CN111076853A - 一种用于船舶结构应力监测的短基传感器及其使用方法 - Google Patents

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王为
刘传奇
乔立波
杨靖平
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    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/242Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre

Abstract

本发明公开了一种用于船舶结构应力监测的短基传感器及其使用方法。主要包括:连接装置、固定装置、密封装置以及应力敏感元件;光纤两端粘贴于承载块上,并通过固定螺丝孔固定于能够活动的连接管内,最终船体结构的应力变化将通过光纤光栅波长的变化反映在解调仪上。传感器针对船舶复杂的船体结构所设计,能安装于狭小的空间及部位,测量船体结构的应力变化。同时针对海洋恶劣的自然环境,传感器设计成整体水密的结构,无需额外的水密外壳,提高了传感器在海洋船舶运输过程中的密封性、可靠性与稳定性。

Description

一种用于船舶结构应力监测的短基传感器及其使用方法
技术领域
本发明是一种应用于船体局部强度测量的应力传感器,属于光纤光栅传感技术领域,涉及海洋船舶的灾害预防与监控。
背景技术
在各式各样的运输工具中,船舶具备装载量大且费用低廉的优势。然而面对海洋这样复杂恶劣的自然环境,船舶通常会受到各种载荷和因素的影响与侵蚀,造成船体结构的损伤和破坏,进而引发各种严重事故。在瞬息万变的海洋环境中,仅凭个人对于船体情况的判断是不可靠的,因此对船体结构进行实时健康监测是非常必要的。
由于光纤光栅对于被测信息采用波长编码,而波长是一种绝对参量,不受光源波动以及光纤弯曲等因素的影响,因此光纤光栅传感器具有很好的可靠性与稳定性;光纤光栅传感器体积小、抗电磁干扰能力强、易于组建传感网络;同时光纤本身耐腐蚀,化学性能稳定,适宜应用于海洋这样恶劣的自然条件下。
光纤光栅短基应力传感器系统是在船体结构中设置应力传感器,以此实现对于船体强度变化的实时自动化监测。该系统能够提供真实可靠的船体数据,使船舶管理人员能够及时针对船舶情况做出预警与处置,保障船上人员的生命安全以及财产安全。
发明内容
针对目前船用光纤光栅应力传感器所存在的不足之处,本发明的目的是提供一种用于船舶结构应力监测的短基传感器,实现对于船体结构局部强度的实时监测。
本发明为了实现上述目的,采用如下技术方案:
本发明公开的一种用于船舶结构应力监测的短基传感器,其特征在于所述的传感器系统包括:连接装置、固定装置、密封装置以及应力敏感元件。
其中所述的连接装置由连接管3、上保护管5、下保护管6、光纤粘贴承载块7组成。两端各有一个连接管3,其内放置着一个光纤粘贴承载块7,两个连接管3由保护管相连,保护管由上保护管5与下保护管6通过螺丝孔固定连接起来,保护管的连接部分均采用水密槽密封方式,水密槽中塞入橡胶材质的密封圈,保证连接处的水密性。
固定装置由传感器固定块2和粘贴块固定螺丝孔8组成。其中粘贴块固定螺丝孔8各位于两侧的连接管3上,螺丝通过该螺丝孔固定住位于连接管3内的光纤粘贴承载块7。
其中所述的密封装置包括光纤防水航插连接板1、密封板4、光纤防水航插口11以及航插固定孔12。左侧的光纤防水航插连接板1是为了连接光纤防水航插所设计,航插由航插口11接入,并通过航插固定孔12由螺丝所固定;密封板4完全密封住传感器的右侧,使传感器保持水密性。
应力敏感元件由单根光纤光栅9以及温度补偿光栅10所构成。光纤光栅的两端粘贴于承载块7上,并通过防水航插连接至传输光缆,最终船体结构的应力变化将以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪上显示出来;温度补偿光栅10粘贴在一侧的连接管3内侧,不受应力作用而只受温度影响,通过补偿算法即可进行温度补偿,消除温度对于应力测量的影响。
本发明所述的用于船舶结构应力监测的短基传感器,其特征在于:该传感器结构小巧,能够通过固定螺丝孔安装于狭小的空间内,用以船体某些复杂不易监测部位的应力变化测量。
本发明所述的用于船舶结构应力监测的短基传感器,其特征在于:该传感器规格良好,不仅可以用于船舶结构的应力监测,同时也可以适用于其它类型的复杂机械结构以及建筑物,监测局部位置的应力强度变化。
本发明所述的用于船舶结构应力监测的短基传感器,其特征在于:该传感器非一体式结构,而是通过多种零件组合而成,传感器整体都是由不锈钢材质制成。传感器整体是水密性结构,无需额外的水密外壳保护,光纤的引出也受防水航插的水密接头保护。
本发明进一步公开了用于船舶结构应力监测的短基传感器的使用方法,其特征在于:
(1)当传感器安装完成,并将光纤光栅的顶丝通过防水航插连接至解调仪后,如果安装位置的船体部分受到外力作用,传感器也会随之发生形变,粘贴在两端承载块7之间的光纤同样会发生形变,从而导致光纤光栅的波长发生变化。
(2)船体的应力变化通过光纤光栅波长的变化反映在解调仪上,因为光纤光栅的波长变化与光纤光栅的形变基本成线性关系,所以通过解调仪的补偿算法,船体结构的应力变化与光纤光栅的波长变化也基本呈线性比例变化。
本发明更进一步公开了用于船舶结构应力监测的短基传感器在用于船体某些复杂不易监测部位的局部应力应变检测方面的应用。实验结果显示该传感器在模拟船体局部强度变化的减速器上应用良好,每当转动减速器上的旋转轮带动滑轨左移或右移,传感器相应的被拉长或压缩,光纤中心波长也呈比例变化。
本发明更加详细的描述如下:
一种用于船舶结构应力监测的短基传感器由连接装置、固定装置、密封装置以及应力敏感元件组成。
连接装置由连接管、上保护管、下保护管和光纤粘贴承载块组成。由于传感器非一体式结构,需要各零件通过连接装置相连,各连接部分考虑到了水密性的要求,需要螺丝连接的部分采用水密垫片,其余相连部分设计了水密槽,其内塞入橡胶材质的密封圈,保证传感器连接部分的密封性,不受外界无关因素的影响。连接管内部放置光纤粘贴承载块,承载块通过连接管上的固定螺丝孔固定,其上分别在两侧粘贴光纤。连接管外侧有一圈凸起,为了保证保护管在外力作用下能够小范围的位移与形变,而不会与连接管脱节。
固定装置包括传感器固定块和粘贴块固定螺丝孔。传感器固定块左右两侧各有两个,通过其上的螺丝孔固定起来;两侧的光纤粘贴承载块上分别粘贴光纤光栅的两端,当传感器受外力作用时,保护管进行小范围的形变,导致光纤相应的被拉长或压缩,光纤光栅的波长随之发生变化。
密封装置包括光纤防水航插连接板、密封板、光纤防水航插口以及航插固定孔。密封装置确保了整个传感器能够不受海水或者其它无关变量的影响,其中光纤防水航插板是为了让防水航插能够更加方便准确的安装到传感器的结构上,航插由航插口接入,并通过航插固定孔由螺丝所固定,光纤通过航插接出,并连接至解调仪端进行波长读取。
应力敏感元件由单根光纤光栅以及温度补偿光栅所构成。光纤光栅两端粘贴于承载块上并通过固定螺丝孔固定位置,当传感器安装部位的船体结构受到外力作用时,传感器也相对形变,粘贴在传感器中的光纤相应被拉长或压缩,导致光纤光栅的波长发生变化。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,所以船体结构的应力将以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示。温度补偿光栅粘贴在设置有密封板一侧的连接管内侧,由于它的波长不受应力的影响而仅受温度的影响,所以可以通过补偿算法分离出温度对于该结构波长变化的影响,消除温度对于应力测量的影响,达到温度补偿的目的。
本发明主要解决了目前应力传感器尺寸普遍过大,不易测量各种复杂部位局部强度的问题,重点考察了传感器在海洋恶劣的自然环境下能够稳定使用的可用性与可靠性,主要的难点在于通过各零件组配的装配体结构能够实现应力传感器的测量需求。
本发明公开的一种用于船舶结构应力监测的短基传感器及其使用方法,与现有技术相比较,所具备的积极意义在于:
(1)应用于船舶结构应力监测的短基传感器,针对船舶航行的过程测量船体的局部强度。
(2)该传感器采用零件装配体式结构,相较其他常见的一体式结构,在安装、调试以及维护的过程中更加灵活;传感器结构小巧,能够通过固定螺丝孔安装于狭小的空间内,用于船体某些复杂不易监测部位的局部应力应变检测。
(3)该传感器规格良好,不仅用于船体结构的应力监测,同时也适用于其它类型的复杂机械结构以及建筑物,监测局部位置的应力强度变化。
(4)该传感器方便安装的同时,系统具备调节校准功能,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。
(5)该传感器针对海洋恶劣的自然环境,设计了整体水密的结构,无需设置额外的水密外壳,具备良好的水密性、稳定性以及防损坏性,提高了光纤光栅传感器在海洋运输领域应用的适宜性和可靠性。
附图说明
图1为本发明的用于船舶结构应力监测的短基传感器的剖面图;
图2为本发明的用于船舶结构应力监测的短基传感器的侧视图;
图中各标号:
光纤防水航插连接板1, 传感器固定块2, 连接管3,
密封板4, 上保护管5, 下保护管6,
光纤粘贴承载块7, 粘贴块固定螺丝孔8, 光纤光栅9,
温度补偿光栅10, 光纤防水航插口11, 航插固定孔12。
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物料成分和用量进行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。
实施例1
一种用于船舶结构应力监测的短基传感器,包括:连接装置、固定装置、密封装置以及应力敏感元件。
其中所述的连接装置由连接管3、上保护管5、下保护管6、光纤粘贴承载块7组成。两端各有一个连接管3,其内放置着一个光纤粘贴承载块7,两个连接管3由保护管相连,保护管由上保护管5与下保护管6通过螺丝孔固定连接起来,保护管的连接部分均采用水密槽密封方式,水密槽中塞入橡胶材质的密封圈,保证连接处的水密性。
固定装置包括:传感器固定块2、粘贴块固定螺丝孔8。其中粘贴块固定螺丝孔8各位于两侧的连接管3上,螺丝通过该螺丝孔固定住位于连接管3内的光纤粘贴承载块7。
其中所述的密封装置包括光纤防水航插连接板1、密封板4、光纤防水航插口11以及航插固定孔12。左侧的光纤防水航插连接板1是为了连接光纤防水航插所设计,航插由航插口11接入,并通过航插固定孔12由螺丝所固定;密封板4完全密封住传感器的右侧,使传感器保持水密性。
应力敏感元件由单根光纤光栅9以及温度补偿光栅10所构成。光纤光栅的两端粘贴于承载块7上,并通过防水航插连接至传输光缆,最终船体结构的应力变化将以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪上显示出来;温度补偿光栅10粘贴在一侧的连接管3内侧,不受应力作用而只受温度影响,通过补偿算法即可进行温度补偿,消除温度对于应力测量的影响。
实施例2
用于船舶结构应力监测的短基传感器,其特征在于所述的传感器系统包括:连接装置、固定装置、密封装置以及应力敏感元件。连接装置由连接管3、上保护管5、下保护管6、光纤粘贴承载块7组成;固定装置包括传感器固定块2和粘贴块固定螺丝孔8;密封装置包括光纤防水航插连接板1、密封板4、光纤防水航插口11以及航插固定孔12,零件相连部分设置有密封口,里面会设置垫多层密封圈,起到水密的作用,防止传感器由于进水影响对于应力的监测。
其中所述应力敏感元件由单根光纤光栅以及温度补偿光栅所构成。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,所以船体结构的应力将以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示。
实施例3
使用方法包括:
(1)当传感器安装完成,并将光纤光栅的顶丝通过防水航插连接至解调仪后,如果安装位置的船体部分受到外力作用,传感器也会随之发生形变,粘贴在两端承载块8之间的光纤同样会发生形变,从而导致光纤光栅的波长发生变化。
(2)船体的应力变化通过光纤光栅波长的变化反映在解调仪上,因为光纤光栅的形变与光纤光栅的形变基本成线性关系,所以通过解调仪的补偿算法,船体结构的应力变化与光纤光栅的波长变化也基本呈线性比例变化。
实施例4
本发明所公开的一种用于船舶结构应力监测的短基传感器,采用参考光栅法来进行温度补偿,从而消除温度对于传感器测量的影响。一根光纤光栅两端粘贴于承载块上,同时受应力和温度的影响,另外一根光纤粘贴于设置有密封板的一侧, 仅受温度影响。将两根光纤分别接出引入解调仪,在解调仪上记录两根光纤的波长数值变化。设两个光栅在外界因素作用下波长的漂移分别是
Figure 772407DEST_PATH_IMAGE001
那么这两个反射波长的变化可由下式表示出来:
Figure 126028DEST_PATH_IMAGE002
通过使用参考光栅法,就可以将应变与温度对波长的影响分离开来,这种温度补偿方法简单实用,检测成本较低,对应变的测量精度高,因此适宜用于船舶条件。
实施例5
本发明所公开的一种用于船舶结构应力监测的短基传感器,基于船舶复杂的结构所设计,传感器结构小巧,能够通过固定螺丝孔安装于狭小的空间内,用于船体某些复杂不易监测部位的局部应力应变检测,传感器规格良好,适用范围广泛,不仅可以用于船体结构的应力监测,同时也适用于其它复杂机械结构以及建筑物,监测局部结构的应力变化。该传感器非一体式结构,而是通过多种零件组合而成,传感器整体都是由不锈钢材质制成,传感器整体是水密性结构,无需额外的水密外壳保护,光纤的引出也受防水航插的水密接头保护,保障了传感器的水密性、可靠性以及稳定性。
实施例6
一种用于船舶结构应力监测的短基传感器,在具体实验过程中效果良好。针对该传感器的结构设计一个模拟船体局部强度变化的减速器用以实验,将传感器固定于减速器的滑块与固定台之间,每当转动减速器的旋转轮,滑块将以50:1的比例左移或右移,固定在其上的传感器也就相应被拉长或压缩,由于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,所以光纤光栅的波长也呈比例变化,且波动范围很小。实验结果显示该传感器线性度良好,灵敏度高,在使用过程中具有很好的可靠性与稳定性。

Claims (6)

1.一种用于船舶结构应力监测的短基传感器,其特征在于它包括连接装置、固定装置、密封装置和应力敏感元件;
其中所述的连接装置包括:连接管(3)、上保护管(5)、下保护管(6)、光纤粘贴承载块(7);两端各有一个连接管(3),其内放置着一个光纤粘贴承载块(7),两个连接管(3)由保护管相连,保护管由上保护管(5)与下保护管(6)通过螺丝孔固定起来,保护管的连接部分均采用水密槽密封方式,水密槽中塞入橡胶材质的密封圈,保证连接处的水密性;
所述的固定装置包括:传感器固定块(2)、粘贴块固定螺丝孔(8);其中粘贴块固定螺丝孔(8)各位于两侧的连接管(3)上,螺丝通过该螺丝孔固定住位于连接管(3)内的光纤粘贴承载块(7);
所述的密封装置包括:光纤防水航插连接板(1)、密封板(4)、光纤防水航插口(11)以及航插固定孔(12);左侧的光纤防水航插连接板(1)是为了连接光纤防水航插所设计,航插由航插口(11)接入,并通过航插固定孔(12)由螺丝所固定;密封板(4)完全密封住传感器的右侧,使传感器保持水密性;
所述的应力敏感元件包括:单根光纤光栅(9)以及温度补偿光栅(10);光纤光栅的两端粘贴于承载块(7)上,并通过防水航插连接至传输光缆,最终船体结构的应力变化将以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪上显示出来;温度补偿光栅(10)粘贴在一侧的连接管(3)内侧,不受应力作用而只受温度影响,通过补偿算法即可进行温度补偿,消除温度对于应力测量的影响。
2.根据权利要求1所述一种用于船舶结构应力监测的短基传感器,其特征在于不仅适用于对船舶结构的应力监测,同时也适用于其它类型的复杂机械结构以及建筑物,监测局部位置的应力强度变化。
3.根据权利要求1所述一种用于船舶结构应力监测的短基传感器,其特征在于传感器非一体式结构,而是采用零件装配体结构。
4.根据权利要求1所述一种用于船舶结构应力监测的短基传感器,其特征在于传感器整体零件均由不锈钢材质制成。
5.根据权利要求1所述一种用于船舶结构应力监测的短基传感器的使用方法,其特征包括:
(1)当传感器安装位置的船体部分受到外力作用,传感器也会随之发生形变,带动保护管进行小范围的形变,导致光纤相应的被拉长或压缩,从而导致光纤光栅的波长发生变化;
(2)船体的应力变化通过光纤光栅波长的变化反映在解调仪上,因为光纤光栅的形变与光纤光栅的形变基本成线性关系,所以通过解调仪的补偿算法,船体结构的应力变化与光纤光栅的波长变化也基本呈线性比例变化。
6.权利要求1所述用于船舶结构应力监测的短基传感器在用于船体某些复杂不易监测部位的局部应力应变检测方面的应用。
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