基于FBG传感器的船体结构实时监测系统1

张 昆，刘骁暘，田 骏，郑如炎

（海军装备部驻上海地区第一军事代表室，上海 201913）

0 引言

随着造船技术的飞跃发展，船舶不断朝着大型化和智能化的方向发展，其安全性受到越来越高的重视。船舶在高速航行时，船体结构敏感部位易发生疲劳等损伤，严重时会影响船舶与船员的安全。因此，有必要对船体结构典型位置实施长期在线监测以及疲劳强度评估。

光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感技术作为一种新兴的传感技术，具有灵敏度高、寿命长以及抗腐蚀性强等传统传感技术无可比拟的优点。近年来，国内已逐步开展了基于FBG传感技术的船体结构强度监测系统方面的相关研究。

针对强度监测问题，本文研究了FBG传感技术在船体结构强度监测中的应用，可为各种类型船舶的安全健康监测提供一定的参考。

1 船体结构强度监测研究现状

结构安全监测技术是对传感器采集的数据信息进行传输、存储、处理、显示和监测等一系列配套和交叉内容的综合性技术，在众多工程领域已取得广泛应用。然而，结构安全监测技术在船舶领域的应用仍处在起步阶段，大量关键技术亟须深入研究。

1.1 国外研究现状

1998年，Gcrmtc等研究机构为了加快对FBG传感器的应用，将传感器覆盖全船，并取得了不错的监测效果。HJELME等验证了基于FBG技术的船舶结构安全监测的可行性，并将FBG传感器应用在双体船模型的监测当中。美国海军与 SPA（Systems Planning and Analysis）公司联合开发了一套FBG解调系统，该系统可高速运行，且能较好地完成对船体结构的安全监测。此外，该系统还用于测量英国某型舰艇船体结构的弯矩和砰击压力，取得了良好的试验效果。英国的 SMDS（Ship &Marine Data Systems）公司和 SUL（Strainstall UK Limited）公司、挪威的Lightstruct公司、韩国的GME（Global Maritime Engineering）公司和法国的Hullmos公司等都已形成各自较为完善的船体结构实时监测系统，并已成功运用在各类船舶中。

1.2 国内研究现状

国内对基于 FBG技术的船舶结构安全状态实时监测系统的研究仍处于起步阶段，大量理论与技术都还需进一步研究与完善。金永兴等自主研发了一套船体结构应力监测系统，并对安装该套系统的集装箱船进行了实船试验，取得了不错的监测效果。但该系统只局限于对数据进行采集，并不能对数据进行在线处理。侯超运用FBG传感器，对应力实时监测系统的传感器布置和解调系统等关键技术进行了深入研究，但缺乏对信号分析以及数据处理的相关研究。深圳远舟科技实业有限公司宣布研发出一套完整的基于FBG技术的实时监测系统，但因涉及商业秘密，鲜有报道。王为重点研究了FBG监测系统的传感与检测、信号处理与分析等关键技术。梁文彬对传感器的封装等安装工艺和监测系统的整体方案进行了相关研究。贾连徽针对船体结构的监测问题，提出了一套采用FBG技术的船舶结构监测系统。迄今为止，国内尚未形成一套可用于预报和评估各类船型技术状态的全面的船体结构安全监测系统。

2 FBG 传感器介绍

自1978年FBG问世以来，光纤光栅技术在通信等领域得到广泛应用。目前，FBG传感技术在监测领域也受到广泛关注，这是因为FBG传感技术具有质量小、传输损耗少、测量范围大、体积小、灵敏度强、精度高、电测量，以及分布式测量等众多传统传感器无可比拟的优点。光纤光栅的纤芯折射率可依据周围的应变和温度变化情况而产生周期性改变。FBG传感器主要通过光纤光栅对外界的变化进行测量，其组成部分一般包括探测器、光纤光栅和光源等。FBG传感器满足布拉格条件，如式（1）所示：

式中：为布拉格波长；为有效折射率；为光栅周期。

光纤光栅周围环境发生应变等变化，会导致FBG传感器有效折射率与光栅周期发生改变，进而导致中心波长发生漂移，通过对漂移变化进行监测，最终得到应变和温度等被测物理量的变化量。FBG传感器的组成见图1。

图1 FBG传感器的组成

3 监测系统的构建

3.1 FB G传感器优选原则

当今，各种传感器层出不穷，原理结构也不尽相同。在对传感器进行选择时，需要根据具体监测目的、监测环境和监测对象，同时兼顾传感器具体的性能指标对比，合理做出选择。传感器选择原则主要包括：

1）依据不同监测环境和对象选择相应的传感器类型。不同类型的传感器适用于不同的对象和环境，在选择最优类型的传感器时需要统筹兼顾。

2）线性范围。线性范围越广，对应的量程与测量精度就越高。一般情况下，在选定传感器类型后应该首先考虑传感器的精度和量程是否满足要求。

3）灵敏度的选择。一般情况下，传感器灵敏度的高低决定着信号处理的性能，灵敏度越高信号处理越快。但并不是灵敏度越高越好，灵敏度越高，外界噪声影响越大，越会对信号处理的质量造成负面影响。

4）频率响应（频响）特性。传感器的频响会有不可避免的延迟，延迟太多会导致数据处理的失真。传感器的延迟越小，频响越高，误差就会越小，信号处理质量越好。

5）稳定性。传感器稳定性的影响因素一般包括自身结构、外界环境和环境适应能力。传感器稳定性的好坏决定着监测寿命期内监测系统的稳定性。

3.2 FB G传感器优化布置

传感器的布置优化是传感器子系统的首要问题，而传感器子系统又是基于 FBG传感技术的船体结构强度监测系统的基础。因此，监测点的布置优化至关重要。监测点的优化包含监测点的数量和位置的选择。理论上讲，监测点越多，越能获得更加全面和有效的监测数据。然而，船体结构型式一般比较复杂，传感器布置易受限；同时，测点越多，传感器和配套的系统成本会大幅增加。因此，FBG传感器优化布置的目的在于使用最少数量的传感器布置在合适位置上，获取最有效、全面和准确的数据。

3.2.1 监测点类型选择

对于船体结构，监测点分类情况见图2。监测点一般可分为应力、冲击和姿态等监测点，其中应力监测点主要包括屈服监测点和疲劳监测点。

图2 监测点分类示意图

3.2.2 监测点的选取流程

目前，关于船体结构传感器的优化布置一般参考相关规范，采用专家经验或者根据数值仿真方法确定。由于船体结构形式和受力特点较为复杂，上述方法存在人为主观因素大、仿真条件与实际情况有差异等问题，部分应力热点部位容易遗漏。因此，可采用实船试验和有限元分析等相结合的思路进行监测点布置优化，主要方法流程见图3。

图3 测点选取方法流程图

3.3 荷载信号处理

监测系统一般需要测量很多数据，测量数据和采集系统本身也比较复杂。即使对各种测量仪器、数据采集系统等仔细校核标定，也会存在各类误差。因此，在对所测得的数据进行分析之前必须对其进行误差分析和预处理，以便消除测量数据中可能存在的误差。

测量原始数据误差一般可分为异常误差、随机误差和系统误差，监测数据的处理一般是对历史实时数据误差的处理，其主要流程为：

1）导入特定时间段的历史应力数据。

2）设置带通的上下截止频率，通过带通形成滤波器进行滤波，以消除随机误差。

3）利用最小二乘法进行波形的矫正，并可去除直流量，这一步主要为消除系统误差。

4）筛选并剔除个别异常数据点，这一步主要为消除异常误差。

3.4 强度评估

船体结构强度评估主要包括屈服强度评估和疲劳强度评估两部分，根据误差处理后的数据计算出强度评估的结果，通过曲线图和条形图等形式，对船体结构的屈服强度和疲劳强度进行显示并存储。

3.4.1 应力监测方法

由 FBG传感器采集并处理的应力数据一般只是船体结构受诸如荷载变化等外界影响而产生的应力，不等同于总的结构应力。强度监测系统的总应力除了包含FBG传感器所测应力外，还应包含船体焊接残余应力等初始应力。这是因为初始应力一般会导致船体结构出现局部应力集中的现象，在复杂受力情况下更容易形成疲劳等损伤。结构总应力的计算公式为

式中：为结构总应力；为FBG传感器所测应力；为初始应力。

主要根据FBG传感器以及配套的光纤解调仪等解调出的结构应变与材料的弹性模量确定，其计算公式为

式中：为杨氏模量；为应变。

通常包含结构初始静载造成的应力和初始残余应力，可通过盲孔法进行测量，并通过配置文件在系统中予以配置。

3.4.2 屈服强度和疲劳强度评估流程图4

图4 屈服强度评估流程图

图5 疲劳强度评估流程图

4 结论

基于FBG传感技术，结合船体结构特征，采用信号处理和强度评估等理论，构建船体结构强度监测体系，以实现船体结构典型位置技术状态监测及预警判断。

1）针对船舶安全监测问题，对基于FBG传感技术的船体结构监测技术研究现状进行概述。

2）对FBG传感器进行简单的介绍，并基于传感器优化布置、荷载信号处理和强度评估等研究开展船体结构监测系统的体系构建。

3）对FBG传感技术在船体结构强度监测中的应用进行了相关研究，为各种类型船舶的安全健康监测提供一定的借鉴和参考。