龔禹開

華中科技大學(xué) 430074

用FBG技術(shù)進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測

龔禹開

華中科技大學(xué) 430074

對FBG技術(shù)的結(jié)構(gòu)測試原理和應(yīng)用于實(shí)船監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，指出將FBG技術(shù)應(yīng)用于艦船安全監(jiān)測時，一定要研究出適于目標(biāo)艦船的“基于測試應(yīng)變評估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型、FBG傳感器測點(diǎn)位置設(shè)計(jì)和大量傳感器的組網(wǎng)技術(shù)”。

FBG技術(shù)；船體結(jié)構(gòu)；監(jiān)測

1.引言

目前，對船體結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量的主要手段是利用電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片有其固有的弱點(diǎn)：存在蠕變和零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，易受電磁干擾，測試電流電壓的變化會影響電阻應(yīng)變片的測量精度并使測試零點(diǎn)波動[1]。這些弱點(diǎn)，尤其是蠕變和零點(diǎn)漂移限制了電阻應(yīng)變片的有效測試時間長度，使得測試船體結(jié)構(gòu)應(yīng)變工作總是必須在測試零點(diǎn)標(biāo)定之后的一個相對較短的時間內(nèi)完成。對船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測是一個長期的過程，測試時間長度需達(dá)幾十年之久，因此需尋找無蠕變、無零點(diǎn)漂移的應(yīng)變傳感技術(shù)。

FBG傳感器具有無零點(diǎn)漂移、耐腐蝕、抗電磁干擾、靈敏度高、質(zhì)輕、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，能克服傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片的弱點(diǎn)，可以滿足對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期監(jiān)測的需要。本文對其測試原理、應(yīng)用范圍和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，以期提高該技術(shù)在我國造船領(lǐng)域的應(yīng)用水平。

2.FBG技術(shù)及其應(yīng)用概況

FBG傳感器即“光纖FBG光柵（Fiber Bragg Grating）傳感器”，是利用光纖材料的光敏性（外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化），在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾波或反射鏡。當(dāng)光通過光纖光柵傳感器時，通常的光會全部穿過光纖光柵而不受影響，只有特定波長的光（波長為λb）在光柵處發(fā)生反射后會再返回到原來的方向。

FBG技術(shù)是以光波為載體，以光纖作為外界物理參量的測量及信號傳輸媒介，以FBG光柵為傳感器的新型智能傳感技術(shù)。與傳統(tǒng)的基于電類傳感器的測試技術(shù)相比，F(xiàn)BG技術(shù)具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：可進(jìn)行大范圍分布式、實(shí)時、長期測試，傳感器能自校準(zhǔn)，耐高溫高壓、耐腐蝕、抗電磁輻射干擾，靈敏度高。它是一種先進(jìn)成熟的技術(shù)，在建筑、航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了很多應(yīng)用。

2002年，Systems Planning&Analysis，Inc與美國海軍海上作戰(zhàn)中心、英國防衛(wèi)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室合作，在一艘英國皇家海軍三體船上安裝了包含51個FBG傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[3]。Systems Planning&Analysis，Inc還利用97個FBG傳感器組網(wǎng)，對一條有人駕駛的水下航行器進(jìn)行靜水壓力的試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集裝置位于水面上，測試數(shù)據(jù)通過2000英尺的光纖傳輸[4]。

我國在土木建筑、橋梁等領(lǐng)域較多，在造船領(lǐng)域已有應(yīng)用。近年在新型船舶研發(fā)中，我們基于該技術(shù)研制出“船體變形監(jiān)測系統(tǒng)”，對某船的總縱彎曲變形撓度進(jìn)行了半年航行狀態(tài)的監(jiān)測，獲得了總縱彎曲變形撓度數(shù)據(jù)。并利用測試數(shù)據(jù)對該船建造中的船體在船臺上的蠕變和應(yīng)力松馳現(xiàn)象進(jìn)行了研究[5]。

3.結(jié)構(gòu)測試原理

可見能引起折射率或柵格間距發(fā)生微擾的物理量均能引起FBG反射波長的變化，并被光纖光柵傳感元所感知。

將光纖光柵粘貼于結(jié)構(gòu)表面，結(jié)構(gòu)變形將使應(yīng)力作用于光纖光柵上，此時，一方面，光柵周期由于光纖光柵的機(jī)械性的伸長而發(fā)生改變，另一方面，彈光效應(yīng)使光纖光柵有效折射率發(fā)生變化，兩者分別為

其中Pe為有效彈光系數(shù)。

其中a為光纖材料的膨脹系數(shù)，V為光纖的歸一化頻率。溫度變化引起的光纖光柵波長漂移主要取決于熱光效應(yīng)，它占熱漂移量的95%左右，記

則溫度對光纖光柵波長的漂移總影響為

4.應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)

FBG傳感器是一根易折斷的光纖，將其安裝在船體結(jié)構(gòu)上時，一定要對其進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)裝置不可避免地會對安裝點(diǎn)處的船體結(jié)構(gòu)有改變測試點(diǎn)處船體結(jié)構(gòu)變形性能的效應(yīng)，該效應(yīng)會使傳感值與實(shí)際結(jié)構(gòu)值有失真現(xiàn)象，必須研究安全監(jiān)測傳感裝置本體結(jié)構(gòu)對船體結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)，以便于準(zhǔn)確評估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，避免誤報警和漏報警，提高安全檢測裝置性能水平。

FBG傳感器所檢測到的原始信息是結(jié)構(gòu)的應(yīng)變信息。船體結(jié)構(gòu)中的安全性能指標(biāo)與應(yīng)變信息之間的聯(lián)系并不簡單，實(shí)際上是非常著復(fù)雜的，應(yīng)研究基于測試應(yīng)變評估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型、FBG傳感器測點(diǎn)位置設(shè)計(jì)和大量傳感器的組網(wǎng)技術(shù)。

基于測試應(yīng)變評估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型、FBG傳感器測點(diǎn)位置設(shè)計(jì)和大量傳感器的組網(wǎng)技術(shù)是保證FBG技術(shù)成功應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，突破這些關(guān)鍵技術(shù)的理論基礎(chǔ)是艦船結(jié)構(gòu)力學(xué)、艦船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動、艦船總體設(shè)計(jì)理論，需要艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域、艦船建造領(lǐng)域技術(shù)工作者的努力。

5.結(jié)束語

FBG技術(shù)是一種先進(jìn)成熟的技術(shù)，將其應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測必將極大地提高我國艦船的安全性能。FBG技術(shù)應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測后，可獲取實(shí)船全壽命周期的結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用來提高我國的艦船設(shè)計(jì)水平。將FBG技術(shù)應(yīng)用于艦船安全監(jiān)測時，一定要研究出適于目標(biāo)艦船的“基于測試應(yīng)變評估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型、FBG傳感器測點(diǎn)位置設(shè)計(jì)和大量傳感器的組網(wǎng)技術(shù)”。

[1]徐灝,邱宣懷,蔡春源等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.5-7～5-10.

[2]李宏男,任亮.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測光纖光柵傳感技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.5-5.

[3]Christopher Baldwin,Jason Kiddy,Toni Salter,Peter Chen,Jack Niemczuk. Fiber Optic Structural Health Monitoring System:Rough Sea Trials of the RV Triton[EB/OL].http://ieeexplore.ieee.org.

[4]J.S.Kiddy,C.S.Baldwin,T.J.Salter.Hydrostatic Testing of a Manned Underwater Vehicle using Fiber Optic Sensors[EB/OL]. http://ieeexplore.ieee. org.

[5]徐海秋,王曉俠,陳志堅(jiān)等.建造中的船體在船臺上的應(yīng)力松弛現(xiàn)象研究[J].中國艦船研究,2010,5(5):72-76.