用于船体局部强度测量的光纤光栅应力传感器及应用的制作方法

本发明是一种应用于船体结构上的光纤光栅应力传感器，属于光纤光栅传感器技术领域，涉及海洋船舶结构应力的监测与灾害预防，主要目的是对船体结构的局部强度进行测量。

背景技术：

在各式各样的运输工具之中，船舶具有其它交通运输工具无法相比的巨大载货量以及低廉的价格优势，这使得船舶的使用需求日益增加。但是远洋船舶在营运过程中所面临地复杂水域条件，给船舶安全的保障带来了更多的挑战。在瞬息万变的水面上，很多意外的发生仅凭个人的判断是不可行的，船舶的驾驶人员需要通过传感器的监测来实时掌握船舶的实际状况，因此对于船体结构在正常及负荷状态下应力的检测是必不可少的。

由于光纤光栅对被感测信息用波长编码，而波长是一种绝对参量，它不受光源功率波动以及光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响，因而光纤光栅传感器具有非常好的可靠性和稳定性；另一方面光纤光栅传感器传感头结构简单、体积小，便于组成传感器网络；光纤本身能够抗电磁干扰、抗腐蚀、适宜在海洋这样恶劣的环境下工作。

用于测量船舶局部强度的光纤光栅应力光纤光栅传感器系统是在船体结构中设置应力传感器，以实现对于船体结构局部应力变化的实时自动化监测。它能够为船舶的驾驶人员提供真实可信赖的数据，测量船舶局部的强度，保障船舶行驶运输过程中的安全，抵御随时可能出现的各种意外情况。

技术实现要素：

本发明是一种应用于海洋船舶的光纤光栅应力传感器设计，主要是针对目前应力传感器所存在的不足之处所设计，实现在恶劣的海洋环境影响下对于船舶结构局部应力的实时监测。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种用于船体局部强度测量的传感器，其特征在于它包括固定部分、敏感部分和密封部分；

其中固定部分包括传感器底座固定板1和固定螺丝孔4，传感器底座固定板1位于传感器的两侧，每侧的固定板上都存在两个固定螺丝孔4；

所述敏感部分包括传感器应变部分2、应力传感敏感器件3、传感器连接部分5以及温度补偿光栅11；所述的应力传感敏感器件3由单根光纤光栅构成，光纤穿过防水航插，粘贴在两侧的传感器底座固定板1上，固定之后在两端给光纤一个预拉量；传感器应变部分2是当传感器受外力作用时会发生形变，导致光纤光栅的栅区发生变化；传感器连接部分5是将两边的传感器底座固定板1相连；温度补偿的光栅11粘贴在一侧的传感器底座固定板1内，不受应力作用而只受温度影响，通过补偿算法，便可进行温度补偿，消除温度对于测量船体局部强度的影响；

密封部分由密封壳7、密封底板6、光纤防水航插10、航插接口9和航插固定孔8构成，密封口里面会设置垫多层密封圈；其中密封壳7和密封底板6合成一个密闭的水密盒子，包裹住传感器除传感器底座外的其他应变部分，航插接口9与航插固定孔8位于密封壳7的侧面，目的是为了使光纤防水航插（10）能够稳定的安装在传感器上，使得光纤也受到水密保护。

本发明所述一种用于船体局部强度测量的传感器，其特征在于：该传感器通过连接部分5的承载，使得光纤光栅3粘贴在两侧传感器底座固定板1之间，并受传感器应变部分2的变形影响。该传感器密封装置由不锈钢材质制成，除两侧传感器底座固定板1之外其他部分都由密封装置包裹，同时光纤也受防水航插的水密接头保护。

本发明进一步公开了一种用于船体局部强度测量的传感器的使用方法，其特征在于包括：

该传感器安装完密封装置后，通过固定螺丝孔4固定在船体上需要测量局部强度的位置，并将光纤防水航插10接入的光纤顶丝连接至解调仪，当安装了该光纤光栅应力传感器的部分受到外力作用时，传感器的应变部分发生形变，粘在传感器两边底座固定板之间的光纤也相应发生形变，导致光纤光栅的波长发生变化，这样船体局部的强度变化将通过光纤光栅的波长变化在解调仪上显示，因光纤光栅的形变与光纤光栅的波长变化基本成线性关系，所以通过解调仪的补偿算法，可使得船体结构的应力与光纤光栅波长的变化也呈比例变化。

本发明更进一步公开了用于船体局部强度测量的传感器的使用方法在用于船体结构局部应力变化的实时自动化监测方面的应用。实验结果显示：当安装传感器的局部位置受到的外力不断变化时，解调仪上显示出来的光栅波长也跟随着呈线性变化。

本发明公开的该光纤光栅应力传感器的使用方法详细操作：

（1）传感器在安装完密封装置后，通过固定螺丝孔4固定在船体上需要测量局部强度的位置，并将光纤防水航插10接入的光纤顶丝连接至解调仪。

（2）当船体安装了该光纤光栅应力传感器的部分受到外力作用时，传感器内部的变形体发生形变，粘在传感器两边底座固定板之间的光纤也相应发生形变，导致光纤光栅的波长发生变化。

（3）船体局部的强度将通过光纤光栅的波长变化在解调仪上显示，因光纤光栅的形变与光纤光栅的波长变化基本成线性关系，所以通过解调仪的补偿算法，可使得船体结构的应力与光纤光栅波长的变化也呈比例变化。

本发明更详细的描述如下：

应力传感敏感器件由单根光纤光栅3构成，光纤两侧粘贴在传感器的底座固定板1上，固定之后会在两端给光纤一个预拉量，由传感器两端设置的顶丝修正光纤光栅的预拉值；用来进行温度补偿的光栅11粘贴在传感器底座固定板1内，用以排除温度对于测量船体局部强度的影响。预固定装置包括传感器底座固定板1以及其上存在的固定螺丝孔4，该底座固定板设置在光纤光栅的两端，固定螺丝孔使得传感器能够固定在船体上。所述光纤光栅应力传感器的密封装置以密封壳7、密封底板6和光纤防水航插10、航插接口9和航插固定孔8组成，密封口里面会设置垫多层密封圈。密封装置为传感器提供了很好的水密性及防损坏能力，充分保证了传感器的正常工作。

本发明所述的一种用于监测船舶局部强度的光纤光栅应力传感器及其使用方法与现有技术相比所具有的积极作用在于：

（1）针对船舶的运输特点及工作环境要求所设计，为测量船体局部的强度。

（2）该光纤光栅应力传感器具有良好的水密性及防破坏性能，能够稳定的保持工作状态。

（3）该用于船体局部强度测量的传感器，使用参考光栅法来进行温度补偿，从而消除温度对于测量船体局部强度的影响。

（4）系统通过传感器两端设置的顶丝可以修正光纤光栅的预拉值，同时具备调节功能，为船体局部结构的应力实时监测提供一种稳定可靠的光纤光栅传感器。

（5）本系统安装、校准、调节等步骤操作简单，监测实时性强，监测数据准确，提高了光纤光栅传感器在船舶中使用的可靠性和耐久性。

附图说明

图1为本发明的光纤光栅应力传感器的原理结构示意图；

图2为本发明的光纤光栅应力传感器安装完成的侧视图；

图3为本发明的光纤光栅应力传感器安装完成的俯视图；

图4为本发明的光纤光栅应力传感器安装完成的剖面图；

图中各标号：

1传感器底座固定板，2传感器应变部分，3应力传感敏感器件，4固定螺丝孔，

5传感器连接部分，6密封底板，7密封壳，8航插固定孔，

9航插接口，10光纤防水航插，11温补光栅。

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

一种用于船体局部强度测量的传感器，它包括固定部分、敏感部分和密封部分；

其中固定部分包括传感器底座固定板1和固定螺丝孔4，传感器底座固定板1位于传感器的两侧，每侧的固定板上都存在两个固定螺丝孔4；

所述敏感部分包括传感器应变部分2、应力传感敏感器件3、传感器连接部分5以及温度补偿光栅11；所述的应力传感敏感器件3由单根光纤光栅构成，光纤穿过防水航插，粘贴在两侧的传感器底座固定板1上，固定之后在两端给光纤一个预拉量；传感器应变部分2是当传感器受外力作用时会发生形变，导致光纤光栅的栅区发生变化；传感器连接部分5是将两边的传感器底座固定板1相连；温度补偿的光栅11粘贴在一侧的传感器底座固定板1内，不受应力作用而只受温度影响，通过补偿算法，便可进行温度补偿，消除温度对于测量船体局部强度的影响；

密封部分由密封壳7、密封底板6、光纤防水航插10、航插接口9和航插固定孔8构成，密封口里面会设置垫多层密封圈；其中密封壳7和密封底板6合成一个密闭的水密盒子，包裹住传感器除传感器底座外的其他应变部分，航插接口9与航插固定孔8位于密封壳7的侧面，目的是为了使光纤防水航插10能够稳定的安装在传感器上，使得光纤也受到水密保护。

实施例2

应用于船体局部结构的光纤光栅应力传感器，其特征在于所述的传感器系统包括固定部分、敏感部分和密封部分。固定部分包括传感器底座固定板1和固定螺丝孔4；所述敏感部分包括传感器应变部分2、应力传感敏感器件3、传感器连接部分5以及温度补偿光栅11；密封部分由密封壳7、密封底板6和光纤防水航插10、航插接口9和航插固定孔8构成，密封口里面会设置垫多层密封圈，起到水密的作用，防止在船舶上放置的光纤光栅应力传感器进水影响对于应力的监测。

其中所述的应力传感敏感器件3由单根光纤光栅构成，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。传感器应变部分2是当传感器受外力作用时会发生相对形变，导致光纤光栅的波长发生变化，从而在解调仪上线性显示出来。传感器连接部分5是将两边的传感器底座固定板1相连并稳定粘在传感器上的光纤光栅。

实施例3

用于船体局部结构的光纤光栅应力传感器使用方法包括：

该传感器在安装完密封装置后，通过固定螺丝孔4固定在船体上需要测量局部强度的位置，并将光纤防水航插10接入的光纤顶丝连接至解调仪。当船体安装了该光纤光栅应力传感器的部分受到外力作用时，传感器的应变部分发生形变，粘在传感器两边底座固定板之间的光纤也相应发生形变，导致光纤光栅的波长发生变化。

船体局部的强度将以光纤光栅的波长变化在解调仪上显示，因光纤光栅的形变与光纤光栅的波长变化基本成线性关系，所以通过解调仪的补偿算法，可使得船体结构的应力与光纤光栅波长的变化也呈比例变化。

实施例4

使用参考光栅法来进行温度补偿，从而消除温度对于测量船体局部强度的影响，其中一根光纤光栅粘在传感器应变部分中间，同时受到应力作用和温度影响；另外一根光纤光栅粘贴在一侧的传感器底座固定板内，仅受温度影响。在解调仪上分别记录两根光纤光栅的波长变化，设两个光栅的波长漂移分别为，那么这2个反射波长变化可表现为：

这样就可以把温度和应变分离开，这种方法检测装置比较简单，检测成本低，可以较好的分离温度对于应变测量的影响，对应变的测量精度高。因此特别适合在船舶这样的环境条件下使用。