CN111076854A - 用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器及应用，其主要由传感器外壳，传感器密封盖，压力转换结构，传感器内部增敏结构组成。内部增敏结构的柔性铰链通过固定螺丝与传感器外壳连接，光纤光栅通过环氧树脂胶粘贴附着在两组铍青铜柔性铰链结构的光纤光栅粘贴点之间。传感器内部的光纤光栅通过传感器密封盖上的水密法兰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。本发明利用铝合金结构外壳及密封盖，保证了用于波浪载荷作用下船体结构压力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
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波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器及应用。
背景技术
船舶长期服役在环境恶劣的海洋中，会受到外界环境的不同影响，比如温度变化异常、船体冲击压力、波浪冲击载荷、强风巨浪冲击等等。这些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。其中波浪载荷作用下船体结构压力是船体系统监测的重要参数之一，如果能及时监测到船体结构的压力变化，势必会增强船体的结构安全，提高整体的可靠性。
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，实现用于波浪载荷作用下船体结构压力监测，将监测到的数据提供给船体工作人员，以做出相应的调整，避免产生对船体结构的不良影响。
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用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器，从而实现在恶劣环境下船体结构压力动态监测。
本发明为了实现上述目的，采用如下的技术方案：
一种用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器，其特征在于它主要包括：传感器外壳4，传感器密封盖9，压力转换结构，传感器内部增敏结构；
其中传感器外壳4是由铝合金经过切割、打磨、氧化步骤加工而成的圆筒状壳体。
所述的传感器密封盖9四周设有密封凹槽10及密封盖固定孔7，将硅胶制成的密封胶条嵌套到密封凹槽10中，传感器密封盖9通过固定螺丝与传感器外壳4进行固定密封。传感器密封盖9上设有水密法兰安装孔12。
所述的压力转换结构，主要由铍青铜制成的圆形膜片3与传力柱2组成，圆形膜片3与传力柱2呈现垂直状。所述的圆形膜片3上方呈现倒梯形，圆形膜片受压力作用带动传力柱产生竖直向下的运动，所述的圆形膜片上方呈现倒梯形，圆形膜片3上端用于接触待测液体，下端与传感器外壳4上端密封连接。
所述的内部增敏结构包括一根串联两个光栅的光纤，一组对称铍青铜柔性铰链结构1。铍青铜柔性铰链结构1通过固定螺丝5与传感器外壳4连接，光纤光栅通过环氧树脂胶粘贴附着在两组铍青铜柔性铰链结构1的光纤光栅粘贴点6之间。传感器内部的光纤光栅通过传感器密封盖9上的水密法兰11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。
本发明所述用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器，使用参考光栅法消除温度对船体结构压力监测的影响，确保传感器测量的准确性。所述传感器外壳4及传感器密封盖9都是由铝合金经过切割、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波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器的使用方法，其特征在于：
当船体结构受到外部环境变化引起的波浪载荷作用时，安装在船体船艏位置的传感器直接与波浪载荷接触，波浪载荷作用于传感器压力转换结构，圆形膜片3上端与下端形成压力差，圆形膜片3受压力作用带动传力柱2产生竖直向下的运动，内部增敏结构的两组柔性铰链结构1在传力柱2的作用下，产生水平向外的位移，粘贴在两组柔性铰链结构1之间光纤光栅被拉伸，光纤光栅中心波长的变化与压力变化基本呈现线性关系，通过补偿算法，最终获得光纤光栅中心波长与船体结构压力变化之间的关系。
传感器外壳4及传感器密封盖9利用铝合金结构，提高了系统的水密性和稳定性。水密法兰11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波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器在用于恶劣环境下船体结构压力监测方面的应用。实验结果显示波浪载荷作用下船体结构压力的变化与光纤光栅中心波长变化呈现线性关系，这说明此传感器具有较高的灵敏度。通过仿真实验可得出，在4.5Mpa的压力情况下，光纤光栅可达到1712με。
本发明更加详细的描述如下：
所述的内部增敏结构包括一根串联两个光栅的光纤，一组对称铍青铜柔性铰链结构1。铍青铜柔性铰链结构1通过固定螺丝5与传感器外壳4连接，光纤光栅通过环氧树脂胶粘贴附着在两组铍青铜柔性铰链结构1的光纤光栅粘贴点6之间。传感器内部的光纤光栅通过传感器密封盖9上的水密法兰11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。
传感器密封盖9四周设有密封凹槽10及密封盖固定孔7，将硅胶制成的密封胶条嵌套到密封凹槽10中，传感器密封盖9通过固定螺丝与传感器外壳4进行固定密封。传感器密封盖9上设有水密法兰安装孔12。
本发明主要解决了光纤光栅传感器在海洋环境中波浪载荷作用下船体结构压力监测，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船体结构压力监测的稳定性及水密性。
本发明公开的用于波浪载荷作用下船体结构压力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）用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器，针对船体工作环境要求，在海洋环境中波浪载荷作用下船体结构压力监测，并具有良好的水密性及较大的监测范围。
（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密封盖，保证了用于波浪载荷作用下船体结构压力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。
（3）对称铍青铜柔性铰链结构的使用可以增强传感器的灵敏度，提升传感器压力监测范围。
附图说明
图1为用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器结构示意图；
图2为传感器密封盖结构示意图；
图中：1—柔性铰链结构，2—传力柱，3—圆形膜片，4—传感器外壳，5—固定螺丝，6—光纤光栅粘贴点，7—密封盖固定孔，8—水密法兰，9—传感器密封盖，10—密封凹槽，11—水密法兰，12—水密法兰安装孔。
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。
实施例1
用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器，其特征在于它主要包括：传感器外壳4，传感器密封盖9，压力转换结构，传感器内部增敏结构组成；
其中传感器外壳4是由铝合金经过切割、打磨、氧化步骤加工而成的圆筒状壳体。
所述的传感器密封盖9四周设有密封凹槽10及密封盖固定孔7，将硅胶制成的密封胶条嵌套到密封凹槽10中，传感器密封盖9通过固定螺丝与传感器外壳4进行固定密封。传感器密封盖9上设有水密法兰安装孔12。
所述的压力转换结构，主要由铍青铜制成的圆形膜片3与传力柱2组成，圆形膜片3与传力柱2呈现垂直状。所述的圆形膜片3上方呈现倒梯形，圆形膜片受压力作用带动传力柱产生竖直向下的运动，所述的圆形膜片上方呈现倒梯形，圆形膜片3上端用于接触待测液体，下端与传感器外壳4上端密封连接。
所述的内部增敏结构包括一根串联两个光栅的光纤，一组对称铍青铜柔性铰链结构1。铍青铜柔性铰链结构通过固定螺丝5与传感器外壳4连接，光纤光栅通过环氧树脂胶粘贴附着在两组铍青铜柔性铰链结构1的光纤光栅粘贴点6之间。传感器内部的光纤光栅通过传感器密封盖9上的水密法兰11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。
实施例2
使用方法包括：
当船体结构受到外部环境变化引起的波浪载荷作用时，安装在船体船艏位置的传感器直接与波浪载荷接触，波浪载荷作用于传感器压力转换结构，圆形膜片3上端与下端形成压力差，圆形膜片3受压力作用带动传力柱2产生竖直向下的运动，内部增敏结构的两组柔性铰链结构1在传力柱2的作用下，产生水平向外的位移，粘贴在两组柔性铰链结构1之间光纤光栅被拉伸，光纤光栅中心波长的变化与压力变化基本呈现线性关系，通过补偿算法，最终获得光纤光栅中心波长与船体结构压力变化之间的关系。
传感器外壳4及传感器密封盖9利用铝合金结构，提高了系统的水密性和稳定性。水密法兰11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。
实施例3
将用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器和现有传统的压力传感器应用在相同的环境中，用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器具有更大的测量范围及更高的测量精度。可达到在4.5Mpa海水压力下，用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器测量精度可达到全量程的0.05%，而传统的压力传感器只能达到全量程的0.5%。
实施例4
使用参考光栅法消除温度对船体结构压力监测的影响，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，只与波浪载荷作用下船体结构压力变化所引起的波长漂移量有关，从而实现温度自补偿的光纤光栅传感器。
Claims (5)
1.一种用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器，其特征在于它主要包括：传感器外壳、传感器密封盖、压力转换结构，传感器内部增敏结构；
其中传感器外壳（4）是由铝合金围成的圆筒状壳体；
所述的传感器密封盖（9）四周设有密封凹槽（10）及密封盖固定孔（7），将硅胶制成的密封胶条嵌套到密封凹槽（10）中，传感器密封盖（9）通过固定螺丝与传感器外壳（4）固定密封，传感器密封盖（9）上设有水密法兰安装孔（12）；
所述的压力转换结构，包括铍青铜制成的圆形膜片（3）与传力柱（2），圆形膜片（3）与传力柱（2）呈现垂直状，圆形膜片（3）受压力作用带动传力柱（2）产生竖直向下的运动，所述的圆形膜片（3）上方呈现倒梯形，圆形膜片（3）上端用于接触待测液体，下端与传感器外壳（4）上端密封连接；
所述的内部增敏结构包括一根串联两个光栅的光纤，一组对称铍青铜柔性铰链结构（1）；铍青铜柔性铰链结构（1）通过固定螺丝（5）与传感器外壳（4）连接，光纤光栅通过环氧树脂胶粘贴附着在两组铍青铜柔性铰链结构（1）的光纤光栅粘贴点（6）之间，传感器内部的光纤光栅通过传感器密封盖（9）上的水密法兰（11）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所述的一种用于波浪载荷作用下船体结构压力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结构压力监测的影响，确保传感器测量的准确性。
3.根据权利要求1所述的一种用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器，其特征在于：所述传感器外壳（4）及传感器密封盖（9）都是由铝合金经过切割、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所述用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器的使用方法，其特征在于：
当船体结构受到外部环境变化引起的波浪载荷作用时，安装在船体船艏位置的传感器直接与波浪载荷接触，波浪载荷作用于传感器压力转换结构，圆形膜片（3）上端与下端形成压力差，圆形膜片受压力作用带动传力柱（2）产生竖直向下的运动，内部增敏结构的两组柔性铰链结构（1）在传力柱2的作用下，产生水平向外的位移，粘贴在两组柔性铰链结构1之间光纤光栅被拉伸，光纤光栅中心波长的变化与压力变化基本呈现线性关系，通过补偿算法，最终获得光纤光栅中心波长与船体结构压力变化之间的关系。
5.权利要求1所述的一种用于波浪载荷作用下船体结构压力监测的光纤光栅传感器在用于恶劣环境下船体结构压力监测方面的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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