祁耀斌，陸 遙，吳晨暉

（武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070）

光纖光柵稱重傳感器在大型海上浮吊中的應(yīng)用＊

祁耀斌，陸 遙，吳晨暉

（武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070）

為了實(shí)現(xiàn)大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)，開發(fā)了大型海上浮吊光纖光柵稱重傳感器系統(tǒng)，提出了光纖光柵稱重傳感器設(shè)計(jì)理論，建立了傳感器設(shè)計(jì)框架。通過懸臂梁理論，借助于有限元分析軟件，提出了懸臂梁和受壓彈性體復(fù)合結(jié)構(gòu)；通過溫度補(bǔ)償理論與對(duì)比，提出了濾波溫度補(bǔ)償方案；通過遲滯效應(yīng)原理，提出了雙光柵式遲滯效應(yīng)消除方案。進(jìn)行光纖光柵稱重傳感器性能實(shí)驗(yàn)、反復(fù)性實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)，討論了系統(tǒng)的性能和可行性。并將大型海上浮吊光纖光柵實(shí)時(shí)稱重系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目，成功實(shí)現(xiàn)了大型海上浮吊負(fù)重狀況監(jiān)測(cè)。

光纖光柵；大型海上浮吊；稱重傳感器；健康監(jiān)控

大型海上浮吊作為重大海洋作業(yè)，廣泛應(yīng)用于海洋石油開發(fā)、海灘救助、海底隧道建設(shè)等重大海洋工程。吊臂架結(jié)構(gòu)是大型海上浮吊的核心結(jié)構(gòu)，直接影響到大型海上浮吊的完全穩(wěn)定運(yùn)行。而大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)運(yùn)行受到外部環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)本體和潛在因素等三方面的不確定性影響，并且大型海上浮吊現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，干擾眾多等，嚴(yán)重制約著大型海上浮吊系統(tǒng)的完全可靠運(yùn)行。因此，迫切需要建立一套大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)稱重系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)在線健康監(jiān)控。

目前，大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)稱重系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的有基于電阻應(yīng)變傳感器的大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)稱重系統(tǒng)和基于光纖光柵傳感器的在大型海上浮吊臂架結(jié)稱重系統(tǒng)。前者以其精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)較多的應(yīng)用于測(cè)量?jī)x器等工業(yè)領(lǐng)域，其穩(wěn)定性和可靠性較低，難以滿足大型海上浮吊健康監(jiān)控系統(tǒng)的要求［1－2］；后者以其體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)成為目前的研究熱點(diǎn)。光纖光柵稱重系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于高速公路、鐵路橋梁等工程［3－5］，在大型海上浮吊系統(tǒng)中的應(yīng)用還不多見。

結(jié)合大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文研發(fā)了應(yīng)用大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的光纖光柵稱重傳感器，提出了基于光纖光柵波分復(fù)用稱重傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型海上浮吊系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線健康監(jiān)測(cè)。

1 光纖光柵傳感原理與稱重傳感器

1.1 光纖光柵傳感特性

根據(jù)光纖Bragg光柵模式耦合理論，峰值反射布拉格波長為

式中：λB為光纖布拉格光柵的中心波長；Λ為光柵周期；neff為光柵的有效折射率（折射率調(diào)制幅度大小的平均效應(yīng)）。

當(dāng)外界物理環(huán)境發(fā)生變化（溫度、應(yīng)力等）時(shí)，引起光柵周期Λ和光柵有效折射率neff的改變，布拉格中心波長也隨著發(fā)生變化，通過檢測(cè)反射光信號(hào)的偏移可實(shí)現(xiàn)溫度或者應(yīng)力等變量的檢測(cè)。

1.1.1 光纖光柵軸向應(yīng)力特性 均勻軸向應(yīng)力是指對(duì)光纖光柵進(jìn)行縱向拉伸或壓縮。假設(shè)光纖Bragg光柵僅受軸向應(yīng)力作用，溫度和徑向應(yīng)力不變，軸向應(yīng)變引起的光纖Bragg光柵柵距的變化

式中：ΔΛ為布拉格光柵周期變化量；ξx為光纖Bragg光柵處的軸向應(yīng)變。

式中：L為兩段固定的光纖Bragg光柵長度；ΔL為縱向伸縮量。

由彈光效應(yīng)引起的光纖Bragg光柵折射率的變化

式中：Δneff光柵折射率變化量；P11和P12為Pockel系數(shù)；v為泊松比。

因?yàn)閺椆庀禂?shù)

式中：Pe為彈光系數(shù)。

所以，聯(lián)合式（3）、（4）和（5），可得出

式中：ΔλB為布拉格波長偏移量。

由式（6）可知，通過測(cè)出ΔλB，即可得出外界軸向應(yīng)力ξx，實(shí)現(xiàn)軸向應(yīng)力的測(cè)量。

1.1.2 光纖光柵溫度特性 無外界應(yīng)力的情況下，溫度變化會(huì)引起neff和Λ的變化。將式（1）對(duì)溫度取導(dǎo)數(shù)

式中：d T、dΛ、d neff分別為溫度、光柵周期和有效折射率的變化量。

式（7）兩邊分別除以式（1）兩端，可得

令

式中：ξ為光纖光柵折射率溫度系數(shù)，即光纖材料的熱光系數(shù)。

令

式中：α為光纖的線性熱膨脹系數(shù)。

這樣可將式（8）改寫如下形式

由式（11）可知溫度變化對(duì)布拉格波長的影響。

1.1.3 溫度應(yīng)變交叉敏感特性 在實(shí)際的工程運(yùn)用中，常常是有溫度和應(yīng)變同時(shí)存在的情況發(fā)生，即交叉敏感特性。

假定溫度和應(yīng)變對(duì)中心波長的的影響是相對(duì)獨(dú)立的，兩者同時(shí)變化時(shí)，由軸向應(yīng)力特性和溫度特性可知，布拉格波長的變化為

式中：ε為其軸向應(yīng)變；ΔT為溫度變化量。

1.2 光纖光柵稱重傳感器原理

圖1 稱重傳感器設(shè)計(jì)原則Fig.1 The principle of weighing sensor

光纖光柵稱重傳感器是利用光纖光柵軸向應(yīng)力特性，克服溫度特性的交叉影響，借助于封裝結(jié)構(gòu)和應(yīng)變傳遞模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的準(zhǔn)確測(cè)量。稱重傳感器主要由光纖光柵和應(yīng)力傳遞結(jié)構(gòu)組成，其設(shè)計(jì)原則見圖1。

（1）高效率的應(yīng)變傳遞結(jié)構(gòu) 大型海上浮吊起吊負(fù)載重達(dá)數(shù)十兆帕（MPa），選擇合適應(yīng)變傳遞結(jié)構(gòu)是稱重傳感器的關(guān)鍵。

（2）克服交叉敏感 大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)受其金屬結(jié)構(gòu)、室外海域環(huán)境等影響，引起溫度變化的隨機(jī)性和不確定性較大，因此光纖光柵稱重傳感器必須解決傳感溫度補(bǔ)償問題

（3）波分復(fù)用傳感網(wǎng)絡(luò) 針對(duì)大型海上浮吊系統(tǒng)，通過波分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)控的健康網(wǎng)絡(luò)是大型海上浮吊稱重系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2 大型海上浮吊稱重傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析

2.1 光纖光柵稱重傳感器設(shè)計(jì)

結(jié)合大型海上浮吊對(duì)光纖光柵稱重傳感器的要求，在上述理論和原則的指導(dǎo)下，筆者設(shè)計(jì)出了基于一種等強(qiáng)度懸臂梁式和受壓薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)的稱重傳感器，其結(jié)構(gòu)原理見圖2。

圖2 懸臂梁式稱重傳感器結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of cantilever beam weighing sensor

大型海上浮吊光纖光柵稱重傳感器的設(shè)計(jì)思路見圖3。

圖3 光纖光柵稱重傳感器設(shè)計(jì)思路Fig.3 The guidance of fiber bragg grating weighing sensor

2.1.1 等強(qiáng)度懸臂梁設(shè)計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)等強(qiáng)度懸臂梁見圖3，梁的固定端記為O點(diǎn)，自由端記為A點(diǎn)，梁的橫截面高度為h，并以橫軸對(duì)稱，其寬度

式中：L為懸臂梁的長度；b0是懸臂梁在O點(diǎn)的橫截面寬度；x為梁縱軸上任意一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖4 等強(qiáng)度懸臂梁Fig.4 Equal－intensity cantilever beam

等強(qiáng)度梁表面的彎曲應(yīng)力相同，在任意點(diǎn)的應(yīng)變也相等，在O表面處的應(yīng)力為：

式中：P為作用于自由段的集中性載荷；I0為梁橫截面O點(diǎn)處的慣性力矩；E為梁材料的楊氏模量。

由式（14）可知，等強(qiáng)度梁的應(yīng)變受到幾何尺寸和材質(zhì)材料影響。

2.1.2 受壓金屬彈性體的設(shè)計(jì) 受壓金屬彈性體的設(shè)計(jì)本文采用有限元分析的方法，采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)［6］。

首先對(duì)受壓薄膜的硬件尺寸進(jìn)行擬定，薄膜擬定為帶有硬心的扁形圓柱體結(jié)構(gòu)，圓柱體直徑D＝150mm，硬心直徑Dx mm，整體厚度H＝35mm，薄膜厚度Hx mm。整體有限元?jiǎng)澐忠妶D5。

圖5 受壓薄膜整體有限元?jiǎng)澐諪ig.5 Finite element division of compressive film

圖5中，外部壓力荷載均勻作用在薄膜硬心上，使受壓薄膜分別受到剪切應(yīng)力和徑向應(yīng)力，于是產(chǎn)生1個(gè)位移量。

利用ANSYS分別對(duì)硬心直徑Dx＝4.5，5，6，8，10 mm，薄膜厚度Hx＝50，72，75 mm進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果見表1。

表1 有限元分析受壓薄膜各項(xiàng)受力情況Table 1 Various stress situation of finite element analysis of pressure on film

從表1可知，當(dāng)薄膜厚度為10mm，硬心直徑為75mm時(shí)，受壓薄膜的受理情況符合設(shè)計(jì)所需，而其他種方案甚至已經(jīng)超過了金屬的極限強(qiáng)度和屈服點(diǎn)，所以擬定受壓薄膜厚度D1＝10 mm，硬心直徑H1＝75 mm。ANSYS分析可以直觀表示出來（見圖6）。

圖6 受壓薄膜Y向位移Fig.6 Y displacement of compression film

圖7 受壓薄膜X向應(yīng)力Fig.7 X displacement of compression film

由于受壓盒體屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以在圖6和7所見ANSYS分析只取盒體橫截面的一半進(jìn)行觀察，另一面的受力與位移情況與之完全相同。將實(shí)驗(yàn)數(shù)曲線見圖8～10。

圖10 2種硬心直徑條件下的薄膜位移Fig.10 Compression film displacement of two core diameter

從圖8～10可以看出，當(dāng)薄膜的厚度和硬心不斷增大時(shí)，其所受的徑向應(yīng)力、剪切應(yīng)力和徑向位移都在不斷的減小，當(dāng)薄膜厚度為10 mm，硬心直徑為75 mm時(shí)，傳感器彈性體性能達(dá)到最優(yōu)。

2.1.3 溫度補(bǔ)償［7］大型海上浮吊的金屬材料、經(jīng)常變化朝向的工作性質(zhì)和變化無常的海域工作環(huán)境，決定了光纖光柵稱重傳感器溫度補(bǔ)償?shù)闹匾?。通過理論與實(shí)踐研究，對(duì)比傳統(tǒng)的的溫度補(bǔ)償辦法，提出了符合大型海上浮吊光纖光柵稱重傳感器的溫度補(bǔ)償辦法。

由式（12）可知，光柵反射波長有著交叉敏感性。傳統(tǒng)的溫度補(bǔ)償方法是用一只參考光柵補(bǔ)償法，在雙光纖光柵的情況下，當(dāng)溫度與應(yīng)力的同時(shí)變化時(shí)，雙光纖光柵的波長差值

式中：Δλ′B、Δλ″B分別為兩光柵中心波長偏移量；λ′B、λ″B分別兩光柵的中心波長；ε′、ε″分別為兩光柵的軸向應(yīng)變；α′、α″分別為兩光柵的熱膨脹系數(shù)；ξ′、ξ″分別為兩光柵的折射率溫度系數(shù)。

表2 溫度補(bǔ)償方案Table 2 Temperature compensation scheme

圖11 低通濾波實(shí)現(xiàn)流程Fig.11 Low－pass filter process

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，由于溫度變化而產(chǎn)生的漂移是一個(gè)比較緩慢的變化過程，其突變比較小，可以認(rèn)為在平均5個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)，小于5pm的變化量看成是溫度漂移量，即低通濾波方法的閾值得到設(shè)定，可以進(jìn)行有效剔除。

2.1.4 遲滯效應(yīng)的消除 金屬或者非金屬的任何彈性材料在工作中存在著不同程度上的彈性滯后、彈性后效和蠕變的現(xiàn)象，即彈性遲滯效應(yīng)。彈性體材料的彈性遲滯效應(yīng)的大小直接影響了傳感器的重復(fù)性和精確度。對(duì)制備好的稱重傳感器進(jìn)行0～30MPa的加壓和卸載數(shù)次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖12。

圖12 彈性遲滯效應(yīng)的影響Fig.12 The effect of Elastic hysteresis effect

由圖12可知，這種彈性遲滯現(xiàn)象明顯存在，由彈性遲滯的定義可知，是彈性體元件和壓力傳遞元件的材料所固有的特性才是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因。

如果不考慮溫度的影響，光纖布拉格光柵的反射波長λB與懸臂梁自由端在力的作用下產(chǎn)生的軸向位移之間的關(guān)系可以表示為如下關(guān)系。

式中：K1為比例系數(shù)；λ0為在空載狀態(tài)下的初始波長；Δh為軸向位移。

在壓力的作用下，有

式中：K 2為比例系數(shù)，P為壓力。

綜合式（16）和（17），可得出

筆者將懸臂梁上下兩個(gè)表面對(duì)稱黏貼2只光柵，并串聯(lián)起來，利用壓力來調(diào)諧雙光柵產(chǎn)生的波長差來有效檢測(cè)。

在壓力P的作用下，λ1對(duì)應(yīng)的變化值為λ1′，λ2對(duì)應(yīng)的變化值為λ2′；卸載時(shí)，波長變化值為λ1″和λ2″。由于彈性遲滯效應(yīng)的影響是非線性的，因此引入一個(gè)靈敏度系數(shù)ξ＝dω／d p，并設(shè)定加載和卸載過程中產(chǎn)生的微塑形形變量分別為ξ＊（p，t）P和ξ＊＊（p，t）P，附加性的引起光柵波長的在加載和卸載過程中產(chǎn)生的漂移量分別為Δ＊λξ和Δ＊＊λξ。

由式（18）出發(fā)，光柵反射波長的漂移與所施壓力P的變化關(guān)系分別可以表示如下。

式中：λ10為上表面光柵空載時(shí)初始波長。

式中：λ20為上表面光柵空載時(shí)初始波長。

由式（19）和式（20），得：

式（21）和式（22），得：

由式（23）和式（24）可推得：

由式（25）可知，利用壓力進(jìn)行雙光柵反射波長之差的調(diào)諧，在加載和卸載的過程中，彈性遲滯效應(yīng)對(duì)傳感器的性能影響微乎其微，從而實(shí)現(xiàn)了遲滯效應(yīng)的補(bǔ)償

2.2 稱重傳感器實(shí)驗(yàn)研究

光纖光柵稱重傳感器主要分為性能實(shí)驗(yàn)、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 性能實(shí)驗(yàn) 通過最大載荷為大于40 MPa的力學(xué)反力架為實(shí)驗(yàn)基本框架、量程為0～35 MPa的壓力計(jì)、一臺(tái)光纖光柵解調(diào)儀和一臺(tái)終端上位機(jī)對(duì)已制備好的光纖光柵稱重傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)稱重傳感器進(jìn)行加載和卸載，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析傳感器性能。在加載和卸載的過程中，將解調(diào)器的輸出波長信號(hào)繪成曲線（見圖13和14）。

由圖13和14的壓力響應(yīng)曲線可知，施加的載荷與光纖光柵中心反射波長的變化量有良好的線性關(guān)系，且相關(guān)性都達(dá)0.998 9以上。由稱重傳感器執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和誤差計(jì)算方法，可得出稱重傳感器的各項(xiàng)誤差指標(biāo)［8］。

表3 稱重傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 3 The performance indicators of weighing sensor

試驗(yàn)中重復(fù)性誤差主要來源于反復(fù)應(yīng)力老化；回程誤差主要來源于彈性體本身經(jīng)過釬焊或其他處理；線性誤差來源于實(shí)驗(yàn)條件的非恒溫性及儀器本身誤差?；菊`差是重復(fù)性誤差和線性誤差的總和。

2.2.2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn) 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)室為了驗(yàn)證傳感器在重復(fù)加載、卸載的情況下，其重復(fù)性如何。利用壓力計(jì)對(duì)傳感器進(jìn)行0～25Mpa的加載和卸載數(shù)次，經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀將信號(hào)傳送給PC機(jī)，將記錄的數(shù)據(jù)繪制成曲線見圖17和18。

通過圖15和16可看出，稱重傳感器在0～25MPa的載荷進(jìn)行加載和卸載過程中，懸臂梁兩側(cè)的光纖光柵反射波長λ1，λ2幾乎保持著重合，反復(fù)加載和卸載之后，得出圖表幾乎一致，最多的誤差在2pm以內(nèi)。

2.2.3 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn) 將設(shè)計(jì)好的稱重傳感器置于室外環(huán)境下，為驗(yàn)證傳感器的穩(wěn)定性，每隔近一個(gè)月對(duì)傳感器進(jìn)行一次測(cè)量，所得數(shù)據(jù)見表4。

由表4可以看出，在進(jìn)4個(gè)月的重復(fù)測(cè)量中，波長差值的變化在1～2pm之間浮動(dòng)，可以觀察到傳感器的的穩(wěn)定性良好。

表4 稱重傳感器封裝后分期測(cè)量對(duì)比Table 4 Measure contrast of weighing sensor after encapsulation of different period

3 大型海上浮吊稱重系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 大型海上浮吊稱重系統(tǒng)

結(jié)合大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，筆者提出了一套基于光纖光柵稱重傳感器的大型浮吊健康監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)模型見圖17，主要分為數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和監(jiān)控界面等3個(gè)部分。

（1）數(shù)據(jù)采集 分布于大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)上的光纖光柵稱重傳感器采集其荷載情況。

（2）信號(hào)處理 光纖光柵解調(diào)器獲取光柵反射波長信號(hào)，通過波分復(fù)用實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

（3）監(jiān)控界面 通過軟件系統(tǒng)以友好的界面實(shí)時(shí)在線顯示大型海上浮吊健康運(yùn)行狀態(tài)。

圖17 基于光纖光柵稱重傳感器的大型浮吊監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Fig.17 Schematic diagram of large－scale floating crane monitoring system structure based on fiber bragg grating weighing sensor

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

圖18 大型海上浮吊現(xiàn)場(chǎng)裝配圖Fig.18 Field assembly drawing large－scale offshore floating crane

本系統(tǒng)已應(yīng)用于某大型海上浮吊，將4支光纖光柵稱重傳感器安裝于有4支吊鉤的大型海上浮吊（見圖18），通過串聯(lián)反射連接到中央監(jiān)控室。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試將從吊鉤空載、吊起貨物、上升和下降4個(gè)過程進(jìn)行。4個(gè)傳感器在不同的過程中的質(zhì)量變化情況見圖19。

圖19 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)不同過程的傳感器質(zhì)量變化Fig.19 Sensor weight changes in the various process of field operations

通過友好的監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示著4個(gè)吊鉤的載荷質(zhì)量以及浮吊所承受的總質(zhì)量，通過灰色、黃色、紅色等3種顏色向現(xiàn)場(chǎng)維修人員進(jìn)行預(yù)警，百分比小于90%時(shí)，顯示灰色，表示吊鉤正常工作；當(dāng)百分比大于等于90%且小于100%時(shí)，顯示黃色，發(fā)出初級(jí)預(yù)警，表明吊鉤有接近極限負(fù)荷；當(dāng)百分比大于等于100%時(shí)，會(huì)顯示紅色，發(fā)出高級(jí)預(yù)警，表明吊鉤的工作嚴(yán)重異?；蛞殉鰳O限負(fù)荷。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在浮吊正常的作業(yè)中，四個(gè)吊鉤保持在安全的負(fù)荷范圍內(nèi)，其中一只吊鉤在貨物上升時(shí)達(dá)到了黃色初級(jí)預(yù)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員注意檢修，在貨物下降并卸載后，軟件監(jiān)視可以良好的回零，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)光纖光柵傳感原理、力學(xué)原理及其相關(guān)的理論分析，借助于有限元分析軟件，提出了一種懸臂梁與受壓彈性體的光纖光柵稱重傳感器。

（2）通過溫度補(bǔ)償理論和遲滯效應(yīng)理論，提出了溫度補(bǔ)償方案和遲滯效應(yīng)補(bǔ)償方案來實(shí)現(xiàn)能實(shí)用于大型海上浮吊中光纖光柵稱重傳感器。

（3）結(jié)合大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了大型海上浮吊光纖光柵實(shí)時(shí)在線健康監(jiān)控系統(tǒng)。

［1］ 路遙.大型浮吊稱重傳感系統(tǒng)的研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

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Application of Fiber Bragg Grating Weighing Sensor for Large－Scale Floating Crane

QI Yao－Bin，LU Yao，WU Chen－Hui
（National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

In order to achieve health monitoring of large－scale offshore floating crane structure，we developed a fiber bragg grating weigthing sensor system for large－scale offshore floating crane，proposed a design theory and frame of sensor.Then we proposed a composite structure of cantilever beam and compressive film through analysis of cantilever beam theory and finite element software，a filtering temperature compensation scheme through theory and contrast of temperature compensation，and a hysteresis effect of eradication scheme using double grating through hysteresis effect principle.At last，performance and repeated experiment and stability experiment on fiber bragg grating weighing sensor were conducted to discuss the system performance and feasibility.Finally，fiber bragg grating weighing system for largescale offshore floating crane was used in actual projects.The result shows that the system achieves health monitoring of loading condition for large－scale offshore floating crane.

fiber bragg grating；large－scale offshore floating crane；weighing sensor；health monitoring

TP212

A

1672－5174（2012）09－102－08

國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（20111g0088）《光纖傳感安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化》資助

2012－01－18；

2012－06－15

祁耀斌（1966－），男，博士，副研究員，從事光纖傳感器技術(shù)及組網(wǎng)研究。E－mail：robin＠whut.edu.cn

責(zé)任編輯 陳呈超