CN111076680A

CN111076680A - 一种用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器及应用

Info

Publication number: CN111076680A
Application number: CN202010040039.1A
Authority: CN
Inventors: 王为; 杨靖平; 乔立波; 刘传奇
Original assignee: Tianjin Normal University
Current assignee: Tianjin University; Tianjin Normal University
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-04-28

Abstract

本发明涉及一种用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器及应用，其主要由传感器密封外壳盖，传感器外壳，传感器内部敏感结构。使用螺丝将传感器外壳与内部敏感结构固定，将光纤的三个光栅区域使用环氧树脂胶分别粘贴在三个不同方向上的柔性铰链与中心质量块之间，光纤由水密法兰连接到传输光缆。船体因外界环境发生的周期性横摇、纵摇和艏摇引起的船体三个方向角度变化，通过传感器的监测以及补偿算法可以得出船体姿态的变化情况。本发明利用铝合金结构外壳及密封外壳盖，保证了用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器在海洋领域应用的耐久性和可靠性。

Description

一种用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器及应用

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，特别是涉及一种用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器及应用。

背景技术

海洋中存在较多的不确定性，在海面上的船体经常会受到海浪的影响。海浪是海洋中的一种普遍现象，它是由海水的不规则波动而产生的。海上的船体受到波浪的影响，产生剧烈摇晃，进而会发生周期性横摇、纵摇和艏摇的运动，这不仅会影响船体的正常航行，更有可能严重损伤船体结构及船上设施。因此，如果能及时监测到船体的姿态变化，为船体工作人员提供可靠数据，势必会增强船体的结构安全，提高整体的安全性能。

光纤光栅作为光纤传感器的重要组成部分，除了具有普通光纤传感技术的防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰、对电绝缘、无电传输等许多优点外，还有一些明显优于其它光纤传感技术的特点，如使用可靠性高，寿命长，波长在光束的传输过程中不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响，并且可以将多个不同波长的光栅串联到一根光纤上，提高传感器的监测灵敏度，做到能够进行长期安全监测，因此光纤传感器适宜于在海洋船舶这样恶劣环境中使用。

由于海洋环境中存在着较多不确定因素，因此安装在船体上的传感器设备及其他装置必须要有较高的工作稳定性及监测数据的实时性，传统的民用、商用装置已经不能满足要求。本发明克服现有技术不足，实现船体姿态监测，将监测到的数据提供给船体工作人员，以做出相应的船体姿态调整，避免产生船体侧翻等不良影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种适用于海洋环境中船体姿态动态监测的光纤光栅传感器，从而实现在恶劣环境下船体姿态动态监测。

本发明为了实现上述目的，采用如下的技术方案：

一种用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器，其特征在于它主要包括：传感器密封外壳盖10，传感器外壳3，传感器内部敏感结构；

其中传感器密封外壳盖10四周设有密封凹槽11，将硅胶制成的密封胶条嵌套到密封凹槽中，在传感器密封外壳盖10上设有四个外壳盖固定孔12，外壳盖固定孔12安装硅胶密封垫后，通过固定螺丝与传感器外壳螺纹孔4进行固定密封，传感器外壳3的侧面设有水密法兰安装孔13和四个螺纹固定孔14，通过螺丝固定水密法兰2，传感器内部敏感结构与传感器外壳3的固定是通过传感器外壳安装通孔5与铰链结构固定；

所述的传感器内部敏感结构包括光纤1，铍青铜质量块7，铍青铜柔性铰链6；其中光纤1由串联三个不同波长的栅区9构成，铍青铜柔性铰链6和铍青铜质量块7为一体成型结构，且铍青铜柔性铰链6含有三个不同方向的柔性铰链，光纤光栅通过环氧树脂胶8粘贴附着在铍青铜质量块7和铍青铜柔性铰链6的之间，传感器内部的光纤1通过固定在传感器外壳3侧面的水密法兰2与船体的传输光缆相连，将光纤光栅波长的变化传输到解调仪。

本发明所述用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器，其特征在于：使用参考光栅法消除温度对船体姿态监测的影响，确保传感器测量的准确性。所述传感器外壳3及传感器密封外壳盖10都是由一整块的铝合金经过切割、打磨、氧化步骤加工而成，未经过拼接焊接的过程。

本发明进一步公开了用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器的使用方法，其特征在于：

当船体因外部环境发生姿态变化时，传感器内部敏感结构的三个柔性铰链与中心质量块发生相对位移，三个柔性铰链分别监测船体运动情况所引起的不同方向加速度变化，加速度变化与光纤光栅中心波长的变化基本呈现线性关系，通过补偿算法，可以得出船体横摇、纵摇和艏摇所产生的角度变化，最终获得光纤中心波长与船体运动所产生姿态变化之间的关系。

传感器外壳3及传感器密封外壳盖10利用一体成型铝合金结构，提高了系统的水密性和稳定性。水密法兰2的使用可以提升传感器的抗腐蚀性能，减少短路断路发生的情况，提高系统的测量精度，便于后期维护。

本发明进一步公开了所述用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器在用于恶劣环境下船体姿态动态监测方面的应用。实验结果显示船体因横摇、纵摇和艏摇引起的角度变化与光纤光栅中心波长变化呈现线性关系。

本发明更加详细的描述如下：

传感器内部敏感结构由光纤1，铍青铜质量块7，铍青铜铰链结构组成。其中光纤1由串联三个不同波长的栅区组成，铍青铜铰链结构由设置在三个不同方向上的柔性铰链6组成。铍青铜铰链结构和铍青铜质量块7为一体成型结构，对比拼接结构可以避免长期使用带来的损耗和维修问题。光纤1为敏感元件，配合铍青铜铰链结构和铍青铜质量块7，可以监测船体横摇、纵摇和艏摇三种运动情况所引起的不同方向加速度变化。

传感器密封外壳盖10四周设有密封凹槽11，将硅胶制成的密封胶条嵌套到密封凹槽11中，在传感器密封外壳盖10上设有四个外壳盖固定孔12，外壳盖固定孔12安装硅胶密封垫后，通过固定螺丝与传感器外壳螺纹孔4进行固定密封，传感器外壳3的侧面设有水密法兰安装孔13和四个螺纹固定孔14，通过螺丝固定水密法兰2，传感器内部敏感结构与传感器外壳3的固定是通过传感器外壳安装通孔5与铰链结构固定。

本发明主要解决了光纤光栅传感器在恶劣情况下船体动态姿态监测，重点考察了光纤光栅传感器的灵敏度，主要的难点在于光纤光栅传感器实现监测船体横摇、纵摇和艏摇三种运动情况及系统的稳定性及水密性。

本发明公开的用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器及应用与现有技术相比所具有的积极效果在于：

（1）用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器，针对船体工作环境要求，实现监测船体横摇、纵摇和艏摇三种运动情况，并具有良好的水密性、较大的监测范围。

（2）针对海洋潮湿、浪涌等恶劣工作条件，本发明利用铝合金结构外壳及外壳盖，保证了用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器在海洋领域应用的耐久性和可靠性。

附图说明

图1为用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器结构示意图；

图2为传感器密封外壳盖示意图；

图3为传感器的侧面示意图；

图中：1—光纤，2—水密法兰，3—传感器外壳，4—外壳螺纹孔，5—安装通孔，6—铍青铜柔性铰链，7—铍青铜质量块，8—环氧树脂胶，9—栅区，10—传感器密封外壳盖，11—密封凹槽，12—外壳盖固定孔，13—水密法兰安装孔，14—螺纹固定孔。

具体实施方式

下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。所述的环氧树脂胶有市售。

实施例1

用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器，其特征在于它主要包括：传感器密封外壳盖10，传感器外壳3，传感器内部敏感结构。其中传感器密封外壳盖10四周设有密封凹槽11，将硅胶制成的密封胶条嵌套到密封凹槽11中，在传感器密封外壳盖10上设有四个外壳盖固定孔12，外壳盖固定孔安装硅胶密封垫后，通过固定螺丝与传感器外壳螺纹孔4进行固定密封，传感器外壳3的侧面设有水密法兰安装孔13和四个螺纹固定孔14，通过螺丝固定水密法兰2，传感器内部敏感结构与传感器外壳3的固定是通过传感器外壳安装通孔5与铰链结构固定。

所述的传感器内部敏感结构包括光纤1，铍青铜质量块7，铍青铜铰链结构，其中光纤1由串联三个不同波长的栅区9组成，其中铍青铜铰链结构和铍青铜质量块7为一体成型结构，且铍青铜铰链结构含有三个不同方向的铍青铜柔性铰链6，光纤光栅通过环氧树脂胶8粘贴附着在铍青铜质量块7和铍青铜柔性铰链6的之间，传感器内部的光纤1通过固定在传感器外壳3侧面的水密法兰2与船体的传输光缆相连，将检测到的光纤光栅波长变化传输到解调仪。

实施例2

使用方法包括：

将用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器固定在船体相关位置，当船体因外部环境发生姿态变化时，传感器内部敏感结构的三个柔性铰链与中心质量块发生相对位移，三个柔性铰链分别监测船体运动情况所引起的不同方向加速度变化，加速度变化与光纤光栅中心波长的变化基本呈现线性关系，通过补偿算法，可以得出船体横摇、纵摇和艏摇所产生的角度变化，最终获得光纤中心波长与船体运动所产生姿态变化之间的关系。

实施例3

使用参考光栅法消除温度对船体姿态监测的影响，用一根不受应变作用的光栅实现温度测量，将其串联到传感器内部敏感结构，放置在传感器内。传感器一旦封装完成，光纤光栅中心波长变化量将不受温度影响，只与船体姿态改变所引起的应变波长漂移量有关，从而实现温度自补偿的光纤光栅传感器。

实施例4

角度推导过程，假设

轴与水平面之间的夹角为

轴与水平面间的夹角为

轴与重力方向夹角为

即为XYZ三个轴上的加速度，因此可计算出：

三个轴加速度的矢量和等于：

可以推导出三个角度的表达式为：

Claims

1.一种用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器，其特征在于它主要包括：传感器密封外壳盖（10），传感器外壳（3），传感器内部敏感结构；

其中传感器密封外壳盖（10）四周设有密封凹槽（11），将硅胶制成的密封胶条嵌套到密封凹槽中，在传感器密封外壳盖（10）上设有四个外壳盖固定孔（12），外壳盖固定孔（12）安装硅胶密封垫后，通过固定螺丝与传感器外壳螺纹孔（4）进行固定密封，传感器外壳（3）的侧面设有水密法兰安装孔（13）和四个螺纹固定孔（14），通过螺丝固定水密法兰（2），传感器内部敏感结构与传感器外壳（3）的固定是通过传感器外壳安装通孔（5）与铰链结构固定；

所述的传感器内部敏感结构包括光纤（1），铍青铜质量块（7），铍青铜柔性铰链（6）；其中光纤（1）由串联三个不同波长的栅区（9）构成，铍青铜柔性铰链（6）和铍青铜质量块（7）为一体成型结构，且铍青铜柔性铰链（6）含有三个不同方向的柔性铰链，光纤光栅通过环氧树脂胶（8）粘贴附着在铍青铜质量块（7）和铍青铜柔性铰链（6）的之间，传感器内部的光纤（1）通过固定在传感器外壳（3）侧面的水密法兰（2）与船体的传输光缆相连，将光纤光栅波长的变化传输到解调仪。

2.根据权利要求1所述的一种用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器，其特征在于：使用参考光栅法消除温度对船体姿态监测的影响，确保传感器测量的准确性。

3.根据权利要求1所述的一种用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器，其特征在于：传感器外壳（3）及传感器密封外壳盖（10）都是由一整块的铝合金经过切割、打磨、氧化步骤加工而成，未经过拼接焊接的过程。

4.权利要求1所述用于船体姿态动态监测的光纤光栅传感器在用于恶劣环境下船体姿态动态监测方面的应用。