光纤传感材料在船舶结构健康监测中的应用
发布时间：2021-11-17 12:31
船舶在航行过程中所处的环境十分复杂,为了获取船舶自身与周边环境的各种信息,使船舶能够更安全、可靠航行,需要应用船舶监测系统。光纤材料在航空航天与土木结构的监测中已有一定的应用,并且得到不错的反响,也显现出质量轻、监测面广、监测数据较为稳定的优势。由此可见,光纤材料正是作为船舶监测系统的一个很好的载体,通过光纤材料在船体结构中的应用,可以实现海况资料的收集、航线优化、隐患排除、预测分析等一系列应用。
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(23)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
FBG传感器与船体结构的结合方式Fig.1ThewayFBGsensorsareintegratedintothehullstructure
图1FBG传感器与船体结构的结合方式Fig.1ThewayFBGsensorsareintegratedintothehullstructure3FBG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.2Sensingprincipleofopticalsignalsinfibreopticmaterials3.1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：λB=2neffΛ+2neffΛ。(1)λBΛneffneffΛ其中：为波长的位移量；为应力作用下光纤弹性变形光栅周期的变化量；为弹光效应下有效折射率的变化量；为有效折射率；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：λB=2[neffLL+neffaa]Λ+2neffΛLL。(2)LaΛLneffLneffa其中：为光纤纵向伸缩量；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：βij=1n2ij。(3)βij其中：为介电抗渗张量；nij为某方向折射率。neff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的有效折射率为光
0.5×106/C10.85×106/C，当入射波长为1550nm时，温度灵敏系数为。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.3Flowchartoftheshipmonitoringsystem4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。参考文献：吴桂玲.几种智能材料的应用[J].广州化工,2018,46(15):4
【参考文献】：
期刊论文
[1]几种智能材料的应用[J]. 吴桂玲. 广州化工. 2018(15)
[2]分布式光纤传感器的研究进展[J]. 叶雯. 移动通信. 2017(16)
[3]无铅压电材料的研究进展[J]. 朱秀,许桂生,刘锦峰. 中国材料进展. 2017(04)
[4]船用复合材料夹芯板极限强度分析[J]. 严仁军,王奎,赵刚. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2017(02)
[5]形状记忆合金及其应用研究进展[J]. 贺志荣,周超,刘琳,吴佩泽,邹启明. 铸造技术. 2017(02)
[6]光纤法布里—珀罗传感技术及其工程应用[J]. 张驰,严珺凡,施斌,王兴. 传感器与微系统. 2014(07)
[7]用于船舶结构监测的大量程光纤布拉格光栅应变传感器[J]. 吴晶,吴晗平,黄俊斌,顾宏灿. 光学精密工程. 2014(02)
[8]压电材料的研究新进展[J]. 温建强,章力旺. 应用声学. 2013(05)
[9]钛镍铪高温形状记忆合金的研究进展[J]. 孟晓凯,赵春旺. 材料导报. 2013(03)
[10]埋入式光纤智能金属结构研究进展[J]. 饶春芳,张华,冯艳,李玉龙. 激光与光电子学进展. 2010(10)
博士论文
[1]复合玻璃光纤的研究[D]. 唐国武.华南理工大学 2017
[2]新型光纤布拉格光栅传感器研究[D]. 冯定一.西北大学 2016
[3]PZT/聚合物基压电复合材料结构与性能研究[D]. 刘晓芳.武汉理工大学 2005
[4]光纤光栅智能材料与结构理论和应用研究[D]. 梁磊.武汉理工大学 2005
本文编号：3500917
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(23)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
FBG传感器与船体结构的结合方式Fig.1ThewayFBGsensorsareintegratedintothehullstructure
图1FBG传感器与船体结构的结合方式Fig.1ThewayFBGsensorsareintegratedintothehullstructure3FBG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.2Sensingprincipleofopticalsignalsinfibreopticmaterials3.1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：λB=2neffΛ+2neffΛ。(1)λBΛneffneffΛ其中：为波长的位移量；为应力作用下光纤弹性变形光栅周期的变化量；为弹光效应下有效折射率的变化量；为有效折射率；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：λB=2[neffLL+neffaa]Λ+2neffΛLL。(2)LaΛLneffLneffa其中：为光纤纵向伸缩量；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：βij=1n2ij。(3)βij其中：为介电抗渗张量；nij为某方向折射率。neff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的有效折射率为光
0.5×106/C10.85×106/C，当入射波长为1550nm时，温度灵敏系数为。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.3Flowchartoftheshipmonitoringsystem4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。参考文献：吴桂玲.几种智能材料的应用[J].广州化工,2018,46(15):4
【参考文献】：
期刊论文
[1]几种智能材料的应用[J]. 吴桂玲. 广州化工. 2018(15)
[2]分布式光纤传感器的研究进展[J]. 叶雯. 移动通信. 2017(16)
[3]无铅压电材料的研究进展[J]. 朱秀,许桂生,刘锦峰. 中国材料进展. 2017(04)
[4]船用复合材料夹芯板极限强度分析[J]. 严仁军,王奎,赵刚. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2017(02)
[5]形状记忆合金及其应用研究进展[J]. 贺志荣,周超,刘琳,吴佩泽,邹启明. 铸造技术. 2017(02)
[6]光纤法布里—珀罗传感技术及其工程应用[J]. 张驰,严珺凡,施斌,王兴. 传感器与微系统. 2014(07)
[7]用于船舶结构监测的大量程光纤布拉格光栅应变传感器[J]. 吴晶,吴晗平,黄俊斌,顾宏灿. 光学精密工程. 2014(02)
[8]压电材料的研究新进展[J]. 温建强,章力旺. 应用声学. 2013(05)
[9]钛镍铪高温形状记忆合金的研究进展[J]. 孟晓凯,赵春旺. 材料导报. 2013(03)
[10]埋入式光纤智能金属结构研究进展[J]. 饶春芳,张华,冯艳,李玉龙. 激光与光电子学进展. 2010(10)
博士论文
[1]复合玻璃光纤的研究[D]. 唐国武.华南理工大学 2017
[2]新型光纤布拉格光栅传感器研究[D]. 冯定一.西北大学 2016
[3]PZT/聚合物基压电复合材料结构与性能研究[D]. 刘晓芳.武汉理工大学 2005
[4]光纤光栅智能材料与结构理论和应用研究[D]. 梁磊.武汉理工大学 2005
本文编号：3500917
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