CN105222936A - 用于船体结构的长基应力传感器及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于船体结构的长基应力传感器及使用方法。主要包括：应力敏感器件、预固定装置、调节装置、密封装置、安装工具；预制光纤光栅的两端粘贴在传感器底座活动板，由顶丝修正光纤光栅的预拉值，最终由水密法兰连接到传输光缆，最终船体结构的应力以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示。针对海洋潮湿、浪涌等恶劣工况条件，本发明设置了不锈钢保护管及密封盒盖，提高了系统的水密性和防破坏功能。本发明提高了光纤光栅传感器在海洋运输领域应用的适用性和耐久性,为远洋船舶领域船体结构的长期检测和健康监测提供一种稳定可靠的装置。

Description

用于船体结构的长基应力传感器及使用方法

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，涉及海洋船舶结构应力检测及灾害预防。更具体地说是一种用于船体结构的长基应力传感器及使用方法。

背景技术

在交通运输工具中,船舶具有装载量大,费用低等优点,然而远洋船舶营运条件复杂,在恶劣的环境中，船舶安全问题尤显突出。很多意外的情况是无法预测的，驾驶人员需要准确掌握船体的实际结构强度，因而在正常及受到偶然载荷作用下的船体应力检测具有积极的意义。

光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、电绝缘性能好，具有安全可靠的优点且传输损耗小、体积小，几何形状可塑，可实现远距离遥控监测，便于组成传感网络。光纤本身耐腐蚀，化学性能稳定，因此光纤传感器适宜于在海洋船舶这样恶劣环境中使用。

用于船体结构的长基应力光纤光栅传感器系统是在船体结构中设置应力传感器网络，实现船体结构应力变化的自动化监测。它能够对船上的重要结构部位，为船上决策者提供真实可靠的数据，保障船上人员及物资安全，增强船舶抗灾害能力，提高安全性能，为保证船舶安全提供科学依据。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于海洋船舶结构的长基应力传感器系统设计，实现在恶劣环境下船舶结构应力的实时监测。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明公开的用于船体结构的长基应力传感器，其特征在于所述的传感器系统包括：应力敏感器件、预固定装置、调节装置、密封装置、安装工具；

其中所述的应力敏感器件由单根光纤光栅7构成，光纤光栅的两端粘贴在传感器底座活动板2上由顶丝修正光纤光栅的预拉值，由水密法兰连接到传输光缆，最终船体结构的应力以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示，最大可测量形变是2000，光纤光栅的形变与光纤光栅的波长变化基本是线性关系的，通过解调仪端的

补偿算法，最终获得光纤的波长与船舶结构的应力值之间是呈比例变化的；

所述的预固定装置包括传感器底座活动板，传感器底座固定板；传感器底座固定板设置在光纤光栅的前端，光纤法兰座圆圈里面设置多层密封圈；

调节装置由顶丝构成，敷设光纤光栅时，光纤光栅一端固定在传感器底座固定板（6）上，另一端固定在顶丝上，再安装到传感器底座活动板，通过对照解调仪的示数来调整顶丝位置，修正光纤光栅的预拉值；安装结束后撤出调节装置，固定光纤光栅，最后加上密封盒盖。

所述密封装置包括：密封盒盖1、连接管5、传感器罩壳9，传感器罩壳起到防浪涌破坏功能；预拉后的传感器底座活动板在撤出顶丝后，浇灌软硅橡胶起到水密作用，待软硅橡胶基本固化后，安装密封盒盖，密封盒盖与传感器底座活动板之间裸露的光纤光栅套接聚四氟乙烯材质的连接管，在起到防水的作用同时，便于传感器在应力作用下将传感器形变作用在连接管上；保护管4安装在传感器顶座3和传感器底座固定板6之间，光纤光栅穿过保护管，经过可伸缩的连接管后进入密封盒盖，密封盒盖1内部的顶丝拉紧光纤光栅。

本发明所述用于船体结构的长基应力传感器安装在316L不锈钢保护管（4）内，在传感器底座固定板端，光纤光栅通过法兰盘引出，便于接入通信光纤，法兰盘内安装有多层密封圈，严格实现防水防潮功能。

所述的浇灌软硅橡胶指的是：浇灌环氧树脂胶，然后采用胶水包裹住尾纤即可，防止振动导致光损耗的同时起到防水作用。

所述安装工具8由铝板加工而成，起到固定安装的作用，以减少因传感器安装角度倾斜而导致的应力测量误差，在传感器安装结束后，该安装工具应该撤出现场。经过安装工具在船体固定好传感器后，整体安装传感器罩壳，并锁紧螺栓。

本发明进一步公开了用于船体结构的长基应力传感器的使用方法，其特征在于：

（1）当船体在外界或内部的作用力下发生变化使，在密封好的传感器内部，传感器顶座3和传感器底座固定板6发生相对位移，固定在两个底座和之间的光纤光栅受到拉力作用产生形变，导致光纤光栅7中传导的激光波长发生变化；

（2）船体结构的应力以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示，光纤光栅的形变与光纤光栅的波长变化基本是线性关系的，通过解调仪端的补偿算法，最终获得光纤波长与船舶结构的应力值。

传感器利用316L不锈钢保护管及密封盒盖，提高了系统的水密性和防破坏功能。铝制的平板安装工具在方便安装传感器的同时，也起到了校准及准直的功能，有效减少传感器的施工难度，提高系统的测量精度，便于后期维护。

本发明更加详细的描述如下：

用于船体结构的长基应力传感器系统所述的传感器系统包括：应力敏感器件、预固定及调节装置、密封及罩壳装置、安装工具。

所述长基应力传感器的敏感器件是由单根光纤光栅构成，最大可测量形变是2000，光纤光栅的形变与光纤光栅的波长变化基本是线性关系的，通过解调仪端的补偿算法，最终获得光纤的波长与船舶结构的应力值之间是呈比例变化的。预制光纤光栅的两端粘贴在传感器底座活动板，由顶丝修正光纤光栅的预拉值，最终由水密法兰连接到传输光缆，最终船体结构的应力以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示。该设计具有初始零位可调功能：利用安装工具可实现传感器零位的调整，具有准直功能。系统便于安装，校准、线缆敷设简单。针对海洋潮湿、浪涌等恶劣工况条件。

所述长基应力传感器的预固定装置分为传感器底座活动板及固定板，调节装置有顶丝构成。敷设光纤光栅时，光纤光栅一端先固定在传感器底座固定板上，另一端先固定在顶丝上，再安装到传感器底座活动板，通过对照解调仪的示数来调整顶丝位置，修正光纤光栅的预拉值。

所述长基应力传感器的密封及罩壳装置由密封盒盖、连接管、密封圈、罩壳等构成。预拉后的光纤光栅的底座活动板，在撤出顶丝后，浇灌环氧树脂胶，封住顶丝孔即可，目的是为了起到水密作用，待软硅橡胶基本固化后，安装密封盒盖，密封盒盖与传感器底座活动板之间裸露的光纤光栅套接聚四氟乙烯材质的连接管，在起到防水的作用同时，便于传感器在应力作用下将传感器形变作用在连接管上。光纤光栅的长基应力部位主要是在316L不锈钢保护管内。在传感器底座固定板端，光纤光栅通过法兰盘引出，便于接入通信光纤，法兰盘内安装有多层密封圈，严格实现防水防潮功能。

所述长基应力传感器的安装工具由铝板加工而成，起到固定安装的作用，以减少因传感器安装角度倾斜而导致的应力测量误差，在传感器安装结束后，该安装工具应该撤出现场。

本发明公开的用于船体结构的长基应力传感器及使用方法所具有的积极效果在于：

（1）用于船体结构的长基应力传感器系统设计，针对船体工作环境要求，具有良好的水密性、防破坏功能。

（2）工具方便安装的同时，使系统同时具有初始零位可调功能,同时准直功能。为交通领域的大型船舶结构的应力实时检测提供一种稳定可靠的光纤光栅传感器及安装校准方法。

(3)本发明的设计具有初始零位可调功能：利用安装工具可实现传感器零位的调整，具有准直功能，即能使传感器能沿所需测量的方向进行布置，保证测量的准确性。系统便于安装，校准、线缆敷设简单。针对海洋潮湿、浪涌等恶劣工况条件，本发明同时设置了不锈钢保护管及密封盒盖，提高了系统的水密性和防破坏功能。提高了光纤光栅传感器在海洋运输领域应用的适用性和耐久性,为远洋船舶领域船体结构的长期检测和健康监测提供一种稳定可靠的装置。

附图说明

图1为本发明的长基应力传感器的原理结构示意图；

图2为本发明的长基应力传感器的安装工具结构示意图；

图3为本发明的长基应力传感器安装完整后的总装外观示意图；

图4为本发明的长基应力传感器的线性度；

图中各标号：

密封盒盖1，传感器底座活动板2传感器顶座3，

保护管4，连接管5，传感器底座固定板6，

光纤光栅7，安装工具8，传感器罩壳9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。其中的软硅橡胶有市售。

实施例1

用于船体结构的长基应力传感器，其特征在于所述的传感器系统包括：应力敏感器件、预固定装置、调节装置、密封装置、安装工具；

其中所述的应力敏感器件由单根光纤光栅7构成，光纤光栅的两端粘贴在传感器底座活动板2上由顶丝修正光纤光栅的预拉值，由水密法兰连接到传输光缆，最终船体结构的应力以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示，最大可测量形变是2000，光纤光栅的形变与光纤光栅的波长变化基本是线性关系的，通过解调仪端的

补偿算法，最终获得光纤的波长与船舶结构的应力值之间是呈比例变化的；

所述的预固定装置包括传感器底座活动板，传感器底座固定板；传感器底座固定板设置在光纤光栅的前端，光纤法兰座圆圈里面设置多层密封圈；

调节装置由顶丝构成，敷设光纤光栅时，光纤光栅一端固定在传感器底座固定板上，另一端固定在顶丝上，再安装到传感器底座活动板，通过对照解调仪的示数来调整顶丝位置，修正光纤光栅的预拉值；安装结束后撤出调节装置，固定光纤光栅，最后加上密封盒盖；

所述密封装置包括：密封盒盖1、连接管5、传感器罩壳9，传感器罩壳起到防浪涌破坏功能；预拉后的传感器底座活动板在撤出顶丝后，浇灌软硅橡胶起到水密作用，待软硅橡胶基本固化后，安装密封盒盖，密封盒盖与传感器底座活动板之间裸露的光纤光栅套接聚四氟乙烯材质的连接管，在起到防水的作用同时，便于传感器在应力作用下将传感器形变作用在连接管上；保护管4安装在传感器顶座3和传感器底座固定板6之间，光纤光栅穿过保护管，经过可伸缩的连接管后进入密封盒盖，密封盒盖1内部的顶丝拉紧光纤光栅。

所述安装工具8由铝板加工而成，起到固定安装的作用，以减少因传感器安装角度倾斜而导致的应力测量误差，在传感器安装结束后，该安装工具应该撤出现场。经过安装工具在船体固定好传感器后，整体安装传感器罩壳，并锁紧螺栓。用于船体结构的长基应力传感器安装在316L不锈钢保护管内，在传感器底座固定板端，光纤光栅通过法兰盘引出，便于接入通信光纤，法兰盘内安装有多层密封圈，严格实现防水防潮功能。

实施例2

用于船体结构的长基应力光纤光栅传感，包括传感器顶座3和传感器底座固定板6，保护管4安装在两个底座3和6之间。光纤光栅7穿过保护管4，经过可伸缩的连接管5后进入密封盒盖1，密封盒盖1内部的顶丝拉紧光纤光栅。

经过安装工具8在船体固定好传感器后，整体安装传感器罩壳9，并锁紧螺栓。

（1）固定座6是体现长基应力传感器良好水密性的部件，在光纤7的前端光纤法兰座圆圈里面是设置多层密封圈；

（2）图2中的安装工具是个铝制平板，起到对长基应力传感器的准直功能，因为如果传感器安装角度有一定的倾斜误差，会不能真实反映所测量船体结构部位的应力值；

（3）传感器预拉部件图是包含传感器和预拉工具的结构图，其中预拉工具是由顶丝构成，安装过程中放置在图1左端的传感器顶座3，将光纤光栅7两端分别粘贴在传感器顶座3和传感器底座固定板6，通过旋转顶丝，修正光纤光栅的预拉值，最终该结构能起到零位调整与固定功能，安装结束后撤出预拉工具，固定光纤光栅，最后加上密封盒盖1。

(4)传感器总装图3是传感器结构的图，包括传感器的结构和外面的罩壳，其中罩壳起到防浪涌破坏功能。

实施例3

使用方法包括：

（1）当船体在外界或内部的作用力下发生变化使，在密封好的传感器内部，传感器顶座3和传感器底座固定板6发生相对位移，固定在两个底座3和6之间的光纤光栅7受到拉力作用产生形变，导致光纤光栅7中传导的激光波长发生变化。

（2）最终船体结构的应力以光纤光栅7的波长变化的形式在解调仪端显示，光纤光栅的形变与光纤光栅7的波长变化基本是线性关系的，通过解调仪端的补偿算法，最终获得光纤的波长与船舶结构的应力值之间具有线性关系，结果说明：

（1）传感器安装长度为1.5m，通过螺旋测微仪产生变形量，螺旋测微仪每圈变化5mm；

（2）计算后可得该传感器的灵敏度为1.19pm/

（3）传感器线性拟合度为99.8%，可见该结果传感器具有良好的线性度。

Claims (6)

1.一种用于船体结构的长基应力传感器，其特征在于所述的传感器系统包括：应力敏感器件、预固定装置、调节装置、密封装置、安装工具；

其中所述的应力敏感器件由单根光纤光栅（7）构成，光纤光栅的两端粘贴在传感器底座活动板（2）上由顶丝修正光纤光栅的预拉值，由水密法兰连接到传输光缆，最终船体结构的应力以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示，最大可测量形变是2000με，光纤光栅的形变与光纤光栅的波长变化基本是线性关系的，通过解调仪端的补偿算法，最终获得光纤的波长与船舶结构的应力值之间是呈比例变化的；

所述的预固定装置包括传感器底座活动板（2），传感器底座固定板（6）；传感器底座固定板（6）设置在光纤光栅（7）的前端，光纤法兰座圆圈里面设置多层密封圈；

调节装置由顶丝构成，敷设光纤光栅（7）时，光纤光栅一端固定在传感器底座固定板（6）上，另一端固定在顶丝上，再安装到传感器底座活动板（2），通过对照解调仪的示数来调整顶丝位置，修正光纤光栅的预拉值；安装结束后撤出调节装置，固定光纤光栅，最后加上密封盒盖（1）；

所述密封装置包括：密封盒盖（1）、连接管（5）、传感器罩壳（9），传感器罩壳起到防浪涌破坏功能；预拉后的传感器底座活动板（2）在撤出顶丝后，浇灌软硅橡胶起到水密作用，待软硅橡胶基本固化后，安装密封盒盖（1），密封盒盖（1）与传感器底座活动板（2）之间裸露的光纤光栅套接聚四氟乙烯材质的连接管（5），在起到防水的作用同时，便于传感器在应力作用下将传感器形变作用在连接管上；保护管（4）安装在传感器顶座（3）和传感器底座固定板（6）之间，光纤光栅（7）穿过保护管（4），经过可伸缩的连接管（5）后进入密封盒盖（1），密封盒盖1内部的顶丝拉紧光纤光栅（7）。

2.根据权利要求1所述用于船体结构的长基应力传感器，其特征在于：用于船体结构的长基应力传感器安装在316L不锈钢保护管（4）内，在传感器底座固定板端，光纤光栅通过法兰盘引出，便于接入通信光纤，法兰盘内安装有多层密封圈，严格实现防水防潮功能。

3.根据权利要求1所述用于船体结构的长基应力传感器，其特征在于：所述的浇灌软硅橡胶是在保护尾纤，防止振动导致光损耗的同时起到防水作用。

4.根据权利要求1所述用于船体结构的长基应力传感器，其特征在于所述安装工具（8）由铝板加工而成，起到固定安装的作用，以减少因传感器安装角度倾斜而导致的应力测量误差，在传感器安装结束后，该安装工具应该撤出现场。

5.根据权利要求1所述用于船体结构的长基应力传感器，其特征在于：经过安装工具（8）在船体固定好传感器后，整体安装传感器罩壳（9），并锁紧螺栓。

6.根据权利要求1所述用于船体结构的长基应力传感器的使用方法，其特征在于：

（1）当船体在外界或内部的作用力下发生变化量，在密封好的传感器内部，传感器顶座（3）和传感器底座固定板（6）发生相对位移，固定在两个底座（3）和（6）之间的光纤光栅7受到拉力作用产生形变，导致光纤光栅（7）中传导的激光波长发生变化；

（2）船体结构的应力以光纤光栅（7）的波长变化的形式在解调仪端显示，光纤光栅的形变与光纤光栅（7）的波长变化基本是线性关系的，通过解调仪端的补偿算法，最终获得光纤波长与船舶结构的应力值。