CN112649052A - 基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统及方法 - Google Patents
基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统，它的应变光缆铺设于预设的船体应变待测部位，光纤光栅水压力传感器铺设于预设的船体水压力待测部位，光纤光栅水压力传感器一端的光纤接头接空，光纤光栅水压力传感器另一端的光纤接头连接应变光缆的一端，应变光缆的另一端连接光纤解调仪的通信端；所述应变光缆采用单模光纤制备，单模光纤的包层内的纤芯中沿纤芯的长度方向刻写光纤光栅阵列。本发明用于实现对船舶结构应变和水压力的同时准确监测。
Description
技术领域
本发明涉及船舶结构健康监测技术领域，具体地指一种基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统及方法。
背景技术
船舶在航行的过程中，船体结构不仅会受到自身货物的负载，还不可避免的会遇到各种恶劣的环境，如暴风，巨浪等。在负载和波浪载荷的联合作用下，船舶结构可能会产生严重变形和损伤，甚至产生崩溃，造成重大事故和生命财产损失。因此对船舶运行过程中关键结构的多种状态参数，特别是水压力和应变值进行监测对于航行安全显得尤为重要。
目前用于船体结构状态监测的方法主要为将传统的电类传感器布设于船体关键部位，通过监测这些部位的状态参数来实现对船体结构的监测。如对于水压力的监测主要使用压电式压力传感器，对应变的监测主要使用的是电阻式应变传感器。这些电类传感器大多存在连接导线繁琐，安装时间长的问题，且只能监测某点的应变变化，难以实现对船体结构的大范围全面监测。同时还存在易受电磁信号干扰、使用寿命短、贴片不稳定、解调通道较少等局限性。目前虽然已有将光纤光栅用于船舶应变测量的应用，但大多是用于单点或局部若干个点的测量，未形成光纤传感阵列并组成网络；同时仅将光栅传感器单独用于监测应变值，不能满足对船体结构多种参量进行全面监测的需求。并且在进行多参量监测时，仍然需要配合使用多种不同类型的传感器，因此采集得到的数据来源于不同的仪器设备，存在着信号来源与数据类型无法统一，信号分析及数据处理过程繁琐的问题。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统及方法，本发明用于实现对船舶结构应变和水压力的同时准确监测。
为实现此目的，本发明所设计的基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统，它包括应变光缆、光纤解调仪和光纤光栅水压力传感器，其中，所述应变光缆铺设于预设的船体应变待测部位，光纤光栅水压力传感器铺设于预设的船体水压力待测部位，光纤光栅水压力传感器一端的光纤接头接空，光纤光栅水压力传感器另一端的光纤接头连接应变光缆的一端，应变光缆的另一端连接光纤解调仪的通信端；
所述应变光缆采用单模光纤制备，单模光纤的包层内的纤芯中沿纤芯的长度方向刻写光纤光栅阵列；
所述光纤解调仪用于通过光频域反射技术解调出应变光缆中各光栅和光纤光栅水压力传感器中光栅在初始状态下的中心波长λ0；
光纤解调仪在监测船体状态的过程中每隔预设时间解调一次应变光缆中各个光栅的中心波长λ1，并利用公式ε＝n(λ1-λ0)计算应变光缆中各个光栅监测到的船体应变ε，其中，n表示应变光缆中各个光栅的应变系数；
光纤解调仪在监测船体状态的过程中每隔预设时间解调一次光纤光栅水压力传感器中光栅的中心波长λ2，并利用公式P＝σ(λ2-λ0)计算光纤光栅水压力传感器中光栅监测到的船体水压力P，σ为光纤光栅水压力传感器中光栅的压力灵敏度。
本发明的有益效果：
本发明通过将基于分布式光纤光栅传感器制备的应变、水压力等多种传感系统组合形成全光纤光栅的传感网络，可实现对船体结构的多种状态参量进行实时、连续监测，拥有监测点多，精度高的特点。由于对各参量的监测均使用光纤光栅传感器，具有抗电磁干扰、便于安装、稳定性高、复用能力强的特点。同时由于波长数据均来源于同一根光纤，解调时可使用同一台解调设备，具有信号解调与数据处理简单便捷，监测结果的可靠性和准确性高的特点。
附图说明
图1为本发明铺设在船体的结构示意图；
图2为分布式光栅阵列应变光缆的示意图；
图3为通过光纤光栅传感网络同步实时获取多监测参量的示意图；
其中，1—单模光纤、2—包层、3—纤芯、4—光栅、5—应变光缆、6—光纤解调仪、7—光纤光栅水压力传感器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1～3所示的一种基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统，它包括应变光缆5、光纤解调仪6和光纤光栅水压力传感器7，其中，所述应变光缆5铺设于预设的船体应变待测部位，光纤光栅水压力传感器7铺设于预设的船体水压力待测部位，光纤光栅水压力传感器7一端的光纤接头接空，光纤光栅水压力传感器7另一端的光纤接头连接应变光缆5的一端，应变光缆5的另一端连接光纤解调仪6的通信端；
所述应变光缆5采用单模光纤1制备，单模光纤1的包层2内的纤芯3中沿纤芯3的长度方向刻写光纤光栅阵列，光纤光栅阵列中光栅4的光栅栅长＝单模光纤1曝光区域的长度＝5～10mm；该长度光栅制备难度小，也不影响测量效果。
所述光纤解调仪6用于通过光频域反射技术(OFDR)解调出应变光缆5中各光栅4和光纤光栅水压力传感器7中光栅4在初始状态下的中心波长λ0；
光纤解调仪6在监测船体状态的过程中每隔预设时间解调一次应变光缆5中各个光栅4的中心波长λ1，并利用公式ε＝n(λ1-λ0)计算应变光缆5中各个光栅4监测到的船体应变ε，其中，n表示应变光缆5中各个光栅4的应变系数，λ1-λ0表示应变光缆5中光纤光栅的中心波长偏移量；
光纤解调仪6在监测船体状态的过程中每隔预设时间解调一次光纤光栅水压力传感器7中光栅4的中心波长λ2，并利用公式P＝σ(λ2-λ0)计算光纤光栅水压力传感器7中光栅4监测到的船体水压力P，σ为光纤光栅水压力传感器7中光栅4的压力灵敏度，λ2-λ0表示光纤光栅水压力传感器7中光纤光栅的中心波长偏移量。
上述技术方案中，所述应变光缆5的反射率范围为千分之一到万分之一。这样保证单根光纤上可以容纳足够多的光栅数量，同时也不增加解调技术的难度。
上述技术方案中，所述单模光纤1中相邻两个光栅4的栅距均为20～50mm，光栅4个数不低于500个。栅距20～50mm，是为了对船体进行较密集的应变测量，以更好的感知船体状态。
上述技术方案中，所述光纤光栅水压力传感器7为单光纤光栅温度自补偿膜片式水压力传感器。单光纤光栅温度自补偿，相对于采用参考光栅进行温度补偿，减少了光栅数量，提高了系统的传感器数量。
上述技术方案中，所述光纤光栅水压力传感器7的光栅栅长为200～500mm。
上述技术方案中，所述光纤光栅水压力传感器7有多个，多个光纤光栅水压力传感器7依次串接后与应变光缆5进行串接形成光纤传感网络。一个通道即可完成所有测点的数据处理采集。
上述技术方案中，所述应变光缆5中各个光栅4的应变系数n的测定方法为：在标准试验台上，使用和船体一样的材料做试样，以及相同的光缆安装方式，通过与标准电阻应变片进行对比，测定光栅的应变系数n。
上述技术方案中，所述光纤光栅水压力传感器7中光栅4的压力灵敏度σ的测定方法为在压力测试设备上按照一定的步进值施加压力，通过解调出光栅4的中心波长变化，计算出压力灵敏度，并重复多次测量取平均值作为压力灵敏度σ。
上述技术方案中，在应变光缆5铺设时，根据船舶结构的监测需要，设定光缆的铺设路线，将制备好的应变光缆铺设于船体的待测部位6，在安装的时候，施加一定的预应力给光应变光缆。并利用胶装的方式将光纤光栅紧紧贴合于船体。应变的监测方向和应变光缆5中光栅4的轴向平行。
一种基于上述系统的船体多参量监测方法，它包括如下步骤：
步骤1：利用拉丝塔在线制备光纤光栅技术在单模光纤1上制备光纤光栅阵列，并封装制作成应变光缆5；
步骤2：将应变光缆5铺设于预设的船体应变待测部位，将光纤光栅水压力传感器7铺设于预设的船体水压力待测部位，光纤光栅水压力传感器7一端的光纤接头接空，光纤光栅水压力传感器7另一端的光纤接头连接应变光缆5的一端，形成光纤光栅传感网络，应变光缆5的另一端连接光纤解调仪6的通信端；
步骤3：光纤解调仪6通过光频域反射技术解调出应变光缆5中各光栅4和光纤光栅水压力传感器7中光栅4在初始状态下的中心波长λ0；
步骤4：光纤解调仪6在监测船体状态的过程中每隔预设时间解调一次应变光缆5中各个光栅4的中心波长λ1，并利用公式ε＝n(λ1-λ0)计算应变光缆5中各个光栅4监测到的船体应变ε，其中，n表示应变光缆5中各个光栅4的应变系数；
步骤5：光纤解调仪6在监测船体状态的过程中每隔预设时间解调一次光纤光栅水压力传感器7中光栅4的中心波长λ2，并利用公式P＝σ(λ2-λ0)计算光纤光栅水压力传感器7中光栅4监测到的船体水压力P，σ为光纤光栅水压力传感器7中光栅4的压力灵敏度。由于待测部位的应变与光栅轴向应变同步变化，同样结构所受水压力与水压力传感器受到的变化也是同步的。因此光栅受到应变或者拉伸导致中心波长发生偏移，通过偏移量可以计算出应变值和水压力值的大小，光栅的中心波长发生的变化可以看作是船舶底部在经历某个历程之后的变化。将解调出的中心波长与步骤6中的初始状态下光栅的中心波长相减，得到的波长偏移量经过换算可以得到应变量的大小，即为船舶待测部位在预设时间内产生的应变量。同理利用解调仪解调出水压力传感器的中心波长，通过计算得到监测部位的水压力值大小。
本发明将分布式光纤光栅阵列传感器进行合适封装成应变光缆用于监测船舶结构产生的应变，将应变光缆和光纤光栅水压力传感器连接起来，组合形成一种全光纤光栅的传感网络，铺设于船体所有的待测部位，实现对船舶结构应变和水压力等多参量的同时监测。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、便于安装、耗时短、稳定性高、复用能力强等特点，可以解决传统电类传感器连接导线较为繁琐、易受电磁干扰的问题。同时，由于采用全光纤光栅的传感网络，信号类型一致且数据处理量小，并且仅采用一台数据采集设备完成传感器网络中所有数据的采集，可进一步简化系统，提高监测系统的可靠度，解决无法对船舶结构多参量同时、大范围全面监测的问题。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统，其特征在于：它包括应变光缆(5)、光纤解调仪(6)和光纤光栅水压力传感器(7)，其中，所述应变光缆(5)铺设于预设的船体应变待测部位，光纤光栅水压力传感器(7)铺设于预设的船体水压力待测部位，光纤光栅水压力传感器(7)一端的光纤接头接空，光纤光栅水压力传感器(7)另一端的光纤接头连接应变光缆(5)的一端，应变光缆(5)的另一端连接光纤解调仪(6)的通信端；
所述应变光缆(5)采用单模光纤(1)制备，单模光纤(1)的包层(2)内的纤芯(3)中沿纤芯(3)的长度方向刻写光纤光栅阵列；
所述光纤解调仪(6)用于通过光频域反射技术解调出应变光缆(5)中各光栅(4)和光纤光栅水压力传感器(7)中光栅(4)在初始状态下的中心波长λ0；
光纤解调仪(6)在监测船体状态的过程中每隔预设时间解调一次应变光缆(5)中各个光栅(4)的中心波长λ1，并利用公式ε＝n(λ1-λ0)计算应变光缆(5)中各个光栅(4)监测到的船体应变ε，其中，n表示应变光缆(5)中各个光栅(4)的应变系数；
光纤解调仪(6)在监测船体状态的过程中每隔预设时间解调一次光纤光栅水压力传感器(7)中光栅(4)的中心波长λ2，并利用公式P＝σ(λ2-λ0)计算光纤光栅水压力传感器(7)中光栅(4)监测到的船体水压力P，σ为光纤光栅水压力传感器(7)中光栅(4)的压力灵敏度。
2.根据权利要求1所述的基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统，其特征在于：应变光缆(5)的光纤光栅阵列中光栅(4)的光栅栅长＝单模光纤(1)曝光区域的长度。
3.根据权利要求1所述的基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统，其特征在于：所述应变光缆(5)的反射率范围为千分之一到万分之一。
4.根据权利要求1所述的基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统，其特征在于：所述单模光纤(1)中相邻两个光栅(4)的栅距均为20～50mm。
5.根据权利要求1所述的基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统，其特征在于：所述光纤光栅水压力传感器(7)为单光纤光栅温度自补偿膜片式水压力传感器。
6.根据权利要求1所述的基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统，其特征在于：所述光纤光栅水压力传感器(7)的光栅栅长为200～500mm。
7.根据权利要求1所述的基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统，其特征在于：所述光纤光栅水压力传感器(7)有多个，多个光纤光栅水压力传感器(7)依次串接后与应变光缆(5)进行串接形成光纤传感网络。
8.根据权利要求1所述的基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统，其特征在于：所述应变光缆(5)中各个光栅(4)的应变系数n的测定方法为：在标准试验台上，使用和船体一样的材料做试样，以及相同的光缆安装方式，通过与标准电阻应变片进行对比，测定光栅的应变系数n。
9.根据权利要求1所述的基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统，其特征在于：所述光纤光栅水压力传感器(7)中光栅(4)的压力灵敏度σ的测定方法为在压力测试设备上按照一定的步进值施加压力，通过解调出光栅(4)的中心波长变化，计算出压力灵敏度，并重复多次测量取平均值作为压力灵敏度σ。
10.一种基于权利要求1所述系统的船体多参量监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：利用拉丝塔在线制备光纤光栅技术在单模光纤(1)上制备光纤光栅阵列，并封装制作成应变光缆(5)；
步骤2：将应变光缆(5)铺设于预设的船体应变待测部位，将光纤光栅水压力传感器(7)铺设于预设的船体水压力待测部位，光纤光栅水压力传感器(7)一端的光纤接头接空，光纤光栅水压力传感器(7)另一端的光纤接头连接应变光缆(5)的一端，形成光纤光栅传感网络，应变光缆(5)的另一端连接光纤解调仪(6)的通信端；
步骤3：光纤解调仪(6)通过光频域反射技术解调出应变光缆(5)中各光栅(4)和光纤光栅水压力传感器(7)中光栅(4)在初始状态下的中心波长λ0；
步骤4：光纤解调仪(6)在监测船体状态的过程中每隔预设时间解调一次应变光缆(5)中各个光栅(4)的中心波长λ1，并利用公式ε＝n(λ1-λ0)计算应变光缆(5)中各个光栅(4)监测到的船体应变ε，其中，n表示应变光缆(5)中各个光栅(4)的应变系数；
步骤5：光纤解调仪(6)在监测船体状态的过程中每隔预设时间解调一次光纤光栅水压力传感器(7)中光栅(4)的中心波长λ2，并利用公式P＝σ(λ2-λ0)计算光纤光栅水压力传感器(7)中光栅(4)监测到的船体水压力P，σ为光纤光栅水压力传感器(7)中光栅(4)的压力灵敏度。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210413 |