光纤布拉格光栅结构应变监测系统在船体上的应用

冒如权

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室 上海200011）

光纤布拉格光栅结构应变监测系统在船体上的应用

冒如权

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室 上海200011）

介绍一种光纤布拉格光栅应变结构检测系统，该系统是针对如船舶、桥梁、飞行器等需要对关键结构进行应变测量的智能监测系统。该系统传感器采用减敏片式弹簧结构，使应变测量范围可达到10 000 µε，满量程精度为0.1%，同时可达到实时准确的在线监测。经实船验证，该系统数据采集迅速、可靠性高。

光纤布拉格光栅；应变传感器；船体结构监测

引 言

光纤光栅作为近年来发展最快的光纤无源器件之一，先后有Xu等人［1-2］对裸FBG的传感特性进行了研究，由于光纤光栅传感器具有其他电学传感器不具备的诸多优点，许多科研工作者开始对其深入研究［3］。本文在船板上进行实时监测，对船舶结构应力变化关键点进行监测，得到结构应力值，由此实现对船体整体的监测。实验结果证实产品拟合的线性度已经达到99.99%以上，并达到国内领先水平。

光电子器件的产业是研究系统开放、应用、生产与销售的全方位综合高科技产业，国内各类光纤光栅传感器和解调仪已广泛应用于舰船、桥梁、建筑、航天等现代化工业生产中。最近十几年涌现出一批专业生产光纤传感器或相关的光学器件生产单位，其不仅拥有自己的知识产权［4-7］，也针对不同的设备环境提出相应的传感器设计方案，解决了许多工程应用上的问题。虽然很多光纤类传感器已在工程上得到应用，但目前部分光纤传感器的研发仍处于实验室试验阶段（如对于啁啾光纤的应用等［8］），同时对于环境相对复杂的环境如何通过无线节点传输数据等问题都有待解决。

1 原理及结构

1.1 FBG的工作原理

光纤布拉格光栅中心波长的公式［9-11］：

式中：Λ为光栅周期；neff为传导模的平均有效折射率。当栅区受到应力作用时，光栅的中心波长就会发生一定的变化，其去应力的变化为线性关系，即：

式中：ρe为光纤的弹光系数；Δε为光纤的应变值；弹光系数只与光纤的材料有关。

从式中可以看出波长变化量与其应变为一阶线性关系，但是在工程中光纤布拉格光栅的中心波长变化还受温度的影响，通常采用外温度补偿方法来进行温补，其封装原理图如图1所示。

图1 封装原理图

图1 中：其采用四点焊接的形式焊接在船板底部。其中，受应力与温度联合影响，在有两个传感参量（f1，f2）的系统中，应变和温度（ε，T）的变化所引起的变化规律表示为［12］：

式中：设它们具有相同的应力系数Kε，与温度系数KT近似相等，且在计算过程中默认，温度补偿光纤不受到应力作用的影响。这种方法通过引入仅受温度影响的的参考光栅，由此算出温度与应变波长的相对影响即温度补偿。

1.2 结构设计与仿真

在传感器结构设计上也采用减敏基片的形式，减敏结构属于平面对称型结构，由固定端、环形平面弹簧结构、弧形过渡段、平板结构等构成。基于前面的设计原理，初步预设尺寸为28 mm×10 mm×1.5 mm，其中固定端长3 mm、平板结构长15 mm、环形弹簧结构长7 mm。减敏结构示意如图2所示。

图2 减敏基片示意图

为保证计算精度，对三维模型我们采用带中节点的solid186体单元，该单元采用二次位移差值函数，可以很好地适应曲线边界，对不规则结构具有较高的计算精度。在结构的厚度方向划分大于3层网格，能够满足计算精度需求划分网格后对单元的横纵比、对边平行度、最大夹角、雅格比率、翘曲系数进行检查，检查后显示网格质量良好，均能保证较高的计算精度要求。

在实验前对上述结构进行结构分析，建模时在基片上表面预开半径0.25 mm的贯穿基片两断面的长槽，用来固定安装光纤光栅；同时槽内滴加少量硅胶对光纤光栅进行保护，但是又不影响光纤光栅的轴向拉伸变形。对网格的横纵比、对边平行度、最大夹角、雅格比率、翘曲系数进行检查结果良好。采用结构两端对称拉压的加载方式进行加载，其中软件仿真结果如图3所示。经过对其两端结构的仿真在水平方向的位移就能得出其应变的具体测量范围。

图3 水平方向的位移图

由以上仿真结果可知，复合结构的形变基本被环形减敏结构吸收，其中两端定光的大环起到绝对减敏的作用，小环的变形又能确保测量具有较高灵敏度，通过对受水平轴向拉伸、压缩载荷的钛合金板分别进行有限元强度分析得出以下结论：

（1）固定端受水平压缩、拉伸载荷时，中间平板位移即图中L1的位移为0.723e-5 m。若假设光纤光栅的长度为10 mm，则计算出光纤光栅的应变为1 446 µε，处在光纤光栅长期使用范围（3 000 µε ）内，结构的减敏比约为3.5。

（2）固定端受拉伸、压缩载荷时，最大等效应力为509 MPa，最大值位置在圆环内侧及过渡圆环的弧底。

（3）该结构的分析结果与设计原理相符合，满足 -5 000 µε~+5 000 µε的设计要求。

所以该结构满足强度设计要求具有一定的可行性。

图4 实验装置示意图

2 实验结果及分析

首先对船底部进行拉伸实验，在底部两个位置分别粘贴应变片，其作用是对比光纤光栅应变结构的测量结果，应变片的值近似为实际应变值，方便与实验测量值进行对比。在进行多组测量取平均值，船体实验参见图4。在实验中控制船体在水中向船体边固定装置的反方向匀速拉伸船体，此时无线应变测量片会显示出实际应变值，光纤布拉格光栅应变传感器中的数据会通过采集箱传送到数据控制柜中，经过数据控制柜的计算求得测量的应变值，再与应变结果对比即可得到精度与误差，经过多次实验各数据取平均值（见下页表1）。

表1 船板拉伸实验结果（温度20℃）

将表1中的计算结果进行拟合，结果见图5。

图5 应变波长拟合结果

如图5中的实验结果所示，应变测量值与传感器测量的值几乎相等，精度与可靠性极高，经过计算与误差分析可达1‰的精度。实船试验时，与上述方法相同，其试验结果见表2。实船安装时，其中各指标参数如下：

应变量程：±5 000 με

应变精度：≤0.1‰FS

表2 实船试验数据（温度22.1℃）

单臂外形（L×W×H）：25 mm×12 mm×3 mm

安装外形（L×W×H）： 50.6 mm×50.6 mm×9 mm

适用场合：平面，一维曲面（与切线夹角<20°），二维曲面（与切线夹角<15°）

温补方式：过程后温补

安装方式：激光焊接

使用寿命：30年

3 结 论

综上所述，光纤布拉格光栅结构应变监测系统在船体上对船板的应变健康监测的测量准确性与可靠性高，实际应用中具有如下明显优势：

（1）尺寸大为减小

由于采用贴片式封装，传感器的尺寸大大减小。传感器的缩小，意味着传感器本身对监测对象的影响变小，并且其被意外破坏的可能性减小。

（2）长期稳定性和寿命提高

由于封装方式采用了激光焊接，不存在先前用有机粘合方式时出现的长期蠕变、老化问题，在长时间工作时比较稳定可靠，并且使用寿命大大提高。

（3）安装工艺简化，可靠性提高

由于安装工艺采用激光焊接后大大简化，不需要再对焊接表面进行复杂的处理，也避免由于表面处理不到位造成的安装问题。并且激光焊接设备较小，即便是狭小的空间也可以焊接。

（4）成本降低

由于光纤光栅的减少以及结构的简化，致使其成本降低，便于大面积应用，故可广泛应用于船体工程监测。

［ 1 ］ 孙圣和，王延云.光纤测量传感技术［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.

［ 2 ］ XU M G， REEKIEL， CHOWY T， et al. Optical in-fiber grating high pressure sensor ［J］. Electron Lett， 1993（4）：398-399.

［ 3 ］ 黄尚廉，陈伟民，饶云江，等. 光纤应变传感器及其在结构健康监测中的应用［J］.测控技术，2004（5）：1-4.

［ 4 ］ 裴丽，吴良英，王建帅，等.啁啾相移光纤光栅分布式应变与应变点精确定位传感研究［J］. 物理学报，2017（7）：10-18.

［ 5 ］ 甘久林，郝蕴琦，叶青，等. 光纤光栅分布式应变传感器及其应变监测方法： CN102052930A［P］. 2011.

［ 6 ］ 李沼云，李苏，刘志强，等. 光频域反射光纤光栅分布式应变传感研究［J］. 光通信技术， 2012（12）：33-35.

［ 7 ］ ZHAO Y， YU C， LIAO Y. Differential FBG sensor for temperature-compensated high-pressure （or displacement） measurement［J］. Optics & Laser Technology， 2004（1）：39-42.

［ 8 ］ HILL K O，FUJIIY，JOHNSON D C， et al.Photosensitivity in Optical Fiber Waveguides： Application to Reflection Filter Fabrication， Applied Physics Letters，1978（10）：647-649.

［ 9 ］ HILL， MELTZ K O. Gerald Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview ［J］. Lightwave Technology，1997（15）：1263-1276.

［10］ MELTZ， G.MOREY W W， GlennWH.Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverses Holographic method.Opt.Left.，1989（14）：823-825.

［11］ 何少灵，桑卫兵，葛辉良.用于水深实时测量的光纤光栅压力传感器［J］.声学与电子工程，2013 （4）.

［12］ WENG S C， LIN Y D， XU Z T， et al. Fundamentals of Elastic Elements Design in Gauge［M］. Beijing：Chinese Mechanics Press，1982.

［13］ 柯孟龙. 基于光纤光栅传感和应变动力参数的损伤识别研究［D］. 武汉：武汉理工大学， 2011.

MARIC引领超大型集装箱船进入LNG动力“新时代”

昨天，法国达飞轮船正式确认前期在中国船舶工业集团公司订造的9艘22 000箱超大型集装箱船订单全面采用液化天然气（LNG）动力，该船型基于中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）拥有完全自主知识产权的设计方案，是LNG动力超大箱船订造方面的率先示范，这标志着超大型集装箱船进入LNG动力“新时代”，也将进一步推动LNG动力船舶的快速发展。

天然气是一种优质、高效、清洁的低碳能源，加快天然气产业发展，提高天然气在一次能源消费中的比重，是我国加快建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系的必由之路，也是化解环境约束、改善大气质量，实现绿色低碳发展的有效途径，同时对推动节能减排、稳增长惠民生促发展具有重要意义。

此次22 000箱超大型集装箱船是世界上首艘采用LNG燃料的超大型集装箱船，主机由中船集团公司全资子公司WinGD研制，电站同样采用LNG为燃料。与燃烧重油相比，LNG具有明显的优势：船舶CO2排放将减少25%；硫排放减少99%；细颗粒物排放减少99%；氮氧化物排放减少85%；EEDI能效指数低于现行标准60%。该船型满足全球最严格排放限制区域的排放标准，提前满足第三阶段甚至未来更高的要求。

Application of fiber bragg grating structural strain monitoring system on ship hull

MAO Ru-quang
(Representative Office of Naval Warship Design & Research, Shanghai 200011, China)

This paper introduces a fiber bragg grating (FBG) structural strain monitoring system, which is an intelligent monitoring system for ships, bridges, aircraft, which require strain measurement of key structure. The system sensors adopt desensitization of leaf spring structure, resulting in the strain measurement range up to 10 000 µε and the full range accuracy of 0.1%, as well as the real-time and accurate online monitoring. The fullscale trial shows that the system has advantages of the rapid data collection and high reliability.

fiber bragg grating (FBG); strain sensor; hull structure monitoring

U665.2

A

1001-9855（2017）06-0074-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.06.074

2017-07-12；

2017-08-24

冒如权（1979-），男，工程师。研究方向：舰船电气及自动化。