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        光纖光柵應力監(jiān)測技術(shù)在船上的應用

        2013-07-10 07:31:44朱云翔冒如權(quán)范井峰
        交通科技 2013年3期
        關(guān)鍵詞:光柵光源波長

        朱云翔 冒如權(quán) 范井峰

        (海軍駐上海地區(qū)艦艇設計研究軍事代表室 上海 200011)

        對船舶結(jié)構(gòu)應力應變狀態(tài)進行長期實時監(jiān)測,對于研究和設計部門掌握船體結(jié)構(gòu)在波浪中的響應資料,使用部門及時了解船體結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)具有重要意義。本文介紹了應用FBG 傳感器在一艘新開發(fā)的三體船上進行力應變狀態(tài)長期實時監(jiān)測的有關(guān)情況。

        1 光纖光柵傳感技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀

        自從美國的Morey 等人[1]首次對光纖光柵(FBG)傳感器的應變與溫度傳感進行研究以來,世界各國都對其十分關(guān)注并開展了廣泛的應用研究,取得了豐碩的成果,目前已被廣泛應用到土木工程、大型鋼結(jié)構(gòu)、航空航天、電力、石化、醫(yī)學、核工業(yè)等諸多領(lǐng)域,在船舶領(lǐng)域也不乏很多應用實例。

        我國在20世紀70年代末就開始了FBG 傳感器的研究,其起步時間與國際相差不遠。目前已有多個單位在這一領(lǐng)域開展工作,在FBG 溫度、應變、壓力、流量、液位、電流、位移等測量領(lǐng)域進行了大量的研究,取得了多項科研成果[4]。在工程應用方面主要集中在橋梁、建筑等土木領(lǐng)域,如奧運會主會場鳥巢工程、五棵松奧運會籃球館工程、中央電視臺新臺址工程結(jié)構(gòu)等健康監(jiān)測,而該技術(shù)在船舶領(lǐng)域中的應用還在開發(fā)中。

        2 光纖光柵應變傳感原理

        FBG 傳感是根據(jù)Bragg 波長的變化來感知外界溫度、應變等物理量的變化[5]。由光纖光耦合理論可知,當寬帶光入射到FBG 時,滿足Bragg條件的光將被反射,在反向形成一個反射峰(見圖1),其中心反射波長λB由光柵參數(shù)決定。

        圖1 FBG 原理圖

        式中:ne是光纖纖心對自由空間中心波長的折射率;Λ 是FBG 的柵距。

        當外界溫度、應變、壓力等物理參數(shù)變化時,會使FBG 的柵距Λ 和有效折射率ne產(chǎn)生變化,從而使λB產(chǎn)生漂移,其漂移量ΔλB可表示為式(2),通過探測ΔλB,便可以獲得相應的溫度、應變和壓力等信息。

        假設光柵僅受軸向應力作用,溫度場和均勻場保持恒定,軸向應變εz會引起光柵柵距的變化。

        有效折射率的變化可以由彈光系數(shù)矩陣Pij,應變張量矩陣εj表示

        沿z方向傳播的光波所感受到的折射率變化為

        應制定針對博物館公示語的譯寫規(guī)范。《公共服務領(lǐng)域英文譯寫規(guī)范》共有10個部分,涵蓋交通、旅游、文化、娛樂、體育、教育、醫(yī)療、衛(wèi)生、餐飲等13個服務領(lǐng)域共3700余條公示語的推薦譯文,但其中的博物館公示語非常有限。筆者呼吁盡快建立博物館公示語譯寫規(guī)范以助推中華歷史文化走出去,并促進更多領(lǐng)域的中國文化走向世界。

        若沿光纖軸向施加拉力F,則引起的Bragg波長的變化為

        式中:E 為光纖的彈性模量;S 為光纖的橫截面積。

        加速度、超聲波、應力等物理參數(shù)都可以轉(zhuǎn)化為應變來測量,所以在測量這些參數(shù)時以上公式仍適用。

        當傳感溫度改變時,溫度引起的FGB波長漂移為

        式中:α為光纖的熱膨脹系數(shù);ξ 為熱光系數(shù);ΔT為溫度變化。

        由于FBG 傳感器中心波長對應變和溫度都很敏感,因此必須解決其交叉敏感問題[6-7]。

        3 光纖光柵應力監(jiān)測系統(tǒng)方案

        3.1 系統(tǒng)組成與功能

        光纖光柵應力監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理顯示箱、FBG 傳感器裝置(包含應力傳感器和溫度傳感器)、傳輸光纜等部件組成(見圖2)。可對15 個測點應變進行實時測量,并實時儲存測量結(jié)果,在人機界面上顯示測量點的數(shù)據(jù)和圖形,并能對所采數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析。

        圖2 FBG 監(jiān)測系統(tǒng)圖

        由于外界的溫度和應力變化都能引起FBG波長漂移,所以本系統(tǒng)中,為了能正確地測量出對應點的應力變化,在每個點增加一個測量溫度的光纖光柵傳感器,其中σa51和σa52在同一位置,共用1個溫度傳感器。

        3.2 光源

        寬帶熒光源是FBG 傳感系統(tǒng)的核心部件之一。高功率、高平坦、高穩(wěn)定性的寬帶熒光源可以降低解調(diào)系統(tǒng)的難度,便于進行數(shù)據(jù)處理,提高傳感系統(tǒng)的復用能力,增加信號傳輸?shù)木嚯x。本系統(tǒng)采用C 波段摻鉺光纖ASE 光源,該波長范圍就是普通光纖通信波長范圍,便于利用現(xiàn)有的通信光纜進行信號傳輸和放大。

        此外,對各種結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖超熒光光源進行比較可知,單程后向結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單并且不容易形成激光而被廣泛采用,但是這種結(jié)構(gòu)光源的輸出帶寬相對較窄;雙程結(jié)構(gòu)的光源可以得到更高的輸出功率和更好的波長穩(wěn)定性,但是為了得到寬帶輸出需要設計復雜的濾波器;單程前向結(jié)構(gòu)的光源在帶寬較寬時輸出功率很小,因而一般不被采用。最近提出的一種雙級后向輸出的光源,同時具有很高的輸出功率和較寬的光譜帶寬——前向抽運雙級雙程結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖超熒光光源,其優(yōu)點在于在較小的抽運功率下,可以在保持高穩(wěn)定性的情況下同時獲得大功率、寬光譜的ASE輸出。

        本系統(tǒng)采用雙級雙程結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高功率C 波段寬帶ASE光源。寬帶光源的帶寬40nm,功率10mW,增益高平坦度、不平坦度為±1dB,性能穩(wěn)定。

        3.3 解調(diào)系統(tǒng)

        目前國內(nèi)的FBG 傳感器在應用上多限于大型土木工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測等方面,即對動態(tài)信號的監(jiān)測限于低速動態(tài)信號。為了提高其對更高頻率的動態(tài)信號的監(jiān)測能力,例如艦船上的大型渦輪機工作時所引起底座及相關(guān)設備達100 Hz以上的振動,需要采用高速解調(diào)系統(tǒng)(見圖3)。其中,高速解調(diào)部分包括可調(diào)諧F-P 濾波器、鋸齒波發(fā)生器、TEC 溫度控制、PIN 光電探測器和1×16光開關(guān)5個部分。

        圖3 FBG 解調(diào)系統(tǒng)圖

        3.4 傳感器封裝

        采用FBG 技術(shù)測量船體結(jié)構(gòu)應變和溫度,合理、恰當?shù)姆庋b是必要的,不但需要考慮對傳感器裝置的防護,還要避免傳感器裝置本身對測量點的結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生影響。為此對傳感器裝置的結(jié)構(gòu)做了精心設計,把傳統(tǒng)的傳感器裝置的結(jié)構(gòu)分成2個部分,可分別與結(jié)構(gòu)進行焊接,焊接部位與測量點有足夠的間距,防護罩不與船體結(jié)構(gòu)接觸,這樣既能準確測量應力變化,又能避免傳感器裝置的本體結(jié)構(gòu)對被測量點測量結(jié)果的影響。

        3.5 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

        圖4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)圖

        3.6 測量精度

        本系統(tǒng)所用寬帶光源波長范圍1525~1565 nm,波長分辨率1pm,精度±5pm(對應±4×10-6),測量范圍±5 000pm(對應±4000×10-6)。

        4 結(jié)語

        應用FBG 傳感器監(jiān)測船體結(jié)構(gòu)應力在國內(nèi)剛剛起步,本文介紹的FBG 應力監(jiān)測系統(tǒng)已在一艘最新開發(fā)的三體船上安裝使用,至今已經(jīng)穩(wěn)定運行超過1年。該系統(tǒng)目前使用的FBG 傳感器只能測量單向應變,下一步將考慮可測量多向應變的FBG 傳感器封裝,完善可直接為操船提供指導實時數(shù)據(jù)分析的功能,同時在船上開展FBG 傳感器監(jiān)測與電阻應變測量的對比分析工作。

        [1]MOREY W W,BALL G A.Fiber Bragg grating technology[G].Conference:Lasers and Electro-Optics Society,IEEE LEOS Annual Meeting-PHO,1996.

        [2]TODD M,SEAVER M.The use of a High-Performance Fiber Optic Measurement System in Structural Damage Assessement[R].SPIE Smart Structures/NDE 4694,San Diego,California,March 17-21,2002

        [3]KARIANNE P,GREGG J.Instrumentation of a High-Speed Surface Effect Ship for Structural Re-sponse Characterisation During Seatrials[R].bNaval Research Laboratory,Code 5673,Washington,DC 20357USA.2002.

        [4]余有龍,譚華耀,鍾永康.基于干涉解調(diào)技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)[J].光學學 報2011,21(8):987-989.

        [5]劉盛春,陳向飛.光纖光柵技術(shù)與應用專題講座[J].軍事通信技術(shù),2009,30(1):94-100.

        [6]張小偉,寧提綱.光纖光柵傳感器交叉敏感問題的研究[J].光纖與電纜及其應用技術(shù),2007(4):1-4.

        [7]黃 銳.一種同時測量溫度和應變的光纖光柵傳感器[J].中國激光,2005,32(2):232-235.

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