龔禹開

華中科技大學 430074

用FBG技術(shù)進行船體結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測

龔禹開

華中科技大學 430074

對FBG技術(shù)的結(jié)構(gòu)測試原理和應用于實船監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)進行了探討，指出將FBG技術(shù)應用于艦船安全監(jiān)測時，一定要研究出適于目標艦船的“基于測試應變評估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的數(shù)學模型、FBG傳感器測點位置設計和大量傳感器的組網(wǎng)技術(shù)”。

FBG技術(shù)；船體結(jié)構(gòu)；監(jiān)測

1.引言

目前，對船體結(jié)構(gòu)應變測量的主要手段是利用電阻應變片。電阻應變片有其固有的弱點：存在蠕變和零點漂移現(xiàn)象，易受電磁干擾，測試電流電壓的變化會影響電阻應變片的測量精度并使測試零點波動[1]。這些弱點，尤其是蠕變和零點漂移限制了電阻應變片的有效測試時間長度，使得測試船體結(jié)構(gòu)應變工作總是必須在測試零點標定之后的一個相對較短的時間內(nèi)完成。對船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測是一個長期的過程，測試時間長度需達幾十年之久，因此需尋找無蠕變、無零點漂移的應變傳感技術(shù)。

FBG傳感器具有無零點漂移、耐腐蝕、抗電磁干擾、靈敏度高、質(zhì)輕、體積小等諸多優(yōu)點[2]，能克服傳統(tǒng)的電阻應變片的弱點，可以滿足對船體結(jié)構(gòu)進行長期監(jiān)測的需要。本文對其測試原理、應用范圍和關(guān)鍵技術(shù)進行探討，以期提高該技術(shù)在我國造船領(lǐng)域的應用水平。

2.FBG技術(shù)及其應用概況

FBG傳感器即“光纖FBG光柵（Fiber Bragg Grating）傳感器”，是利用光纖材料的光敏性（外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化），在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾波或反射鏡。當光通過光纖光柵傳感器時，通常的光會全部穿過光纖光柵而不受影響，只有特定波長的光（波長為λb）在光柵處發(fā)生反射后會再返回到原來的方向。

FBG技術(shù)是以光波為載體，以光纖作為外界物理參量的測量及信號傳輸媒介，以FBG光柵為傳感器的新型智能傳感技術(shù)。與傳統(tǒng)的基于電類傳感器的測試技術(shù)相比，F(xiàn)BG技術(shù)具有一系列獨特的優(yōu)點：可進行大范圍分布式、實時、長期測試，傳感器能自校準，耐高溫高壓、耐腐蝕、抗電磁輻射干擾，靈敏度高。它是一種先進成熟的技術(shù)，在建筑、航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了很多應用。

2002年，Systems Planning&Analysis，Inc與美國海軍海上作戰(zhàn)中心、英國防衛(wèi)技術(shù)實驗室合作，在一艘英國皇家海軍三體船上安裝了包含51個FBG傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[3]。Systems Planning&Analysis，Inc還利用97個FBG傳感器組網(wǎng)，對一條有人駕駛的水下航行器進行靜水壓力的試驗，數(shù)據(jù)采集裝置位于水面上，測試數(shù)據(jù)通過2000英尺的光纖傳輸[4]。

我國在土木建筑、橋梁等領(lǐng)域較多，在造船領(lǐng)域已有應用。近年在新型船舶研發(fā)中，我們基于該技術(shù)研制出“船體變形監(jiān)測系統(tǒng)”，對某船的總縱彎曲變形撓度進行了半年航行狀態(tài)的監(jiān)測，獲得了總縱彎曲變形撓度數(shù)據(jù)。并利用測試數(shù)據(jù)對該船建造中的船體在船臺上的蠕變和應力松馳現(xiàn)象進行了研究[5]。

3.結(jié)構(gòu)測試原理

可見能引起折射率或柵格間距發(fā)生微擾的物理量均能引起FBG反射波長的變化，并被光纖光柵傳感元所感知。

將光纖光柵粘貼于結(jié)構(gòu)表面，結(jié)構(gòu)變形將使應力作用于光纖光柵上，此時，一方面，光柵周期由于光纖光柵的機械性的伸長而發(fā)生改變，另一方面，彈光效應使光纖光柵有效折射率發(fā)生變化，兩者分別為

其中Pe為有效彈光系數(shù)。

其中a為光纖材料的膨脹系數(shù)，V為光纖的歸一化頻率。溫度變化引起的光纖光柵波長漂移主要取決于熱光效應，它占熱漂移量的95%左右，記

則溫度對光纖光柵波長的漂移總影響為

4.應用于船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)

FBG傳感器是一根易折斷的光纖，將其安裝在船體結(jié)構(gòu)上時，一定要對其進行保護，保護裝置不可避免地會對安裝點處的船體結(jié)構(gòu)有改變測試點處船體結(jié)構(gòu)變形性能的效應，該效應會使傳感值與實際結(jié)構(gòu)值有失真現(xiàn)象，必須研究安全監(jiān)測傳感裝置本體結(jié)構(gòu)對船體結(jié)構(gòu)作用效應，以便于準確評估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，避免誤報警和漏報警，提高安全檢測裝置性能水平。

FBG傳感器所檢測到的原始信息是結(jié)構(gòu)的應變信息。船體結(jié)構(gòu)中的安全性能指標與應變信息之間的聯(lián)系并不簡單，實際上是非常著復雜的，應研究基于測試應變評估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的數(shù)學模型、FBG傳感器測點位置設計和大量傳感器的組網(wǎng)技術(shù)。

基于測試應變評估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的數(shù)學模型、FBG傳感器測點位置設計和大量傳感器的組網(wǎng)技術(shù)是保證FBG技術(shù)成功應用于船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，突破這些關(guān)鍵技術(shù)的理論基礎是艦船結(jié)構(gòu)力學、艦船結(jié)構(gòu)強度與振動、艦船總體設計理論，需要艦船結(jié)構(gòu)設計領(lǐng)域、艦船建造領(lǐng)域技術(shù)工作者的努力。

5.結(jié)束語

FBG技術(shù)是一種先進成熟的技術(shù)，將其應用于船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測必將極大地提高我國艦船的安全性能。FBG技術(shù)應用于船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測后，可獲取實船全壽命周期的結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用來提高我國的艦船設計水平。將FBG技術(shù)應用于艦船安全監(jiān)測時，一定要研究出適于目標艦船的“基于測試應變評估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的數(shù)學模型、FBG傳感器測點位置設計和大量傳感器的組網(wǎng)技術(shù)”。

[1]徐灝,邱宣懷,蔡春源等.機械設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.5-7～5-10.

[2]李宏男,任亮.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測光纖光柵傳感技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)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,王曉俠,陳志堅等.建造中的船體在船臺上的應力松弛現(xiàn)象研究[J].中國艦船研究,2010,5(5):72-76.