光纤光栅传感器在舰船结构健康监测中的应用

吴 晶，吴晗平，黄俊斌，顾宏灿

(1.海军工程大学 兵器工程系，湖北 武汉430033;2.武汉工程大学 光电子系统技术研究所，湖北 武汉430205;3.海军蚌埠士官学校，安徽 蚌埠233012)

0 引 言

舰船是一种大型的综合系统，结构复杂，长期服役在恶劣的海洋环境中，并受到各种载荷的交互作用，如风载荷、海流、波浪载荷、冰载荷、深水压力载荷、爆炸冲击等，有时还要遭到台风、碰撞、搁浅等意外载荷，结构本身还要遭受环境腐蚀等影响。在这些恶劣的环境载荷长期作用下，再加上设计或使用不当，结构容易产生各种形式的损伤，使结构的承载能力下降，发生灾害性事故，造成巨大的军事、经济损失。因此，对舰船结构的实时在线健康监测成为结构健康监测领域的一个热点。

舰船结构健康监测系统主要是通过在舰船结构的关键部位布设传感器来监测结构应力应变状态及载荷响应，以评估结构的健康状态。目前结构健康监测系统中常用的传感器有:电阻应变片、压电陶瓷PZT和光纤光栅传感器。光纤光栅传感器作为一种新型传感器，相对传统的传感器具有质量轻、体积小;高灵敏度、高分辨率;耐腐蚀，耐高温低温性能好;抗电磁干扰;能组建大规模准分布式传感网络等特点，是当前结构健康监测领域研究最为广泛的传感器。

本文主要对光纤光栅传感器在舰船结构健康监测领域中的应用进行综述，探讨基于光纤光栅传感器的舰船结构健康监测系统的设计和主要研究内容。

1 光纤光栅传感器基本原理

光纤光栅传感的原理是将被测结构的物理量转化为光栅反射Bragg 波长的变化量，通过检测反射Bragg 波长的变化量即可实现被测物理量的测量，原理如图1所示。

图1 光纤布拉格光栅传感原理Fig.1 Sensing principle of FBG

由耦合模理论可知，光纤光栅的反射波长λB主要取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff，即λB= 2neff·Λ。任何使这2个参量发生改变的外界作用都将引起光栅布拉格波长的漂移，即有:

在所有引起光栅布拉格光栅波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量，无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都将导致光栅周期Λ的变化。并且由于光纤本身具有弹光效应也使有效折射率neff随外界因素的变化而变化。因此，在不考虑温度作用的条件下，应力应变引起光栅Bragg 波长的漂移量可由式(2)描述:

式中:Pe为光纤的弹光系数;Kε为测量应变的灵敏度。

同样，在不考虑应力作用的条件下，只有温度T 作用于FBG 时，此时波长的漂移量受光栅的热膨胀效应和热光效应的影响，其表达式为:

式中:α为FBG的热膨胀系数;ξ为FBG的热光系数。

由式(2)和式(3)可知，通过检测光栅中心反射波长的变化量就可以获得应变和温度的变化量。

2 国内外研究现状

鉴于光纤光栅独特传感原理和其他传统传感器不具有的诸多优点，被广泛的应用于结构健康监测领域［1］。在舰船结构健康监测领域，研究人员也做了大量的研究工作。

2.1 国外研究现状

针对该领域的研究，国外研究较早，取得了一些实质性的进展，具有代表性的工作如下:

1996年，美国和挪威皇家海军联合开发了一套复合材料结构的嵌入式传感系统(CHESS)［2］，该传感器系统由12个光纤光栅传感器组成，采用波分复用和干涉解调技术。其主要目的是用来监测复合材料船体由于海浪冲击引起的瞬间应变。并于1996年9月在由增强型玻璃纤维材料制成的双壳体反水雷舰船上做实验。实验结果表明，在海况SS0～SS5的范围内，其应变范围为1～1 000 με，典型的海浪冲击时间大于0.01 s 条件下，采用大于200 Hz的采样频率可以有效地监测这种冲击载荷。

1997年，Systems Planning and Analysis (SPA)公司与美国海军研究办公室(ONR)以及海军水上作战中心 Carderock 分部 (NSWCCD Naval Surface Warfare Center，Carderock Division)合作开发在线实时监测系统，用以连续评估舰船壳体的应变状态［3］，确定结构的损伤积累和估计海军舰船的生命周期。该系统使用空波分复用技术，能够查询4个独立通道的120个分布式传感器，采样率可达到2 kHz。该系统的样机在登陆平台船坞LPD17的舰船推进器上完成了布设，使用了FBG 传感器阵列和消除温度飘移影响的Flat－Pack 传感器，通过21个应变传感器，3个温度传感器，对推进器进行应变和温度监测。光纤光栅应变传感器的数据直接和NSWCCD的工程师提供的应变片测试数据进行比较，结果非常接近［4－5］。

1999年，美国海军研究实验室用光纤光栅传感系统对挪威海军KNM Skjold 快速巡逻艇进行了智能监测，系统使用安装在内壳和喷水推进器上的56个光纤光栅传感器，实时对局部应变和整船负载进行监测［4］。

2001年，Light Structures 公司开发了一套基于光纤Bragg 光栅传感器的监测系统［6］，并已经安装于1艘挪威海军MCMV 舰船上，该系统包括44个Bragg 光栅，其中17个用于测量全局负载，19个用于测量关键部位的负载，8个进行温度测量。该传感网络系统与实时信号处理、存储系统与舰艇控制系统及其他设备联为一个整体，为操作人员提供数据信息，如舰船运动(起伏、倾斜及偏航)、速度、位置、空气压力和燃料液位等信息。

2002年，在美国海军研究室支持下，Systems Planning and Analysis (SPA)公司开发了一套基于FBG 传感器技术的结构健康监测技术，主要用于大型舰船结构监测。该系统的核心部分是一个能够监测上百个FBG 信号的测试单元，并且采样频率可达2 kHz。并在British Trimaran Research Vessel Triton(三体船)上安装了一套光纤传感器网络阵列，进行了为期2 周的海上测试［7］。2004年，SPA的工程师们在潜艇上安装一个光纤光栅应变传感器系统并进行测试，对潜艇的设计进行验证测试，并考察有限元方法分析预测此设计性能的有效性。FBG 传感器布设于6 根光纤内，其中2 根光纤(33个传感器)安装于壳体内部，4 根光纤(64个传感器)安装于外部。将潜艇降至设计的深度纪录应变信息，光纤传感器的信号通过2 000 英尺长的光缆直接传输至水面并通过Micron Optic Inc的si425 扫描激光解调以检测，测量所得的经过温度补偿的应变值与有限元模型的预测值进行比较，数据比较吻合。该项测试是FBG 传感器第一次成功的应用于潜艇设计的验证测试［8－9］。

2.2 国内研究现状

相对国外来说，国内研究人员只进行了理论上的研究，到目前为止还没有相应的实体系统报道。2004年，陈熙源［10］提出采用捷联惯导系统与分布式光纤布拉格光栅网络对船舶结构进行变形测量和健康监测的设计方案，建立了由捷联惯性系统和光纤布拉格传感器组成的光电多传感器初步测量模型，并对其可行性进行了分析。2006年，陈熙源等［11］在综述了Bragg 光栅传感器在国外舰船结构中应用的基础上，根据光纤Bragg 光栅的传感特性，分析了Bragg 光栅在智能船舶结构中应用研究的7个主要内容和研究途径，为后续研究提供了一定的参考和借鉴作用。

2010年，天津大学王为［12］在其博士论文中重点研究了光纤光栅传感器用于船舶结构健康监测的各种关键技术:

1)理论分析了横向应力作用下光纤光栅传感器的波谱特性，及表面式光纤光栅的应变传递规律，提出了适用于船体结构和航行环境的光纤光栅传感器封装结构;

2)运用有限元分析法研究了船舶和潜水器强度弯矩监测的光纤光栅传感器配置原则，提出了船体波浪抨击载荷监测的光纤光栅传感器优化配置准则，并运用改进型自适应粒子群优化算法，结合混沌搜索算法实现了光栅传感器的快速、高精度优化配置。

3)建立了基于随机载荷统计分析的船体结构疲劳寿命评估流程，重点研究了船舶关键位置的疲劳寿命模型、应力循环技术、疲劳损伤累计准则等关键技术;

4)针对船体常见的T型节点结构损伤特点，提出了基于光纤光栅应变传感网络的静态损伤识别方法，运用支持向量机技术识别了结构损伤程度。为后续的研究工作提供了技术上的支持。2012年，李硕对基于光纤光栅应变传感器的潜艇结构监测系统进行了研究［13］。对系统的设计、具体的设计方案及工程应用中的关键问题进行论述，并给出了一些实验数据，为今后的研究提供了参考。

3 舰船结构监测系统设计

在参考前人工作的基础上，本课题组也进行了相关的研究，提出了系统的结构设计思路和研究的主要内容。

3.1 系统结构设计

2011年，针对舰船结构健康监测系统的设计，顾钧元［14］借鉴美国波音公司制定的OSA－CBM 体系设计思想，提出了结构健康监测系统的通用框架体系。借鉴前人的思想，结合实际课题的工程化应用，提出如图2所示的系统组成。

图2 舰船结构健康监测系统基本构成图Fig.2 Figure of ship structure healthy monitoring system

该系统主要包括光纤光栅应变、温度、压力传感网络，信号采集与解调，数据存储、传输、处理，损伤识别、定位、等级评估和故障预测，人机交互与显示5个部分。传感网络部分的功能是通过分复用技术将光栅应变、温度、压力传感器组成传感网络，从而获取各测点的状态参数;信号采集解调部分的功能是接收传感网络的信号，并对其进行解调得到相应的光波波长信号，以供数据处理;数据存储、传输、处理部分的功能是对波长信号进行解调，根据预先标定的灵敏度系数将其转换为相应的应变、温度和压力参数，通过网络通信传输给上位机并存储;损伤识别部分的功能是根据获得的状态参数评估损伤的类型、等级、位置，预测出可能产生的故障，提供报警信号;人机交互与显示部分的功能是以直观、人性化的界面显示各种状态参数的变化过程，供操作人员查看和操作。

3.2 研究的主要内容

根据舰船结构设计思想和实际工程化需求，舰船结构健康监测研究的主要内容应包括:

1)确定各光栅传感器的布设位置

根据舰船的具体结构，通过有限元分析的方法对舰船在不同状态下的受力情况进行分析，标定出舰船结构中受力最大和结构最弱的关键部位，并结合舰船实际应用过程中出现的问题进行综合评判，从而确定出传感器的布设方案。

2)确定各光栅的中心波长

根据受力分析的结果，确定出各测点对应的光栅传感器的中心波长及其动态范围的大小，动态范围的大小取决于各测点的应变范围，避免在使用波分复用技术组网时光栅传感器的波长发生重叠，从而影响解调结果。

3)确定传感器的封装和安装

传感器的封装应根据待测点的应变范围，选择合适的封装结构和工艺。如普通的光栅传感器的应变范围小于3 000 με，而在实际检测过程中有些关键部位的应变范围会超过这个范围，因此，必需采用合适的封装技术使其能够满足要求。另外，根据不同的结构要选择不同的安装方式。常用的安装方式有:埋入式、表面式和粘贴式。其中，粘贴方式又分为胶粘和点焊2 种工艺。

4)确定传感网络的解调系统

根据传感网络的规模大小、动态应变的范围、使用的分复用技术，结合系统的指标要求和精度要求选择合适的解调系统和解调软件。

5)确定各种参量的交叉敏感问题解决方案

由光栅传感器的传感特性可知，易受到多种因素的综合作用，典型的是温度和应变的交叉敏感问题。根据实际工程应用的方法，通常采用的参考光栅的温度补偿方法。

6)确定各光栅传感器的灵敏度系数问题

依据各传感器的结构方式和安装方式，通过试验预先测出各传感器的应变、温度和压力灵敏度系数，并与对应的波长进行标定，以方便在监控系统中直观地显示出各参量的变化情况。

7)确定光栅传感网络的布设方案

结构健康监测系统通常采用的分布式测量，连接各传感器的光缆布设应充分考虑舰船结构的特点、安全性、水密性、抗恶劣环境性要求，确定合理的布设方案。

8)结构整体状态的分析和评估

依据结构上各测点实测的各参量的值，结合舰船结构应力强度和稳定性强度标准和舰船结构极限强度、剩余强度理论，进行舰船结构故障模式分析和预测，并对极限状态进行预报。

4 结论与展望

基于光纤光栅传感器的结构故障监测系统能够全天候、不间断地实时在线监测舰船结构整体工作状态、舰船使用过程中的结构强度和完整性，对其结构材料内部的情况进行损伤估计，从而实现舰船结构监测的智能化。当出现过大变形、疲劳性损伤、断裂或火灾等危险情况时，及时发出警告信号，提醒有关人员采取应急措施，保证舰船结构安全可靠地使用。同时，也可用来确定舰船的维修计划、改进设计、进行结构完整性早期安全告警，对提高舰船使用的安全可靠性具有十分重要的意义。随着该项技术的不断成熟和研发成本的不断降低，基于光栅传感器的结构监测技术将在舰船结构健康监测领域发挥更重要的作用。

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