光纤光栅应力监测技术在船上的应用

朱云翔 冒如权 范井峰

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室 上海 200011）

对船舶结构应力应变状态进行长期实时监测，对于研究和设计部门掌握船体结构在波浪中的响应资料，使用部门及时了解船体结构安全状态具有重要意义。本文介绍了应用FBG 传感器在一艘新开发的三体船上进行力应变状态长期实时监测的有关情况。

1 光纤光栅传感技术在船舶领域的应用现状

自从美国的Morey 等人［1］首次对光纤光栅（FBG）传感器的应变与温度传感进行研究以来，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，取得了丰硕的成果，目前已被广泛应用到土木工程、大型钢结构、航空航天、电力、石化、医学、核工业等诸多领域，在船舶领域也不乏很多应用实例。

我国在20世纪70年代末就开始了FBG 传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。目前已有多个单位在这一领域开展工作，在FBG 温度、应变、压力、流量、液位、电流、位移等测量领域进行了大量的研究，取得了多项科研成果［4］。在工程应用方面主要集中在桥梁、建筑等土木领域，如奥运会主会场鸟巢工程、五棵松奥运会篮球馆工程、中央电视台新台址工程结构等健康监测，而该技术在船舶领域中的应用还在开发中。

2 光纤光栅应变传感原理

FBG 传感是根据Bragg 波长的变化来感知外界温度、应变等物理量的变化［5］。由光纤光耦合理论可知，当宽带光入射到FBG 时，满足Bragg条件的光将被反射，在反向形成一个反射峰（见图1），其中心反射波长λB由光栅参数决定。

图1 FBG 原理图

式中：ne是光纤纤心对自由空间中心波长的折射率；Λ 是FBG 的栅距。

当外界温度、应变、压力等物理参数变化时，会使FBG 的栅距Λ 和有效折射率ne产生变化，从而使λB产生漂移，其漂移量ΔλB可表示为式（2），通过探测ΔλB，便可以获得相应的温度、应变和压力等信息。

假设光栅仅受轴向应力作用，温度场和均匀场保持恒定，轴向应变εz会引起光栅栅距的变化。

有效折射率的变化可以由弹光系数矩阵Pij，应变张量矩阵εj表示

沿z方向传播的光波所感受到的折射率变化为

应制定针对博物馆公示语的译写规范。《公共服务领域英文译写规范》共有10个部分，涵盖交通、旅游、文化、娱乐、体育、教育、医疗、卫生、餐饮等13个服务领域共3700余条公示语的推荐译文，但其中的博物馆公示语非常有限。笔者呼吁尽快建立博物馆公示语译写规范以助推中华历史文化走出去，并促进更多领域的中国文化走向世界。

若沿光纤轴向施加拉力F，则引起的Bragg波长的变化为

式中：E 为光纤的弹性模量；S 为光纤的横截面积。

加速度、超声波、应力等物理参数都可以转化为应变来测量，所以在测量这些参数时以上公式仍适用。

当传感温度改变时，温度引起的FGB波长漂移为

式中：α为光纤的热膨胀系数；ξ 为热光系数；ΔT为温度变化。

由于FBG 传感器中心波长对应变和温度都很敏感，因此必须解决其交叉敏感问题［6－7］。

3 光纤光栅应力监测系统方案

3.1 系统组成与功能

光纤光栅应力监测系统由数据处理显示箱、FBG 传感器装置（包含应力传感器和温度传感器）、传输光缆等部件组成（见图2）。可对15 个测点应变进行实时测量，并实时储存测量结果，在人机界面上显示测量点的数据和图形，并能对所采数据进行时域和频域分析。

图2 FBG 监测系统图

由于外界的温度和应力变化都能引起FBG波长漂移，所以本系统中，为了能正确地测量出对应点的应力变化，在每个点增加一个测量温度的光纤光栅传感器，其中σa51和σa52在同一位置，共用1个温度传感器。

3.2 光源

宽带荧光源是FBG 传感系统的核心部件之一。高功率、高平坦、高稳定性的宽带荧光源可以降低解调系统的难度，便于进行数据处理，提高传感系统的复用能力，增加信号传输的距离。本系统采用C 波段掺铒光纤ASE 光源，该波长范围就是普通光纤通信波长范围，便于利用现有的通信光缆进行信号传输和放大。

此外，对各种结构的掺铒光纤超荧光光源进行比较可知，单程后向结构实现简单并且不容易形成激光而被广泛采用，但是这种结构光源的输出带宽相对较窄；双程结构的光源可以得到更高的输出功率和更好的波长稳定性，但是为了得到宽带输出需要设计复杂的滤波器；单程前向结构的光源在带宽较宽时输出功率很小，因而一般不被采用。最近提出的一种双级后向输出的光源，同时具有很高的输出功率和较宽的光谱带宽——前向抽运双级双程结构的掺铒光纤超荧光光源，其优点在于在较小的抽运功率下，可以在保持高稳定性的情况下同时获得大功率、宽光谱的ASE输出。

本系统采用双级双程结构实现高功率C 波段宽带ASE光源。宽带光源的带宽40nm，功率10mW，增益高平坦度、不平坦度为±1dB，性能稳定。

3.3 解调系统

目前国内的FBG 传感器在应用上多限于大型土木工程结构的安全监测等方面，即对动态信号的监测限于低速动态信号。为了提高其对更高频率的动态信号的监测能力，例如舰船上的大型涡轮机工作时所引起底座及相关设备达100 Hz以上的振动，需要采用高速解调系统（见图3）。其中，高速解调部分包括可调谐F－P 滤波器、锯齿波发生器、TEC 温度控制、PIN 光电探测器和1×16光开关5个部分。

图3 FBG 解调系统图

3.4 传感器封装

采用FBG 技术测量船体结构应变和温度，合理、恰当的封装是必要的，不但需要考虑对传感器装置的防护，还要避免传感器装置本身对测量点的结构刚度产生影响。为此对传感器装置的结构做了精心设计，把传统的传感器装置的结构分成2个部分，可分别与结构进行焊接，焊接部位与测量点有足够的间距，防护罩不与船体结构接触，这样既能准确测量应力变化，又能避免传感器装置的本体结构对被测量点测量结果的影响。

3.5 数据处理系统

图4 数据处理系统图

3.6 测量精度

本系统所用宽带光源波长范围1525～1565 nm，波长分辨率1pm，精度±5pm（对应±4×10－6），测量范围±5 000pm（对应±4000×10－6）。

4 结语

应用FBG 传感器监测船体结构应力在国内刚刚起步，本文介绍的FBG 应力监测系统已在一艘最新开发的三体船上安装使用，至今已经稳定运行超过1年。该系统目前使用的FBG 传感器只能测量单向应变，下一步将考虑可测量多向应变的FBG 传感器封装，完善可直接为操船提供指导实时数据分析的功能，同时在船上开展FBG 传感器监测与电阻应变测量的对比分析工作。

［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］余有龙，谭华耀，锺永康.基于干涉解调技术的光纤光栅传感系统［J］.光学学 报2011，21（8）：987－989.

［5］刘盛春，陈向飞.光纤光栅技术与应用专题讲座［J］.军事通信技术，2009，30（1）：94－100.

［6］张小伟，宁提纲.光纤光栅传感器交叉敏感问题的研究［J］.光纤与电缆及其应用技术，2007（4）：1－4.

［7］黄 锐.一种同时测量温度和应变的光纤光栅传感器［J］.中国激光，2005，32（2）：232－235.