模拟海洋环境干扰下复合板低速冲击定位实验

崔俊国， 张庆雪， 刘 琦， 梅连朋， 侯国建， 肖文生

（1.中国石油大学（华东）机电工程学院海洋物探及勘探开发装备国家工程研究中心，山东 青岛 266580；2.南洋理工大学机械与航空航天工程学院，新加坡 639798）

0 引言

船舶工作在恶劣的海洋环境中，频繁遭受波浪砰击或极地冰载荷等各种低速冲击载荷，在其内部容易产生分层或裂纹等形式的冲击损伤，降低船舶的结构强度。实现船舶复合板结构的低速冲击实时监测已成为国内外重点关注的研究方向之一。

光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感器具有体积小、重量轻、响应快、分辨率高、抗干扰能力强、耐腐蚀能力强以及易于构建分布式传感网络等独特优势［1-3］，为船体结构健康监测提供了新方法。有学者利用FBG传感器开展复合板低速冲击监测技术研究多以实验室的理想环境作为实验基础［4-6］，对复合材料的损伤进行定位及检测［7-9］，同时也有大量学者针对低速冲击定位中采集信号的精确性问题进行了理论研究［10-12］，对冲击产生的应力波进行修正或重构［13-15］，但均未考虑实际环境因素对监测信号的影响，限制了其在船舶或其他领域的实际应用。

为解决上述问题，本文充分考虑海洋环境干扰的环境因素，在此基础上利用FBG传感技术采集低速冲击信号，设计低速冲击装置，研究冲击定位实验系统的搭建并测试其干扰、冲击信号的收集功能，以期为后续验证冲击定位方法的可行性和精确性提供数据支撑，同时为船舶或海洋平台的低速冲击监测系统研究及工程化提供平台。

1 实验原理

1.1 实验系统原理

模拟海洋环境干扰下复合板低速冲击定位实验系统包括复合板试件、FBG 传感系统、低速冲击装置及模拟海洋环境干扰系统，如图1 所示。其中：模拟海洋环境干扰系统包括激振器、功率放大器、数据采集分析系统以及计算机；FBG 传感系统包括FBG 传感器、FBG解调仪以及计算机。由图1 可见，计算机1 用于输出干扰信号至数据采集分析系统，数据采集分析系统输出信号到功率放大器，信号经放大后由激振器输出，激振器与复合板试件背面连接，用于模拟海洋环境干扰。低速冲击装置用于在复合板不同位置提供不同能量的冲击，4 个FBG 传感器（FBG1、FBG2、FBG3、FBG4）用于感应复合板受到冲击后光波长λ的变化。FBG解调仪对FBG传感器的中心波长进行解调，并将解调出的波长信号传输到计算机2，通过计算机里的上位机程序将各种波长信号转化为待测物理量的特征信号，即可对结构实行实时监测。

图1 模拟海洋环境干扰下复合板低速冲击定位实验系统原理

1.2 FBG传感原理

FBG传感器利用光纤的光敏性原理，由入射紫外光引起光纤纤芯折射率沿纤芯轴线方向发生周期性变化，如图2 所示。FBG可被看作是一种具有选择性的窄带反射镜，用于选择和反射特定波长的入射光。当FBG 所在外界环境的温度发生变化或受到拉力作用（即应变发生变化）时，光纤纤芯的有效折射率和光栅周期发生变化，FBG 反射光中心波长随之发生漂移。通过解调反射光中心波长的漂移量，可实现对温度和应变的测量。

图2 FBG传感器工作原理

复合板结构遭受低速冲击的瞬间，冲击点处的接触力所产生的应力波将引起板结构内部的微变形，并从冲击点快速传播到冲击点周围区域。当应力波传播到板结构上FBG传感器所粘贴位置时，FBG传感器因此处板结构内部微变形的影响而受到拉力作用，导致FBG传感器中心波长发生漂移，从而捕捉低速冲击的响应信号。

2 实验方案设计与系统搭建

2.1 复合板试件

实验试件采用T700/3234 碳纤维/环氧树脂预浸料制成的复合材料层合板，即碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）层合板，铺层顺序为［0/90］8s，尺寸为500 mm ×500 mm ×2 mm。采用四边固支方式对CFRP 层合板进行约束。选取CFRP层合板正面中心位置尺寸为320 mm ×320 mm的正方形区域作为监测区域。在CFRP层合板上建立以其左下角顶点作为坐标原点的二维直角坐标系，监测区域划分方式如图3 所示。

图3 复合板试件监测划分方式

2.2 FBG传感系统

FBG传感系统由4 支FBG传感器、1 台FBG解调仪和1 台计算机组成。4 支FBG传感器以45°对称方式粘贴于CFRP 层合板背面四端，栅区长度均为10 mm，中心波长及粘贴位置见表1 所列。FBG解调仪型号为si155（Micron Optics公司），扫描频率为5 kHz，具有4 个光通道，每个光通道连接1 支FBG 传感器，能够以5 kHz采样频率同时采集4 支FBG传感器中心波长的漂移量。计算机为Intel（R）Core（TM）i7-8700 CPU@3.20 GHz处理器和16.00 GB内存，Windows 1064 位操作系统。

表1 4 支FBG传感器中心波长及粘贴坐标位置

2.3 低速冲击装置

为降低二次或多次冲击干扰，保证冲击过程中仅为一次冲击，自主研制一套低速冲击装置模拟低速冲击，采用直径为φ15 mm，质量为13 g的钢球作为冲击头，将其与直径为φ3 mm、有效长度为200 mm、质量为17 g的细长钢杆螺纹连接。采用3 个滑块控制低速冲击位置，滑块通孔与细长钢杆配合，使冲击头垂直运动。在滑块通孔两端对称安装一对直线轴承以消除细长钢杆与通孔内壁之间的摩擦，使冲击头的垂直运动可近似认为是自由落体运动。

通过在细长钢杆有效长度内调节冲击头高度可产生具有不同冲击能量或冲击速度的冲击。该低速冲击装置的最大冲击高度为200 mm，即该低速冲击装置所产生冲击能量范围为0 ～58.8 mJ，冲击速度范围为0 ～1.9799 m/s。

2.4 模拟海洋环境干扰系统

模拟海洋环境干扰系统由激振器、功率放大器、数据采集分析系统和计算机组成。激振器型号为DH40500，该激振器工作频率范围5 ～4000 Hz，工作电流较小，通过顶杆与复合板试件相连来模拟海洋环境干扰。功率放大器选用型号为DH5874，最大输出功率500 VA，用来驱动激振器。数据采集分析系统选用型号为DH5902N 坚固型，通过网络与计算机相连，实现数据实时采集、传输、存储、显示与分析。搭建的模拟海洋环境干扰下复合板低速冲击定位实验系统实物如图4 所示。

图4 模拟海洋环境干扰下复合板低速冲击定位实验系统实物图

3 实验系统测试

本实验采用正弦定频激励来模拟海洋环境干扰，通过将钢球在不同高度的位置下落，实现对复合板不同能量的冲击。钢球下落后，与复合板监测区域接触点的坐标即代表低速冲击位置。通过FBG 传感系统分别对干扰信号和干扰下冲击信号进行收集。

3.1 模拟海洋环境干扰信号收集

实验采用幅值为1 V、频率为10 Hz的正弦波来模拟海洋环境干扰，4 支FBG 传感器均以5 kHz采样频率同时采集激振器产生的干扰信号，采样时间为3 s，即每支FBG传感器所采集冲击响应信号总长度均为15000。如图5 所示为4 支传感器采集的干扰信号及其频谱。由图可知，FBG 传感系统可以较为准确地测出干扰信号。

图5 4支传感器采集的干扰信号及其频谱对比

3.2 模拟海洋环境干扰下冲击信号收集

在相同环境干扰下，对复合板进行冲击，采集冲击响应信号。为保证低速冲击过程完整性，与采集干扰信号相同，4 支FBG 传感器以5 kHz采样频率同时采集冲击产生的响应信号，采样时间为3 s，每支FBG传感器所采集冲击响应信号总长度均为15000。低速冲击装置的冲击高度分别设置为50、100、150 和200 mm。环境干扰设置与3.1 相同。如图6 所示为模拟海洋环境干扰下FBG1 传感器所采集不同高度冲击响应信号及频谱。由图可知，随着下落高度的增加，冲击信号逐渐增强，FBG 传感器的波长漂移也随之增大，收集的信号较为理想，验证了该系统具有良好的信号收集功能。

图6 模拟海洋环境干扰下FBG1传感器所采集不同高度冲击响应信号及其频谱对比

4 结语

本文搭建了模拟海洋环境干扰下复合板低速冲击定位实验系统并进行了信号收集测试。结果表明：干扰激励源可稳定地向复合板输出正弦信号来模拟海洋环境；低速冲击装置设计合理可靠，可获取不同能量的冲击信号；FBG 传感系统布局均匀，可实现对干扰信号和冲击信号的实时监测。该实验系统可用于收集冲击定位测试样本，但后续低速冲击位置精确定位的实现，还需对收集的信号进一步优化处理。