基于光纤光栅传感技术的船舶结构长期监测方法

发布时间：2017-08-29 04:42

  本文关键词：基于光纤光栅传感技术的船舶结构长期监测方法

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【摘要】：船舶在海上航行，长期受风、浪、流引起的交变载荷作用，船舶结构易产生疲劳损伤，从而威胁船舶结构的整体强度。基于光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor,简称FBGS）的船舶结构健康监测技术通过FBGS实时感知结构的受载和响应，并通过专家系统对船舶服役安全进行预报和评估，在结构损伤初期发出预警，从而避免事故的发生。 由于船舶结构长期处于潮湿、高盐度、强电解质和温度频繁交替的环境，FBGS在无保护的情况下稳定性会因环境的影响而下降，导致出现零漂过大、偏离实际值和应变传递不稳定等现象。为了保证光纤光栅传感系统的长期稳定性，本文对FBGS的封装方法、粘贴粘接方法、点焊粘接方法、长期防护方法以及粘接方法与防护方法对FBGS传感性能的影响进行了深入研究，取得主要结论如下： （1）根据船舶结构健康监测的特征，对现有FBGS的封装形式、温度补偿方法、解调方法和复用技术进行了对比分析，，详细分析了片基式FBGS的传感特性，确立了一套适用于船舶结构健康监测的光纤光栅传感技术，该技术主要由片基式封装法、参考光栅温度补偿法、可调谐F-P滤波解调技术以及混合分布式解调复用技术组成。 （2）从理论上分析了片基式FBGS应变传递的影响因素，结合对比试验研究，获得了片基式FBGS的工程应用粘贴工艺。 （3）利用焦耳定律和热平衡方程，从理论上推导了点焊参数特别是放热量、放热时间对片基式FBGS焊接效果的影响，首次提出了片基式FBGS的低电压微热量点焊方法。利用两种船用钢板进行了点焊变参数比对试验，获得了最佳点焊参数，在此基础上建立了一套FBGS专用点焊工艺。 （4）开展了高盐度、强电解质环境下的FBGS稳定性防护方法研究，并创造性地提出了潮湿环境和全浸入海水环境下的两种FBGS的防护方法：薄膜防护法和金属防护罩法。长期腐蚀试验证明本文提出的两种防护方法均能使FBGS性能保持长期稳定。 （5）从理论上分析了金属防护罩刚度对FBGS测量精度的影响，通过理论分析和数值仿真，获得了较为合理的金属防护罩结构形式。
【关键词】：光纤光栅 传感技术 船舶 长期监测
【学位授予单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN253;U661.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 前言9-11
• 1.2 基于光纤光栅传感器的船舶结构健康监测技术发展及研究现状11-15
• 1.2.1 光纤光栅传感器的发展现状11
• 1.2.2 光纤光栅传感器的应用现状11-13
• 1.2.3 基于光纤光栅传感器的船舶结构健康监测技术发展及研究现状13-15
• 1.3 本文的主要内容15-17
• 1.3.1 主要研究内容15-16
• 1.3.2 创新点16-17
• 第二章 光纤光栅传感技术原理17-32
• 2.1 光纤光栅传感系统组成17-18
• 2.2 光纤光栅传感器的基本原理18-23
• 2.2.1 光纤光栅的信号传输原理18
• 2.2.2 光纤光栅的耦合方程18-19
• 2.2.3 光纤光栅的应变传感原理19-22
• 2.2.4 光纤光栅的温度传感原理22-23
• 2.3 光纤光栅的温度补偿方法23-26
• 2.3.1 应变、温度同时测量法23-24
• 2.3.2 温度补偿法24-26
• 2.4 光纤光栅传感解调技术26-31
• 2.4.1 滤波法26-29
• 2.4.2 干涉法29-30
• 2.4.3 可调谐光源法30-31
• 2.5 小结31-32
• 第三章 光纤光栅传感技术在船舶结构监测中的适用性研究32-48
• 3.1 船舶结构健康监测的特征32
• 3.2 光纤光栅传感器的主要传感性能32-34
• 3.3 封装方法及在船舶结构健康监测中的适用性34-43
• 3.3.1 封装的增敏与减敏34-36
• 3.3.2 常见光纤光栅封装形式36-37
• 3.3.3 封装方法在船舶结构健康监测中的适用性研究37-38
• 3.3.4 片基式光纤光栅的静态性能试验38-43
• 3.4 温度补偿方法及在船舶结构健康监测中的适用性43-44
• 3.5 复用方法及在船舶结构健康监测中的适用性44-46
• 3.5.1 光纤光栅传感的复用技术44-45
• 3.5.2 复用方法在船舶结构健康监测中的适用性45-46
• 3.6 小结46-48
• 第四章 光纤光栅传感器的粘接方法研究48-68
• 4.1 光纤光栅传感器的粘贴粘接方法48-56
• 4.1.1 光纤光栅传感器的粘贴应变传递理论49-51
• 4.1.2 光纤光栅传感器的粘贴工艺研究51-56
• 4.2 光纤光栅传感器的点焊粘接方法56-60
• 4.2.1 点焊的基本原理56-57
• 4.2.2 点焊参数对点焊放热量的影响57-59
• 4.2.3 光纤光栅传感器的点焊方法59-60
• 4.3 点焊对光纤光栅传感器性能的影响60-63
• 4.3.1 光纤光栅传感器点焊粘接试验60-61
• 4.3.2 试验结果与分析61-63
• 4.4 光纤光栅传感器的点焊工艺研究63-66
• 4.4.1 点焊对光纤光栅传感器静态强度的影响63-64
• 4.4.2 点焊对光纤光栅传感器疲劳性能的影响64-65
• 4.4.3 光纤光栅传感器的点焊工艺65-66
• 4.5 小结66-68
• 第五章 光纤光栅传感器的长期防护方法研究68-85
• 5.1 海洋环境对光纤光栅传感器长期稳定性的影响68-71
• 5.2 光纤光栅传感器的长期防护方法研究71-76
• 5.2.1 光纤光栅传感器的防护方法71-73
• 5.2.2 薄膜防护方法和铝合金防护罩法的长期防护性能研究73-76
• 5.3 防护方法对小构件应变测量的影响76-83
• 5.3.1 金属防护罩对光纤光栅应变测量的影响77-78
• 5.3.2 防护罩结构的改进方法78-79
• 5.3.3 仿真结果与分析79-83
• 5.4 小结83-85
• 第六章 结论与展望85-87
• 6.1 结论85
• 6.2 创新点85-86
• 6.3 展望86-87
• 致谢87-88
• 参考文献88-93
• 攻读硕士学位期间学术论文及科研成果93

【参考文献】

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本文编号：751389