CN209459626U - 用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器，主要包括：传感器密封盖、传感器壳体、传感器内部结构。其中外部壳体由一整块的铝合金加工而成，内部由铍青铜铰链结构、光纤光栅、铍青铜质量块等构成。传感器密封盖四周设有密封凹槽和密封条，侧面装有光纤防水航插接头。这使得传感器具备了抗干扰、耐湿热、不易变形的特性，可用于特别恶劣的使用环境中。该传感器可以动态测量船体因横摇、纵摇所产生的姿态角，消除温度对光纤光栅的影响，同时因其结构紧凑，适用于舰船结构安全监测中。

Description

用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器

技术领域

本实用新型属于光纤光栅传感器技术领域，特别是涉及一种动态测量船体横摇、纵摇运动的光纤光栅姿态角传感器。

背景技术

在交通运输工具中，船舶具有装载量大，费用低等优点，然而船体在海面上经常会受到风、浪、流的影响，进而会发生周期性横摇、纵摇和艏摇的运动。船舶也会因这些运动而产生同等功率下失速、严重损伤船体结构和船员晕船等不利后果。因此，如果能及时监测到船体的这些运动，势必会增强船舶抗灾害能力，提高整体的安全性能。

光纤光栅做为光纤传感器的重要组成部分，具有良好的抗电磁干扰能力和电绝缘性。光纤的波长值不受光源功率的波动影响，多个不同波长的光栅也可串接在同一根光纤上。光纤本身耐化学腐蚀，物理性能稳定，同时体积微小可塑，因此光纤传感器适宜于在海洋船舶这样恶劣环境中使用。

舰船通常处于多潮湿、多振动和存在腐蚀性物质的恶劣的环境中，这加大了对电子设备装置性能的要求，传统的民用、商用装置已经不能满足要求。本新型光纤光栅传感器克服现有技术不足，实现船体姿态角变化的动态监测，从而为船上的决策者提供真实可靠的数据，延长船舶的使用寿命，并减缓船员因船体波动造成的身体不适。

发明内容

本实用新型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船舶横摇与纵摇运动测量的传感器，从而实现在恶劣环境下船体姿态角变化的动态监测。

本实用新型解决上述技术问题，通过采取以下技术方案实现：

一种用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器，其特征在于它主要包括：传感器密封盖1、传感器壳体9、传感器内部结构；其中传感器密封盖的四周设有密封凹槽12，并在密封凹槽中嵌套安装密封条，在传感器密封盖设有带螺纹密封盖固定孔13，通过固定螺丝2与传感器壳体9进行密封，传感器壳体9的侧面设有航插接口4和四个航插固定孔11，通过螺丝来固定光纤防水航插3，传感器壳体9和传感器内部结构之间通过铍青铜铰链结构10上的通孔和固定螺丝2固定。传感器壳体由一整块铝合金一次成型。

传感器内部结构包括铍青铜铰链结构10、光纤光栅5、铍青铜质量块6；其中铍青铜铰链结构10和铍青铜质量块6为一体成型结构，且铍青铜铰链结构10为差分对称结构，光纤光栅5通过环氧树脂胶7粘贴附着在铍青铜质量块6和铍青铜铰链结构10的两侧，内部的光纤光栅5和外部的光纤防水航插3通过左侧的光纤尾纤8连接，右侧的光纤尾纤8用防水胶布固定在铍青铜铰链结构10上。所述密封盖固定孔13为传感器密封盖上直径3mm的螺纹通孔。

用解调仪实时显示的光纤光栅中心波长的变化来代表船体的姿态角度的变化，当船体因横摇、纵摇所处姿态角不断发生变化时，船体姿态角与光纤光栅中心波长的变化基本呈现正弦函数的关系，通过解调仪端的补偿算法，最终获得光纤中心波长与船舶横摇与纵摇运动所产生姿态角变化之间的关系。

本实用新型所述的用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器，其外部传感器壳体是由一整块的铝合金经过切割、打磨、氧化等步骤加工而成，未经过拼接焊接的过程。

所述的传感器侧面设有航插接口和四个直径为3mm的航插固定孔，用来固定光纤防水航插，以提升传感器的抗腐蚀能力，延长传感器的使用寿命。所述的传感器密封盖内部四周设有密封凹槽，并在密封凹槽中嵌套安装密封条，用来保证了传感器的密封性能和抗干扰性能。

传感器内部结构包括铍青铜铰链结构、光纤光栅、铍青铜质量块三个部分。其中铍青铜铰链结构为差分对称铰链结构，差分结构的使用可以大大增强传感器的灵敏度，提升传感器测量船体横摇与纵摇运动的范围。铍青铜铰链结构和铍青铜质量块为一体成型结构，对比固定结构可以避免长期使用带来的损耗和维修问题。传感器内部主体使用铍青铜材料，具有强度高、弹性极限高、耐腐蚀性和耐疲劳性等优点，适于用在船体传感器上。光纤光栅为敏感元件，配合铍青铜铰链结构和铍青铜质量块，可以动态测量船体因横摇、纵摇所产生的姿态角。裸露的光纤光栅和尾纤处套接聚四氟乙烯材质的连接管，起到防水的作用同时，能减缓传感器在船体上长期对光纤造成的损伤。

本实用新型进一步公开了用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器的使用方法，其特征在于：

（1）首先将光纤防水航插尾部的接头与解调仪相连接，再用网线连接解调仪与计算机之间，解调软件自带的补偿算法可以动态监测到传感器内部光纤光栅的中心波长；

（2）当船体因横摇、纵摇所产生的姿态角时，由于受到重力因素的影响，传感器内部结构中的铍青铜质量块6对铍青铜铰链结构10所产生的作用力发生变化，固定在左右两侧的光纤光栅5分别受到拉力和压力的作用而产生形变，从而导致光纤光栅的中心波长发生变化；

（3）用解调仪实时显示的光纤光栅中心波长的变化来代表船体的姿态角度的变化，当船体因横摇、纵摇所处姿态角不断发生变化时，船体姿态角与光纤光栅中心波长的变化基本呈现正弦函数的关系，通过解调仪端的补偿算法，最终获得光纤中心波长与船舶横摇与纵摇运动所产生姿态角变化之间的关系。

本实用新型更进一步公开了用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器使用方法在用于船体姿态角变化的动态监测方面的应用。实验结果显示：当船体因横摇、纵摇所处姿态角不断发生变化时，该传感器的测量范围为-90°~90°，船体姿态角与光纤光栅中心波长的变化基本呈现正弦函数的关系，曲线的拟合度经过计算可以达到99.93%。

本实用新型主要解决了如何动态监测船体因横摇、纵摇运动所产生的姿态角，重点考察了传感器在特别恶劣的使用环境中，如何具有良好的密封性能和抗干扰性能，主要的难点在于使用机械补偿法消除温度对船体横摇与纵摇运动测量的影响。

本实用新型公开的用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器与现有技术相比所具有的积极效果在于：

（1）该传感器可以动态监测船体因横摇、纵摇运动所产生的姿态角；

（2）该传感器一旦封装完成，光纤光栅中心波长的变化量将不受温度影响；

（3）该传感器具备了抗干扰、耐湿热、不易变形的特性，可用于特别恶劣的使用环境中。

附图说明

图1 为本实用新型传感器的内部结构示意图；

图2 为本实用新型传感器的侧面示意图；

图3 为本实用新型传感器密封盖内部示意图；

图4 为本实用新型传感器所处姿态角与光纤光栅中心波长变化图；

图中各标号：

1 传感器密封盖， 2 固定螺丝， 3 光纤防水航插，

4 航插接口， 5 光纤光栅， 6 铍青铜质量块，

7 环氧树脂胶， 8 光纤尾纤， 9 传感器壳体

10 铍青铜铰链结构， 11 航插固定孔， 12 密封凹槽，

13 密封盖固定孔。

具体实施方式

下面通过具体的实施方案叙述本实用新型。除非特别说明，本实用新型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，而非限制本实用新型的范围，本实用新型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，在不背离本实用新型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实用新型的保护范围。下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

实施例1

用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器，其特征在于它主要包括：传感器密封盖1、传感器壳体9、传感器内部结构；其中传感器密封盖的四周设有密封凹槽12，并在密封凹槽中嵌套安装密封条，在传感器密封盖设有带螺纹密封盖固定孔13，通过固定螺丝2与传感器壳体9进行密封，传感器壳体9的侧面设有航插接口4和四个航插固定孔11，通过螺丝来固定光纤防水航插3，传感器壳体9和传感器内部结构之间通过铍青铜铰链结构10上的通孔和固定螺丝2固定。

传感器内部结构包括：铍青铜铰链结构10、光纤光栅5、铍青铜质量块6；其中铍青铜铰链结构10和铍青铜质量块6为一体成型结构，且铍青铜铰链结构10为差分对称结构，光纤光栅5通过环氧树脂胶7粘贴附着在铍青铜质量块6和铍青铜铰链结构10的两侧，内部的光纤光栅5和外部的光纤防水航插3通过左侧的光纤尾纤8连接，右侧的光纤尾纤8用防水胶布固定在铍青铜铰链结构10上。

实施例2

图1 为本实用新型传感器的内部结构示意图，包括传感器密封盖1、固定螺丝2、光纤防水航插3、航插接口4、光纤光栅5、铍青铜质量块6、环氧树脂胶7、光纤尾纤8、传感器壳体9、铍青铜铰链结构10。所述传感器密封盖1用常见铝材加工而成，通过固定螺丝2与传感器壳体9进行密封。

所述固定螺丝2为不锈钢材质螺丝，在传感器中起到固定作用。

所述光纤防水航插3为市面上常见不锈钢光纤水密法兰，所述航插接口4为传感器壳体侧面直径为16mm的通孔。

所述光纤光栅5为两根单光栅光纤，光纤光栅为敏感元件，配合铍青铜铰链结构10和铍青铜质量块6，可以动态测量船体因横摇、纵摇所产生的姿态角，选取两根单光栅的光纤可以在消除温度影响的同时提升传感器的灵敏度。

所述铍青铜质量块6为铍青铜材质的立方体，铍青铜铰链结构10和铍青铜质量块6为一体成型结构，传感器内部主体使用铍青铜材料，具有强度高、弹性极限高、耐腐蚀性和耐疲劳性等优点，适于用在船体传感器上。

所述环氧树脂胶7为市面常见全透明环氧树脂AB胶水，用来将纤光栅5通过环氧树脂胶7粘贴附着在铍青铜质量块6和铍青铜铰链结构10的两侧。

所述光纤尾纤8为光纤尾部的接头，左侧的光纤尾纤8连接内部的光纤光栅5和外部的光纤防水航插3，右侧的光纤尾纤8用防水胶布固定在铍青铜铰链结构10上，以防后期维修使用，裸露的光纤光栅和尾纤处套接聚四氟乙烯材质的连接管，起到防水的作用同时，能减缓传感器在船体上长期对光纤造成的损伤。

所述传感器壳体9是由一整块的铝合金经过切割、打磨、氧化等步骤加工而成，未经过拼接焊接的过程。

所述铍青铜铰链结构10为差分对称铰链结构，差分结构的使用可以大大增强传感器的灵敏度，提升传感器测量船体横摇与纵摇运动的范围。

图2 为本实用新型传感器的侧面示意图，包括航插接口4和航插固定孔11。所述的传感器侧面设有航插接口和四个直径为3mm的航插固定孔，用来固定光纤防水航插，以提升传感器的抗腐蚀能力，延长传感器的使用寿命。

图3 为本实用新型传感器密封盖内部示意图，包括密封凹槽12和密封盖固定孔13。所述传感器密封盖的四周设有密封凹槽12，并在密封凹槽中嵌套安装密封条。所述密封盖固定孔13为传感器密封盖上直径3mm的螺纹通孔，通过不脱出的固定螺丝2与传感器壳体9进行密封。

图4 为本实用新型传感器所处姿态角与光纤光栅中心波长变化图其中光纤光栅差分后中心波长值为右侧光纤光栅中心波长值减左侧光纤光栅中心波长值。可以明显看出，该传感器的测量范围为-90°~90°，左右光纤光栅差分后，曲线的拟合度明显提升，经过计算可以达到99.93%。传感器的灵敏度也大大提高，用光纤光栅中心波长的总变化除以姿态角的总变化，便可算得该传感器的灵敏度为27.95pm/1°。

实施例3

使用机械补偿法消除温度对船体横摇与纵摇运动测量的影响，使用两根相同的光纤光栅，然后将其分别粘贴在发生应变变化的两个对立面，两个光纤光栅分别受到拉应变和压应变。设光纤光栅的中心波长分别为则两根光纤光栅的中心波长的变化分别为：

式中： 为光纤光栅关于应变的灵敏度系数， 为光纤光栅关于温度的灵敏度系数。

由于两根光纤光栅的两侧都粘贴附着在铍青铜质量块和铍青铜铰链结构的两侧，当船体因横摇、纵摇所产生的姿态角时，必然会带动光纤光栅发生应变变化，其中一根光纤光栅会受到拉应变，而另外一根则受到压应变，且二者的应变的绝对值大小相等，方向相反，即并且二者处在同一环境下，故因此可得：

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，只与船体横摇和纵摇运动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。

传感器使用方法包括：

（1）首先将光纤防水航插尾部的接头与解调仪相连接，再用网线连接解调仪与计算机之间，解调软件自带的补偿算法可以动态监测到传感器内部光纤光栅的中心波长；

（2）当船体因横摇、纵摇所产生的姿态角时，由于受到重力因素的影响，传感器内部结构中的铍青铜质量块6对铍青铜铰链结构10所产生的作用力发生变化，固定在左右两侧的光纤光栅5分别受到拉力和压力的作用而产生形变，从而导致光纤光栅的中心波长发生变化；

用解调仪实时显示的光纤光栅中心波长的变化来代表船体的姿态角度的变化，当船体因横摇、纵摇所处姿态角不断发生变化时，船体姿态角与光纤光栅中心波长的变化基本呈现正弦函数的关系，通过解调仪端的补偿算法，最终获得光纤中心波长与船舶横摇与纵摇运动所产生姿态角变化之间的关系。

Claims (2)

1.一种用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器，其特征在于它主要包括：传感器密封盖（1）、传感器壳体（9）、传感器内部结构；

其中传感器密封盖（1）的四周设有密封凹槽（12）并在密封凹槽中嵌套安装密封条，在传感器密封盖上设有带螺纹密封盖固定孔（13），通过固定螺丝（2）与传感器壳体（9）进行密封，传感器壳体的侧面设有航插接口（4）和四个航插固定孔（11），通过螺丝来固定光纤防水航插（3），传感器壳体和传感器内部结构之间通过铍青铜铰链结构（10）上的通孔和固定螺丝（2）固定；传感器壳体（9）由一整块铝合金一次成型；

所述的传感器内部结构包括铍青铜铰链结构（10）、光纤光栅（5）、铍青铜质量块（6）；其中铍青铜铰链结构（10）和铍青铜质量块（6）为一体成型结构且铍青铜铰链结构为差分对称结构，光纤光栅（5）通过环氧树脂胶（7）粘贴附着在铍青铜质量块（6）和铍青铜铰链结构（10）的两侧，内部的光纤光栅（5）和外部的光纤防水航插（3）通过左侧的光纤尾纤（8）连接，右侧的光纤尾纤用防水胶布固定在铍青铜铰链结构上。

2.根据权利要求1所述的一种用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器，其特征在于所述密封盖固定孔（13）为传感器密封盖上直径3mm的螺纹通孔。