一种基于光纤光栅应变感应的造船门式起重机应

1 引言

随着中国经济的迅猛发展及对外贸易的连续增长，起重机械行业正朝着大规模、连续化、自动化和智能化的方向发展。现代造船工业对起重机械的整体性和可靠性提出了更高的要求，为了保证起重机械的安全运行，提高整机的使用寿命和使用率，有必要对起重机械进行状态监测和故障诊断。

调查显示，大多数起重机事故都是由金属结构失效引起的。起重机金属结构是整个机器的支撑架，支撑每个工作部件本身的重量和外部施加的负载。起重机在使用过程中可能会导致各种类型的故障。对起重机的金属结构进行应力监测能很好地检查出金属结构的故障。

目前，我国许多家造船厂仍采用“定期保养，事后维修”的传统方法，这在一定程度上影响了整机的工作潜力，停机检修也直接影响生产效率。因此，有必要对起重机械设备进行应力在线监测。

2 造船起重机应力检测方法

2.1 电阻应变测量法

自20世纪30年代电阻应变片出现以来，电阻应变测试法历经了一段长期的发展，成为目前应用最为广泛的应变力测量技术。在该方法中，将电阻应变片与构件相粘接，当构件受到外力产生形变时，应变片中金属丝的横截面积与长度将随构件而变化，从而使电阻阻值发生变化。而相应的电阻应变仪可将测得的电阻阻值变化转换为电信号输出，然后通过调理放大、滤波、数模转换等信号处理方法，间接得出有效的应变数值。

电阻应变测试法具有重量轻、尺寸小、便于携带、频率响应好、测量范围大等优点[1]。不过其也存在易受外在环境（如温度、湿度）的影响，同一个电阻应变计只能检测到构件外表面一点沿某一方向的应变，无法进行全域性测量等不足。

2.2 光纤光栅测量法

光纤布拉格光栅测量技术是一种基于掺杂光纤灵敏度特性的测量技术。自20世纪90年代以来，它是光纤通信光纤传感和光信息处理的一种新兴的测量技术。

该方法运用掺杂光纤的光敏特性，外部入射光子与核心中掺杂粒子之间的相互作用通过一定的工艺过程导致纤芯折射率沿着光纤轴向周期性或非周期性地变化，在纤芯内形成空间相位光栅[2]。

加拿大通信中心的K.O.Hill等人在1978年首次在掺锗光纤中采用驻波写入法制成光纤Bragg光栅（FBG）[3]。

3 基于光纤Br agg光栅应变感应的监测系统

3.1 光纤光栅传感原理

光纤光栅是一段纤芯中具有折射率周期性变化结构的光纤，利用光纤的光敏特性制成的，由于石英光纤具有紫外光敏感特性，所以光波导结构可以直接制作于光纤上以形成光纤波导器件，相当于在纤芯内有一个窄带滤波器或者反射镜。基于FBG传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器[4]。

根据光纤耦合模理论可得，光纤Bragg光栅的简谐振动方程为：

式中，λB为光纤Bragg反射光的中心波长；neff为纤芯有效折射率；Λ为光纤光栅的栅距周期。由此可知，光纤光栅传感器中心波长由其纤芯有效值折射律和栅距周期共同决定。对式（1）微分得：

式中，ΔΛ为光纤在外界应力作用下引起的弹性形变；Δneff为由光纤的弹光效应引起的变化。由（2）式可知，neff或Λ改变时，光纤Bragg中心波长会发生漂移。光纤光栅传感器的关键问题就是有效地检测出中心波长的漂移量ΔλB。

3.2 光纤光栅解调原理

光纤光栅传感解调的核心问题就是检测FBG中心波长的微小位移。本应力监测系统采用CCD分光计法进行解调。

如图1所示，来自宽带光源的光通过耦合器入射到传感FBG上，反射回来的光经光纤射出，由准直镜反射的平行光入射在衍射光栅上。由于衍射光栅的分光效应，不同波长的光被分离，并且分离的光通过成像镜成像到CCD检测器上。当从传感FBG反射回来的光的波长产生漂移时，穿过衍射光栅的光的衍射角改变，从而使成像到CCD探测器上的位置也改变。通过测量CCD上光点的不同成像位置，可以测得波长漂移量ΔλB，并完成解调。

图1 基于CCD的光纤光栅解调原理图

3.3 监测系统组成

本造船起重机应力监测系统如图2所示包括：光纤光栅传感器阵列、光纤光栅解调仪、现场分析主机、无线发射装置、无线网桥、无线接收装置设备和监控计算机。

光纤光栅传感器阵列包含与造船起重机的门架结构、大车运行机构、小车运行机构、起升机构等多个结构件对应的多条光缆支线，每条光缆支线连接有多个检测传感器，检测传感器贴附于结构件的表面。每个结构件的按照形状和表面积可表面划分为多个特征区，例如，将门架结构可划分为上部桥架特征区、悬臂特征区、支腿特征区及下横梁特征区，在每个特征区设置多个感应位点，每个感应位点上设置一检测传感器，感应位点处黏附有胶粘层，检测传感器埋入胶粘层的内部，胶粘层的厚度为2.8～3.5mm，确保粘接效果，同时也保证良好的传感效果，不影响到传感器的感应[5]。

文章来源：《传感技术学报》 网址: http://www.cgjsxb.cn/qikandaodu/2021/0626/447.html