一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置

本发明涉及一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，属于光纤传感。

背景技术：

1、水下运载器发射平台、海上风机平台、海洋钻井平台等，这些平台通常工作在水下潮湿环境中，会受到环境腐蚀，而对这些大型设备平台进行实时的健康监测是保障设备正常运行的关键过程。通常是采用健康监测传感器来进行实时的健康监测，传统的健康监测传感器采用电阻应变片作为测量传感器，经过密封后浸泡在水中进行应变测量。但是，在高水压、高盐和各种腐蚀的长期作用下，电阻应变片容易老化﹔并且在深水测量时，较长的连接电缆也会影响测量精度。随着光纤及光纤光栅检测技术的广泛应用，人们开始将其用于健康监测系统中。

2、如cn201420676226.9适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构，主要由一个扭矩测量轴，一个密封圆筒，两块金属圆板，两根光栅和一个水密型光纤插座构成。将扭矩测量轴置于密封圆筒内，两端伸出密封圆筒，并通过两块金属圆板与密封圆筒两端密封固定连接，同时，测量轴与金属圆板之间以及金属圆板与密封筒之间均装有o型密封圈，以达到防水的目的。扭矩测量轴上刻有正交对称分布的细槽，用于安装金属镀膜光纤光栅扭矩应变传感器，用于提高测量灵敏度和消除温度交叉敏感。密封圆筒上安装水密型光纤插座且在光纤引出端灌入密封胶水，光纤光栅扭矩传感器与测量设备之间通过水密光纤插头进行光信号传输。

3、上述专利通过待监测物体两点之间扭矩的变化，进而引起光栅应力的变化，但该装置仅能反映出被测物体扭矩的变化，一旦被测物体含有多种应变情况，则该传感器结构将无法精准的检测；如果被测物体发生拉伸应变，那么该装置上的两根光栅变化量相同，在做温度解耦时就会出现光栅波长变化为0的情况，反应给人们的信息就是被测物体未发生形变，不适合对重要设备的长期实时监测。

技术实现思路

1、本发明为解决上述技术问题，提供一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，可满足水下平台结构伸缩、弯折应变的长期实时监测；并且能达到增敏的效果，能准确有效地监测到被测物体上发生的微小应变，监测结构更准确；同时还具有耐腐蚀、便于安装、体积小、稳性好、防水性好和测量范围可调的效果。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，包括呈圆柱筒状结构且有顶无底的防水外壳、固定套设于防水外壳底部的压盖和增敏绳及光纤光栅传感器；所述防水外壳的内顶面间隔设置有端部开设有通孔的两个自带拉杆，且防水外壳相对位置的侧壁上分别设置有增敏绳过孔和光纤过孔；所述压盖的内底面上设置有由三层圆片叠放而成的基座，且中间层的圆片直径大于上下两层圆片、厚度小于上下两层圆片，为形变承受层，所述基座顶层的圆片上间隔固定有端部开设有通孔的两个独立拉杆；两个所述自带拉杆、两个所述独立拉杆及增敏绳过孔和光纤过孔在同一条中心线上；所述防水外壳的上顶面和压盖上分别固定有用于施加载荷力的固定钢架，且位于压盖上的固定钢架还与基座固定；

4、所述增敏绳从一侧的增敏绳过孔穿入、依次经过第一个独立拉杆、第一个自带拉杆、第二个自带拉杆、第一个独立拉杆后从另一侧的增敏绳过孔穿出；所述光纤光栅传感器包括中部的光栅区和两端的光纤，光纤光栅传感器从一侧的光纤过孔穿入、依次经过第一个自带拉杆、第二个自带拉杆后从另一侧的光纤过孔穿出，且光栅区位于两个自带拉杆之间并与该位置处的增敏绳粘结固定；所述增敏绳的两个端部和光纤光栅传感器的两个端部光纤分别固定粘结于增敏绳过孔和光纤过孔处；

5、所述同侧的自带拉杆与独立拉杆之间的水平距离等于独立拉杆与相邻防水外壳侧壁之间的水平距离，均为x，同侧的自带拉杆与独立拉杆的通孔间的垂直距离为h，并且限定h＞x。

6、本发明技术方案的进一步改进在于：所述通孔的两端均设置有倒角，且倒角部分涂抹润滑剂。

7、本发明技术方案的进一步改进在于：所述防水外壳与压盖的固定方式为螺纹固定。

8、本发明技术方案的进一步改进在于：所述防水外壳的内部设置为上半部分内径小、下半部分内径大的台阶状结构，且基座圆片设置于内径大的下半部分。

9、本发明技术方案的进一步改进在于：所述压盖内部为台阶式结构，包括下半部分带有螺纹且半径较小、用于与防水外壳旋紧固定的下部螺纹区和上半部分无螺纹且半径较大、与防水外壳留有空隙用于填充环氧树脂胶的上部光孔区。

10、本发明技术方案的进一步改进在于：所述固定钢架与上顶面、压盖、基座的固定方式为螺纹固定，且上顶面、压盖、基座上均设置有螺纹孔。

11、本发明技术方案的进一步改进在于：所述增敏绳的材质为尼龙材质。

12、本发明技术方案的进一步改进在于：除光纤光栅传感器和增敏绳外，其余部件的材质为不锈钢钢、镍合金及钛合金的任一种。

13、本发明技术方案的进一步改进在于：所述增敏绳过孔和光纤过孔设置为内侧之间小、外侧直径大的台阶孔，且外侧大孔用于填充胶粘剂。

14、本发明技术方案的进一步改进在于：所述基座的中间层圆片的厚度为0.3mm。

15、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

16、本发明灵敏度高，采用这种结构设计，在被监测结构两端有应变发生时，反映到传感器结构上就变成了独立拉杆基座薄片上的集中应变，由于此时独立拉杆发生了位移变化，势必会拉扯增敏绳从而造成增敏绳产生应变，基于本设计中增敏绳的固定方式，在被测物体两点间发生应变时，传递给增敏绳上的应变会大于被测物体的应变，而bragg光栅传感器就粘贴在增敏绳上，光栅对应变敏感，这也决定了装置的灵敏性。

17、本发明可在水下环境中进行全寿命周期、多种类型的应变监测。同时，防水外壳、压盖等与水接触的零件均由耐腐蚀材料制成，且光栅本身耐腐蚀，使得本发明更能抵抗水中的腐蚀。

18、本发明安装方式多样，可以通过夹持结构或胶粘方式固定于水下平台表面。

19、本发明监测应变类型广泛，当被测物体发生拉伸、弯曲等应变时，bragg光栅传感器上都会有应变量传递进来，所以使用该传感器结构可以监测多种类型的应变。

20、本发明采用增敏绳作为增敏绳的摩擦系数低(增敏绳与不锈钢之间的摩擦系数仅为0.02左右)，同时，通孔的倒角处使用润滑剂进一步提高抗摩擦效果，提高传感器装置的灵敏性。

21、本发明防水外壳的内部设置为上半部分内径小、下半部分内径大的台阶状结构，留有基座中层圆片发生形变的空间，确保传感器装置检测的准确性。

22、本发明压盖的结构设置使得压盖与防水外壳固定后留有空隙，用于填充环氧树脂胶以达到防水目的。

23、本发明增敏绳过孔和光纤过孔设置为内侧之间小、外侧直径大的台阶孔，内侧小孔用于穿过光纤和增敏绳，外侧大孔用于填充胶粘剂，固定增敏绳和光纤的端部，同时还能起到防水的作用。

技术特征：

1.一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，其特征在于：包括呈圆柱筒状结构且有顶无底的防水外壳(3)、固定套设于防水外壳(3)底部的压盖(6)和增敏绳(9)及光纤光栅传感器(10)；所述防水外壳(3)的内顶面间隔设置有端部开设有通孔(5)的两个自带拉杆(4)，且防水外壳(3)相对位置的侧壁上分别设置有增敏绳过孔(7)和光纤过孔(8)；所述压盖(6)的内底面上设置有由三层圆片(17)叠放而成的基座(14)，且中间层的圆片(17)直径大于上下两层圆片、厚度小于上下两层圆片，为形变承受层，所述基座(14)顶层的圆片(17)上间隔固定有端部开设有通孔(5)的两个独立拉杆(11)；两个所述自带拉杆(4)、两个所述独立拉杆(11)及增敏绳过孔(7)和光纤过孔(8)在同一条中心线上；所述防水外壳(3)的上顶面和压盖(6)上分别固定有用于施加载荷力的固定钢架(1)，且位于压盖(6)上的固定钢架(1)还与基座(14)固定；

2.根据权利要求1所述的一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，其特征在于：所述通孔(5)的两端均设置有倒角，且倒角部分涂抹润滑剂。

3.根据权利要求1所述的一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，其特征在于：所述防水外壳(3)与压盖(6)的固定方式为螺纹固定。

4.根据权利要求1所述的一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，其特征在于：所述防水外壳(3)的内部设置为上半部分内径小、下半部分内径大的台阶状结构，且基座圆片(14)设置于内径大的下半部分。

5.根据权利要求1所述的一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，其特征在于：所述压盖(6)内部为台阶式结构，包括下半部分带有螺纹且半径较小、用于与防水外壳(3)旋紧固定的下部螺纹区(15)和上半部分无螺纹且半径较大、与防水外壳(3)留有空隙用于填充环氧树脂胶的上部光孔区(16)。

6.根据权利要求1所述的一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，其特征在于：所述固定钢架(1)与上顶面、压盖(6)、基座(14)的固定方式为螺纹固定，且上顶面、压盖(6)、基座(14)上均设置有螺纹孔(2)。

7.根据权利要求1所述的一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，其特征在于：所述增敏绳(9)的材质为尼龙材质。

8.根据权利要求7所述的一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，其特征在于：除光纤光栅传感器(10)和增敏绳(9)外，其余部件的材质为不锈钢、镍合金及钛合金的任一种。

9.根据权利要求1所述的一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，其特征在于：所述增敏绳过孔(7)和光纤过孔(8)设置为内侧之间小、外侧直径大的台阶孔，且外侧大孔用于填充胶粘剂。

10.根据权利要求1所述的一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，其特征在于：所述基座(14)的中间层圆片的厚度为0.3mm。

技术总结
本发明公开了一种适用于水下平台结构健康监测的传感器装置，包括呈圆柱筒状结构且有顶无底的防水外壳、固定套设于防水外壳底部的压盖和增敏绳及光纤光栅传感器；所述防水外壳的内顶面间隔设置有端部开设有通孔的两个自带拉杆，且防水外壳相对位置的侧壁上分别设置有增敏绳过孔和光纤过孔；所述压盖的内底面上设置有由三层圆片叠放而成的基座，且中间层的圆片直径大于上下两层圆片、厚度小于上下两层圆片，为形变承受层，所述基座顶层的圆片上间隔固定有端部开设有通孔的两个独立拉杆；两个所述自带拉杆、两个所述独立拉杆及增敏绳过孔和光纤过孔在同一条中心线上，且限定h＞x，本发明可满足水下平台结构伸缩、弯折应变的长期实时监测，达到增敏效果。

技术研发人员：张燕君,宋芯洋,王宗泽,轩子昂,李佳,李睿,贾旺,王华杰
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14