用FBG技術進行船體結構長期監測

[摘要]對FBG技術的結構測試原理和應用于實船監測的關鍵技術進行了探討，指出將FBG技術應用于艦船安全監測時，一定要研究出適于目標艦船的“基于測試應變評估結構安全狀態的數學模型、FBG傳感器測點位置設計和大量傳感器的組網技術”。

[關鍵詞]FBG技術；船體結構；監測

1.引言

目前，對船體結構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，使得測試船體結構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完成。對船體結構監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。

FBG傳感器具有無零點漂移、耐腐蝕、抗電磁干擾、靈敏度高、質輕、體積小等諸多優點[2]，能克服傳統的電阻應變片的弱點，可以滿足對船體結構進行長期監測的需要。本文對其測試原理、應用范圍和關鍵技術進行探討，以期提高該技術在我國造船領域的應用水平。

2.FBG技術及其應用概況

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鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化），在纖芯內形成空間相位光柵，其作用實質上是在纖芯內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 ）在光柵處發生反射后會再返回到原來的方向。

圖4.1 光纖光柵濾波示意圖

Fig.4.1 Sketch of the filtering effect of biber grating

FBG技術是以光波為載體，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。與傳統的基于電類傳感器的測試技術相比，FBG技術具有一系列獨特的優點：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，在建筑、航空航天等領域已經有了很多應用。

2002年，Systems PlanningAnalysis，Inc與美國海軍海上作戰中心、英國防衛技術實驗室合作，在一艘英國皇家海軍三體船上安裝了包含51個FBG傳感器的結構健康監測系統[3]。Systems PlanningAnalysis，Inc還利用97個FBG傳感器組網，對一條有人駕駛的水下航行器進行靜水壓力的試驗，數據采集裝置位于水面上，測試數據通過2000英尺的光纖傳輸[4]。

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

3.結構測試原理

光纖光柵傳感器采用波長編碼，因此能被光纖光柵感知的物理量一定能引起其FBG波長的變化。 （1）

式中為FBG傳感器反射波長，neff為光柵的有效折射率（折射率調制幅度大小的平均效應），為光柵條紋周期（折射率調制的空間周期）。以上為折射率調制期為均勻的情況，式（1）式微分形式為 （2）

可見能引起折射率或柵格間距發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構表面，結構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生改變，另一方面，彈光效應使光纖光柵有效折射率發生變化，兩者分別為

式中，Pe為有效彈光系數，為考察點處的軸向應變，和neff構成對光纖光柵格柵間光程的總貢獻。記絕對漂移量為，溫度不變時，將式（3）、（4）代入式（2），應力引起光纖光柵反射中心波長的相對漂移量為 （5）

其中Pe為有效彈光系數。

溫度作用于FBG傳感器時，一方面由于熱脹效應使得光纖光柵伸長而改變其光柵常數；另一方面熱光效應使得光柵區域的折射率發生變化。一定溫度范圍內兩者均與溫度的變化量成正比，可分別表示為

其中a為光纖材料的膨脹系數，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.應用于船體結構監測中的關鍵技術

FBG傳感器是一根易折斷的光纖，將其安裝在船體結構上時，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構有改變測試點處船體結構變形性能的效應，該效應會使傳感值與實際結構值有失真現象，必須研究安全監測傳感裝置本體結構對船體結構作用效應，以便于準確評估結構的安全狀態，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構的應變信息。船體結構中的安全性能指標與應變信息之間的聯系并不簡單，實際上是非常著復雜的，應研究基于測試應變評估結構安全狀態的數學模型、FBG傳感器測點位置設計和大量傳感器的組網技術。

基于測試應變評估結構安全狀態的數學模型、FBG傳感器測點位置設計和大量傳感器的組網技術是保證FBG技術成功應用于船體結構監測的關鍵技術，突破這些關鍵技術的理論基礎是艦船結構力學、艦船結構強度與振動、艦船總體設計理論，需要艦船結構設計領域、艦船建造領域技術工作者的努力。

5.結束語

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

參考文獻

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

[2]李宏男，任亮.結構健康監測光纖光柵傳感技術[M].北京：中國建筑工業出版社，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象研究[J].中國艦船研究，2010，5（5）：72-76.