崔俊國(guó)， 張慶雪， 劉 琦， 梅連朋， 侯國(guó)建， 肖文生

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院海洋物探及勘探開發(fā)裝備國(guó)家工程研究中心，山東 青島 266580；2.南洋理工大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，新加坡 639798）

0 引言

船舶工作在惡劣的海洋環(huán)境中，頻繁遭受波浪砰擊或極地冰載荷等各種低速?zèng)_擊載荷，在其內(nèi)部容易產(chǎn)生分層或裂紋等形式的沖擊損傷，降低船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)船舶復(fù)合板結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已成為國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)關(guān)注的研究方向之一。

光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）傳感器具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕能力強(qiáng)以及易于構(gòu)建分布式傳感網(wǎng)絡(luò)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［1-3］，為船體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了新方法。有學(xué)者利用FBG傳感器開展復(fù)合板低速?zèng)_擊監(jiān)測(cè)技術(shù)研究多以實(shí)驗(yàn)室的理想環(huán)境作為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)［4-6］，對(duì)復(fù)合材料的損傷進(jìn)行定位及檢測(cè)［7-9］，同時(shí)也有大量學(xué)者針對(duì)低速?zèng)_擊定位中采集信號(hào)的精確性問題進(jìn)行了理論研究［10-12］，對(duì)沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波進(jìn)行修正或重構(gòu)［13-15］，但均未考慮實(shí)際環(huán)境因素對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的影響，限制了其在船舶或其他領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

為解決上述問題，本文充分考慮海洋環(huán)境干擾的環(huán)境因素，在此基礎(chǔ)上利用FBG傳感技術(shù)采集低速?zèng)_擊信號(hào)，設(shè)計(jì)低速?zèng)_擊裝置，研究沖擊定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建并測(cè)試其干擾、沖擊信號(hào)的收集功能，以期為后續(xù)驗(yàn)證沖擊定位方法的可行性和精確性提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)為船舶或海洋平臺(tái)的低速?zèng)_擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及工程化提供平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

模擬海洋環(huán)境干擾下復(fù)合板低速?zèng)_擊定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括復(fù)合板試件、FBG 傳感系統(tǒng)、低速?zèng)_擊裝置及模擬海洋環(huán)境干擾系統(tǒng)，如圖1 所示。其中：模擬海洋環(huán)境干擾系統(tǒng)包括激振器、功率放大器、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)；FBG 傳感系統(tǒng)包括FBG 傳感器、FBG解調(diào)儀以及計(jì)算機(jī)。由圖1 可見，計(jì)算機(jī)1 用于輸出干擾信號(hào)至數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)輸出信號(hào)到功率放大器，信號(hào)經(jīng)放大后由激振器輸出，激振器與復(fù)合板試件背面連接，用于模擬海洋環(huán)境干擾。低速?zèng)_擊裝置用于在復(fù)合板不同位置提供不同能量的沖擊，4 個(gè)FBG 傳感器（FBG1、FBG2、FBG3、FBG4）用于感應(yīng)復(fù)合板受到?jīng)_擊后光波長(zhǎng)λ的變化。FBG解調(diào)儀對(duì)FBG傳感器的中心波長(zhǎng)進(jìn)行解調(diào)，并將解調(diào)出的波長(zhǎng)信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)2，通過計(jì)算機(jī)里的上位機(jī)程序?qū)⒏鞣N波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為待測(cè)物理量的特征信號(hào)，即可對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 模擬海洋環(huán)境干擾下復(fù)合板低速?zèng)_擊定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

1.2 FBG傳感原理

FBG傳感器利用光纖的光敏性原理，由入射紫外光引起光纖纖芯折射率沿纖芯軸線方向發(fā)生周期性變化，如圖2 所示。FBG可被看作是一種具有選擇性的窄帶反射鏡，用于選擇和反射特定波長(zhǎng)的入射光。當(dāng)FBG 所在外界環(huán)境的溫度發(fā)生變化或受到拉力作用（即應(yīng)變發(fā)生變化）時(shí)，光纖纖芯的有效折射率和光柵周期發(fā)生變化，F(xiàn)BG 反射光中心波長(zhǎng)隨之發(fā)生漂移。通過解調(diào)反射光中心波長(zhǎng)的漂移量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變的測(cè)量。

圖2 FBG傳感器工作原理

復(fù)合板結(jié)構(gòu)遭受低速?zèng)_擊的瞬間，沖擊點(diǎn)處的接觸力所產(chǎn)生的應(yīng)力波將引起板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微變形，并從沖擊點(diǎn)快速傳播到?jīng)_擊點(diǎn)周圍區(qū)域。當(dāng)應(yīng)力波傳播到板結(jié)構(gòu)上FBG傳感器所粘貼位置時(shí)，F(xiàn)BG傳感器因此處板結(jié)構(gòu)內(nèi)部微變形的影響而受到拉力作用，導(dǎo)致FBG傳感器中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移，從而捕捉低速?zèng)_擊的響應(yīng)信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)搭建

2.1 復(fù)合板試件

實(shí)驗(yàn)試件采用T700/3234 碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料制成的復(fù)合材料層合板，即碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）層合板，鋪層順序?yàn)椋?/90］8s，尺寸為500 mm ×500 mm ×2 mm。采用四邊固支方式對(duì)CFRP 層合板進(jìn)行約束。選取CFRP層合板正面中心位置尺寸為320 mm ×320 mm的正方形區(qū)域作為監(jiān)測(cè)區(qū)域。在CFRP層合板上建立以其左下角頂點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)的二維直角坐標(biāo)系，監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分方式如圖3 所示。

圖3 復(fù)合板試件監(jiān)測(cè)劃分方式

2.2 FBG傳感系統(tǒng)

FBG傳感系統(tǒng)由4 支FBG傳感器、1 臺(tái)FBG解調(diào)儀和1 臺(tái)計(jì)算機(jī)組成。4 支FBG傳感器以45°對(duì)稱方式粘貼于CFRP 層合板背面四端，柵區(qū)長(zhǎng)度均為10 mm，中心波長(zhǎng)及粘貼位置見表1 所列。FBG解調(diào)儀型號(hào)為si155（Micron Optics公司），掃描頻率為5 kHz，具有4 個(gè)光通道，每個(gè)光通道連接1 支FBG 傳感器，能夠以5 kHz采樣頻率同時(shí)采集4 支FBG傳感器中心波長(zhǎng)的漂移量。計(jì)算機(jī)為Intel（R）Core（TM）i7-8700 CPU@3.20 GHz處理器和16.00 GB內(nèi)存，Windows 1064 位操作系統(tǒng)。

表1 4 支FBG傳感器中心波長(zhǎng)及粘貼坐標(biāo)位置

2.3 低速?zèng)_擊裝置

為降低二次或多次沖擊干擾，保證沖擊過程中僅為一次沖擊，自主研制一套低速?zèng)_擊裝置模擬低速?zèng)_擊，采用直徑為φ15 mm，質(zhì)量為13 g的鋼球作為沖擊頭，將其與直徑為φ3 mm、有效長(zhǎng)度為200 mm、質(zhì)量為17 g的細(xì)長(zhǎng)鋼桿螺紋連接。采用3 個(gè)滑塊控制低速?zèng)_擊位置，滑塊通孔與細(xì)長(zhǎng)鋼桿配合，使沖擊頭垂直運(yùn)動(dòng)。在滑塊通孔兩端對(duì)稱安裝一對(duì)直線軸承以消除細(xì)長(zhǎng)鋼桿與通孔內(nèi)壁之間的摩擦，使沖擊頭的垂直運(yùn)動(dòng)可近似認(rèn)為是自由落體運(yùn)動(dòng)。

通過在細(xì)長(zhǎng)鋼桿有效長(zhǎng)度內(nèi)調(diào)節(jié)沖擊頭高度可產(chǎn)生具有不同沖擊能量或沖擊速度的沖擊。該低速?zèng)_擊裝置的最大沖擊高度為200 mm，即該低速?zèng)_擊裝置所產(chǎn)生沖擊能量范圍為0 ～58.8 mJ，沖擊速度范圍為0 ～1.9799 m/s。

2.4 模擬海洋環(huán)境干擾系統(tǒng)

模擬海洋環(huán)境干擾系統(tǒng)由激振器、功率放大器、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成。激振器型號(hào)為DH40500，該激振器工作頻率范圍5 ～4000 Hz，工作電流較小，通過頂桿與復(fù)合板試件相連來模擬海洋環(huán)境干擾。功率放大器選用型號(hào)為DH5874，最大輸出功率500 VA，用來驅(qū)動(dòng)激振器。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)選用型號(hào)為DH5902N 堅(jiān)固型，通過網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)、顯示與分析。搭建的模擬海洋環(huán)境干擾下復(fù)合板低速?zèng)_擊定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物如圖4 所示。

圖4 模擬海洋環(huán)境干擾下復(fù)合板低速?zèng)_擊定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)采用正弦定頻激勵(lì)來模擬海洋環(huán)境干擾，通過將鋼球在不同高度的位置下落，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合板不同能量的沖擊。鋼球下落后，與復(fù)合板監(jiān)測(cè)區(qū)域接觸點(diǎn)的坐標(biāo)即代表低速?zèng)_擊位置。通過FBG 傳感系統(tǒng)分別對(duì)干擾信號(hào)和干擾下沖擊信號(hào)進(jìn)行收集。

3.1 模擬海洋環(huán)境干擾信號(hào)收集

實(shí)驗(yàn)采用幅值為1 V、頻率為10 Hz的正弦波來模擬海洋環(huán)境干擾，4 支FBG 傳感器均以5 kHz采樣頻率同時(shí)采集激振器產(chǎn)生的干擾信號(hào)，采樣時(shí)間為3 s，即每支FBG傳感器所采集沖擊響應(yīng)信號(hào)總長(zhǎng)度均為15000。如圖5 所示為4 支傳感器采集的干擾信號(hào)及其頻譜。由圖可知，F(xiàn)BG 傳感系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確地測(cè)出干擾信號(hào)。

圖5 4支傳感器采集的干擾信號(hào)及其頻譜對(duì)比

3.2 模擬海洋環(huán)境干擾下沖擊信號(hào)收集

在相同環(huán)境干擾下，對(duì)復(fù)合板進(jìn)行沖擊，采集沖擊響應(yīng)信號(hào)。為保證低速?zèng)_擊過程完整性，與采集干擾信號(hào)相同，4 支FBG 傳感器以5 kHz采樣頻率同時(shí)采集沖擊產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)，采樣時(shí)間為3 s，每支FBG傳感器所采集沖擊響應(yīng)信號(hào)總長(zhǎng)度均為15000。低速?zèng)_擊裝置的沖擊高度分別設(shè)置為50、100、150 和200 mm。環(huán)境干擾設(shè)置與3.1 相同。如圖6 所示為模擬海洋環(huán)境干擾下FBG1 傳感器所采集不同高度沖擊響應(yīng)信號(hào)及頻譜。由圖可知，隨著下落高度的增加，沖擊信號(hào)逐漸增強(qiáng)，F(xiàn)BG 傳感器的波長(zhǎng)漂移也隨之增大，收集的信號(hào)較為理想，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有良好的信號(hào)收集功能。

圖6 模擬海洋環(huán)境干擾下FBG1傳感器所采集不同高度沖擊響應(yīng)信號(hào)及其頻譜對(duì)比

4 結(jié)語

本文搭建了模擬海洋環(huán)境干擾下復(fù)合板低速?zèng)_擊定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了信號(hào)收集測(cè)試。結(jié)果表明：干擾激勵(lì)源可穩(wěn)定地向復(fù)合板輸出正弦信號(hào)來模擬海洋環(huán)境；低速?zèng)_擊裝置設(shè)計(jì)合理可靠，可獲取不同能量的沖擊信號(hào)；FBG 傳感系統(tǒng)布局均勻，可實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)和沖擊信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可用于收集沖擊定位測(cè)試樣本，但后續(xù)低速?zèng)_擊位置精確定位的實(shí)現(xiàn)，還需對(duì)收集的信號(hào)進(jìn)一步優(yōu)化處理。