CN1175305A - 用于动态负载连续监测的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于动态负载连续监测的技术,所述的动态负载包括出现在运载工具(5)的大型壳体结构上的应力和应变,它具有应变测量系统(2),后者具有与壳体结构的不同位置点处的光学应变传感器(7;16)相连接的光导纤维缆线。用于检测应力和应变的光学信号由光发射器(11)传递至应变传感器(7;16)。应变测量系统(2)通过中心检测单元(10)与计算机耦合控制系统(1)相连接,并通过后者与显示和数据表示组件(4)以及其它测量系统(3)相连接。在运载工具(5)的加载和卸载的过程的第一运行模式下,用应变传感器(7;16)进行检测。控制系统(1)产生一条反映着平均应变的曲线,当平均应变超过了预定的阈值时,产生一个报警信号,所述的阈值代表着不能接受的应变量值。在运载工具(5)处于航行过程的第二运行模式下,用应变传感器(7;16)连续的检测应变。当平均应变超过了预定的阈值时,产生一个报警信号,所述的阈值代表着不能接受的应变量值。本发明还给出了一种应变测量系统和适用于这种方法的光导纤维应变传感器(16)。

Description

用于动态负载连续监测的方法和装置
本发明涉及到一种如权利要求1所述的、用于动态负载连续监测的方法，所述的动态负载包括出现在运载工具上的大型壳体结构上的应力和应变。本发明还涉及到一种实施该方法的应变测量系统，它包括有光学发射器单元，光学接收器单元和光导纤维网络，其中的发射器单元和接收器单元设置在中心检测单元中，该中心单元通过接口与计算机耦合控制系统相连接，并且通过后者与显示和数据表示组件以及其它可能的测量系统相连接。最后，本发明还涉及到一种可用于这种应变测量系统的温度补偿型的偏振检测光纤应变传感器。
众所周知，诸如船只和飞机等等的大型壳体结构，往往要承受相当大的动态负载。这种负载可能会导致壳体结构的损坏，使其发生疲劳和断裂，结果往往是灾难性的。负载引起的壳体结构的损坏，往往仅在使用各种无损检测方法进行周期性的检测和检查时才能被发现。目前存在的问题在于，当运载工具在航行时往往会发生负载对壳体结构造成的损坏，而且往往在进行周期性的检测而被发现之前，就造成了灾难性的后果。
英国专利申请GP2238112(美国专利US-50038618)公开了一种利用光导纤维检测和监视大型的工业结构上出现的应变的方法，其中的光导纤维缆线是附装在该结构上的光信号沿这条光缆传输到一个光信号接收器。通过分析光信号的方式，便可以获知反映着缆线的长度和/或长度变化的任何变化。可以利用干涉测量技术或脉冲时间测量技术，通过检测在一个或多个调制频率中的相位变化，便可以获知缆线长度的变化情况。采用这种方法，可以检测船只壳体或类似物，以获得其应变值，然而获得的结果中同时包含着出现在各种梁型结构上的弯曲和扭曲。
采用这一专利申请所给出的方法，只能检测出总的应变，即由该光导纤维检测缆线的端点构成的两个点之间的相对应变。虽然获得总的应变是相当重要的，但还需要对更为局部化的应变加以检测，以便能够研究应力或应变的发展状态，尤其是对于结构上的某些特定的点处，它们比其它的点更易于受应力的损坏，因而局部应变检测对确保安全性来说，是更为重要的。与此同时，由许多局部应变传感器给出的数据，可以用来获得该结构上的应变随时间的完整的变化轨迹，从而可以在时间域和空间域获得更高分辨率。在需要时，局部应变传感器还可以与一个或多个总的应变传感器，以及记录结构作为一个整体所承受的力的系统相连接。
然而，这一方法基于应变系统可以满足特定的技术要求的假设，而公知的光导纤维应变测量系统一直无法满足这一要求，不论所构造的系统是基于相位变化技术，干涉测量技术还是脉冲时间测量技术，都是如此。问题在于它的精确性和分辨率构成了特定的限制，因为如果在诸如大型的散装货轮和油轮等等的非常大型的结构上设置应变传感器，则需要设置许多个局部应变传感器，而且必须实时地采集由这些传感器给出的数据，并将之传递到一个中心检测单元。
本发明的一个重要的目的就是要提供一种可以克服已知应变测量系统中的缺点的方法和技术，这种方法和技术可以对，比如说在船只进行装载和卸载时，以及在航行过程中影响到船体结构的力进行连续的监测。因此，本发明的第一目的就是要能够监测框架和壳体的运动。在进行装载和卸载时，以及在航行过程中船体结构将承受到各种力和应力的影响，这些力和应力与在进行装载和卸载时对船体结构造成的冲击和振动有关，而且还与在进行装载和卸载时可能会出现的负载特征曲线的均匀性有关。这一切还与每一个货舱是否按照预定的计划进行了装载和卸载有关。框架和壳体的运动还与船只的航行状态和货物是否移动有关。
本发明的第二目的就是要监测发生在船体和类似物处的振动，这种振动可以是由发动机振动产生的，也可以是由装载和卸载时的冲击造成的振动产生的，还可以是在航行中由于海水的比重变化以及常规的振动效应产生的振动。本发明能够检测常规的振动频谱，从而可以避免使船体结构产生共振，这是特别有用的，因为这种共振往往会很快地对结构造成损害。
本发明的第三目的就是要还能够记录任何冲击的影响，这种冲击可能是由于在装载和卸载时设备的冲撞产生的，也可能是由于在波浪汹涌的海面上船只的移动产生的，或是由于海浪对船只的冲击产生的。
本发明的第四目的就是要能够记录在航行过程中沿船只纵向轴方向产生的扭转。在波浪汹涌的海面上船体将承受到相当大的扭曲，而对于这一点一直了解得很少，与对在装载或卸载过程中是否会产生扭曲的问题一样。
本发明的第五目的就是要能够在常规检测的过程中检测出船体由于温度高低变化产生的应力和应变。由于温度的变化，船体钢板会受到相当大的拉伸应力作用，而且目前已知，钢板的弹性也是随温度的变化而变化的。
本发明的第六目的就是要能够记录由于断裂结构产生的应变，这种断裂往往会影响到船体的刚性，并且会导致应力曲线的变化。这种断裂往往发生在货船的舱口和闸门等等的地方，当沿着框架发现这种断裂时已经相当的危险了。这种断裂还将沿着侧面降低船体的刚性，再加上缺少维修，在货物装载和移动过程中发生的损坏，会使船体的部分侧面内陷，减弱船体的强度。在这种情况下对船只进行维修是非常重要的。
利用如权利要求1～8所限定的特征构成的方法，如权利要求9～18所限定的特征构成的应变测量系统，以及如权利要求18～21所限定的特征构成的温度补偿型的偏振检测光导纤维应变传感器，可以实现上述的和其它的目的。
下面结合附图，更详细地说明根据本发明构造的方法、应变测量系统和光导纤维应变传感器。
图1为表示根据本发明构造的应变测量系统的示意图。
图2为表示设置在散装货轮上的如图1所示的应变测量系统。
图3为表示设置在油轮上的如图1所示的应变测量系统。
图4为表示根据本发明构造的应变测量系统的原理性示意图。
图5为表示根据本发明构造的应变测量系统的发射器单元的示意图，它具有用于校正的组件。
图6为表示的从拓扑学的角度看，根据本发明构造的应变测量系统的光导纤维网络的详细布置的示意图。
图7为表示根据本发明构造的一种应变测量系统的示意图，它没有使用时间倍增技术。
图8为表示根据本发明构造的一种应变测量系统的示意图，它使用了时间倍增技术。
图9为表示根据本发明构造的一种应变测量系统的示意图，它使用了部分时间倍增技术和部分空间倍增技术的应变传感器系统。
图10a示出了从上面观察时的应变传感器。
图10b示出了从侧面观察时的应变传感器。
图11为表示根据本发明构造的光导纤维应变传感器的壳体的示意图，其中(a)示出了从上面观察时的壳体，(b)示出了从侧面观察时的壳体，(c)示出了从端面观察时的壳体。
图12a为表示如图11a所示的应变传感器壳体的剖面图。
图12b为表示如图11b所示的应变传感器壳体的剖面图。
图13a、b、c为表示根据本发明构造的应变传感器中的传感器光导纤维和延迟回路的几种布置方式。
下面参考附图说明本发明的最佳实施例。
图1示出了一种光导纤维应变测量系统2，该系统与由中心计算机实施的控制系统1相连接。该控制系统与一个中心显示和数据表示组件4相连接。而且该控制系统还可以与其它测量系统或称传感器系统3相连接。
图2示出了根据本发明构造的应变测量系统2如何应用于散装货轮5a的一种形式。许多个应变传感器7a安装在货舱6的甲板或框架上的特定点处。在船体上还设置有总的纵向应变传感器7b，以检测船体纵向轴上的总的应变。在船头还配置有三维加速度计8，该加速度计8可以与其它应变传感器所使用的传感器类型相类似。在船头处的加速度计8检测船在航行时所承受的三维加速度。各个应变传感器7均通过光导纤维网络9，与设置在船甲板上的中心检测单元10相连接，该中心单元10同时还作为与计算机相耦合的控制系统1，以便对与船体动态状态相关的信息进行记录和处理。
图3示出了根据本发明构造的应变测量系统2应用于油轮5b的一种形式，该系统与如图2所示的实施形式中的系统具有类似的功能。
图4为表示根据本发明构造的应变测量系统的原理的示意图。在中心单元10中配置有一个呈激光器11形式的光源，后者通过由光偏振保持光导纤维构成的光导纤维网络9，发射出光信号。在光导纤维网络9的支路12、13和14中，设置有偏振检测传感器16形式的应变传感器7。该偏振检测传感器16包括有一根光导纤维16b，和一根与其相对且为等长的光导纤维16a。光导纤维16b不与实际船体的结构机械耦合，从而可以防止其受到船体振动、应力和应变的影响，而光导纤维16a与船体结构相耦合，并构成为应变检测光导纤维。传感器光导纤维也可以采用这种光偏振保持光导纤维。光导纤维偏振检测传感器16由于具有两个相同类型和相同长度的光导纤维16a、16b，而且两者均为叠接型双折射光导纤维，所以可以补偿温度变化。在叠接时使光导纤维彼此扭转90°，便可以使第一光导纤维16a形成的两个偏振方向之间的相位漂移与第二光导纤维16b的相反，从而可以将所有的扰动从双折射光导纤维中的应变信号中删除。这还意味着由温度和环境压力产生的相位漂移也将被删除。由于偏振检测传感器16中的两根光导纤维16a、16b的一根光导纤维16a与结构相连接，而另一根光导纤维16b不与结构的应变相耦合，所以该应变将与通过偏振检测传感器16的光信号相耦合，即使其它的干扰均被删除时也是如此。最好是利用应变传感器7的偏振检测的线性部分。如果不对温度变化进行外部补偿，则对于可以响应2000με，即2000ppm的相对应变的实施场合，可使用的线性响应范围为30°。偏振光应变传感器16的输出送入至光导纤维网络9中的贯穿光导纤维，并通过至一个或多个配置在中心单元10中的检测器17a。
用于应变测量系统2的发射器单元11的一种可行的设置方式示出在图5中。该发射器单元11主要包括如图4所示的主激光器，或称激振激光器11a。在这种构成中，发射器激光器11a可以将光学信号施加至应变测量系统中的光导纤维网络9上，而且该激光器最好为一个高功率、高稳定性的二极管泵浦型Nd；YAG激光器。它的发射波长为1319nm。该激光器11a最好包括有光学隔离器(未示出)，以便降低对反馈光的灵敏度。除了需要实施校正的时候，该激光器应该在所有的时间里运行。
为了对应变测量系统进行校正，可以如图5所示，设置一个辅助激光器11b，后者可以发射出与主激光器或称发射器激光器11a的波长完全不同的波长。可以发射出与主激光器11a的波长不同波长的参考激光器11b所发射出的波长仍然位于应变传感器7、16中所使用的光导纤维的有效波长范围内。适合的发射波长为1250nm。最好采用具有分布反馈功能的半导体激光器作为参考激光器11b。该参考激光器11b通过光耦合器(未示出)和光导纤维与强度基准器18和基准偏振检测器19相连接。在进行校正的过程中，可如上所述，断开主激光器11a，并利用参考激光器11b校正主激光器11a的运行参数，诸如频率漂移或震荡模跳变等等。震荡模跳变可能会在光导纤维应变传感器7、16给出的测量结果中产生误差，目前已知，利用在测量过程中产生的误差可以使应变测量系统产生一个误差编码，后者可以输入至控制系统。在选择使用时间倍增检测系统的场合，在主激光器11a和应变传感器7、16之间，还必须设置有一个高频强度调制器20。
图6更详细的示出了光导纤维网络9。发射器单元11和接收器单元17，即主激光器11a和光学检测器17a均设置在中心单元10之前。分支网络9可以由光偏振保持光导纤维或单一偏振光导纤维构成，并且接收发射器单元11的发射信号。未示出的光学耦合器将光信号分配至各个支路12、13、14和15。传感器数目越多，网络的拓扑性设置就越重要。如果仅仅使用七个传感器，就光导纤维的有效利用而言，在梯状结构或树状结构之间几乎没有什么不同。在本实施例中，是采用偏振检测传感器16作为应变传感器7的，所以光偏振保持性是选择光导纤维网络的最重要的参数。光学耦合器也必须具有光偏振保持性。如果增加传感器的数目，就需要更多的耦合器，采用树状结构而不采用梯状结构，是更为有利的。
使用在分支网络中的光偏振保持耦合器和光偏振保持光导纤维，可以为任何比率。除了标准的光偏振保持光导纤维之外，也可以采用单一偏振光导纤维，并且可以采用同种的光导纤维作为偏振检测传感器16输出处的光导纤维偏振器。因此，可以在数据采集网络中使用标准的光导纤维，该采集响应网络是连接在传感器16和接收器单元17之间的。如果根据本发明构造的应变测量系统，在网络的响应部分并不使用倍增技术，则可以降低其成本。如图6所示，传感器16具有附装在实际传感器上的光导纤维偏振器16a、16b和延迟回路16c，它们设置在未示出的壳体中。光学耦合器最好也配置在传感器壳体中。
根据本发明构造的应变测量系统2可以使用倍增或非倍增型回行网络，即它可以为光导纤维网络9的采集部分，该系统也可以包括有一个部分倍增采集网络。图7示出了一种根据本发明构造的未设置有时间倍增器的应变测量系统2。根据本发明构造的各应变测量系统之间的主要不同点在于，系统是具有时间倍增器，还是不具有时间倍增器。如图7所示的完全空间倍增系统的优点在于，它可以充分的利用全部光学功率，尽管它的噪音问题比时间倍增系统大一些。而且，它还需要多个分立接收器通道以进行校正，如果应变传感器16的数目比较多，在网络中将需要更多的光导纤维，这将使成本上升。图8示出了一种根据本发明构造的、在回行网络中设置有时间倍增器的应变测量系统2。它可以显著地减少网络中的光导纤维数目，故可以用一根标准缆线有效地使用许多不同的传感器系统。时间倍增技术的一个重要的优点就是，所有通道可以使用相同的信号处理电路，从而可以显著地减小各个传感器响应信号之间的漂移。由于使用多个传感器时会产生光功率损失，所以将根据本发明构造的应变测量系统划分为若干个分立的时间倍增采集网络，则更好些。正如图9所示，对于具有比较大数目的传感器的应变测量系统，采用时间倍增和空间倍增的组合方式，是更为有利的。可以采用光电二极管17a，最好为PIN型的二极管，作为接收器单元17。在接收器17中，最好还设置有作为运算放大器17b的互跨阻抗放大器。
图10示出了根据本发明构造的偏振检测光导纤维应变传感器16的一种构成方式。应变检测光导纤维16a通过适当的耦合器20与船体结构机械耦合，而在壳体21的一个端部以90°叠接的方式机械去耦合。光导纤维16b和机械耦合型光导纤维16a具有完全相同的特性。传感器光导纤维16a、16b设置在防水的壳体21中，在壳体21中最好充有粘滞性液体，以尽可能地减小光导纤维对加速度的灵敏度。传感器光导纤维16a、16b最好安装、设置在与船体材料相适配的金属或其它材料的支撑板上。该应变敏感光导纤维在附装在支撑板上时可施加有预应力。
图11示出了根据本发明构造的偏振光应变传感器16所使用的传感器壳体21的一个具体的实施例。在传感器壳体21中设置有具有应变敏感光导纤维的支撑板，该光导纤维承受有预应力。传感器壳体21与附装装置22刚性连接，而后者可通过焊接或其它的刚性连接方式固定在船体上需要设置传感器的测量点上，从而可以确保船体上的应力和应变传递至传感器。
图12示出了分别从上面和侧面观察时的、如图11所示的传感器壳体21的剖面图，它同时示出了传感器装置和传感器光导纤维用的辅助装置。
但是应当理解，传感器壳体的构成方式和传感器光导纤维的布置方式，包括有不超出本发明的保护范围的许多种不同的实施方式。
如图12a和图12b所示，根据本发明构造的偏振检测传感器16的一种实施形式可以由某种机械装置构成，它利用应变检测光导纤维16a和温度补偿光导纤维16b，使它们彼此相连接，以仅仅获得两个元件之间的轴向方向的位移。该传感器包括两个分别形成为突出主要部分和凹进主要部分的圆筒状部件，它们通过球窝接头装置固接在两个螺栓22上，后者连接在位于测量点处的船体结构上。两个主要部分可以自由地沿轴线方向彼此离开和靠近，以反映附装在结构部件上的在两个螺栓22之间的距离的变化。两个主要部件可设置在保护壳体中，并附装有如上所述的光导纤维。应变和温度补偿光导纤维16b、16a通过光导纤维固定部分附装在主要部分上，故可以利用调节螺栓调节应变光导纤维16a的伸张程度。因此，可以在固定之后调节传感器16，从而对应变光导纤维16a获得相应于中等应力响应的预应力。在进行了安装和校正之后，便可以用该传感器检测船体结构部件的轴向应力，而且这一部件可以处于各种负载状态下。当在支撑螺栓22之间的距离增大或减小时，便可以测量出应变。支撑螺栓之间的距离增大时，将使应变光导纤维中的应变量增大，该距离减小时将使应变量减小。实际上，传感器壳体21可以充满具有良好热传导特性的高粘滞性液体或凝胶体，以改善传感器的热稳定性。而且如上所述，这还可以降低传感器对加速度的灵敏度。正如上所述，传感器壳体21实际上构成一个防水单元，因而可以在恶劣的水下环境中使用，而不会降低其有效性和精确性。在这一描述的实例中，应变光导纤维16的实际长度大约为半米，而在传感器光导纤维16a、16b和输出光导纤维之间的传感器壳体中，可以如图13a、b、c所示的那样，配置有几米长的延迟回路16c。
一般说来，根据本发明构造的应变测量系统也可以不使用偏振检测传感器，而是采用其它类型的光学应变传感器。比如说还可以采用Bragg光栅传感器，该传感器在原理上是一种窄频反射器，其中心波长可以随传感器承受的应变的变化而变化。使用Bragg光栅传感器的系统可以用激光器激励。激光器和光栅均非常适用于倍增系统，但是如果需要使用许多个传感器，该系统在实施时将非常昂贵。然而，利用Bragg光栅传感器的系统在分辨率和动态范围等等方面具有它所特有的优点，并可以使用标准的光学通信纤维。而且，这种传感器可以制作得非常小。
传感器的另一种良好的布置方案为，使传感器元件与承受应变的结构元件直接或间接地刚性相连接。如果可以使传感器的尺寸更小则更为有利。
根据本发明构造的应变测量系统，还可以利用使用普通白光光源的光导纤维干涉测量技术来实施。可以利用标准的多普勒干涉仪记录显示应变。然而，当使用光导纤维干涉仪时存在这样的问题，即由于在测量点之间具有比较大的距离且希望具有比较高的分辨率，因而降低信噪比。但是，它的优点在于光导纤维干涉仪并不需要采用光偏振保持光导纤维，它可以采用与光导纤维缆线网络相耦合的标准通信光导纤维。因此，如果分辨率和动态范围均要求是次要问题，如果希望能降低系统的造价，也可以在根据本发明构造的应变测量系统中使用光导纤维干涉仪。
根据本发明构造的应变测量系统可以在两种模式下运行，第一运行模式是在装载和卸载过程中记录应变值，并且连续地检测所有相关的应变。可以利用控制系统，连续地将平均应变显示在显示单元上，并每分钟更新一次。如果在装载和卸载过程中，应变达到不能接受的水平时，可以发出报警信号。在第二运行模式下，根据本发明构造的应变测量系统在运载工具航行的过程中，可连续地测量所有有关的应变。同时用显示单元显示平均应变曲线，如举例来说，可以每五分钟更新一次，也可以在一至六十分钟内的选定的间隔里进行更新。还可以连续的显示表示应变标准偏差的曲线，类似地，这一曲线也可以每五分钟更新一次，或在一至六十分钟内的选定的间隔里进行更新。如果出现不可接收的应变，则可激发一个警告信号。根据给定的预定限制参数，控制系统可以在，比如说二十分钟的周期中，连续地记录最不利的应变簇，这种应变可以是最大的应变，或是超过预定阈值的应变。控制系统可以存储多达一百个这样的簇。该控制系统还可以记录这种负载应变的统计值，并且可以在检测和测量时利用这些数据。如举例来说，这些负载应变簇可以按50με(相应于每ppm的应变)的范围划分成组，而且按使用者规定的时间间隔，比如说日/周/月/年，显示出它的时间曲线图。
因此，利用根据本发明构造的方法和应变测量系统，可以对施加在船体上的负载进行连续的测量。如举例来说，可以记录每一分钟里随时间变化的平均应变，而且可以记录，比如说每五分钟里随时间变化的诸如应变标准偏差，同一周期中的峰值-峰值，最小和最大峰值，以及例如上一个5分钟内动态通过零点的数目等等的统计参数。
所以，应变测量系统2可以检测出运载工具或称船只5所承受的绝对应变。设置在船头处的三维加速度计8也包括在本系统中，如上所述，它最好呈包括在应变传感器系统中的光导纤维传感器的形式。应变测量系统2还包括有不间断电源(UPS)，以便能够使系统在断电时仍可继续运行20分钟。根据本发明构造的应变测量系统，能够与负载计算机相耦合，特别是就校正功能而言尤如此。如果系统被意外地中断或碰断，它可以再一次自动地启动并继续进行记录。系统还可以对所有的应变传感器7在已知的负载状态下进行再次校正。根据本发明构造的应变测量系统，除了系统的中心检测单元之外，主要为一种纯光学系统。除了中心单元和控制系统之外，各个其它的电子部件均满足标准的EX规定，并且是防海水侵蚀的。
在应变测量系统2和控制系统1之间，配置有一个接口，后者用于按，比如说10赫兹的采样频率对每一个应变传感器7、16的数据进行采样，并将其变换为数字信号。由各个传感器7、16给出的数据，按照实时和预先确定的拓扑方式，依次地传递至控制系统的计算机中。如果由应变传感器7、16输出的数据是不可靠的，则可以使一条分立的数字线处于低电位，以实施有效性检测。利用位于控制系统和应变测量系统2之间的接口，可以传递使系统处于开关导通或断开的信号，以及作为对系统进行校正的指令的信号。
实用的控制系统1处理采样的数据，并确定着哪一些数据需要存储。控制系统1可包括有一个实时计时器和一个不间断电源，因此可以给出记录着正确的时间指示的所有数据，同时检测和记录着系统产生的任何故障。不间断电源必须能够使实时计时器连续运行，直到常规电源恢复供电时为止。控制系统1还检测所有的新输入的数据，以便可以检测出各个应变传感器中的误差。
根据本发明构造的应变测量系统2中的每一个传感器元件的分辨率为5με，或最低到2με，而每一个传感器元件的动态范围可减小到2000με。而且，应变测量系统2所使用的光导纤维缆线的长度可达600米，它至少设置有七个独立的应变传感器。如果设置有二十五个以上的应变传感器则更好些。根据本发明构造的应变测量系统可以记录至少二G的加速度，而且所有三个轴向方向的交叉灵敏度小于20με/G。根据本发明构造的应变测量系统还可以进行运行情况校正，使其小于五巴，并且使交叉灵敏度不小于40με/bar。在产生有误差的场合，根据本发明构造的应变测量系统能够自动地进行自身的校正，并在五秒钟内给出修正后的数据。记录到的误差状态可以传送至控制系统1，其前提是在一小时的航行过程中，发生这种误差状态的时候不超过五次。采用这种方式的目的是使本发明的系统每天停止工作不超过5秒。可以有效地确保系统的使用说明书不断地加以完善，以确保它能够跟上相关技术的发展状况。
应当理解，根据本发明构造的方法和应变测量系统，并不仅仅限于在诸如散装货轮和油轮等等的大型壳体结构上的使用，它还可以应用于其它类型的船只及海上结构，也可以应用于飞机和航天器，以及陆上运载工具，一般说来，它可以用于承受连续的动态负载的各种大型结构的检测中。
采用根据本发明构造的应变测量系统，可以将负载应变簇和应变数据由船上传递至陆地上的中心数据记录系统，而这种传递也可以通过人造卫星实施。这种陆地系统可以包括有大型的数据库，后者用于常年地存储运载工具和其它的被检测的物体的负载和应变时间曲线，因此可以给出运载工具或船体所承受的应力和应变随时间的长期变化趋势。还可以利用这些数据判断是否需要维修、更换或保养，进而可以用于确定运载工具的剩余可使用寿命。

Claims (27)

1.一种用于动态负载连续监测的方法，所述的动态负载包括发生在运载工具的大型壳体结构上的应力和应变，特别是散装货轮和油轮的船体钢架上的应力和应变，它具有应变测量系统(2)，后者具有与壳体结构的不同位置点处的光学应变传感器(7；16)相连接的光导纤维缆线(9)，用于检测应力和应变的光学信号由光发射器(11)传递至应变传感器(7；16)，并且在通过应变传感器(7)后由一个或多个光学检测器(17a)检测，光发射器(11)和光检测器(17a)配置在中心单元(10)中，而应变测量系统(2)通过中心单元(10)与计算机耦合控制系统(1)相连接，并通过后者与显示和数据表示组件(4)以及其它测量系统(3)相连接，
其特征在于在适用于运载工具的加载和卸载的过程的第一运行模式下，该方法包括下述的步骤，用应变传感器连续地检测应变值，用控制系统产生一条反映着平均应变的曲线，按预定的时间间隔更新这一曲线，在显示装置上显示这一曲线，并且当平均应变超过了预定的阈值时，产生一个报警信号，所述的阈值代表着不能接受的应变量值，而在适用于运载工具处于航行过程的第二运行模式下，该方法包括下述的步骤，用应变传感器连续地检测应变，用控制系统产生一条反映着平均应变的曲线和一条反映着应变标准偏差的曲线，按预定的时间间隔更新所述的曲线，在显示装置上显示所产生的曲线，并且当平均应变超过了预定的阈值时，产生一个报警信号，所述的阈值代表着不能接受的应变量值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
在控制系统中记录在预定的时间周期中的代表着最大平均应变值的应变簇，特别是在所述的时间周期中平均应变值超过了预定的阈值的应变簇，或是根据其它的预定标准所获得的应变簇。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
根据记录到的应变簇，产生并记录相应于负载应变簇的统计数据，而这些统计数据对于固定的取样间隔是可以获得的。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：
负载应变簇相应于50με的应变范围划分成组，其中1με为1ppm，并且按使用者给定的时间间隔以频率曲线图的形式示出，所述的时间间隔可以为日/周/月/年。
5.如前述的任何一个权利要求所述的方法，其特征在于：
按预定的频率对检测到的应变值取样，并转换为数字数据。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：
根据预定的协议将数字数据依次传递至控制系统的计算机中，该数据的传递是实时进行的。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
在第一运行模式下的平均应变曲线按一分钟的时间间隔进行更新。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
在第二运行模式下的平均应变曲线按一～六十分钟的时间间隔进行更新，最好按五分钟的时间间隔进行更新。
9.一种用于实施如权利要求1～8所述的方法的应变测量系统(2)，它包括有光学发射器单元(11)，光学接收器单元(17)和光导纤维网络(9)，其中的发射器单元(11)和接收器单元(17)构成为中心检测单元(10)，中心单元(10)通过接口与计算机耦合的控制系统(1)相连接，并且与显示和数据表示组件(4)以及其它测量系统(3)相连接，
其特征在于光学发射器单元(11)具有至少一个第一激光器(11a)，它用于向光导纤维网络(9)发出光信号，接收器单元(17)具有一个包括有一个或多个光学检测器(17a)的光学检测系统，在许多个预定的局部检测点处配置光导纤维应变检测器(17a)，各个光导纤维应变检测器均通过光导纤维网络(9)与光学发射器单元(11)和光学接收器单元(17)相连接，在光导纤维网络(9)中还设置有若干个总的纵向应变传感器(7b)。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于：
光导纤维网络(9)采用的是光偏振保持光导纤维，该光导纤维网络(9)形成为分支网络，在支路(12、13、14、15)处设置有光偏振保持光导纤维耦合器，在预定的检测点处的每一个网络分支均具有一个构成光导纤维应变传感器(7)的光导纤维偏振检测传感器(16)。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于：
检测系统是一种时间倍增型系统，它与发射器单元11的激光器(11a)的输出和高频强度调制器(20)的输出相连接，而且在光导纤维网络9中采用固有时间延迟和/或在网络(9)中采用特定的延迟(16c)。
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于：
该检测系统(17)是一种时间倍增和空间倍增的组合系统，它与发射器单元(11)的激光器(11a)的输出和高频强度调制器(20)的输出相连接而且在光导纤维网络(9)中采用固有时间延迟和/或在网络(9)中采用特定的延迟(16c)。
13.如权利要求10所述的系统，其特征在于：
它还具有设置有在船体前部的三维加速度计(8)。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于：
该加速度计(8)是一种偏振检测光导纤维传感器(16)，后者耦合在与其它应变传感器(7)相连接的光导纤维网络上。
15.如权利要求10所述的系统，其特征在于：
光偏振保持光导纤维为单一偏振光导纤维，这些光导纤维使用在光导纤维网络(9)和应变传感器(7)中。
16.如权利要求9所述的系统，其特征在于：
发射器单元(11)包括有一个高功率、高稳定性的二极管泵浦型Nd；YAG激光器，它的发射波长为1319nm。
17.如权利要求10所述的系统，其特征在于：
为了对发射器单元(11)中的应变系统(2)进行校正，它还配置有一个参考激光器(11b)，后者最好为一个具有分布反馈功能的半导体激光器(DFB激光器)，以及光学耦合器、强度基准器(18)和基准偏振检测器(19)，而强度基准器和基准偏振检测器均通过光偏振保持光导纤维与参考激光器(11b)相连接。
18.如权利要求9所述的系统，其特征在于：
光导纤维应变传感器(7；16)是一种温度补偿型偏振检测应变传感器，该应变传感器(7；16)具有第一双折射光偏振保持光导纤维(16a)，和第二双折射光偏振保持光导纤维(16b)，第二光导纤维(16b)与第一光导纤维(16a)的类型和长度相同，第一光导纤维(16a)与承受应变的检测点机械耦合，而第二光导纤维(16b)不与任何机械应变相耦合，第一和第二光导纤维(16a，16b)以在两条光导纤维的叠接处彼此扭转90°的方式，叠接在一起，使第一光导纤维中的两个偏振方向之间的的相位漂移与第二光导纤维中的相位漂移相反。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于：
第一和第二光导纤维(16a，16b)为衰减率至少为40db的单一偏振光导纤维。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于：
用于传感器单元(16)的输出的光导纤维呈一个或多个延迟回路(16c)的形式。
21.如权利要求18所述的系统，其特征在于：
标准光导纤维被用作由传感器(16)至检测系统(17)的输出光导纤维(23)。
22.一种适用于如权利要求9～21所述的应变测量系统的温度补偿型的偏振检测光学应变传感器，该应变传感器(7；16)具有第一双折射光偏振保持光导纤维(16a)，和第二双折射光偏振保持光导纤维(16b)，第二光导纤维(16b)与第一光导纤维(16a)的类型和长度相同，第一光导纤维(16a)与承受应变的检测点机械耦合，而第二光导纤维(16b)不与任何机械应变相耦合，第一和第二光导纤维(16a，16b)以在两条光导纤维的叠接处彼此扭转90°的方式，叠接在一起，使第一光导纤维中的两个偏振方向之间的的相位漂移与第二光导纤维中的相位漂移相反，
其特征在于应变传感器(7，16)与耦合元件(20)相连接，耦合元件在至少两个机械附装点(22)处通过支柱与壳体结构部分相连接，所述的该壳体结构部分承受着由于负载所产生的、将要进行检测的应变，由用于检测应变的第一光导纤维(16a)的一部分构成的传感器元件，构成跨接在耦合元件(20)的支撑部分之间的传感器管，可通过如此方式将该传感器单元固接在传感器管上，即传感器的可移去部分构成在两个固接点之间的测量距离，该测量距离比附装在结构部分的附装点处的耦合元件之间的距明显要略小些。
23.如权利要求22所述的光学应变传感器，其特征在于：
耦合元件(20)呈轭架形，该轭架的臂和横梁构成为轭架的主要部分，支撑部分的一端刚性固定在轭架的横梁上，自由地平行伸延，并位于轭架的两臂之间，通过它们到达自由端，轭架的横梁和支撑部分由一个开口窄缝分割开，该窄缝位于与轭架平面相正交的平面上，并且沿支持臂的纵向轴的方向伸延到该支持臂的自由端，传感器管通过该位于轭架臂的端部之外的窄缝端部的支持部分，该传感器管与支撑部分的纵向轴垂直，从而使传感器管的纵向轴位于轭架的平面内，并且与耦合元件(20)附装点之间的连线相平行。
24.如权利要求23所述的光学应变传感器，其特征在于：
耦合元件(20)通过两个弹簧张伸的脚螺栓(22)，与结构部分机械固定地相连接，而该螺栓分别经过轭架的两臂，并且，通过配置在轭架的两臂上的、由低热传导特性的材料制作的锥形销钉，留有间隙地支撑着由结构部分形成的地基。
25.如权利要求23所述的光学应变传感器，其特征在于：
传感器管的端部通过电子束熔接的方式，牢固地附装在窄缝两侧的支撑部分上。
26.如权利要求22所述的光学应变传感器，其特征在于：
传感器元件(16a)用粘接方式，最好用表面张力粘接方式牢固地固定在传感器管上。
27.如权利要求22所述的光学应变传感器，其特征在于：
由第二光导纤维(16b)的一部分构成的、不与机械应变相耦合的温度补偿元件，构成在耦合元件的外侧部分，在传感器元件(16a)和温度补偿元件(16b)之间的位置处，将第一和第二光导纤维(16a，16b)彼此转动90°而叠接，最好使传感器元件(16a)和温度补偿元件(16b)按对称相对转动叠接的方式设置，温度补偿元件(16b)固接在类型相同的传感器管处，该传感器管用于该传感器元件，采用这种方式使温度补偿元件(16b)的附装点之间的距离，等于传感器元件(16a)的测量距离。
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