用FBG技术进行船体结构长期监测

龚禹开

华中科技大学 430074

用FBG技术进行船体结构长期监测

龚禹开

华中科技大学 430074

对FBG技术的结构测试原理和应用于实船监测的关键技术进行了探讨，指出将FBG技术应用于舰船安全监测时，一定要研究出适于目标舰船的“基于测试应变评估结构安全状态的数学模型、FBG传感器测点位置设计和大量传感器的组网技术”。

FBG技术；船体结构；监测

1.引言

目前，对船体结构应变测量的主要手段是利用电阻应变片。电阻应变片有其固有的弱点：存在蠕变和零点漂移现象，易受电磁干扰，测试电流电压的变化会影响电阻应变片的测量精度并使测试零点波动[1]。这些弱点，尤其是蠕变和零点漂移限制了电阻应变片的有效测试时间长度，使得测试船体结构应变工作总是必须在测试零点标定之后的一个相对较短的时间内完成。对船体结构监测是一个长期的过程，测试时间长度需达几十年之久，因此需寻找无蠕变、无零点漂移的应变传感技术。

FBG传感器具有无零点漂移、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、质轻、体积小等诸多优点[2]，能克服传统的电阻应变片的弱点，可以满足对船体结构进行长期监测的需要。本文对其测试原理、应用范围和关键技术进行探讨，以期提高该技术在我国造船领域的应用水平。

2.FBG技术及其应用概况

FBG传感器即“光纤FBG光栅（Fiber Bragg Grating）传感器”，是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波或反射镜。当光通过光纤光栅传感器时，通常的光会全部穿过光纤光栅而不受影响，只有特定波长的光（波长为λb）在光栅处发生反射后会再返回到原来的方向。

FBG技术是以光波为载体，以光纤作为外界物理参量的测量及信号传输媒介，以FBG光栅为传感器的新型智能传感技术。与传统的基于电类传感器的测试技术相比，FBG技术具有一系列独特的优点：可进行大范围分布式、实时、长期测试，传感器能自校准，耐高温高压、耐腐蚀、抗电磁辐射干扰，灵敏度高。它是一种先进成熟的技术，在建筑、航空航天等领域已经有了很多应用。

2002年，Systems Planning&Analysis，Inc与美国海军海上作战中心、英国防卫技术实验室合作，在一艘英国皇家海军三体船上安装了包含51个FBG传感器的结构健康监测系统[3]。Systems Planning&Analysis，Inc还利用97个FBG传感器组网，对一条有人驾驶的水下航行器进行静水压力的试验，数据采集装置位于水面上，测试数据通过2000英尺的光纤传输[4]。

我国在土木建筑、桥梁等领域较多，在造船领域已有应用。近年在新型船舶研发中，我们基于该技术研制出“船体变形监测系统”，对某船的总纵弯曲变形挠度进行了半年航行状态的监测，获得了总纵弯曲变形挠度数据。并利用测试数据对该船建造中的船体在船台上的蠕变和应力松驰现象进行了研究[5]。

3.结构测试原理

可见能引起折射率或栅格间距发生微扰的物理量均能引起FBG反射波长的变化，并被光纤光栅传感元所感知。

将光纤光栅粘贴于结构表面，结构变形将使应力作用于光纤光栅上，此时，一方面，光栅周期由于光纤光栅的机械性的伸长而发生改变，另一方面，弹光效应使光纤光栅有效折射率发生变化，两者分别为

其中Pe为有效弹光系数。

其中a为光纤材料的膨胀系数，V为光纤的归一化频率。温度变化引起的光纤光栅波长漂移主要取决于热光效应，它占热漂移量的95%左右，记

则温度对光纤光栅波长的漂移总影响为

4.应用于船体结构监测中的关键技术

FBG传感器是一根易折断的光纤，将其安装在船体结构上时，一定要对其进行保护，保护装置不可避免地会对安装点处的船体结构有改变测试点处船体结构变形性能的效应，该效应会使传感值与实际结构值有失真现象，必须研究安全监测传感装置本体结构对船体结构作用效应，以便于准确评估结构的安全状态，避免误报警和漏报警，提高安全检测装置性能水平。

FBG传感器所检测到的原始信息是结构的应变信息。船体结构中的安全性能指标与应变信息之间的联系并不简单，实际上是非常着复杂的，应研究基于测试应变评估结构安全状态的数学模型、FBG传感器测点位置设计和大量传感器的组网技术。

基于测试应变评估结构安全状态的数学模型、FBG传感器测点位置设计和大量传感器的组网技术是保证FBG技术成功应用于船体结构监测的关键技术，突破这些关键技术的理论基础是舰船结构力学、舰船结构强度与振动、舰船总体设计理论，需要舰船结构设计领域、舰船建造领域技术工作者的努力。

5.结束语

FBG技术是一种先进成熟的技术，将其应用于船体结构监测必将极大地提高我国舰船的安全性能。FBG技术应用于船体结构监测后，可获取实船全寿命周期的结构性能数据，这些数据可用来提高我国的舰船设计水平。将FBG技术应用于舰船安全监测时，一定要研究出适于目标舰船的“基于测试应变评估结构安全状态的数学模型、FBG传感器测点位置设计和大量传感器的组网技术”。

[1]徐灏,邱宣怀,蔡春源等.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1998.5-7～5-10.

[2]李宏男,任亮.结构健康监测光纤光栅传感技术[M].北京:中国建筑工业出版社,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,王晓侠,陈志坚等.建造中的船体在船台上的应力松弛现象研究[J].中国舰船研究,2010,5(5):72-76.