光纖光柵應力監(jiān)測技術(shù)在船上的應用

朱云翔 冒如權(quán) 范井峰

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設計研究軍事代表室 上海 200011）

對船舶結(jié)構(gòu)應力應變狀態(tài)進行長期實時監(jiān)測，對于研究和設計部門掌握船體結(jié)構(gòu)在波浪中的響應資料，使用部門及時了解船體結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)具有重要意義。本文介紹了應用FBG 傳感器在一艘新開發(fā)的三體船上進行力應變狀態(tài)長期實時監(jiān)測的有關(guān)情況。

1 光纖光柵傳感技術(shù)在船舶領域的應用現(xiàn)狀

自從美國的Morey 等人［1］首次對光纖光柵（FBG）傳感器的應變與溫度傳感進行研究以來，世界各國都對其十分關(guān)注并開展了廣泛的應用研究，取得了豐碩的成果，目前已被廣泛應用到土木工程、大型鋼結(jié)構(gòu)、航空航天、電力、石化、醫(yī)學、核工業(yè)等諸多領域，在船舶領域也不乏很多應用實例。

我國在20世紀70年代末就開始了FBG 傳感器的研究，其起步時間與國際相差不遠。目前已有多個單位在這一領域開展工作，在FBG 溫度、應變、壓力、流量、液位、電流、位移等測量領域進行了大量的研究，取得了多項科研成果［4］。在工程應用方面主要集中在橋梁、建筑等土木領域，如奧運會主會場鳥巢工程、五棵松奧運會籃球館工程、中央電視臺新臺址工程結(jié)構(gòu)等健康監(jiān)測，而該技術(shù)在船舶領域中的應用還在開發(fā)中。

2 光纖光柵應變傳感原理

FBG 傳感是根據(jù)Bragg 波長的變化來感知外界溫度、應變等物理量的變化［5］。由光纖光耦合理論可知，當寬帶光入射到FBG 時，滿足Bragg條件的光將被反射，在反向形成一個反射峰（見圖1），其中心反射波長λB由光柵參數(shù)決定。

圖1 FBG 原理圖

式中：ne是光纖纖心對自由空間中心波長的折射率；Λ 是FBG 的柵距。

當外界溫度、應變、壓力等物理參數(shù)變化時，會使FBG 的柵距Λ 和有效折射率ne產(chǎn)生變化，從而使λB產(chǎn)生漂移，其漂移量ΔλB可表示為式（2），通過探測ΔλB，便可以獲得相應的溫度、應變和壓力等信息。

假設光柵僅受軸向應力作用，溫度場和均勻場保持恒定，軸向應變εz會引起光柵柵距的變化。

有效折射率的變化可以由彈光系數(shù)矩陣Pij，應變張量矩陣εj表示

沿z方向傳播的光波所感受到的折射率變化為

應制定針對博物館公示語的譯寫規(guī)范。《公共服務領域英文譯寫規(guī)范》共有10個部分，涵蓋交通、旅游、文化、娛樂、體育、教育、醫(yī)療、衛(wèi)生、餐飲等13個服務領域共3700余條公示語的推薦譯文，但其中的博物館公示語非常有限。筆者呼吁盡快建立博物館公示語譯寫規(guī)范以助推中華歷史文化走出去，并促進更多領域的中國文化走向世界。

若沿光纖軸向施加拉力F，則引起的Bragg波長的變化為

式中：E 為光纖的彈性模量；S 為光纖的橫截面積。

加速度、超聲波、應力等物理參數(shù)都可以轉(zhuǎn)化為應變來測量，所以在測量這些參數(shù)時以上公式仍適用。

當傳感溫度改變時，溫度引起的FGB波長漂移為

式中：α為光纖的熱膨脹系數(shù)；ξ 為熱光系數(shù)；ΔT為溫度變化。

由于FBG 傳感器中心波長對應變和溫度都很敏感，因此必須解決其交叉敏感問題［6－7］。

3 光纖光柵應力監(jiān)測系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)組成與功能

光纖光柵應力監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理顯示箱、FBG 傳感器裝置（包含應力傳感器和溫度傳感器）、傳輸光纜等部件組成（見圖2）。可對15 個測點應變進行實時測量，并實時儲存測量結(jié)果，在人機界面上顯示測量點的數(shù)據(jù)和圖形，并能對所采數(shù)據(jù)進行時域和頻域分析。

圖2 FBG 監(jiān)測系統(tǒng)圖

由于外界的溫度和應力變化都能引起FBG波長漂移，所以本系統(tǒng)中，為了能正確地測量出對應點的應力變化，在每個點增加一個測量溫度的光纖光柵傳感器，其中σa51和σa52在同一位置，共用1個溫度傳感器。

3.2 光源

寬帶熒光源是FBG 傳感系統(tǒng)的核心部件之一。高功率、高平坦、高穩(wěn)定性的寬帶熒光源可以降低解調(diào)系統(tǒng)的難度，便于進行數(shù)據(jù)處理，提高傳感系統(tǒng)的復用能力，增加信號傳輸?shù)木嚯x。本系統(tǒng)采用C 波段摻鉺光纖ASE 光源，該波長范圍就是普通光纖通信波長范圍，便于利用現(xiàn)有的通信光纜進行信號傳輸和放大。

此外，對各種結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖超熒光光源進行比較可知，單程后向結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單并且不容易形成激光而被廣泛采用，但是這種結(jié)構(gòu)光源的輸出帶寬相對較窄；雙程結(jié)構(gòu)的光源可以得到更高的輸出功率和更好的波長穩(wěn)定性，但是為了得到寬帶輸出需要設計復雜的濾波器；單程前向結(jié)構(gòu)的光源在帶寬較寬時輸出功率很小，因而一般不被采用。最近提出的一種雙級后向輸出的光源，同時具有很高的輸出功率和較寬的光譜帶寬——前向抽運雙級雙程結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖超熒光光源，其優(yōu)點在于在較小的抽運功率下，可以在保持高穩(wěn)定性的情況下同時獲得大功率、寬光譜的ASE輸出。

本系統(tǒng)采用雙級雙程結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高功率C 波段寬帶ASE光源。寬帶光源的帶寬40nm，功率10mW，增益高平坦度、不平坦度為±1dB，性能穩(wěn)定。

3.3 解調(diào)系統(tǒng)

目前國內(nèi)的FBG 傳感器在應用上多限于大型土木工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測等方面，即對動態(tài)信號的監(jiān)測限于低速動態(tài)信號。為了提高其對更高頻率的動態(tài)信號的監(jiān)測能力，例如艦船上的大型渦輪機工作時所引起底座及相關(guān)設備達100 Hz以上的振動，需要采用高速解調(diào)系統(tǒng)（見圖3）。其中，高速解調(diào)部分包括可調(diào)諧F－P 濾波器、鋸齒波發(fā)生器、TEC 溫度控制、PIN 光電探測器和1×16光開關(guān)5個部分。

圖3 FBG 解調(diào)系統(tǒng)圖

3.4 傳感器封裝

采用FBG 技術(shù)測量船體結(jié)構(gòu)應變和溫度，合理、恰當?shù)姆庋b是必要的，不但需要考慮對傳感器裝置的防護，還要避免傳感器裝置本身對測量點的結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生影響。為此對傳感器裝置的結(jié)構(gòu)做了精心設計，把傳統(tǒng)的傳感器裝置的結(jié)構(gòu)分成2個部分，可分別與結(jié)構(gòu)進行焊接，焊接部位與測量點有足夠的間距，防護罩不與船體結(jié)構(gòu)接觸，這樣既能準確測量應力變化，又能避免傳感器裝置的本體結(jié)構(gòu)對被測量點測量結(jié)果的影響。

3.5 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

圖4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)圖

3.6 測量精度

本系統(tǒng)所用寬帶光源波長范圍1525～1565 nm，波長分辨率1pm，精度±5pm（對應±4×10－6），測量范圍±5 000pm（對應±4000×10－6）。

4 結(jié)語

應用FBG 傳感器監(jiān)測船體結(jié)構(gòu)應力在國內(nèi)剛剛起步，本文介紹的FBG 應力監(jiān)測系統(tǒng)已在一艘最新開發(fā)的三體船上安裝使用，至今已經(jīng)穩(wěn)定運行超過1年。該系統(tǒng)目前使用的FBG 傳感器只能測量單向應變，下一步將考慮可測量多向應變的FBG 傳感器封裝，完善可直接為操船提供指導實時數(shù)據(jù)分析的功能，同時在船上開展FBG 傳感器監(jiān)測與電阻應變測量的對比分析工作。

［1］MOREY W W，BALL G A.Fiber Bragg grating technology［G］.Conference：Lasers and Electro－Optics Society，IEEE LEOS Annual Meeting－PHO，1996.

［2］TODD M，SEAVER M.The use of a High－Performance Fiber Optic Measurement System in Structural Damage Assessement［R］.SPIE Smart Structures／NDE 4694，San Diego，California，March 17－21，2002

［3］KARIANNE P，GREGG J.Instrumentation of a High－Speed Surface Effect Ship for Structural Re－sponse Characterisation During Seatrials［R］.bNaval Research Laboratory，Code 5673，Washington，DC 20357USA.2002.

［4］余有龍，譚華耀，鍾永康.基于干涉解調(diào)技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)［J］.光學學 報2011，21（8）：987－989.

［5］劉盛春，陳向飛.光纖光柵技術(shù)與應用專題講座［J］.軍事通信技術(shù)，2009，30（1）：94－100.

［6］張小偉，寧提綱.光纖光柵傳感器交叉敏感問題的研究［J］.光纖與電纜及其應用技術(shù)，2007（4）：1－4.

［7］黃 銳.一種同時測量溫度和應變的光纖光柵傳感器［J］.中國激光，2005，32（2）：232－235.