吳 晶，吳晗平，黃俊斌，顧宏燦

(1.海軍工程大學 兵器工程系，湖北 武漢430033;2.武漢工程大學 光電子系統(tǒng)技術(shù)研究所，湖北 武漢430205;3.海軍蚌埠士官學校，安徽 蚌埠233012)

0 引 言

艦船是一種大型的綜合系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長期服役在惡劣的海洋環(huán)境中，并受到各種載荷的交互作用，如風載荷、海流、波浪載荷、冰載荷、深水壓力載荷、爆炸沖擊等，有時還要遭到臺風、碰撞、擱淺等意外載荷，結(jié)構(gòu)本身還要遭受環(huán)境腐蝕等影響。在這些惡劣的環(huán)境載荷長期作用下，再加上設(shè)計或使用不當，結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生各種形式的損傷，使結(jié)構(gòu)的承載能力下降，發(fā)生災(zāi)害性事故，造成巨大的軍事、經(jīng)濟損失。因此，對艦船結(jié)構(gòu)的實時在線健康監(jiān)測成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的一個熱點。

艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過在艦船結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位布設(shè)傳感器來監(jiān)測結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及載荷響應(yīng)，以評估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中常用的傳感器有:電阻應(yīng)變片、壓電陶瓷PZT和光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器作為一種新型傳感器，相對傳統(tǒng)的傳感器具有質(zhì)量輕、體積小;高靈敏度、高分辨率;耐腐蝕，耐高溫低溫性能好;抗電磁干擾;能組建大規(guī)模準分布式傳感網(wǎng)絡(luò)等特點，是當前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域研究最為廣泛的傳感器。

本文主要對光纖光柵傳感器在艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用進行綜述，探討基于光纖光柵傳感器的艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和主要研究內(nèi)容。

1 光纖光柵傳感器基本原理

光纖光柵傳感的原理是將被測結(jié)構(gòu)的物理量轉(zhuǎn)化為光柵反射Bragg 波長的變化量，通過檢測反射Bragg 波長的變化量即可實現(xiàn)被測物理量的測量，原理如圖1所示。

圖1 光纖布拉格光柵傳感原理Fig.1 Sensing principle of FBG

由耦合模理論可知，光纖光柵的反射波長λB主要取決于光柵周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff，即λB= 2neff·Λ。任何使這2個參量發(fā)生改變的外界作用都將引起光柵布拉格波長的漂移，即有:

在所有引起光柵布拉格光柵波長漂移的外界因素中，最直接的為應(yīng)變參量，無論是對光柵進行拉伸還是壓縮，都將導致光柵周期Λ的變化。并且由于光纖本身具有彈光效應(yīng)也使有效折射率neff隨外界因素的變化而變化。因此，在不考慮溫度作用的條件下，應(yīng)力應(yīng)變引起光柵Bragg 波長的漂移量可由式(2)描述:

式中:Pe為光纖的彈光系數(shù);Kε為測量應(yīng)變的靈敏度。

同樣，在不考慮應(yīng)力作用的條件下，只有溫度T 作用于FBG 時，此時波長的漂移量受光柵的熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)的影響，其表達式為:

式中:α為FBG的熱膨脹系數(shù);ξ為FBG的熱光系數(shù)。

由式(2)和式(3)可知，通過檢測光柵中心反射波長的變化量就可以獲得應(yīng)變和溫度的變化量。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鑒于光纖光柵獨特傳感原理和其他傳統(tǒng)傳感器不具有的諸多優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域［1］。在艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，研究人員也做了大量的研究工作。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

針對該領(lǐng)域的研究，國外研究較早，取得了一些實質(zhì)性的進展，具有代表性的工作如下:

1996年，美國和挪威皇家海軍聯(lián)合開發(fā)了一套復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的嵌入式傳感系統(tǒng)(CHESS)［2］，該傳感器系統(tǒng)由12個光纖光柵傳感器組成，采用波分復(fù)用和干涉解調(diào)技術(shù)。其主要目的是用來監(jiān)測復(fù)合材料船體由于海浪沖擊引起的瞬間應(yīng)變。并于1996年9月在由增強型玻璃纖維材料制成的雙殼體反水雷艦船上做實驗。實驗結(jié)果表明，在海況SS0～SS5的范圍內(nèi)，其應(yīng)變范圍為1～1 000 με，典型的海浪沖擊時間大于0.01 s 條件下，采用大于200 Hz的采樣頻率可以有效地監(jiān)測這種沖擊載荷。

1997年，Systems Planning and Analysis (SPA)公司與美國海軍研究辦公室(ONR)以及海軍水上作戰(zhàn)中心 Carderock 分部 (NSWCCD Naval Surface Warfare Center，Carderock Division)合作開發(fā)在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，用以連續(xù)評估艦船殼體的應(yīng)變狀態(tài)［3］，確定結(jié)構(gòu)的損傷積累和估計海軍艦船的生命周期。該系統(tǒng)使用空波分復(fù)用技術(shù)，能夠查詢4個獨立通道的120個分布式傳感器，采樣率可達到2 kHz。該系統(tǒng)的樣機在登陸平臺船塢LPD17的艦船推進器上完成了布設(shè)，使用了FBG 傳感器陣列和消除溫度飄移影響的Flat－Pack 傳感器，通過21個應(yīng)變傳感器，3個溫度傳感器，對推進器進行應(yīng)變和溫度監(jiān)測。光纖光柵應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)直接和NSWCCD的工程師提供的應(yīng)變片測試數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果非常接近［4－5］。

1999年，美國海軍研究實驗室用光纖光柵傳感系統(tǒng)對挪威海軍KNM Skjold 快速巡邏艇進行了智能監(jiān)測，系統(tǒng)使用安裝在內(nèi)殼和噴水推進器上的56個光纖光柵傳感器，實時對局部應(yīng)變和整船負載進行監(jiān)測［4］。

2001年，Light Structures 公司開發(fā)了一套基于光纖Bragg 光柵傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)［6］，并已經(jīng)安裝于1艘挪威海軍MCMV 艦船上，該系統(tǒng)包括44個Bragg 光柵，其中17個用于測量全局負載，19個用于測量關(guān)鍵部位的負載，8個進行溫度測量。該傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與實時信號處理、存儲系統(tǒng)與艦艇控制系統(tǒng)及其他設(shè)備聯(lián)為一個整體，為操作人員提供數(shù)據(jù)信息，如艦船運動(起伏、傾斜及偏航)、速度、位置、空氣壓力和燃料液位等信息。

2002年，在美國海軍研究室支持下，Systems Planning and Analysis (SPA)公司開發(fā)了一套基于FBG 傳感器技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，主要用于大型艦船結(jié)構(gòu)監(jiān)測。該系統(tǒng)的核心部分是一個能夠監(jiān)測上百個FBG 信號的測試單元，并且采樣頻率可達2 kHz。并在British Trimaran Research Vessel Triton(三體船)上安裝了一套光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)陣列，進行了為期2 周的海上測試［7］。2004年，SPA的工程師們在潛艇上安裝一個光纖光柵應(yīng)變傳感器系統(tǒng)并進行測試，對潛艇的設(shè)計進行驗證測試，并考察有限元方法分析預(yù)測此設(shè)計性能的有效性。FBG 傳感器布設(shè)于6 根光纖內(nèi)，其中2 根光纖(33個傳感器)安裝于殼體內(nèi)部，4 根光纖(64個傳感器)安裝于外部。將潛艇降至設(shè)計的深度紀錄應(yīng)變信息，光纖傳感器的信號通過2 000 英尺長的光纜直接傳輸至水面并通過Micron Optic Inc的si425 掃描激光解調(diào)以檢測，測量所得的經(jīng)過溫度補償?shù)膽?yīng)變值與有限元模型的預(yù)測值進行比較，數(shù)據(jù)比較吻合。該項測試是FBG 傳感器第一次成功的應(yīng)用于潛艇設(shè)計的驗證測試［8－9］。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相對國外來說，國內(nèi)研究人員只進行了理論上的研究，到目前為止還沒有相應(yīng)的實體系統(tǒng)報道。2004年，陳熙源［10］提出采用捷聯(lián)慣導系統(tǒng)與分布式光纖布拉格光柵網(wǎng)絡(luò)對船舶結(jié)構(gòu)進行變形測量和健康監(jiān)測的設(shè)計方案，建立了由捷聯(lián)慣性系統(tǒng)和光纖布拉格傳感器組成的光電多傳感器初步測量模型，并對其可行性進行了分析。2006年，陳熙源等［11］在綜述了Bragg 光柵傳感器在國外艦船結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的基礎(chǔ)上，根據(jù)光纖Bragg 光柵的傳感特性，分析了Bragg 光柵在智能船舶結(jié)構(gòu)中應(yīng)用研究的7個主要內(nèi)容和研究途徑，為后續(xù)研究提供了一定的參考和借鑒作用。

2010年，天津大學王為［12］在其博士論文中重點研究了光纖光柵傳感器用于船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的各種關(guān)鍵技術(shù):

1)理論分析了橫向應(yīng)力作用下光纖光柵傳感器的波譜特性，及表面式光纖光柵的應(yīng)變傳遞規(guī)律，提出了適用于船體結(jié)構(gòu)和航行環(huán)境的光纖光柵傳感器封裝結(jié)構(gòu);

2)運用有限元分析法研究了船舶和潛水器強度彎矩監(jiān)測的光纖光柵傳感器配置原則，提出了船體波浪抨擊載荷監(jiān)測的光纖光柵傳感器優(yōu)化配置準則，并運用改進型自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法，結(jié)合混沌搜索算法實現(xiàn)了光柵傳感器的快速、高精度優(yōu)化配置。

3)建立了基于隨機載荷統(tǒng)計分析的船體結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估流程，重點研究了船舶關(guān)鍵位置的疲勞壽命模型、應(yīng)力循環(huán)技術(shù)、疲勞損傷累計準則等關(guān)鍵技術(shù);

4)針對船體常見的T型節(jié)點結(jié)構(gòu)損傷特點，提出了基于光纖光柵應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)損傷識別方法，運用支持向量機技術(shù)識別了結(jié)構(gòu)損傷程度。為后續(xù)的研究工作提供了技術(shù)上的支持。2012年，李碩對基于光纖光柵應(yīng)變傳感器的潛艇結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究［13］。對系統(tǒng)的設(shè)計、具體的設(shè)計方案及工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問題進行論述，并給出了一些實驗數(shù)據(jù)，為今后的研究提供了參考。

3 艦船結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

在參考前人工作的基礎(chǔ)上，本課題組也進行了相關(guān)的研究，提出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路和研究的主要內(nèi)容。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2011年，針對艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，顧鈞元［14］借鑒美國波音公司制定的OSA－CBM 體系設(shè)計思想，提出了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的通用框架體系。借鑒前人的思想，結(jié)合實際課題的工程化應(yīng)用，提出如圖2所示的系統(tǒng)組成。

圖2 艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)基本構(gòu)成圖Fig.2 Figure of ship structure healthy monitoring system

該系統(tǒng)主要包括光纖光柵應(yīng)變、溫度、壓力傳感網(wǎng)絡(luò)，信號采集與解調(diào)，數(shù)據(jù)存儲、傳輸、處理，損傷識別、定位、等級評估和故障預(yù)測，人機交互與顯示5個部分。傳感網(wǎng)絡(luò)部分的功能是通過分復(fù)用技術(shù)將光柵應(yīng)變、溫度、壓力傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，從而獲取各測點的狀態(tài)參數(shù);信號采集解調(diào)部分的功能是接收傳感網(wǎng)絡(luò)的信號，并對其進行解調(diào)得到相應(yīng)的光波波長信號，以供數(shù)據(jù)處理;數(shù)據(jù)存儲、傳輸、處理部分的功能是對波長信號進行解調(diào)，根據(jù)預(yù)先標定的靈敏度系數(shù)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的應(yīng)變、溫度和壓力參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)通信傳輸給上位機并存儲;損傷識別部分的功能是根據(jù)獲得的狀態(tài)參數(shù)評估損傷的類型、等級、位置，預(yù)測出可能產(chǎn)生的故障，提供報警信號;人機交互與顯示部分的功能是以直觀、人性化的界面顯示各種狀態(tài)參數(shù)的變化過程，供操作人員查看和操作。

3.2 研究的主要內(nèi)容

根據(jù)艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計思想和實際工程化需求，艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究的主要內(nèi)容應(yīng)包括:

1)確定各光柵傳感器的布設(shè)位置

根據(jù)艦船的具體結(jié)構(gòu)，通過有限元分析的方法對艦船在不同狀態(tài)下的受力情況進行分析，標定出艦船結(jié)構(gòu)中受力最大和結(jié)構(gòu)最弱的關(guān)鍵部位，并結(jié)合艦船實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題進行綜合評判，從而確定出傳感器的布設(shè)方案。

2)確定各光柵的中心波長

根據(jù)受力分析的結(jié)果，確定出各測點對應(yīng)的光柵傳感器的中心波長及其動態(tài)范圍的大小，動態(tài)范圍的大小取決于各測點的應(yīng)變范圍，避免在使用波分復(fù)用技術(shù)組網(wǎng)時光柵傳感器的波長發(fā)生重疊，從而影響解調(diào)結(jié)果。

3)確定傳感器的封裝和安裝

傳感器的封裝應(yīng)根據(jù)待測點的應(yīng)變范圍，選擇合適的封裝結(jié)構(gòu)和工藝。如普通的光柵傳感器的應(yīng)變范圍小于3 000 με，而在實際檢測過程中有些關(guān)鍵部位的應(yīng)變范圍會超過這個范圍，因此，必需采用合適的封裝技術(shù)使其能夠滿足要求。另外，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)要選擇不同的安裝方式。常用的安裝方式有:埋入式、表面式和粘貼式。其中，粘貼方式又分為膠粘和點焊2 種工藝。

4)確定傳感網(wǎng)絡(luò)的解調(diào)系統(tǒng)

根據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大小、動態(tài)應(yīng)變的范圍、使用的分復(fù)用技術(shù)，結(jié)合系統(tǒng)的指標要求和精度要求選擇合適的解調(diào)系統(tǒng)和解調(diào)軟件。

5)確定各種參量的交叉敏感問題解決方案

由光柵傳感器的傳感特性可知，易受到多種因素的綜合作用，典型的是溫度和應(yīng)變的交叉敏感問題。根據(jù)實際工程應(yīng)用的方法，通常采用的參考光柵的溫度補償方法。

6)確定各光柵傳感器的靈敏度系數(shù)問題

依據(jù)各傳感器的結(jié)構(gòu)方式和安裝方式，通過試驗預(yù)先測出各傳感器的應(yīng)變、溫度和壓力靈敏度系數(shù)，并與對應(yīng)的波長進行標定，以方便在監(jiān)控系統(tǒng)中直觀地顯示出各參量的變化情況。

7)確定光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)方案

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通常采用的分布式測量，連接各傳感器的光纜布設(shè)應(yīng)充分考慮艦船結(jié)構(gòu)的特點、安全性、水密性、抗惡劣環(huán)境性要求，確定合理的布設(shè)方案。

8)結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的分析和評估

依據(jù)結(jié)構(gòu)上各測點實測的各參量的值，結(jié)合艦船結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度和穩(wěn)定性強度標準和艦船結(jié)構(gòu)極限強度、剩余強度理論，進行艦船結(jié)構(gòu)故障模式分析和預(yù)測，并對極限狀態(tài)進行預(yù)報。

4 結(jié)論與展望

基于光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)故障監(jiān)測系統(tǒng)能夠全天候、不間斷地實時在線監(jiān)測艦船結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)、艦船使用過程中的結(jié)構(gòu)強度和完整性，對其結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部的情況進行損傷估計，從而實現(xiàn)艦船結(jié)構(gòu)監(jiān)測的智能化。當出現(xiàn)過大變形、疲勞性損傷、斷裂或火災(zāi)等危險情況時，及時發(fā)出警告信號，提醒有關(guān)人員采取應(yīng)急措施，保證艦船結(jié)構(gòu)安全可靠地使用。同時，也可用來確定艦船的維修計劃、改進設(shè)計、進行結(jié)構(gòu)完整性早期安全告警，對提高艦船使用的安全可靠性具有十分重要的意義。隨著該項技術(shù)的不斷成熟和研發(fā)成本的不斷降低，基于光柵傳感器的結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)將在艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

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