張濤. 基于光纖光柵傳感技術的船舶結構長期監測方法[D]. 北京: 中國艦船研究院, 2014.

ZHANG Tao. Long-Term Monitoring Method of Fiber Grating Sensing Technology for Ship Structure[D]. Beijing: China Ship Research and Development Academy, 2014.

[8] 黃維平, 劉超. 極端海洋環境對海洋平臺疲勞壽命的影響[J]. 海洋工程, 2012, 30(3): 125-130.

HUANG Wei-ping, LIU Chao. Study on the Method of the Fatigue Design of Offshore Platforms Considering Extreme Sea States[J]. The Ocean Engineering, 2012, 30(3): 125-130.

[9] 張增胤, 趙耀. 極端海況下船舶總縱極限強度可靠性計算方法[J]. 中國艦船研究, 2017, 12(1): 63-71.

ZHANG Zeng-yin, ZHAO Yao. Reliability Calculation Method of Longitudinal Ultimate Strength of Ships under Extreme Sea Conditions[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2017, 12(1): 63-71.

[10] 丁超, 趙耀. 船舶總縱極限強度后剩余承載能力有限元仿真方法研究[J]. 中國造船, 2014, 55(1): 54-65.

DING Chao, ZHAO Yao. Simulation of Ship Residual Carrying Capacity after Longitudinal Ultimate Strength[J]. Shipbuilding of China, 2014, 55(1): 54-65.

[11] 應榮熔, 王驍, 王菲菲, 等. 艦船大風浪中縱向強度標準應用[J]. 艦船科學技術, 2013, 35(1): 51-54.

YING Rong-rong, WANG Xiao, WANG Fei-fei, et al. Study on Criteria of Longitudinal Strength for Ships in Rough Sea[J]. Ship Science and Technology, 2013, 35(1): 51-54.

[12] 賈連徽. 船舶運動與應力實時監測系統的研究與開發[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2011.

JIA Lian-hui. Research and Development of the Real-Time Monitoring System of Ship's Motions and Stresses[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2011.

[13] 楊華偉, 汪雪良, 張濤, 等. 基于結構應變監測的風帆推力測量方法研究[J]. 裝備環境工程, 2021, 18(4): 109-114.

YANG Hua-wei, WANG Xue-liang, ZHANG Tao, et al. Study on the Measurement Method of Sail-Assisted Thrust Based on Structural Strain Monitoring[J]. Equipment Environmental Engineering, 2021, 18(4): 109-114.

[14] 汪雪良, 顧學康, 魏納新, 等. 航行船舶在波浪中響應長期監測技術[J]. 艦船科學技術, 2012, 34(2): 59-62.

WANG Xue-liang, GU Xue-kang, WEI Na-xin, et al. Application Research of Long Term Monitoring Technique for Responses of Ship Traveling at Sea[J]. Ship Science and Technology, 2012, 34(2): 59-62.

[15] 謝艷, 賈雨龍, 郝紅斌, 等. 一種小型應變片電阻自動測量儀設計[J]. 電子設計工程, 2021, 29(20): 52-56.

XIE Yan, JIA Yu-long, HAO Hong-bin, et al. Design of a Small Strain Gage Resistance Automatic Measuring Instrument[J]. Electronic Design Engineering, 2021, 29(20): 52-56.

[16] 余航, 舒安慶, 丁克勤. 電阻應變片敏感柵柵絲尺寸對測量精度影響的研究[J]. 中國儀器儀表, 2021(4): 71-75.

YU Hang, SHU An-qing, DING Ke-qin. Research on the Influence of the Size of Strain Gauge Sensitive Grid Wire on Measurement Accuracy[J]. China Instrumentation, 2021(4): 71-75.

[17] 王楷焱, 王靈犀, 任曉雪, 等. 一種基于電阻應變片的發動機懸置傳遞力測試研究[J]. 沈陽工程學院學報(自然科學版), 2021, 17(2): 79-83.

WANG Kai-yan, WANG Ling-xi, REN Xiao-xue, et al. Research on Test Method of Engine Mount Force Based on Resistance Strain Gauge[J]. Journal of Shenyang Institute of Engineering (Natural Science), 2021, 17(2): 79-83.

[18] 李盼菲. 電阻應變測量中提高精度的方法研究[J]. 計量與測試技術, 2019, 46(12): 62-64.

LI Pan-fei. Research on Method of Improving Accuracy in Resistance Strain Measurement Technique[J]. Metrology & Measurement Technique, 2019, 46(12): 62-64.

[19] 楊華偉, 黃進浩, 周平, 等. 一種封裝集成式應力監測傳感器: CN 110530568A[P]. 2019-12-03.

LI Liu-an, AO Jin-ping. Integrated GaN-Based Sensor for Synchronously Monitoring Solution Temperature and pH and Preparation Method Thereof: CN 110530568A[P]. 2019-12-03.

[20] 李錦, 鄭偉, 吳濤. 中文版UG NX 10.0技術大全[M]. 第2版. 北京: 人民郵電出版社, 2018.

LI Jin, ZHENG Wei, WU Tao. Chinese Version of UG NX 10.0 Technical Encyclopedia[M]. 2nd Edition. Beijing: Posts & Telecom Press, 2018.

[21] 蔡共宣, 林富生, 陳興洲. 工程測試與信號處理[M]. 第3版. 武漢: 華中科技大學出版社, 2017.

CAI Gong-xuan, LIN Fu-sheng, CHEN Xing-zhou. Engineering Test and Signal Processing[M]. 3rd Edition. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology Press, 2017.

[22] 鄭慶新, 顧曉輝, 張洪銘. 基于SQP和自適應搜索的混沌粒子群算法[J]. 計算機工程與應用, 2018, 54(13): 131-136.

ZHENG Qing-xin, GU Xiao-hui, ZHANG Hong-ming. Chaotic Particle Swarm Optimization Algorithm Based on SQP and Adaptive Search[J]. Computer Engineering and Applications, 2018, 54(13): 131-136.

[23] 葛超, 王蕾, 曹秀爽. MATLAB技術大全[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2014.

GE Chao, WANG Lei, CAO Xiu-shuang. MATLAB Technology Daquan[M]. Beijing: Posts & Telecom Press, 2014.

Research on Strain Sensor Technology Applied in Structural Safety Monitoring of Ships and Offshore Engineering

ZHENG Qing-xin1,2, WANG Xue-liang1,2, ZHAO Xiao-yu2, YANG Hua-wei1,2, XU Chun1,2, JIANG Zhen-tao1,2

(1. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory, Guangzhou 511458, China; 2. China Ship Science Research Center, Jiangsu Wuxi 214082, China)

The work aims to develop strain sensors suitable for safety monitoring of ships and marine engineering structures and propose calibration methods. In view of the characteristics of the marine environment, considering the sensor packaging technology, a strain sensor with elastomer and resistance strain gauges as the main components was developed through structural design and finite element simulation calculation. A special calibration beam for sensor was designed and the calibration process and data processing method research were completed. The calibration experiment was carried out to obtain the calibration data of the sensor as well as the conversion coefficient and nonlinear error of the sensor. Environmental and reliability test verification of sensors were carried out. The conversion coefficient of the sensor had a high consistency. The maximum value of the coefficient was 0.342. The minimum was 0.335. The deviation was 2.05%. The maximum nonlinear error of the test sensor was 1.3%. It has passed 9 environmental tests and 2.56 cycles of reliability assessment with a total of 1 980 hours. The calibration method presented is applicable. The sensor can withstand the long-term effects of temperature, humidity and salinity in marine environmental conditions and meet the monitoring needs of real ships.

marine engineering; structural safety; strain monitoring; elastomer; calibration technology; environment and reliability test

TH82

A

1672-9242(2023)01-0083-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.01.012

2021–12–25；

2021-12-25；；

2022–02–18

2022-02-18

南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）人才團隊引進重大專項（GML2019ZD0502）；高技術船舶科研項目（工信部裝函[2019]357號）

Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou) (GML2019ZD0502); High-tech Ship Scientific Research Project (Ministry of Industry and Information Technology Cover letter [2019] No. 357)

鄭慶新（1992—），男，碩士，工程師，主要研究方向為結構安全監測與評估技術、結構可靠性優化技術。

ZHENG Qing-xin (1992-), Male, Master, Engineer, Research focus: structural safety monitoring and evaluation technology, structural reliability optimization technology.

鄭慶新, 汪雪良, 趙曉宇, 等. 應用于船舶與海洋工程結構安全監測的應變傳感器技術研究[J]. 裝備環境工程, 2023, 20(1): 083-089.

ZHENG Qing-xin, WANG Xue-liang, ZHAO Xiao-yu, et al.Research on Strain Sensor Technology Applied in Structural Safety Monitoring of Ships and Offshore Engineering[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(1): 083-089.

責任編輯：劉世忠