王永皎，杜小杰

(河南城建學(xué)院，河南平頂山　467036)

0　引言

大型浮式起重機，簡稱浮吊，是一種應(yīng)用廣泛的工程類船舶，具有流動性作業(yè)、可靠性要求高、起重噸位大等特點，可以根據(jù)工程需要移動到任何需要的港口或者近海區(qū)域，通常用于超重貨物轉(zhuǎn)船、海橋工程建設(shè)等。但是這類起重機都是金屬結(jié)構(gòu)，而且長期的負荷作業(yè)以及復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境對其結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測提出了更高的要求，鑒于這種情況，研究出一種高精度、抗環(huán)境干擾能力強的監(jiān)測系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢。

1　光纖布拉格光柵傳感器

1．1光纖布拉格光柵傳感器的基本原理

光纖布拉格光柵是一種應(yīng)用極為廣泛的光柵，其傳感原理為：當(dāng)有一段入射寬帶光在光纖布拉格光柵中傳輸時，大部分頻段的光會透射過去，只有滿足此布拉格光柵中心波長頻段的光波才會反射回來。反射光中心波長為[1-2]：

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB為光纖布拉格光柵的中心波長；neff為該纖芯的有效折射率；Λ為布拉格光柵的周期。

由圖1可以看出：外界任何物理或化學(xué)變化引起纖芯折射率或者布拉格光柵周期的變化，都會導(dǎo)致光纖布拉格光柵中心波長的變化，基于這種現(xiàn)象，光纖布拉格光柵傳感可以通過觀察其中心波長的漂移量來間接獲取實驗監(jiān)測的物理量，并且周期Λ可以通過調(diào)整兩束紫外光的相對角度改變，這樣就能制作出工作在不同波段的布拉格光柵，也為多點串聯(lián)式測量提供了技術(shù)支持。

圖1　光纖光柵傳感原理圖

1．2光纖布拉格光柵的傳感特性

文中研究的是稱重傳感器，即待測物理量為應(yīng)力，根據(jù)光纖布拉格光柵傳感原理，應(yīng)力作用會引起光柵有效折射率的變化，而機械形變會使光柵周期常數(shù)發(fā)生改變；另一方面，外界溫度的變化也會引起布拉格光柵有效折射率的變化，熱膨脹系數(shù)同樣會引起光柵周期常數(shù)的變化。下面討論在應(yīng)力作用與溫度作用相對獨立狀態(tài)下的光纖布拉格光柵的傳感特性。

1．2．1光纖布拉格光柵的軸向應(yīng)力特性

當(dāng)外界有一作用力軸向地作用于布拉格光柵上時，致使光纖光柵被機械性地拉伸或者壓縮而引起的光柵周期常數(shù)Λ，表示為[3-4]：

(2)

式中εx為待測量點處的軸向應(yīng)變。

同時由于彈光效應(yīng)使得光柵有效折射率發(fā)生的變化為

(3)

兩端同時除neff，即可得：

(4)

式中：Pij(i，j=1，2)為光彈性張量的Pockel系數(shù)；v為光柵泊松比。

由此定義Pe為有效彈光系數(shù)：

(5)

所以式(5)可以表述為

(6)

上述兩種作用的總關(guān)系為

(7)

對于石英光纖，Pe取0.22，所以有：

(8)

由式(8)，在已知ΔλB的情況下，就可以求出軸向應(yīng)變εx，在實際工程運用中εx的常用單位常引用為εx，即10-6εx．

1．2．2光纖布拉格光柵的溫度特性

當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時，記為ΔT.

一方面由于熱膨脹效應(yīng)改變了布拉格光柵的周期常數(shù)，表示為[3]

(9)

式中α為該材料的熱膨脹系數(shù)，對于摻鍺石英光纖，α一般取5.5×10-7/℃.

另一方面，熱光效應(yīng)會使布拉格光柵的有效折射率發(fā)生改變，表示成：

(10)

式中V為光纖的歸一化頻率。

溫度變化引起波長的漂移主要決定于熱光效應(yīng)，占總漂移量的95％左右，表示成：

(11)

式中ξ為熱光系數(shù)。

由上述兩方面可以看出，溫度對布拉格光柵的總影響關(guān)系可以表示為

(12)

1．2．3光纖光柵的交叉敏感特性

在實際的工程運用中，常有溫度和應(yīng)變同時存在的情況，這一現(xiàn)象交叉敏感特性。

光纖布拉格的光柵的有效折射率neff和周期Λ的改變都將影響其中心反射波長λB，由上兩節(jié)內(nèi)容可知，應(yīng)變對λB的影響主要是由于彈光效應(yīng)和其周期Λ引起的，而溫度對λB的影響是由于熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)所引起的。假定溫度和應(yīng)變對中心波長的影響過程是相對獨立的，則當(dāng)它們兩者同時發(fā)生變化時，其中心波長的變化可以表達為[4]

(13)

式中ε為其軸向應(yīng)變。

2　稱重傳感器模型的建立

2．1稱重傳感系統(tǒng)的設(shè)計原則

稱重傳感器是通過光柵系數(shù)的敏感變化來表征壓力的，為了使傳感器有良好的精確性、穩(wěn)定性和抗環(huán)境干擾能力，應(yīng)在設(shè)計中盡可能符合以下設(shè)計原則[5]：

(1)傳感器需要對壓力有較好的敏感性，而對溫度相對不敏感；

(2)設(shè)計結(jié)構(gòu)盡可能簡單，減少不必要的力傳遞過程，最大限度減小由于力傳遞效率而導(dǎo)致的誤差；

(3)封裝以及基底材料采用金屬材質(zhì)，避免使用直接膠封或者其他形式的封裝，從而提高傳感器的長期穩(wěn)定性；

(4)選擇傳感器各個部件的材料時，應(yīng)考慮到材料壽命和抗腐蝕能力，這樣可以提高傳感器在復(fù)雜惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性能；

(5)傳感器最好實現(xiàn)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，易波分復(fù)用，提高傳感器的實用性。

(6)制作工藝要求不要過高，否則不易進行批量生產(chǎn)。

2．2稱重傳感器模型的建立

針對以上原則以及目前稱重傳感器的缺點、光纖布拉格光柵傳感器的優(yōu)點，結(jié)合光纖布拉格光柵傳感器的特性，設(shè)計一種等強度懸臂梁式和受壓薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)的稱重傳感器。設(shè)計其模型重點研究2個方面的問題：對等強度懸臂梁理論進行分析和受壓金屬彈性體的設(shè)計。

2．2．1等強度懸臂梁理論分析

等強度懸臂梁，是一種隨著彎矩大小對應(yīng)改變截面尺寸，以此保持相同強度的懸臂梁，從而保證了梁的各個截面的彎曲應(yīng)力相同。

標準等強度懸臂梁圖2所示，梁的固定端記為O點，自由端記為A點，梁偏移橫軸寬度為h，并以橫軸對稱，其寬度b(x)可以表示成：

b(x)=b0(L-x/L)

(14)

圖2　等強度懸臂梁

圖2中L為懸臂梁的長度，b0是懸臂梁在O點的橫截面寬度，x為梁縱軸上任意一個點的坐標。

由于等強度梁表面的彎曲應(yīng)力相同，所以在任意點的應(yīng)變也應(yīng)該相等，其在O表面處的應(yīng)力可以表示為

(15)

由式(15)可以看出，等強度梁的應(yīng)變同時受到幾何尺寸和材質(zhì)材料影響[6]。

2．2．2受壓金屬彈性的設(shè)計

文中選用40Cr鋼材作為材料，采用ANSYS有限元分析的方法，通過對受壓薄膜的硬件尺寸進行擬定，并對彈性體的剪切應(yīng)力、徑向應(yīng)力、彈性體中心位移進行3個方面對比，找出在不影響靈敏度的條件下，使得傳感器彈性體的性能達到最大的優(yōu)化的尺寸為：薄膜厚度為10 mm，硬心直徑為75 mm．

3　稱重傳感器的實驗分析

3．1預(yù)壓和沖擊實驗及結(jié)果分析

實驗在武漢理工大學(xué)光纖中心實驗室中進行，利用最大載荷大于40 MPa的力學(xué)反力架為實驗基本框架、量程為0～35 MPa的壓力計、1臺光纖光柵解調(diào)儀(4路)和1臺終端上位機對已制備好的光纖光柵稱重傳感器進行預(yù)壓實驗，首先驗證傳感器在反復(fù)加載、卸載的情況下的反復(fù)性。預(yù)壓實驗現(xiàn)場裝配圖如圖3所示。

W300是 尼 康Coolpix AW130的替代型號，不過兩者的配置參數(shù)差異并不大。在這次測試中，W300擁有最強的30米防水以及零下10攝氏度防凍能力，防摔高度也是評測中最強的，達到了驚人的2.4米。其他新功能還包括4K視頻拍攝能力，尼康SnapBridge通信系統(tǒng)，高度/深度計以及GPS功能。

(a)

(b)

實驗平臺搭建好后，利用壓力計對傳感器進行0～25 MPa的加載和卸載數(shù)次，經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀將信號傳送給PC機，上位機將解調(diào)所得的光纖光柵反射中心波長在各個載荷點上進行記錄和保存。實驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4　加載和卸載過程波長λ1的變化對比圖

圖5　加載和卸載過程波長λ2的變化對比圖

由圖4、圖5可以看出，稱重傳感器在0～25 MPa的載荷進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保持著幾乎重合的狀態(tài)，反復(fù)對稱重傳感器進行加載和卸載之后，再用相同的方法進行數(shù)據(jù)處理，得到的數(shù)據(jù)、圖表幾乎一致，最多的誤差在2 pm左右，在允許范圍內(nèi)。

由于大型浮吊的作業(yè)性質(zhì)會使其臂架承受較大的沖擊壓力，對稱重傳感器在沖擊載荷下的性能有較高要求。沖擊試驗是利用預(yù)壓實驗的實驗工具，從0 MPa直接加載到30 MPa，而不在固定壓力點停留。實驗結(jié)果表明：與預(yù)壓實驗相比，其初始波長完全一致，當(dāng)壓力在30 MPa時，多次沖擊實驗的平均漂移量為3 pm左右，在誤差允許范圍內(nèi)。

3．2現(xiàn)場測試及結(jié)果分析

現(xiàn)場測試將從吊鉤空載、吊起貨物、上升過程、下降過程幾個方面進行分析。圖6為現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)視過程。

(a)空載

(b)上升

(c)下降

如圖6所示，界面中實時顯示著4個吊鉤的載荷重量以及浮吊所承受的總重量，且會顯示所受重量占極限重量的百分比，其中圖6(a)是浮吊沒有任何負載的情況，上面的0顯示的是當(dāng)前每個吊鉤負載的重量，下面顯示的是每個吊鉤的凈重。圖(b)表示浮吊負載重物上升過程中每個吊鉤的載荷，圖6(c)顯示浮吊負載重物下降過程中每個吊鉤的載荷。實驗結(jié)果通過吊鉤所受重量占極限重量的百分比來向現(xiàn)場工作維修人員進行預(yù)警，當(dāng)數(shù)值小于90％時，表示吊鉤工作狀態(tài)正常；當(dāng)數(shù)值大于等于90％且小于100％時，發(fā)出初級預(yù)警，表明吊鉤有輕微的工作異常，接近極限負荷，提醒現(xiàn)場工作維修人員注意；當(dāng)數(shù)值大于等于100％時，發(fā)出高級預(yù)警，這表明吊鉤的工作已經(jīng)有了嚴重異常，或已經(jīng)超過了極限負荷，現(xiàn)場工作人員必須立即停止作業(yè)并且采取相關(guān)措施，防止安全事故發(fā)生。

現(xiàn)場測試在浮吊正常的作業(yè)中，4個吊鉤的保持在安全的負荷范圍內(nèi)，其中1只吊鉤在貨物上升時顯示數(shù)值達到90％，發(fā)出初級預(yù)警提醒現(xiàn)場工作人員注意檢修，在貨物下降并卸載后，軟件監(jiān)視可以良好地回零，達到了預(yù)期的監(jiān)測效果。

4　結(jié)束語

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