适用于船体结构健康监测的FBG传感器应用研究

1、分类号 密 级 学校代码 劣海理歹大署 学 位 论 文题 目 ！煎！ 旦！盟鱼地趔曼垒！鱼丛坠煎煎坠研究生姓名 廑室 教授指导教师 单位名称童这墨三盘堂塞通堂堕 申请学位级别亟±学科专业名称整堑刍鲞叠丝捡堑煎盐劐堡论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位峦婆堡三盘堂 学位授予日期答辩委员会主席 盔三竺 评阅人 弓景畏已 年月 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同

2、志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 盟日作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 期：塑房：！万 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 研矧四：廑憾新（四嘲日妙 武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 船舶作为国际贸易往来

3、的主要运输工具，航行环境复杂而又恶劣，长期承受海浪冲击和海水腐蚀。这将导致船体结构的抗力强度减弱，从而影响船体结构的安全、货物的运输，甚至威胁到人的生命安全。 应变作为反映船体材料和船体结构力学特征的重要参数之一，从材料和结构中的应变分布情况能够得到船体主要构件的强度储备信息，确定船体构件局部位置的应力集中以及船体构件所承受的实际载荷状况。早在年月， （海上安全委员会）就曾推荐安装船体应力监测系统，以提高货船的安全性能。 光纤光栅传感器以波长为编码，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、复用能力强、灵敏度高等优点，用于船体结构健康监测具有传统传感器无法比拟的优势。 本文通过对船舶基本结构特点、船体结构的受力

4、特点分析，依据传感器的设计准则，利用光纤光栅的复用技术，设计了一种带温度补偿的光纤光栅应变花传感器，并从理论、数值仿真和试验几个方面进行了研究。 首先，依据传感器的设计原则，设计了适用于测量或监测船体结构平面应力应变状态的光纤光栅应变花传感器，并选择相邻光栅法来消除温度变化对应变测量的影响。 其次，选择钛合金作为基底材料，选择双组分的环氧树脂胶作为胶黏剂；并利用 软件，建立了光纤光栅应变花传感器的应变传递效率模型，分析了基底材料的尺寸对传递效率的影响，并优选出光纤光栅应变花传感器的最佳尺寸和形式。 最后，对光纤光栅应变花传感器进行了理论分析和试验研究。理论分析主要包括平面应力应变状态分析、温度

5、补偿分析和横向效应修正分析，试验研究包括应变标定试验、温度补偿验证试验与疲劳特性试验。研究发现，传感器具有良好的轴向线性度、灵敏度、回复性以及长期稳定性；对于应变花传感器，考虑温度补偿与横向效应是必要的，相邻光栅法进行温度补偿方式是有效的。由此证明，该传感器适合船体结构的长期健康监测。关键词：船体结构，健康监测，光纤光栅传感器，应变花 武汉理工大学硕士学位论文 ， ， ， ， ， 】， ，（ ） ， ， · ， ，曲 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 武汉理工大学硕士学位论文 ， ， ， ， ； ， ： ， ， ， 武汉理工大学硕士学位论文 目 录第章绪论。 选题背

6、景 国内外研究现状 船体结构健康监测研究现状 光纤光栅应变传感器研究现状 本文的主要工作第章适用于船体结构健康监测的传感器的优选 船体结构的失效模式 船体结构的基本特点 船体结构的受力分析 船体结构失效模式分析 船体结构对健康监测的要求 几种常用应变传感器的优选 电阻式应变传感器 压阻式应变传感器 振弦式应变传感器 光纤光栅应变传感器 适用于船体结构健康监测的传感器的优选 本章小结?玻傅冢痴率视糜诖褰峁菇】导嗖獾模疲拢谴衅魃杓啤玻?光纤光栅传感器设计准则 光纤光栅的复用技术 波分复用系统 空分复用系统 时分复用系统 混合复用系统 应变传感器的温度补偿方法 应变传感器设计 结构特点 武汉理工大学

7、硕士学位论文 基底材料的选择 胶黏剂的选择 外部保护 影响应变传递率的因素分析 本章小结第章应变花传感器应变传感特性的理论分析 应变花传感器的应变特性分析 平面应力应变状态分析 应变花的温度效应修正 应变花的横向效应修正 应变花传感器的有限元仿真分析 有限元模型的建立 数值仿真结果分析 本章小结第章应变花传感器应变传感特性的试验研究 应变花传感器的标定试验 标定方法 标定试验： 传感器的温度补偿验证 传感器的疲劳特性试验 本章小结第章总结与展望。 总结 展望参考文献。致 谢一 武汉理工大学硕士学位论文 第章绪论选题背景 桥梁、海洋工程结构物、船舶、航空航天器、建筑工程等结构复杂，造价高昂，一旦

8、结构损伤积累到一定程度发生意外事故，不仅会导致重大的经济损失，更有可能带来人身安全的伤害。随着人们对大型复杂结构物安全性与可靠性重视程度的不断提升，对其进行长期的健康监测势在必行。船舶尤其是货船作为国际贸易往来的主要运输工具，运营环境复杂而又恶劣，其船体经常承受海浪冲击、海水腐蚀等，长期的冲击以及腐蚀会使船体结构的抗力强度减弱，影响船舶结构的安全、货物的运输，甚至威胁船上工作人员的生命安全。早在年月，（海上安全委员会）就曾推荐安装船体应力监测系统，以提高货船的安全性能。 目前，基于传统电传感器的船体结构健康监测系统，国内外均进行了较深入的研究，并研制成功了多种船体应变（应力）状态监测系统。然而

9、电阻类传感器并不适合需要长期监测的场合：寿命较短，在长期循环载荷作用下容易产生应变疲劳、蠕变等，影响测量精度。而光纤光栅传感器以波长为编码，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、复用能力强、灵敏度高等优点，具有传统传感器无法比拟的优势。现如今，光纤光栅传感技术己在工民建、航空航天、轨道交通、生物医药、石油化工等诸多领域得到了广泛运用。 国外在运用光纤光栅传感技术对船体结构进行实时状态监测方面已经进行了较为广泛系统的研究，并取得了一定的成果，但由于涉及商业秘密等很少有详细的技术报道。而国内在该领域的研?恳廊淮谄鸩浇锥危喙匮芯砍晒视斜馈渥魑从炒宀牧虾痛褰峁沽卣鞯闹匾问唬硬牧虾徒峁怪械挠浞植记榭瞿芄坏玫酱逯饕辜那

10、慷却感畔范ù骞辜植课恢玫挠幸约按骞辜惺艿氖导试睾勺纯觥虼耍宰魑诠庀耍拢颍幔纾绻庹屑际醯拇褰峁菇】导嗖庀低持兄匾槌刹糠种坏墓庀耍拢颍幔纾绻庹浯衅鹘杏醚芯浚唤鼍哂幸欢木眉壑担哂蟹浅匾南质狄庖濉?武汉理工大学硕士学位论文国内外研究现状船体结构健康监测研究现状 结构健康监测（ ，）技术是上世纪八十年代后期形成的一门交叉学科技术，在近二十多年获得了快速发展，是集结构监测、系统辨识和结构评估于一体的综合监测技术。它是通过利用各类传感器对结构的物理力学性能等进行采集，然后利用事先设计好的算法对采集数据进行处理，来预测结构的各种响应，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对结构的服

11、役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行评估，为结构在突发事件下或使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导，从而形成一种适合结构安全运行和评定的监测系统。 力计 图 系统示意图 船体结构的健康状态监测主要是对关键部位的结构应力状态进行监测。早在年，等人就开始了船舶结构健康监测的研究工作【圳，他们基于概率方法开发出了一套船体监测系统，并在一艘（液化天然气船）上进行了试验，由于受当时计算机技术和电阻类传感技术的限制，该套系统并没有取得成功。此后，很多企业和研究单位相继研制了一系列船舶结构健康监测系统。英国怀特岛工程服务公司提开发了一套 系统，用于大型船舶的应力监测。该

12、系统能提供船体在装卸货物、航行等过程中的实时纵向弯矩，该系统符合英国劳氏船级社和美国船级社的技术标准。如图所示，该系统主要安装了个长型基准应变计、一个船首加速度计、一个船首压力计、 武汉理工大学硕士学位论文齐纳防爆栅单元、信号存储单元、显示单元、不间断供电系统和一个打印系统。船舶操作人员可以通过该系统及时获取船体结构的状态信息。 等人研究了一套无线传感器用于强电磁干扰环境的舰艇甲板监测系统，即系统【。为了评估系统监测应变的可靠性，将两个无线传感器安置在船体桅杆结构上，而船体的桅杆结构是船舶高频干扰最为强烈的地方。整个监测系统随船舶在激烈的海上进行了航行测试，实验证实无线传感器具有高精度、高可靠

13、性，能抵抗各种电磁干扰。 上海海事大学的学者金永兴和胡雄等人【】于年月成功研制了（集装箱船船舶结构状态监测和评估系统），并安装在万吨级集装箱船 “育峰”轮上，如图所示。该系统在船体关键位置安装了电阻式应变传感器和振动传感器，并在船首尾安装了波浪图像传感器，通过实际航行测试取得了理想的使用效果。 图 系统示意图 上述船体结构监测系统均以传统的电传感器为基本传感器。意大利的公司与 公司共同开发的系统、英国 公司也各自开发了与此类似的船体应力监测系统等。 这类以电传感器为基础的监测系统不仅容易受电磁干扰，也不容易形成较大规模的传感网络，此外监测网络的布线也很繁琐。同时，由于采用的是电阻应变传感器，需

14、要定期对监测系统进行检查。因此，寻找合适的新型监测传感器，组建传感监测网络，实现更为全面的船舶结构状态监测，一直是船舶结构健康监测领域研究的关键问题之一。 随着光纤传感技术的出现，特别是光纤光栅传感器制作工艺的成熟和基础理论的研究，其独特的优势如抗电磁干扰、耐腐蚀能力强、易于组建大型的传感网络等，为船舶结构健康监测提供了新的技术途径。 （ ）在给美国 武汉理工大学硕士学位论文海军的一份报告中对光纤传感系统在船舶制造和船上监测中的应用作了全面的评价。该机构认为光纤传感技术能够为现代船舶的操作提供瞬时的和丰富的传感信息，进而通过提供船舶操作人员所需要的早期危险报警和损伤评估来保证船舶的安全；报告中

15、提出的四个任务之一就是的应用开发。已经在大学成功研制出了用于船舶损伤监测的大规模光纤光栅传感系统。 等人【】于 年将光纤光栅应用于双体船模型的实验中。光纤光栅传感器主要用于测量双体船模型中央的弯矩以及甲板的冲击载荷，如图所示。两光纤光栅传感器安装于船模型中央位置点的不锈钢梁的顶部与底部，测量船体的弯矩，同时在点的每个横向弹簧上安装了应变片式的力传感器，验证光纤光栅传感器的性能。在模型前甲板的点处布置三个光纤光栅传感器和一个力传感器用于测量波浪冲击载荷。经过实验证明，光纤光栅传感器能很好的测量船体的弯矩及冲击载荷，与力传感器具有一致性。 譬内情蠹馨 裔蠢匿力钝惑漂 图 双体船模型结构及传感器布置

16、示意图 年，美国海军研究实验室（ ，），开发了船舶或舰艇结构的光纤光栅（）健康监测系统，并对 快艇的内壳和喷水推进器进行实时局部应变监测和整船负载的监测。通过对快艇的有限元计算分析，确定了光纤光栅传感器的布设位置，如图所示，共安装了个光纤光栅传感器。传感器的解调系统针对不同的监测目的选择了基于可调谐滤波器以及基于波分复用（）和相位载波（）的光纤光栅解调系统。 武汉理工大学硕士学位论文 图 巡逻艇及传感器布置示意图 年， 宣布为美国海军开发全光纤舰船传感系统。并于年月宣布完成了针对美国海军世纪水面战舰的项目。 年，在美国海军研究室（ ）的支持下， （）公司开发了一套高速的光纤光栅解调系统 （）。

17、他们与英国国防科技实验室（）进行合作，在英国的（）舰艇上安装了由个传感器构成的系统，用于该舰的结构健康监测；同时也在该 舰艇上安装了电传感器进行比对。经过半个月左右的海上航行测试，证实了光纤光栅传感器用于船体结构健康监测的可行性。 同一年，挪威学者等人【】在两艘战舰上建立了光纤光栅传感网络。该套系统对战舰壳体处位置的应力状态进行监测，并利用有限元法分析壳体的受力模型限制其应力分布，以此增强战舰的安全性，并延长战船的使用寿命。 美国海军水上战争中心【（ ， ）对美国海军的接合标准模驳船系统进行结构监测，在此过程中选用了个通道共个传感器，其中个应变传感器和个温度补偿传感器。 此外，国外也有不少企业研究开发了基于光纤光栅的船舶结构健康监测系统，如挪威的公司、韩国的 以及法国的公司等，但由于涉及商业秘密很少有详细的技术报道。 在国内，当前以传感技术为基础的船体结构健康监测系统的研究成果报道依然不多。年，侯超等人【】针对集装箱船疲劳裂纹和应力集中问题突出的特点，以光纤光栅传感器为应用基础对船舶疲劳裂纹和