光纤传感材料在船舶结构健康监测中的应用

唐旭，朱亚洲，沈中祥，尹群，赵云鹤

(1. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2. 江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212003；3. 中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引 言

随着船舶工业及智能传感材料的发展，智能传感材料与船舶工业的结合是必然的趋势。智能材料应用于工程已有先河，包括物理、化学、电子、航空航天、土木工程等领域的研究都有智能材料的涉足[1]。其中，智能材料在工程应用中的一个最主要作用就是工程的监测[2]。应用的智能材料多种多样，包括压电材料、形状记忆合金、光纤材料等，并且，在工程监测研究也相对成熟。

在船舶监测领域中，智能材料的引入还处于探索阶段，并没有获得相对稳定、良好的应用。船舶与飞行器的运行环境有相似的地方，却更加复杂。智能材料在飞机等飞行器的监测中应用相对成熟，值得借鉴。船舶长期服役在恶劣的海洋环境中，不仅受到各种载荷的交互作用，其结构本身还要受到环境腐蚀等影响[3]，并且在未知的海域环境中，会大大提高船舶失事的风险。为了保证船舶航行的安全，对船舶自身结构的监测以及对航行海域的探测显得尤为重要，希望通过智能材料在船体结构中的应用中，形成包含信息采集、行驶监控、信息反馈、自我诊断以及自我修复等作用的船舶监测系统。

1 材料的种类和选取

1.1 材料的种类

1.1.1 压电材料

压电材料发展的类型主要有单晶、多晶、微晶玻璃、有机高分子、复合材料等[4]。近年来，压电材料向着无铅化、高性能化、薄膜化的方向进发。如今应用广泛的一类压电材料是无铅压电材料。无铅压电材料主要分为压电陶瓷和压电晶体2 类。由于有铅压电材料对环境的有害影响，无铅压电材料受到了人们的关注。与含铅压电材料相比无铅压电材料压电性能太低，压电效应和温度稳定性都无法达到如PZT 陶瓷这类含铅压电材料，无铅压电材料在器件应用上还有很大的差距，医疗和军事上还是以铅基压电陶瓷为主，无铅压电陶瓷的性能还有待提高，所以无铅压电陶瓷材料仍主要应用在大量中端和低端的器件上[5]。对晶体来说，一直向高性能化的单晶体发展，目前国际上生长出的大尺寸高质量的弛豫铁电单晶，它的机电性能高92%，压电性能达2000 PC/N，储能密度约为130 J/kg，几乎高出传统PZT 陶瓷10 倍[6]，但由于生产周期、生产成本、受热不够稳定等影响因素，此类压电单晶体并没有实用化。所以，需要提高如今的工艺水平和制备方法才能获得组分均匀性更好、晶体缺陷更少、晶体性能更优的无铅压电晶体。

还有一类广受关注的压电材料是聚合压电材料和复合压电材料。聚合压电材料就是指压电聚合物，压电聚合物通常是非导电性高分子材料，从本质上讲不包含有可移动电子电荷，但是，在一些特殊情况下，可以改变其中带负电荷的引力中心[7]。压电聚合物主要分为非晶和半结晶这2 类聚合物，压电聚合物最为典型的例子就是聚偏二氟乙烯（PVDF），与压电陶瓷相比，压电聚合物在更小的压电应力常数的情况下，有更高的压电电压常数，并且压电聚合物的质量更轻，韧性更高，有更高的强度和耐冲击性以及对电压的敏感性更高，能够适用于各种极端环境并应用于各种复杂的传感器中。目前，压电聚合物被广泛应用于传感和驱动装置中，包括超声波、医疗器械、水听器、声电换能器等领域。而压电复合材料是指压电聚合物与其他压电材料复合成的材料，如PVDF 基、尼龙基、环氧树脂基、有机硅聚合物基压电复合材料等[8]，压电复合物是迄今为止压电材料发展的一个高地，其兼具高分子材料的韧性、易加工性、高机械性和无机压电材料的较好的压电性能，压电复合材料是压电材料发展的必然趋势。

1.1.2 形状记忆合金

形状记忆合金（SMA）是具有形状记忆效应（SME）、超弹性（SE）和高阻尼性的功能材料[9]。此类合金材料对温度变化感知敏感，是热能向机械能转换的介质，达到对外输出做功、产生位移、储存释放能量的作用。形状记忆合金主要包括普通SMA、高温SMA、磁性SMA、复合SMA 等，其中普通SMA 有Ni-Ti 基、Cu 基、Fe 基、Ag 基、Au 基、Co 基SMA 等多种类，应用最广的还是Ni-Ti 基SMA，虽然它的性能较好，但是由于相变温度低、对外感知不够敏感的问题，限制了其在一些领域的应用发展。所以，人们又从Ni-Ti 基SMA 的基础上发展出了Ni-Ti-Y（Y=Hf，Pd，Pt，Au）合金[10]，使形状记忆合金在高温的情况下，仍然能有很好的反应性能，但是其问题在于它的塑性和抗疲劳性能较差，制作成本也高，高温SMA 的研究还有待发展。磁性SMA 是通过感知磁场变化驱动的形状记忆合金，其应变速率较快，且兼具很好的应变性能，传输频率也比普通SMA 更高，但应用场合局限，仅适用于低温环境，成形难度大，并未得到广泛使用。复合SMA 是将Ti-Ni 合金丝置于铝合金、镁合金和高分子等材料中，使复合材料具有升温自增强、抑制裂纹扩展、减振降噪等智能属性[11]，这样的结合产生了具有主动探测和控制裂纹扩展的智能复合构件。总体而言，形状记忆合金具有传感和驱动2 种优点，而且，其变形在正常情况下是可逆的，适用于结构损伤的监测，在陆地交通、航天航空以及生物医学领域有广阔的应用前景。

1.1.3 光纤材料

光纤材料是一种把光能闭合在纤维中产生导光作用的纤维材料[12]。当入射光线与光轴线的夹角在一定范围内，光纤会发生全反射，此时，光线在光纤中沿锯齿状路径曲折前进，达到信号传输的目的。光纤材料主要由纤芯和包层2 部分构成，纤芯是以高透明固体材料制成的，而覆盖在外层的包层是用折射率比纤芯低的石英玻璃、多组分玻璃以及塑料等材料制作的，光纤的传输性能主要是由纤芯和包层的性质以及两者的配合决定的。当外界应力和温度发生变化时，光纤也会产生相应的变形，光纤中光的波长随之会发生偏移，光纤的折射率也会受到影响，因为光纤材料对外界具有相对敏感的感知能力，光纤材料经常被应用到传感器件中，现在应用广泛的光纤材料主要有石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、红外光纤、塑料光纤、金属涂层光纤、掺稀土光纤、发光光纤等几类[13]，每种光纤有不同的特点，适用于各个不同的领域。光纤材料以其优异的光传导性能成为了通信领域的佼佼者，在医学方面，光纤材料以其细小、柔软易弯曲变形的材料特性，应用于探查内窥设备中，通过与激光的结合，甚至作为手术刀应用于临床医学中。在照明和光能传输方面，光纤材料以其短距离可实现一个光源多点照明的特点，应用于地下、水下照明。在工业方面，因其优异的感知和传导能力，被制成各种传感器应用于测量压力、温度、流量、位移、光泽、颜色、产品缺陷等各个方面。总体而言，光纤材料是作为光能传输的一个很好的介质，并且其研究较为成熟、传输效果稳定、能量损耗低，是作为传感元件的理想选择。

1.2 材料的选取

1.2.1 材料的对比

船舶在海上行驶时，既要承受风、浪、流等海洋环境给船舶带来的载荷效应，又要承受海水对其船体结构的腐蚀损伤，同时因海域的变化，船舶所航行的海洋环境也随之变化，因此所选取的智能传感材料需要具备较强的适应性。

上述3 种类型的材料都具有较好的传感性能，但是在与船体结合时，需要适应复杂的海洋环境，才能正常工作。压电材料的灵敏度高、信噪比高、质量轻、工作可靠，一些压电晶体的工作温度区间也大，在测量过程中，材料的形变量也小，所以误差也不大，但是需要注意的是压电传感材料需要进行防潮处理，否则无法正常工作，其次输出的直流响应差，需要通过高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺点。形状记忆合金没有磁性、耐磨、耐腐蚀、没有毒性，并且有较大的变形能力，其形变也是可逆的，但是目前的研究中形状记忆合金的响应温度范围较小，只有在较低温的情况下，才会有所响应，这一问题目前还未得到有效的解决方案。光纤材料不受电磁噪声的干扰、体积小、寿命长、保密性高，并且具有绝缘、耐高温、耐腐蚀、耐高压的特点，适用于各种特殊环境的工作中，但其机械强度较差。

通过上述材料特性的比较，不难发现，光纤材料是更适合于船舶信息采集的智能材料，不仅是作为传感器，船舶中的电磁干扰也很多，光纤优异的传输性能和抗电磁干扰的能力也可以作为信息传输的介质。所以，光纤材料与船体结构可以较好的融合，成为船用智能传感材料的首选。

1.2.2 传感器的选取

目前，光纤传感器主要分为法布里-珀罗（F-P）光纤传感器、光纤布喇格光栅（FBG）传感器和分布式光纤传感器等。

F-P 光纤传感器因其结构精巧、安装简便、价格低廉的特点，很容易形成各类型的传感器，其利用光干涉原理来完成信号的检测，可以精确测量小位移和细微的波长变化[14]，由宽光谱光源发出的光被耦合进光纤，经2×2 耦合器进入传感器系统的传感F-P 腔，进入传感F-P 腔的光在腔中被作用于其上的外界物理量调制，表现为F-P 腔腔长大小的改变。通过腔长的改变，从反射光纤反射回得到2 束光的光程差不一致，从而获得被测物理量的信息。光纤光栅传感器属于波长调制型传感器[15]，FBG 传感器是利用掺杂光纤的紫外光敏特性，将呈空间周期性的强紫外激光照射掺杂光纤，使得掺杂光纤的纤芯形成折射率沿轴向周期性分布的结构，得到的一种芯内相位光栅就是FBG，FBG 最突出的一个特点就是其传感信号为波长调制及复用组网特性。并且，其传感探头结构简单、尺寸小，适用于各种场合，便于埋入复合材料中应用。分布式光纤传感器将光纤既作为传感介质，又作为传输介质，利用光在光纤中的散射原理，对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，获得被测量参数随空间和时间变化的信息[16]。被测对象不是一个点而是呈一定空间分布的场时，为了获取相对完整的信息时，往往是分布式光纤传感器适用。

经过对比，FBG 传感器因结构简单、尺寸较小的特点，能够与船体结构较好融合，因此，从理论上分析可知，FBG 传感器可应用于船舶与海洋结构物结构健康监测。

2 材料与船体的结合方式

本文拟定寻找一种能够与船体结构较好融合，并感知船体结构应力应变，监测船体周围海洋环境参数的智能传感材料。因此，智能传感材料与船体结构的有效结合方式也是研究的难点。因船舶与海洋结构物结构健康监测的特殊要求，传感材料不宜暴露于结构外侧，因此，拟定采用埋入方法与结构结合。

FBG 传感器的埋入方式大致有2 类，一类是以复合材料为基体埋入结构中，另一类是以金属为基体埋入结构中，但由于金属材料的融点比复合材料高很多，FBG 传感器以金属为基体时必须面对融入过程中的高温的热应力，所以需要经过一系列复杂的耐高温措施的处理，可能使FBG 中心波长发生偏移，甚至完全损坏波长的选择性[17]，相比之下以复合材料为基体的埋入式方案更加经济、稳定，所以选用与复合板集成埋入的方式。

出于减重及声、磁性能的考虑，复合材料夹芯板越来越多地取代了船舶结构中的钢质壳板[18]，1996 年下水的7221GRP 双体气垫船，船体外板采用树脂和玻璃纤维布组成的复合材料板，平板龙骨采用凯夫拉纤维布，甲板、舱壁和上层建筑则采用法国生产的蜂窝夹芯板[19]。复合夹芯板材料在船舶与海洋结构中的应用，为智能传感材料的有效嵌入提供了有效载体。

如图1 所示，通过类似的埋入方式将FBG 传感器与船体结构相结合，当外部的船体结构受到外部环境的影响，温度发生变化、结构发生应变时，内部的FBG 传感器也受到应力和温度的作用，从而达到感知外界环境变化的作用。

图 1 FBG 传感器与船体结构的结合方式Fig. 1The way FBG sensors are integrated into the hull structure

3 FBG 传感器的工作机理

如图2 所示，此处的信号均为光信号，当宽带光波作为信号通过光纤传感器时，一部分光波信号透射，而只有另一部分某波长的光被反射。当外部的环境发生改变时，会造成光栅波长位移，可以通过建立传感模型进行研究。造成波长位移的外界环境变量主要为应力和温度，所以，建立应变和温度传感模型。

图 2 光信号在光纤材料中的传感原理Fig. 2Sensing principle of optical signals in fibre optic materials

3.1 应变传感模型

本文所建立的模型都是理想模型，规避掉一些物理量的复杂情况。模型中的光纤为理想弹性体，并且始终保持各向同性的特性，所受应力为均匀的静应力。

波长位移与应力应变的关系方程[20]为：

其中：ΔλB为波长的位移量；ΔΛ为应力作用下光纤弹性变形光栅周期的变化量；Δneff为弹光效应下有效折射率的变化量； neff为有效折射率； Λ为光栅周期。

根据方程（1），当受到外界纵向或轴向应力时，方程展开：

其中：ΔL为光纤纵向伸缩量； Δa 为纤芯半径的变化量；为纵向弹性应变效应；为光纤的弹光效应；为光纤芯径变化产生的波导效应。

介电抗渗张量和某一方向的折射率有以下关系：

其中： βij为介电抗渗张量； nij为某方向折射率。

因为是理想模型，所以此处的光纤具有各向同性的特征，各方向折射率也相同，即FBG 的有效折射率neff为光纤折射率，由此得：

通过式（2）和式（4）得：

其中： k 为灵敏度系数； Pij为材料弹光系数。对于掺锗石英光纤材料而言，P11=0.121， P12=0.270， ν =0.17，neff=1.46。算得灵敏度系数 k =0.78，波长为1 550 μm时，波长位移为1.22 pm/με。由张晓晶等研究[21]：

所以，当温度恒定时波长位移与轴向应变呈理想线性关系。

3.2 温度传感模型

在建立温度传感模型的时候也将其视为理想模型，并没有考虑实际的复杂情况。

当温度发生变化时，根据 λB=2neffΛ可得[22]：

在掺锗石英光纤中，内部而应力导致的弹光和波导效应微乎其微，可以忽略不记，那么由式（8）得：

其中： αF为 光纤热膨胀系数； ξ为光纤的热光系数。

对掺锗石英光纤来说， ξ取 6 .5×10-6/°C， αF取0.5×10-6/°C，当入射波长为1 550 nm 时，温度灵敏系数为10.85×10-6/°C。所以，在理想状态下FBG 传感器的波长位移与温度变化量成线性关系。

3.3 数据的采集和处理

之后通过接入光纤解调器，采集光纤材料中的波长位移，再连接计算机，将采集的信号可视化，达到监测的目的。将数据进行存储，进一步的将存储的数据传输到数据库中，最终达到信息共享的目的。

如图3 所示，此为现阶段研究需要达到的效果。

图 3 船舶监测系统流程图Fig. 3Flow chart of the ship monitoring system

4 结 语

在研究过程中，也有许多问题还未得到很好的解决方案。当复合夹芯板与船体结构结合时，如何将其对船体结构的影响降到最小？FBG 传感器在船体结构中的布置有多种，如何选取出最优的布置方案？以及船舶上的线路复杂，光纤传输这种有线传输势必影响船舶中的线路规划，但船舶中的电器元件繁多，无线电波传输也受到其限制，是否可以找出一种合理并且可行的传输方式也是需要探索的问题。当问题逐一破解，船舶监测系统就会逐步完善。光纤材料是发展比较成熟的传感材料，是目前最适合也最有望应用于船舶监测中的智能传感材料，主要能应用的还是对船体结构的监测以及对海洋环境信息的采集，但随着智能材料的发展和进化，可以往更加智能的方向发展，不只是具有感知能力，甚至可以具有驱动能力，当面对外界的环境变化时，能达到自我调整，自我适应的能力。如果将物联网应用到船舶领域中，可以使船舶更加整体化，无论是应对外界环境的变化还是船舶内部的运行，都是通过智能的思路解决。光纤材料，以及智能材料在船舶领域有广阔的发展前景。