用于船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器及应用的制作方法

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，涉及海洋船舶结构船艏砰击载荷测量。更具体地说是一种用于船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器及应用。

背景技术：

船舶在恶况下高速航行时,船舶会大幅运动，船底会露出水面，当它重新入水时，会与波浪产生猛烈的冲击会在船艏底部、艉部及外飘等区域发生砰击现象。在砰击瞬时，底部受到巨大的冲击力，船体的垂向加速度会突然改变，并且紧随着出现高频振动。强烈砰击会引起一系列严重的后果，国内外多起船损伤报告证明，砰击这种流体冲击载荷是导致船体水线面下局部结构失效、船舶破损的主要原因。因此在高速的船舶设计中，砰击载荷作为主要载荷,应把校核船舶结构在该载荷作用下的强度作为船舶设计安全标准之一。

用于船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器是在船体结构中设置加速度传感器，实现船体结构船艏砰击载荷量的自动监测，为船上决策者提供真实可靠的数据，为保证船体安全提供科学依据，提高安全性能。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器设计，采用这种设计的船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器具有较好的频率响应和较高的灵敏度，实现船舶结构船艏砰击载荷量的实时监测。

本发明为了实现上述目的，采用如下的技术方案：

一种用于船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器，其特征在于所述的传感器系统包括：传感器外壳3、传感器外壳盖7、加速度传感器敏感器件、铰链结构。

其中传感器外壳3是由铝合金经过切割、打磨、氧化等步骤加工而成，未经过拼接焊接的过程，传感器外壳3的侧面设有水密法兰2。传感器外壳盖7的四周设有密封凹槽，并在密封凹槽中嵌套安装密封条，在传感器外壳盖7设有带螺纹固定孔6，通过固定螺丝与传感器外壳3进行密封。

加速度传感器敏感器件由一根串联两个波长不同的第一光栅4和第二光栅8的预拉伸2mm的光纤1及温度补偿光栅10构成。光纤光栅的两个光栅区域使用环氧树脂粘合剂分别粘贴在质量块5与基座9的上端和下端之间，由水密法兰2连接到传输光缆。

所述的铰链结构，为差分对称铰链结构，它由一整块铍青铜制成，经过线性切割和加工，是一个整体模型。其中包括基座9、基座固定孔11、柔性铰链12、质量块5。质量块5通过柔性铰链12与基座9连接，基座9直接连接到传感器外壳3。

本发明所述的一种用于船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器的特征在于：

（1）用于船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器是由传感器外壳3固定在船舶上，用以测量船体的船艏砰击载荷量。

（2）加速度传感器敏感器件及铰链结构等传感器主体部分由传感器外壳盖7、传感器外壳3组成的密封装置所密封保护，提高了传感器系统的水密性和防破坏性，保证该光纤光栅加速度传感器稳定的工作。

本发明进一步公开了一种用于船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器的使用方法，其特征在于：

（1）将密封好的传感器固定在船体的船艏位置，传感器内部的光纤通过水密法兰2引出，连接到船体的传输光缆，最终在解调仪端能够实时观测船体结构的船艏砰击载荷量。

（2）传感器利用一体成型铝合金结构及密封盖，提高了系统的水密性和稳定性。水密法兰2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。

本发明更加详细的描述如下：

加速度传感器敏感器件由一根串联两个波长不同的第一光栅4和第二光栅8的预拉伸2mm的光纤1及温度补偿光栅10构成。光纤光栅的两个光栅区域使用环氧树脂粘合剂分别粘贴在质量块5与基座9的上端和下端之间，由水密法兰2连接到传输光缆。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，获得波长与船舶结构的加速度值之间是呈比例变化的，最终船体结构的船艏砰击载荷量以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示。

传感器外壳盖7的四周设有密封凹槽，并在密封凹槽中嵌套安装密封条，在传感器外壳盖7设有带螺纹固定孔6，通过固定螺丝与传感器外壳3进行密封。提高了系统的水密性和稳定性。

本发明更进一步公开了用于船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器的使用方法在用于船艏砰击载荷量自动监测方面的应用。实验结果显示该传感器在频率为0-100hz范围内的灵敏度为284pm/g。

本发明公开的用于船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器及应用与现有技术相比所具有的积极效果在于：

（1）用于船体结构的船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器设计，针对船体工作环境要求，具有良好的水密性、较好的频率响应、较高的灵敏度。

（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外壳盖，保证了船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器在海洋领域应用的耐久性和可靠性。

附图说明

图1为本发明用于船体结构的船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器结构示意图；

图2为本发明用于船体结构的船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器的频率响应曲线；

图中：1—光纤，2—水密法兰，3—传感器外壳，4—第一光栅，5—质量块，6—外壳盖固定孔，7—外壳盖，8—第二光栅，9—基座，10—温度补偿光栅，11—基座固定孔，12—铰链。

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

用于船体结构的船艏砰击载荷测量的光纤光栅加速度传感器，其特征在于所述的传感器包括：传感器外壳3、传感器外壳盖7、加速度传感器敏感器件、铰链结构。其中传感器外壳3是由铝合金经过切割、打磨、氧化等步骤一次性加工而成，未经过拼接焊接的过程，传感器外壳3的侧面设有水密法兰2。传感器外壳盖7的四周设有密封凹槽，并在密封凹槽中嵌套安装密封条，在传感器外壳盖7设有带螺纹固定孔6，通过固定螺丝与传感器外壳3进行密封。

加速度传感器敏感器件由一根串联两个波长不同的第一光栅4和第二光栅8的预拉伸2mm的光纤1及温度补偿光栅10构成。光纤光栅的两个光栅区域使用环氧树脂粘合剂分别粘贴在质量块5与基座9的上端和下端之间，由水密法兰2连接到传输光缆。

所述的铰链结构，为差分对称铰链结构，它由一整块铍青铜制成，经过线性切割和加工，是一个整体模型。差分结构的使用可以大大增强传感器的灵敏度，提升传感器测量船艏砰击载荷量的范围。

实施例2

使用方法包括：

（1）将密封好的传感器固定在船体的船艏位置，传感器内部的光纤通过水密法兰2引出，连接到船体的传输光缆，最终在解调仪端能够实时观测船体结构的船艏砰击载荷量。

（2）传感器利用一体成型铝合金结构及密封盖，提高了系统的水密性和稳定性。水密法兰2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。

船体结构的船艏砰击载荷量以光纤光栅的波长变化的形式在解调仪端显示,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,最终获得波长与船体结构的船艏砰击载荷量值。

实施例3

使用参考光栅法消除温度对船船艏砰击载荷测量的影响，用一根不受应变作用的光栅实现温度测量，将其熔接到加速度传感器敏感器件，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，只与船艏受到波浪产生的冲击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。

结果说明：计算后可得该传感器在频率为0-100hz范围内的灵敏度为284pm/g。