光纤光栅称重传感器在大型海上浮吊中的应用＊

祁耀斌，陆 遥，吴晨晖

（武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室，湖北武汉430070）

光纤光栅称重传感器在大型海上浮吊中的应用＊

祁耀斌，陆 遥，吴晨晖

（武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室，湖北武汉430070）

为了实现大型海上浮吊臂架结构健康状态监测，开发了大型海上浮吊光纤光栅称重传感器系统，提出了光纤光栅称重传感器设计理论，建立了传感器设计框架。通过悬臂梁理论，借助于有限元分析软件，提出了悬臂梁和受压弹性体复合结构；通过温度补偿理论与对比，提出了滤波温度补偿方案；通过迟滞效应原理，提出了双光栅式迟滞效应消除方案。进行光纤光栅称重传感器性能实验、反复性实验和稳定实验，讨论了系统的性能和可行性。并将大型海上浮吊光纤光栅实时称重系统应用于实际工程项目，成功实现了大型海上浮吊负重状况监测。

光纤光栅；大型海上浮吊；称重传感器；健康监控

大型海上浮吊作为重大海洋作业，广泛应用于海洋石油开发、海滩救助、海底隧道建设等重大海洋工程。吊臂架结构是大型海上浮吊的核心结构，直接影响到大型海上浮吊的完全稳定运行。而大型海上浮吊臂架结构运行受到外部环境荷载、结构本体和潜在因素等三方面的不确定性影响，并且大型海上浮吊现场工况复杂，干扰众多等，严重制约着大型海上浮吊系统的完全可靠运行。因此，迫切需要建立一套大型海上浮吊臂架结构称重系统，实现对大型海上浮吊臂架结构实时在线健康监控。

目前，大型海上浮吊臂架结构称重系统应用最为广泛的有基于电阻应变传感器的大型海上浮吊臂架结构称重系统和基于光纤光栅传感器的在大型海上浮吊臂架结称重系统。前者以其精度高、结构简单、成本低等特点较多的应用于测量仪器等工业领域，其稳定性和可靠性较低，难以满足大型海上浮吊健康监控系统的要求［1－2］；后者以其体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、灵敏度高等优点成为目前的研究热点。光纤光栅称重系统已广泛应用于高速公路、铁路桥梁等工程［3－5］，在大型海上浮吊系统中的应用还不多见。

结合大型海上浮吊臂架结构特点，本文研发了应用大型海上浮吊臂架结构状态监测的光纤光栅称重传感器，提出了基于光纤光栅波分复用称重传感系统，实现了对大型海上浮吊系统的实时在线健康监测。

1 光纤光栅传感原理与称重传感器

1.1 光纤光栅传感特性

根据光纤Bragg光栅模式耦合理论，峰值反射布拉格波长为

式中：λB为光纤布拉格光栅的中心波长；Λ为光栅周期；neff为光栅的有效折射率（折射率调制幅度大小的平均效应）。

当外界物理环境发生变化（温度、应力等）时，引起光栅周期Λ和光栅有效折射率neff的改变，布拉格中心波长也随着发生变化，通过检测反射光信号的偏移可实现温度或者应力等变量的检测。

1.1.1 光纤光栅轴向应力特性 均匀轴向应力是指对光纤光栅进行纵向拉伸或压缩。假设光纤Bragg光栅仅受轴向应力作用，温度和径向应力不变，轴向应变引起的光纤Bragg光栅栅距的变化

式中：ΔΛ为布拉格光栅周期变化量；ξx为光纤Bragg光栅处的轴向应变。

式中：L为两段固定的光纤Bragg光栅长度；ΔL为纵向伸缩量。

由弹光效应引起的光纤Bragg光栅折射率的变化

式中：Δneff光栅折射率变化量；P11和P12为Pockel系数；v为泊松比。

因为弹光系数

式中：Pe为弹光系数。

所以，联合式（3）、（4）和（5），可得出

式中：ΔλB为布拉格波长偏移量。

由式（6）可知，通过测出ΔλB，即可得出外界轴向应力ξx，实现轴向应力的测量。

1.1.2 光纤光栅温度特性 无外界应力的情况下，温度变化会引起neff和Λ的变化。将式（1）对温度取导数

式中：d T、dΛ、d neff分别为温度、光栅周期和有效折射率的变化量。

式（7）两边分别除以式（1）两端，可得

令

式中：ξ为光纤光栅折射率温度系数，即光纤材料的热光系数。

令

式中：α为光纤的线性热膨胀系数。

这样可将式（8）改写如下形式

由式（11）可知温度变化对布拉格波长的影响。

1.1.3 温度应变交叉敏感特性 在实际的工程运用中，常常是有温度和应变同时存在的情况发生，即交叉敏感特性。

假定温度和应变对中心波长的的影响是相对独立的，两者同时变化时，由轴向应力特性和温度特性可知，布拉格波长的变化为

式中：ε为其轴向应变；ΔT为温度变化量。

1.2 光纤光栅称重传感器原理

图1 称重传感器设计原则Fig.1 The principle of weighing sensor

光纤光栅称重传感器是利用光纤光栅轴向应力特性，克服温度特性的交叉影响，借助于封装结构和应变传递模型，实现对压力的准确测量。称重传感器主要由光纤光栅和应力传递结构组成，其设计原则见图1。

（1）高效率的应变传递结构 大型海上浮吊起吊负载重达数十兆帕（MPa），选择合适应变传递结构是称重传感器的关键。

（2）克服交叉敏感 大型海上浮吊臂架结构受其金属结构、室外海域环境等影响，引起温度变化的随机性和不确定性较大，因此光纤光栅称重传感器必须解决传感温度补偿问题

（3）波分复用传感网络 针对大型海上浮吊系统，通过波分复用实现多点同时监控的健康网络是大型海上浮吊称重系统的发展方向。

2 大型海上浮吊称重传感器的设计与实验分析

2.1 光纤光栅称重传感器设计

结合大型海上浮吊对光纤光栅称重传感器的要求，在上述理论和原则的指导下，笔者设计出了基于一种等强度悬臂梁式和受压薄膜复合结构的称重传感器，其结构原理见图2。

图2 悬臂梁式称重传感器结构Fig.2 The structure of cantilever beam weighing sensor

大型海上浮吊光纤光栅称重传感器的设计思路见图3。

图3 光纤光栅称重传感器设计思路Fig.3 The guidance of fiber bragg grating weighing sensor

2.1.1 等强度悬臂梁设计 标准等强度悬臂梁见图3，梁的固定端记为O点，自由端记为A点，梁的横截面高度为h，并以横轴对称，其宽度

式中：L为悬臂梁的长度；b0是悬臂梁在O点的横截面宽度；x为梁纵轴上任意一个点的坐标。

图4 等强度悬臂梁Fig.4 Equal－intensity cantilever beam

等强度梁表面的弯曲应力相同，在任意点的应变也相等，在O表面处的应力为：

式中：P为作用于自由段的集中性载荷；I0为梁横截面O点处的惯性力矩；E为梁材料的杨氏模量。

由式（14）可知，等强度梁的应变受到几何尺寸和材质材料影响。

2.1.2 受压金属弹性体的设计 受压金属弹性体的设计本文采用有限元分析的方法，采用ANSYS有限元分析软件进行设计［6］。

首先对受压薄膜的硬件尺寸进行拟定，薄膜拟定为带有硬心的扁形圆柱体结构，圆柱体直径D＝150mm，硬心直径Dx mm，整体厚度H＝35mm，薄膜厚度Hx mm。整体有限元划分见图5。

图5 受压薄膜整体有限元划分Fig.5 Finite element division of compressive film

图5中，外部压力荷载均匀作用在薄膜硬心上，使受压薄膜分别受到剪切应力和径向应力，于是产生1个位移量。

利用ANSYS分别对硬心直径Dx＝4.5，5，6，8，10 mm，薄膜厚度Hx＝50，72，75 mm进行受力分析，分析结果见表1。

表1 有限元分析受压薄膜各项受力情况Table 1 Various stress situation of finite element analysis of pressure on film

从表1可知，当薄膜厚度为10mm，硬心直径为75mm时，受压薄膜的受理情况符合设计所需，而其他种方案甚至已经超过了金属的极限强度和屈服点，所以拟定受压薄膜厚度D1＝10 mm，硬心直径H1＝75 mm。ANSYS分析可以直观表示出来（见图6）。

图6 受压薄膜Y向位移Fig.6 Y displacement of compression film

图7 受压薄膜X向应力Fig.7 X displacement of compression film

由于受压盒体属于对称结构，所以在图6和7所见ANSYS分析只取盒体横截面的一半进行观察，另一面的受力与位移情况与之完全相同。将实验数曲线见图8～10。

图10 2种硬心直径条件下的薄膜位移Fig.10 Compression film displacement of two core diameter

从图8～10可以看出，当薄膜的厚度和硬心不断增大时，其所受的径向应力、剪切应力和径向位移都在不断的减小，当薄膜厚度为10 mm，硬心直径为75 mm时，传感器弹性体性能达到最优。

2.1.3 温度补偿［7］大型海上浮吊的金属材料、经常变化朝向的工作性质和变化无常的海域工作环境，决定了光纤光栅称重传感器温度补偿的重要性。通过理论与实践研究，对比传统的的温度补偿办法，提出了符合大型海上浮吊光纤光栅称重传感器的温度补偿办法。

由式（12）可知，光栅反射波长有着交叉敏感性。传统的温度补偿方法是用一只参考光栅补偿法，在双光纤光栅的情况下，当温度与应力的同时变化时，双光纤光栅的波长差值

式中：Δλ′B、Δλ″B分别为两光栅中心波长偏移量；λ′B、λ″B分别两光栅的中心波长；ε′、ε″分别为两光栅的轴向应变；α′、α″分别为两光栅的热膨胀系数；ξ′、ξ″分别为两光栅的折射率温度系数。

表2 温度补偿方案Table 2 Temperature compensation scheme

图11 低通滤波实现流程Fig.11 Low－pass filter process

通过实验可以看出，由于温度变化而产生的漂移是一个比较缓慢的变化过程，其突变比较小，可以认为在平均5个时间点内，小于5pm的变化量看成是温度漂移量，即低通滤波方法的阈值得到设定，可以进行有效剔除。

2.1.4 迟滞效应的消除 金属或者非金属的任何弹性材料在工作中存在着不同程度上的弹性滞后、弹性后效和蠕变的现象，即弹性迟滞效应。弹性体材料的弹性迟滞效应的大小直接影响了传感器的重复性和精确度。对制备好的称重传感器进行0～30MPa的加压和卸载数次，实验结果见图12。

图12 弹性迟滞效应的影响Fig.12 The effect of Elastic hysteresis effect

由图12可知，这种弹性迟滞现象明显存在，由弹性迟滞的定义可知，是弹性体元件和压力传递元件的材料所固有的特性才是产生这种现象的主要原因。

如果不考虑温度的影响，光纤布拉格光栅的反射波长λB与悬臂梁自由端在力的作用下产生的轴向位移之间的关系可以表示为如下关系。

式中：K1为比例系数；λ0为在空载状态下的初始波长；Δh为轴向位移。

在压力的作用下，有

式中：K 2为比例系数，P为压力。

综合式（16）和（17），可得出

笔者将悬臂梁上下两个表面对称黏贴2只光栅，并串联起来，利用压力来调谐双光栅产生的波长差来有效检测。

在压力P的作用下，λ1对应的变化值为λ1′，λ2对应的变化值为λ2′；卸载时，波长变化值为λ1″和λ2″。由于弹性迟滞效应的影响是非线性的，因此引入一个灵敏度系数ξ＝dω／d p，并设定加载和卸载过程中产生的微塑形形变量分别为ξ＊（p，t）P和ξ＊＊（p，t）P，附加性的引起光栅波长的在加载和卸载过程中产生的漂移量分别为Δ＊λξ和Δ＊＊λξ。

由式（18）出发，光栅反射波长的漂移与所施压力P的变化关系分别可以表示如下。

式中：λ10为上表面光栅空载时初始波长。

式中：λ20为上表面光栅空载时初始波长。

由式（19）和式（20），得：

式（21）和式（22），得：

由式（23）和式（24）可推得：

由式（25）可知，利用压力进行双光栅反射波长之差的调谐，在加载和卸载的过程中，弹性迟滞效应对传感器的性能影响微乎其微，从而实现了迟滞效应的补偿

2.2 称重传感器实验研究

光纤光栅称重传感器主要分为性能实验、重复性实验和稳定性实验。

2.2.1 性能实验 通过最大载荷为大于40 MPa的力学反力架为实验基本框架、量程为0～35 MPa的压力计、一台光纤光栅解调仪和一台终端上位机对已制备好的光纤光栅称重传感器进行实验。对称重传感器进行加载和卸载，记录实验数据，分析传感器性能。在加载和卸载的过程中，将解调器的输出波长信号绘成曲线（见图13和14）。

由图13和14的压力响应曲线可知，施加的载荷与光纤光栅中心反射波长的变化量有良好的线性关系，且相关性都达0.998 9以上。由称重传感器执行标准和误差计算方法，可得出称重传感器的各项误差指标［8］。

表3 称重传感器各项性能指标Table 3 The performance indicators of weighing sensor

试验中重复性误差主要来源于反复应力老化；回程误差主要来源于弹性体本身经过钎焊或其他处理；线性误差来源于实验条件的非恒温性及仪器本身误差。基本误差是重复性误差和线性误差的总和。

2.2.2 重复性实验 重复性实验室为了验证传感器在重复加载、卸载的情况下，其重复性如何。利用压力计对传感器进行0～25Mpa的加载和卸载数次，经光纤光栅解调仪将信号传送给PC机，将记录的数据绘制成曲线见图17和18。

通过图15和16可看出，称重传感器在0～25MPa的载荷进行加载和卸载过程中，悬臂梁两侧的光纤光栅反射波长λ1，λ2几乎保持着重合，反复加载和卸载之后，得出图表几乎一致，最多的误差在2pm以内。

2.2.3 稳定性实验 将设计好的称重传感器置于室外环境下，为验证传感器的稳定性，每隔近一个月对传感器进行一次测量，所得数据见表4。

由表4可以看出，在进4个月的重复测量中，波长差值的变化在1～2pm之间浮动，可以观察到传感器的的稳定性良好。

表4 称重传感器封装后分期测量对比Table 4 Measure contrast of weighing sensor after encapsulation of different period

3 大型海上浮吊称重系统与现场试验

3.1 大型海上浮吊称重系统

结合大型海上浮吊臂架结构特点，笔者提出了一套基于光纤光栅称重传感器的大型浮吊健康监控系统，结构模型见图17，主要分为数据采集、信号处理和监控界面等3个部分。

（1）数据采集 分布于大型海上浮吊臂架结构上的光纤光栅称重传感器采集其荷载情况。

（2）信号处理 光纤光栅解调器获取光栅反射波长信号，通过波分复用实现分布式监测网络。

（3）监控界面 通过软件系统以友好的界面实时在线显示大型海上浮吊健康运行状态。

图17 基于光纤光栅称重传感器的大型浮吊监控系统示意图Fig.17 Schematic diagram of large－scale floating crane monitoring system structure based on fiber bragg grating weighing sensor

3.2 现场试验

图18 大型海上浮吊现场装配图Fig.18 Field assembly drawing large－scale offshore floating crane

本系统已应用于某大型海上浮吊，将4支光纤光栅称重传感器安装于有4支吊钩的大型海上浮吊（见图18），通过串联反射连接到中央监控室。

现场测试将从吊钩空载、吊起货物、上升和下降4个过程进行。4个传感器在不同的过程中的质量变化情况见图19。

图19 现场作业不同过程的传感器质量变化Fig.19 Sensor weight changes in the various process of field operations

通过友好的监控界面实时显示着4个吊钩的载荷质量以及浮吊所承受的总质量，通过灰色、黄色、红色等3种颜色向现场维修人员进行预警，百分比小于90%时，显示灰色，表示吊钩正常工作；当百分比大于等于90%且小于100%时，显示黄色，发出初级预警，表明吊钩有接近极限负荷；当百分比大于等于100%时，会显示红色，发出高级预警，表明吊钩的工作严重异常或已超出极限负荷。

现场测试在浮吊正常的作业中，四个吊钩保持在安全的负荷范围内，其中一只吊钩在货物上升时达到了黄色初级预警，提醒现场工作人员注意检修，在货物下降并卸载后，软件监视可以良好的回零，达到了预期设计效果。

4 结论

（1）通过对光纤光栅传感原理、力学原理及其相关的理论分析，借助于有限元分析软件，提出了一种悬臂梁与受压弹性体的光纤光栅称重传感器。

（2）通过温度补偿理论和迟滞效应理论，提出了温度补偿方案和迟滞效应补偿方案来实现能实用于大型海上浮吊中光纤光栅称重传感器。

（3）结合大型海上浮吊臂架结构特点，提出了大型海上浮吊光纤光栅实时在线健康监控系统。

［1］ 路遥.大型浮吊称重传感系统的研究［D］.武汉：武汉理工大学，2011.

［2］ Liu X M，Zhang X M，Chen K S.Demonstration of etched cladding fiber Bragg grating－based sensors with hydro gel coating［J］.Sensor Actuators B：Chem，2003，96：468－472.

［3］ Nellen P M，Mauron P.Reliability of fiber Bragg grating based sensors for down－hole applications［J］.Sensors and Actuators，2003，A103：346－376.

［4］ Nakamura K，Matsumura T，Ueha S.A load cell using a fiber Bragg grating with inherent mechanical temperature compensation［J］.Structural Control and Health Monitoring，2005，12（3）：345－355.

［5］ 姜德生，何伟.光纤光栅传感器的应用概况［J］，光电子·激光，2002，13（4）：420－430.

［6］ 高玉怀，田向东.称重传感器弹性体有限元设计方法的探讨［J］.衡器.2007，S1：20－22.

［7］ 范文龙，董新水，董孝义.温度补偿的悬臂梁光纤光栅力传感研究［J］.光子学报，2001，30（1）：1385－1388.

［8］ 刘九卿.称重传感器弹性元件金属材料的分析与选择［J］.衡器，2001，5：10－16.

Application of Fiber Bragg Grating Weighing Sensor for Large－Scale Floating Crane

QI Yao－Bin，LU Yao，WU Chen－Hui
（National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

In order to achieve health monitoring of large－scale offshore floating crane structure，we developed a fiber bragg grating weigthing sensor system for large－scale offshore floating crane，proposed a design theory and frame of sensor.Then we proposed a composite structure of cantilever beam and compressive film through analysis of cantilever beam theory and finite element software，a filtering temperature compensation scheme through theory and contrast of temperature compensation，and a hysteresis effect of eradication scheme using double grating through hysteresis effect principle.At last，performance and repeated experiment and stability experiment on fiber bragg grating weighing sensor were conducted to discuss the system performance and feasibility.Finally，fiber bragg grating weighing system for largescale offshore floating crane was used in actual projects.The result shows that the system achieves health monitoring of loading condition for large－scale offshore floating crane.

fiber bragg grating；large－scale offshore floating crane；weighing sensor；health monitoring

TP212

A

1672－5174（2012）09－102－08

国家自然科学基金重大项目（20111g0088）《光纤传感安全监测系统产业化》资助

2012－01－18；

2012－06－15

祁耀斌（1966－），男，博士，副研究员，从事光纤传感器技术及组网研究。E－mail：robin＠whut.edu.cn

责任编辑 陈呈超