用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器及应用制造技术

本发明专利技术涉及一种用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器及应用，主要包括：传感器密封盖、传感器壳体、传感器内部结构。其中外部壳体由一整块的铝合金加工而成，内部由铍青铜铰链结构、光纤光栅、铍青铜质量块等构成。传感器密封盖四周设有密封凹槽和密封条，侧面装有光纤防水航插接头。这使得传感器具备了抗干扰、耐湿热、不易变形的特性，可用于特别恶劣的使用环境中。该传感器可以动态测量船体因横摇、纵摇所产生的姿态角，消除温度对光纤光栅的影响，同时因其结构紧凑，适用于舰船结构安全监测中。

Fiber Bragg Grating Sensor for Measuring Ship Roll and Pitch Motion and Its Application

The present invention relates to a fiber Bragg grating sensor for measuring roll and pitch motion of ship hull and its application, mainly including a sensor sealing cover, a sensor shell and the internal structure of the sensor. The outer shell is made of a whole piece of aluminium alloy, and the inner shell is composed of beryllium bronze hinge structure, fiber grating and beryllium bronze mass block. The sensor seal cover is surrounded by a sealing groove and a sealing strip, and an optical fiber waterproof air socket joint is installed on the side. This makes the sensor have the characteristics of anti-interference, heat and humidity resistance, not easy to deform, and can be used in particularly harsh environment. The sensor can dynamically measure the attitude angle of ship hull caused by rolling and pitching, and eliminate the influence of temperature on FBG. At the same time, because of its compact structure, it is suitable for ship structure safety monitoring.

【技术实现步骤摘要】
用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器及应用
本专利技术属于光纤光栅传感器
，特别是涉及一种动态测量船体横摇、纵摇运动的光纤光栅姿态角传感器及应用。
技术介绍
在交通运输工具中，船舶具有装载量大，费用低等优点，然而船体在海面上经常会受到风、浪、流的影响，进而会发生周期性横摇、纵摇和艏摇的运动。船舶也会因这些运动而产生同等功率下失速、严重损伤船体结构和船员晕船等不利后果。因此，如果能及时监测到船体的这些运动，势必会增强船舶抗灾害能力，提高整体的安全性能。光纤光栅做为光纤传感器的重要组成部分，具有良好的抗电磁干扰能力和电绝缘性。光纤的波长值不受光源功率的波动影响，多个不同波长的光栅也可串接在同一根光纤上。光纤本身耐化学腐蚀，物理性能稳定，同时体积微小可塑，因此光纤传感器适宜于在海洋船舶这样恶劣环境中使用。舰船通常处于多潮湿、多振动和存在腐蚀性物质的恶劣的环境中，这加大了对电子设备装置性能的要求，传统的民用、商用装置已经不能满足要求。本新型光纤光栅传感器克服现有技术不足，实现船体姿态角变化的动态监测，从而为船上的决策者提供真实可靠的数据，延长船舶的使用寿命，并减缓船员因船体波动造成的身体不适。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种适用于海洋船舶横摇与纵摇运动测量的传感器，从而实现在恶劣环境下船体姿态角变化的动态监测。本专利技术解决上述技术问题，通过采取以下技术方案实现：一种用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器，其特征在于它主要包括：传感器密封盖1、传感器壳体9、传感器内部结构；其中传感器密封盖的四周设有密封凹槽12，并在密封凹槽中嵌套安装密封条，在传感器密封盖设有带螺纹密封盖固定孔13，通过固定螺丝2与传感器壳体9进行密封，传感器壳体9的侧面设有航插接口4和四个航插固定孔11，通过螺丝来固定光纤防水航插3，传感器壳体9和传感器内部结构之间通过铍青铜铰链结构10上的通孔和固定螺丝2固定。传感器内部结构包括铍青铜铰链结构10、光纤光栅5、铍青铜质量块6；其中铍青铜铰链结构10和铍青铜质量块6为一体成型结构，且铍青铜铰链结构10为差分对称结构，光纤光栅5通过环氧树脂胶7粘贴附着在铍青铜质量块6和铍青铜铰链结构10的两侧，内部的光纤光栅5和外部的光纤防水航插3通过左侧的光纤尾纤8连接，右侧的光纤尾纤8用防水胶布固定在铍青铜铰链结构10上。用解调仪实时显示的光纤光栅中心波长的变化来代表船体的姿态角度的变化，当船体因横摇、纵摇所处姿态角不断发生变化时，船体姿态角与光纤光栅中心波长的变化基本呈现正弦函数的关系，通过解调仪端的补偿算法，最终获得光纤中心波长与船舶横摇与纵摇运动所产生姿态角变化之间的关系。本专利技术所述的用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器，其外部传感器壳体是由一整块的铝合金经过切割、打磨、氧化等步骤加工而成，未经过拼接焊接的过程。所述的传感器侧面设有航插接口和四个直径为3mm的航插固定孔，用来固定光纤防水航插，以提升传感器的抗腐蚀能力，延长传感器的使用寿命。所述的传感器密封盖内部四周设有密封凹槽，并在密封凹槽中嵌套安装密封条，用来保证了传感器的密封性能和抗干扰性能。传感器内部结构包括铍青铜铰链结构、光纤光栅、铍青铜质量块三个部分。其中铍青铜铰链结构为差分对称铰链结构，差分结构的使用可以大大增强传感器的灵敏度，提升传感器测量船体横摇与纵摇运动的范围。铍青铜铰链结构和铍青铜质量块为一体成型结构，对比固定结构可以避免长期使用带来的损耗和维修问题。传感器内部主体使用铍青铜材料，具有强度高、弹性极限高、耐腐蚀性和耐疲劳性等优点，适于用在船体传感器上。光纤光栅为敏感元件，配合铍青铜铰链结构和铍青铜质量块，可以动态测量船体因横摇、纵摇所产生的姿态角。裸露的光纤光栅和尾纤处套接聚四氟乙烯材质的连接管，起到防水的作用同时，能减缓传感器在船体上长期对光纤造成的损伤。本专利技术进一步公开了用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器的使用方法，其特征在于：（1）首先将光纤防水航插尾部的接头与解调仪相连接，再用网线连接解调仪与计算机之间，解调软件自带的补偿算法可以动态监测到传感器内部光纤光栅的中心波长；（2）当船体因横摇、纵摇所产生的姿态角时，由于受到重力因素的影响，传感器内部结构中的铍青铜质量块6对铍青铜铰链结构10所产生的作用力发生变化，固定在左右两侧的光纤光栅5分别受到拉力和压力的作用而产生形变，从而导致光纤光栅的中心波长发生变化；（3）用解调仪实时显示的光纤光栅中心波长的变化来代表船体的姿态角度的变化，当船体因横摇、纵摇所处姿态角不断发生变化时，船体姿态角与光纤光栅中心波长的变化基本呈现正弦函数的关系，通过解调仪端的补偿算法，最终获得光纤中心波长与船舶横摇与纵摇运动所产生姿态角变化之间的关系。本专利技术更进一步公开了用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器使用方法在用于船体姿态角变化的动态监测方面的应用。实验结果显示：当船体因横摇、纵摇所处姿态角不断发生变化时，该传感器的测量范围为-90°~90°，船体姿态角与光纤光栅中心波长的变化基本呈现正弦函数的关系，曲线的拟合度经过计算可以达到99.93%。本专利技术主要解决了如何动态监测船体因横摇、纵摇运动所产生的姿态角，重点考察了传感器在特别恶劣的使用环境中，如何具有良好的密封性能和抗干扰性能，主要的难点在于使用机械补偿法消除温度对船体横摇与纵摇运动测量的影响。本专利技术公开的用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器与现有技术相比所具有的积极效果在于：（1）该传感器可以动态监测船体因横摇、纵摇运动所产生的姿态角；（2）该传感器一旦封装完成，光纤光栅中心波长的变化量将不受温度影响；（3）该传感器具备了抗干扰、耐湿热、不易变形的特性，可用于特别恶劣的使用环境中。附图说明图1为本专利技术传感器的内部结构示意图；图2为本专利技术传感器的侧面示意图；图3为本专利技术传感器密封盖内部示意图；图4为本专利技术传感器所处姿态角与光纤光栅中心波长变化图；图中各标号：1传感器密封盖，2固定螺丝，3光纤防水航插，4航插接口，5光纤光栅，6铍青铜质量块，7环氧树脂胶，8光纤尾纤，9传感器壳体10铍青铜铰链结构，11航插固定孔，12密封凹槽，13密封盖固定孔。具体实施方式下面通过具体的实施方案叙述本专利技术。除非特别说明，本专利技术中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本专利技术的范围，本专利技术的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本专利技术实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本专利技术的保护范围。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细的说明。实施例1用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器，其特征在于它主要包括：传感器密封盖1、传感器壳体9、传感器内部结构；其中传感器密封盖的四周设有密封凹槽12，并在密封凹槽中嵌套安装密封条，在传感器密封盖设有带螺纹密封盖固定孔13，通过固定螺丝2与传感器壳体9进行密封，传感器壳体9的侧面设有航插接口4和四个航插固定孔11，通过螺丝来固定光纤防水航插3，传感器壳体9和传感器内部结构之间通过铍青铜铰链结构10上的通孔和固定螺丝2固定。传感器内部结构包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器，其特征在于它主要包括：传感器密封盖（1）、传感器壳体（9）、传感器内部结构；其中传感器密封盖（1）的四周设有密封凹槽（12）并在密封凹槽中嵌套安装密封条，在传感器密封盖上设有带螺纹密封盖固定孔（13），通过固定螺丝（2）与传感器壳体（9）进行密封，传感器壳体的侧面设有航插接口（4）和四个航插固定孔（11），通过螺丝来固定光纤防水航插（3），传感器壳体和传感器内部结构之间通过铍青铜铰链结构（10）上的通孔和固定螺丝（2）固定；所述的传感器内部结构包括铍青铜铰链结构（10）、光纤光栅（5）、铍青铜质量块（6）；其中铍青铜铰链结构（10）和铍青铜质量块（6）为一体成型结构且铍青铜铰链结构为差分对称结构，光纤光栅（5）通过环氧树脂胶（7）粘贴附着在铍青铜质量块（6）和铍青铜铰链结构的两侧，内部的光纤光栅（5）和外部的光纤防水航插（3）通过左侧的光纤尾纤（8）连接，右侧的光纤尾纤用防水胶布固定在铍青铜铰链结构（10）上。

【技术特征摘要】
1.一种用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器，其特征在于它主要包括：传感器密封盖（1）、传感器壳体（9）、传感器内部结构；其中传感器密封盖（1）的四周设有密封凹槽（12）并在密封凹槽中嵌套安装密封条，在传感器密封盖上设有带螺纹密封盖固定孔（13），通过固定螺丝（2）与传感器壳体（9）进行密封，传感器壳体的侧面设有航插接口（4）和四个航插固定孔（11），通过螺丝来固定光纤防水航插（3），传感器壳体和传感器内部结构之间通过铍青铜铰链结构（10）上的通孔和固定螺丝（2）固定；所述的传感器内部结构包括铍青铜铰链结构（10）、光纤光栅（5）、铍青铜质量块（6）；其中铍青铜铰链结构（10）和铍青铜质量块（6）为一体成型结构且铍青铜铰链结构为差分对称结构，光纤光栅（5）通过环氧树脂胶（7）粘贴附着在铍青铜质量块（6）和铍青铜铰链结构的两侧，内部的光纤光栅（5）和外部的光纤防水航插（3）通过左侧的光纤尾纤（8）连接，右侧的光纤尾纤用防水胶布固定在铍青铜铰链结构（10）上。2.根据权利要求1所述的用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的传感器内部结构中的光纤光栅（5）为敏感元件，配合铍青铜铰链结构（10）和铍青铜质量块（6），动态测量船体因横摇、纵摇所产生的姿态角。3.根据权利要求1所述的用于船体横摇与纵摇运动测量的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的传感器壳体（9）由一整块铝合金一次成型。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：王为，乔立波，李玉亮，刘传奇，杨靖平，
申请(专利权)人：天津师范大学，
类型：发明
国别省市：天津,12