CN111536888A - 多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统，包括：12芯带状的光纤光栅应变传感器、柔性铰链的光纤光栅加速度传感器、作为温度补偿的光纤光栅温度传感器、光纤光栅解调仪、数据处理模块和健康检测评估系统，本发明使用的新型柔性铰链光纤光栅加速传感器，通过对圆弧柔性铰链的结构优化，将椭圆铰链结构引入到了高量程FBG加速度传感器中，构建了基于椭圆铰链的FBG加速度传感器的设计理论与工艺技术，获得较优异的传感器性能。根据光纤光栅传感器在船舶上测得的数据，判断起结构损伤状态，是否到达使用寿命，以便于防止安全事故的发生。

Description

多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统及方法

技术领域

本发明属于船舶结构实时健康监测系统技术领域，具体涉及多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统及方法。

背景技术

大型船舶在航行过程中，会受到强大的风力水压载荷以及强烈的日光辐射，在这种严峻的工作环境下船体会产生各种严重变形和损伤破坏。如果不能及时监测维修，则可能造成重大人身事故和财产损失。因此我们有必要对船舶进行实时健康监测，杜绝可能发生的危险，提高船舶行驶的安全性能。

当前大部分健康监测传感器仍采用传统的电子传感器，目前主要使用电阻式应变片。但是此方法连接导线多，会影响结构的力学性能，同时存在使用寿命短、贴片和标定周期长、不能实现连续载荷测量等局限性。而光纤传感技术的进步为此提供了全新的解决途径。本发明系统中全部采用光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、测量距离远、信号易传输、易复用、稳定性好等优点，成为结构健康监测的重要手段。

传统的单模光纤光栅应变传感器在具体的工程项目中，其工作环境更加复杂多变，常用的裸光纤光栅易于折断导致信号缺失，而且针对本次船舶结构研究对象，测点颇多，传统的单模光纤光栅应变传感器所需数量和熔点极多，增大了时间成本和经济成本。为此，我们提出一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统及方法，以解决上述背景技术中提到的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统，包括：12芯带状的光纤光栅应变传感器、柔性铰链的光纤光栅加速度传感器、作为温度补偿的光纤光栅温度传感器、光纤光栅解调仪、数据处理模块和健康检测评估系统，所述光纤光栅应变传感器、光纤光栅加速度传感器和光纤光栅温度传感器通过接线盒分别连接于光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪连接于数据处理模块，所述数据处理模块连接于健康检测评估系统，所述健康检测评估系统主要的监测内容包括船体变形监测、船体特性监测、船体局部特性监测、船体外载荷监测。

优选的，所述光纤光栅应变传感器是将十二根光纤按照一定间距平行放置，不允许交叉，各个光纤互相平行共面，然后使用UV紫外固化材料对光纤进行涂敷，使用紫外固化灯进行固化，其中一根光纤可以根据实际测量距离进行刻写光栅距离。

优选的，十二根光纤的涂覆层采用特殊的涂覆层，即聚酰亚胺涂覆层，可大大增加新型传感器的耐高温强度和拉伸强度，增大传感器的寿命和可靠性。

优选的，所述光纤光栅应变传感器采用阵列光栅，大大减少单栅融合点和操作难度，有效降低时间成本，而且该光纤光栅应变传感器结合带状光缆自身结构强度高、体积小、安装难度小等特点，极大提高普及该传感器在项目工程在的应用。

优选的，所述光纤光栅温度传感器处于松弛状态并通过粘结剂将两端固定在船体表面，光栅部分悬空，使其在船舶工作中不受应力和振动影响，所述光纤光栅温度传感器只受工作时温度的影响，从而剔除工作时温度对该系统的影响。

优选的，所述光纤光栅加速度传感器采用新型的椭圆柔性铰链，椭圆柔性铰链相比于直圆柔性铰链，本质上是对铰链参数的进一步细化，将半径细分为椭圆长半轴和短半轴，不仅具有直圆铰链无机械摩擦、无磨损、易于加工等优点，而且克服了直圆铰链运动范围小的缺点，兼顾了运动范围和精度。

优选的，所述光纤光栅加速度传感器的基体采用钛合金材料进行加工制作，大大减轻传感器重量，避免增加船舶额外荷载。

优选的，所述光纤光栅加速度传感器的光栅距离为5mm来进行制作，可以起到增敏的作用。

一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测方法，具体包括以下步骤：

S1、两路新型柔性铰链的光纤光栅加速度传感器分别用于测量波浪抨击载荷和船舶加速度；

S2、一路十二芯带状光的纤光栅应变传感器安装于舷侧加筋板，用于测量海水压力对舷侧的应力作用；

一路十二芯带状的光纤光栅应变传感器安装于横舱壁，用于监测舱壁的内应力；

一路十二芯带状的光纤光栅应变传感器安装于局部开口部位，用于测量局部应力集中产生的损伤等；

S3、针对每一路光纤光栅加速度传感器，串接8个加速度传感器；针对每一路带状的光纤光栅应变传感器，每隔1m刻写一个光栅，所以每一路刻写8个光栅，同时在带状应变传感器后串接一个光纤光栅温度传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统及方法，本发明主要是针对船舶结构应变、应力、加速度及结构损伤进行健康监测，对舷侧加筋板、横舱壁、局部开口部位展开监测。

光纤传感技术具有本征防爆与抗电磁干扰的特性，本系统将光纤光栅应变传感器和光纤光栅加速度传感器串联在一起进行组网，以实现远距离分布式在线监测。

本发明使用的十二芯带状光纤光栅应变传感器首先在结构上区别于传统的光纤光栅传感器，它是采用十二芯带状光纤光栅应变传感器，其中中间一根光纤定制化刻写光栅，本专利一根带状传感器刻写八个光栅，每个光栅的距离为1m，然后和其他十一根无光栅的光纤通过UV固化胶进行固化而成的新型传感器。该带状光纤光栅应变传感器不仅结合了普通单芯光纤光栅应变传感器抗电磁干扰、长距离传输信号、耐腐蚀耐高温的优点，还避免了易脆易折断的缺点，具有结构强度高、合并光纤数量灵活、体积小等特点，可做到轻型化、操作简单化。

本发明使用的十二芯带状光纤光栅应变传感器中十二根光纤的涂覆层采用的是聚酰亚胺，可以大幅度提高整个传感器的耐用性。

发明使用的新型柔性铰链光纤光栅加速传感器，通过对圆弧柔性铰链的结构优化，将椭圆铰链结构引入到了高量程FBG加速度传感器中，构建了基于椭圆铰链的FBG加速度传感器的设计理论与工艺技术，获得较优异的传感器性能。

针对本发明使用的新型柔性铰链光纤光栅加速传感器，整个传感器基体采用钛合金材料进行加工制作，大大减轻传感器重量，避免增加船舶额外荷载。

附图说明

图1为本发明多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统示意图；

图2为本发明光纤光栅应变传感器结构示意图；

图3为本发明光纤光栅应变传感器剖面图；

图4为本发明光纤光栅加速度传感器实物图；

图5为本发明光纤光栅加速度传感器封装图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，实施例如下：

一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统，包括：12芯带状的光纤光栅应变传感器、柔性铰链的光纤光栅加速度传感器、作为温度补偿的光纤光栅温度传感器、光纤光栅解调仪、数据处理模块和健康检测评估系统，所述光纤光栅应变传感器、光纤光栅加速度传感器和光纤光栅温度传感器通过接线盒分别连接于光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪连接于数据处理模块，所述数据处理模块连接于健康检测评估系统，所述健康检测评估系统主要的监测内容包括船体变形监测、船体特性监测、船体局部特性监测、船体外载荷监测。

光纤光栅解调仪，用于获取数据并进行解调；

数据模块，与所述光纤光栅解调仪连接，用于存储和管理光纤光栅解调仪输出的解调后的传感器数据；

健康检测评估系统，其主要功能是根据数据模块得到的测点实时的监测数据，经过损伤识别系统进行处理，判断结构是否发生损伤，以及损伤的位置和程度，进一步对结构健康状况作出评估，若结构发生异常，则发出预警信号。

在监测对象测点较多的情况下，传统的单模光纤光栅应变传感器熔接点多，大大增加了时间成本和经济成本。

进一步地，该系统全部采用十二芯带状光纤光栅应变传感器，所有十二根光纤表面采用聚酰亚胺涂覆层，可大大提高带状传感器的耐用性和可靠性。针对刻栅位置，其中中间一根光纤定制化刻写光栅，每隔1m刻写一个光栅，所以每一个新型带状传感器刻写8个光栅，然后和其他九根无光栅的光纤通过UV固化胶进行固化而成的新型传感器。该带状光纤光栅应变传感器不仅结合了普通单芯光纤光栅应变传感器抗电磁干扰、长距离传输信号、耐腐蚀耐高温的优点，还避免了易脆易折断的缺点。

进一步地，针对本发明使用的新型柔性铰链光纤光栅加速传感器，通过对圆弧柔性铰链的结构优化，将椭圆铰链结构引入到了高量程FBG加速度传感器中，构建了基于椭圆铰链的FBG加速度传感器的设计理论与工艺技术，获得较优异的传感器性能。

进一步地，针对本发明使用的新型柔性铰链光纤光栅加速传感器，整个传感器基体采用钛合金材料进行加工制作，大大减轻传感器重量，避免增加船舶额外荷载。

进一步地，所述的光纤光栅温度补偿传感器，在每一路带状应变传感器后串接一个光纤光栅温度传感器，且处于松弛状态，使其在船舶工作中不受应力和振动影响，通过粘结剂将两端固定在船体表面，光栅部分悬空，该传感器只受工作时温度的影响，从而剔除工作时温度对该系统的影响。

进一步地，本次实验采用的解调仪光纤光栅解调仪为高速光纤光栅解调仪，具有高解调速度、高稳定性、高可靠性等特点，系统分辨率达到1pm，典型误差为±1pm，最大误差小于±2pm，用于同时解调8路光信号，波长扫描范围为50nm。针对单模光纤光栅加速度传感器可以实现最高2000Hz频率。将光纤光栅传感器的反射光波进行波分复用，使不同波长的光栅传感阵列反射光谱在在波长域分离，并将其转换为电信号，最终通过硬件及软件进行数字化解调。

进一步地，光纤传感器采用波分复用的方式连到同一解调系统，便于对各种不同部位的光纤传感器采集的应变信号和加速度信号进行区分，方便实现数字信号处理系统的简单化。

数据处理模块通过信号输入端与光纤光栅解调仪的信号输出端连接，用于存储和管理光纤光栅解调仪输出的信号；本发明实施例通过企业级数据库软件MS SQL Sever-2000建立监测数据库，并对储存采集到的数据并提供数据管理、查询、分析。

健康检测评估系统，通过信号输入端与数据处理系统的信号输出端连接，利用数据处理系统存储的数据对被监测的飞机起落架结构建立立体模型，对数据进行应力、应变、加速度等参量的监测并反馈给操作人员。该系统采用C/S和B/S结合的结构，利用3D建模技术，监测船舶结构的实时载荷以及损伤和裂纹、疲劳寿命等健康状态。

一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测方法，具体包括以下步骤：

S1、两路新型柔性铰链的光纤光栅加速度传感器分别用于测量波浪抨击载荷和船舶加速度；

S2、一路十二芯带状光的纤光栅应变传感器安装于舷侧加筋板，用于测量海水压力对舷侧的应力作用；

一路十二芯带状的光纤光栅应变传感器安装于横舱壁，用于监测舱壁的内应力；

一路十二芯带状的光纤光栅应变传感器安装于局部开口部位，用于测量局部应力集中产生的损伤等；

S3、针对每一路光纤光栅加速度传感器，串接8个加速度传感器；针对每一路带状的光纤光栅应变传感器，每隔1m刻写一个光栅，所以每一路刻写8个光栅，同时在带状应变传感器后串接一个光纤光栅温度传感器。

针对本发明使用的新型柔性铰链光纤光栅加速传感器，通过对圆弧柔性铰链的结构优化，将椭圆铰链结构引入到了高量程FBG加速度传感器中，构建了基于椭圆铰链的FBG加速度传感器的设计理论与工艺技术，获得较优异的传感器性能。

针对本实施例中，根据光纤光栅传感器在船舶上测得的数据，判断起结构损伤状态，是否到达使用寿命，以便于防止安全事故的发生。针对光纤光栅加速度传感器，记录每个测点安置的传感器空载状态下初始波长λ₁，实时监测的传感器读取的波长值为λ₂，所以测点加速度大小为

k为光纤光栅加速度传感器的灵敏度。针对光纤光栅应变传感器，首先在实验室标定测得应变灵敏度系数k′,温度灵敏度系数为k″，记录应变传感器空载状态下的初始波长λ₃，温度传感器初始波长为λ₄，实时监测的应变传感器读取的波长值为λ₅，实时监测温度传感器波长值为λ₆，所以该测点的应变大小为

即可求得该点应变值大小。由此可计算出出光纤光栅传感器在船舶结构上实时输出的载荷数据。

数据处理模块，与所述光纤光栅解调仪连接，用于存储和管理光纤光栅解调仪输出的解调后的传感器数据；

健康检测评估系统，用于根据解调后的传感器数据计算各个测量部位所受应力、应变及其加速度，并和船舶结构参数建立相关性联系，并结合材料疲劳性能σ-N曲线，估算不同结构的剩余寿命，同时判断结构是否发生损伤，以及损伤的位置和程度，进一步对结构健康状况作出评估，若结构发生异常，则发出预警信号。

图4为本发明光纤光栅加速度传感器实物图，图中：1-质量块,2-柔性铰链,3-光纤光栅，4-基座，所设计的传感器为单自由度传感器，如图4中坐标系所示，y方向为传感器敏感方向，x、z方向为非敏感方向。FBG放置在基座和质量块顶部的光纤沟槽内，两端通过胶粘剂固定，并保证FBG有一定拉伸量。传感器通过基座固定到待测物体表面，在静态情况下，FBG中心波长保持不变，当受到外界激励时，质量块在惯性力的作用下绕铰链中心相对于基座作微幅转动，带动FBG伸长或压缩，从而导致FBG中心波长漂移。

综上所述，与现有技术相比，本发明主要是针对船舶结构应变、应力、加速度及结构损伤进行健康监测，对舷侧加筋板、横舱壁、局部开口部位展开监测。

光纤传感技术具有本征防爆与抗电磁干扰的特性，本系统将光纤光栅应变传感器和光纤光栅加速度传感器串联在一起进行组网，以实现远距离分布式在线监测。

本发明使用的十二芯带状光纤光栅应变传感器首先在结构上区别于传统的光纤光栅传感器，它是采用十二芯带状光纤光栅应变传感器，其中中间一根光纤定制化刻写光栅，本专利一根带状传感器刻写八个光栅，每个光栅的距离为1m，然后和其他十一根无光栅的光纤通过UV固化胶进行固化而成的新型传感器。该带状光纤光栅应变传感器不仅结合了普通单芯光纤光栅应变传感器抗电磁干扰、长距离传输信号、耐腐蚀耐高温的优点，还避免了易脆易折断的缺点，具有结构强度高、合并光纤数量灵活、体积小等特点，可做到轻型化、操作简单化。

本发明使用的十二芯带状光纤光栅应变传感器中十二根光纤的涂覆层采用的是聚酰亚胺，可以大幅度提高整个传感器的耐用性。

发明使用的新型柔性铰链光纤光栅加速传感器，通过对圆弧柔性铰链的结构优化，将椭圆铰链结构引入到了高量程FBG加速度传感器中，构建了基于椭圆铰链的FBG加速度传感器的设计理论与工艺技术，获得较优异的传感器性能。

针对本发明使用的新型柔性铰链光纤光栅加速传感器，整个传感器基体采用钛合金材料进行加工制作，大大减轻传感器重量，避免增加船舶额外荷载。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统，包括：12芯带状的光纤光栅应变传感器、柔性铰链的光纤光栅加速度传感器、作为温度补偿的光纤光栅温度传感器、光纤光栅解调仪、数据处理模块和健康检测评估系统，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器、光纤光栅加速度传感器和光纤光栅温度传感器通过接线盒分别连接于光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪连接于数据处理模块，所述数据处理模块连接于健康检测评估系统，所述健康检测评估系统主要的监测内容包括船体变形监测、船体特性监测、船体局部特性监测、船体外载荷监测。

2.根据权利要求1所述的一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器是将十二根光纤按照一定间距平行放置，不允许交叉，各个光纤互相平行共面，然后使用UV紫外固化材料对光纤进行涂敷，使用紫外固化灯进行固化，其中一根光纤可以根据实际测量距离进行刻写光栅距离。

3.根据权利要求2所述的一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统，其特征在于：十二根光纤的涂覆层采用特殊的涂覆层，即聚酰亚胺涂覆层，可大大增加新型传感器的耐高温强度和拉伸强度，增大传感器的寿命和可靠性。

4.根据权利要求1所述的一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器采用阵列光栅，大大减少单栅融合点和操作难度，有效降低时间成本，而且该光纤光栅应变传感器结合带状光缆自身结构强度高、体积小、安装难度小等特点，极大提高普及该传感器在项目工程在的应用。

5.根据权利要求1所述的一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统，其特征在于：所述光纤光栅温度传感器处于松弛状态并通过粘结剂将两端固定在船体表面，光栅部分悬空，使其在船舶工作中不受应力和振动影响，所述光纤光栅温度传感器只受工作时温度的影响，从而剔除工作时温度对该系统的影响。

6.根据权利要求1所述的一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统，其特征在于：所述光纤光栅加速度传感器采用新型的椭圆柔性铰链，椭圆柔性铰链相比于直圆柔性铰链，本质上是对铰链参数的进一步细化，将半径细分为椭圆长半轴和短半轴，不仅具有直圆铰链无机械摩擦、无磨损、易于加工等优点，而且克服了直圆铰链运动范围小的缺点，兼顾了运动范围和精度。

7.根据权利要求1所述的一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统，其特征在于：所述光纤光栅加速度传感器的基体采用钛合金材料进行加工制作，大大减轻传感器重量，避免增加船舶额外荷载。

8.根据权利要求1所述的一种多参量光纤传感船舶结构实时健康监测系统，其特征在于：所述光纤光栅加速度传感器的光栅距离为5mm来进行制作，可以起到增敏的作用。

9.一种权利要求1所述的多参量光纤传感船舶结构实时健康监测方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1、两路新型柔性铰链的光纤光栅加速度传感器分别用于测量波浪抨击载荷和船舶加速度；

S2、一路十二芯带状光的纤光栅应变传感器安装于舷侧加筋板，用于测量海水压力对舷侧的应力作用；

一路十二芯带状的光纤光栅应变传感器安装于横舱壁，用于监测舱壁的内应力；

一路十二芯带状的光纤光栅应变传感器安装于局部开口部位，用于测量局部应力集中产生的损伤等；

S3、针对每一路光纤光栅加速度传感器，串接8个加速度传感器；针对每一路带状的光纤光栅应变传感器，每隔1m刻写一个光栅，所以每一路刻写8个光栅，同时在带状应变传感器后串接一个光纤光栅温度传感器。

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