船舶在航行過程中所處的環(huán)境十分復(fù)雜,為了獲取船舶自身與周邊環(huán)境的各種信息,使船舶能夠更安全、可靠航行,需要應(yīng)用船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。光纖材料在航空航天與土木結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)中已有一定的應(yīng)用,并且得到不錯(cuò)的反響,也顯現(xiàn)出質(zhì)量輕、監(jiān)測(cè)面廣、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。由此可見,光纖材料正是作為船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)很好的載體,通過光纖材料在船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)海況資料的收集、航線優(yōu)化、隱患排除、預(yù)測(cè)分析等一系列應(yīng)用。 

【文章來源】：艦船科學(xué)技術(shù). 2020,42(23)北大核心

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FBG傳感器與船體結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式Fig.1ThewayFBGsensorsareintegratedintothehullstructure

圖1FBG傳感器與船體結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式Fig.1ThewayFBGsensorsareintegratedintothehullstructure3FBG傳感器的工作機(jī)理如圖2所示，此處的信號(hào)均為光信號(hào)，當(dāng)寬帶光波作為信號(hào)通過光纖傳感器時(shí)，一部分光波信號(hào)透射，而只有另一部分某波長(zhǎng)的光被反射。當(dāng)外部的環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，會(huì)造成光柵波長(zhǎng)位移，可以通過建立傳感模型進(jìn)行研究。造成波長(zhǎng)位移的外界環(huán)境變量主要為應(yīng)力和溫度，所以，建立應(yīng)變和溫度傳感模型。圖2光信號(hào)在光纖材料中的傳感原理Fig.2Sensingprincipleofopticalsignalsinfibreopticmaterials3.1應(yīng)變傳感模型本文所建立的模型都是理想模型，規(guī)避掉一些物理量的復(fù)雜情況。模型中的光纖為理想彈性體，并且始終保持各向同性的特性，所受應(yīng)力為均勻的靜應(yīng)力。波長(zhǎng)位移與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系方程[20]為：λB=2neffΛ+2neffΛ。(1)λBΛneffneffΛ其中：為波長(zhǎng)的位移量；為應(yīng)力作用下光纖彈性變形光柵周期的變化量；為彈光效應(yīng)下有效折射率的變化量；為有效折射率；為光柵周期。根據(jù)方程（1），當(dāng)受到外界縱向或軸向應(yīng)力時(shí)，方程展開：λB=2[neffLL+neffaa]Λ+2neffΛLL。(2)LaΛLneffLneffa其中：為光纖縱向伸縮量；為纖芯半徑的變化量；為縱向彈性應(yīng)變效應(yīng)；為光纖的彈光效應(yīng)；為光纖芯徑變化產(chǎn)生的波導(dǎo)效應(yīng)。介電抗?jié)B張量和某一方向的折射率有以下關(guān)系：βij=1n2ij。(3)βij其中：為介電抗?jié)B張量；nij為某方向折射率。neff因?yàn)槭抢硐肽Ｐ�，所以此處的光纖具有各向同性的特征，各方向折射率也相同，即FBG的有效折射率為光

0.5×106/C10.85×106/C，當(dāng)入射波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，溫度靈敏系數(shù)為。所以，在理想狀態(tài)下FBG傳感器的波長(zhǎng)位移與溫度變化量成線性關(guān)系。3.3數(shù)據(jù)的采集和處理之后通過接入光纖解調(diào)器，采集光纖材料中的波長(zhǎng)位移，再連接計(jì)算機(jī)，將采集的信號(hào)可視化，達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，進(jìn)一步的將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)中，最終達(dá)到信息共享的目的。如圖3所示，此為現(xiàn)階段研究需要達(dá)到的效果。圖3船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖Fig.3Flowchartoftheshipmonitoringsystem4結(jié)語(yǔ)在研究過程中，也有許多問題還未得到很好的解決方案。當(dāng)復(fù)合夾芯板與船體結(jié)構(gòu)結(jié)合時(shí)，如何將其對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響降到最小？FBG傳感器在船體結(jié)構(gòu)中的布置有多種，如何選取出最優(yōu)的布置方案？以及船舶上的線路復(fù)雜，光纖傳輸這種有線傳輸勢(shì)必影響船舶中的線路規(guī)劃，但船舶中的電器元件繁多，無線電波傳輸也受到其限制，是否可以找出一種合理并且可行的傳輸方式也是需要探索的問題。當(dāng)問題逐一破解，船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就會(huì)逐步完善。光纖材料是發(fā)展比較成熟的傳感材料，是目前最適合也最有望應(yīng)用于船舶監(jiān)測(cè)中的智能傳感材料，主要能應(yīng)用的還是對(duì)船體結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)以及對(duì)海洋環(huán)境信息的采集，但隨著智能材料的發(fā)展和進(jìn)化，可以往更加智能的方向發(fā)展，不只是具有感知能力，甚至可以具有驅(qū)動(dòng)能力，當(dāng)面對(duì)外界的環(huán)境變化時(shí)，能達(dá)到自我調(diào)整，自我適應(yīng)的能力。如果將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到船舶領(lǐng)域中，可以使船舶更加整體化，無論是應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的變化還是船舶內(nèi)部的運(yùn)行，都是通過智能的思路解決。光纖材料，以及智能材料在船舶領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)：吳桂玲.幾種智能材料的應(yīng)用[J].廣州化工,2018,46(15):4

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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[3]PZT/聚合物基壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能研究[D]. 劉曉芳.武漢理工大學(xué) 2005
[4]光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)理論和應(yīng)用研究[D]. 梁磊.武漢理工大學(xué) 2005



本文編號(hào)：3500917