應(yīng)用于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的應(yīng)變傳感器技術(shù)研究

鄭慶新，汪雪良，趙曉宇，楊華偉，徐春，蔣鎮(zhèn)濤

應(yīng)用于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的應(yīng)變傳感器技術(shù)研究

鄭慶新1,2，汪雪良1,2，趙曉宇2，楊華偉1,2，徐春1,2，蔣鎮(zhèn)濤1,2

（1. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 511458；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082）

研制適用于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的應(yīng)變傳感器，并提出標(biāo)定方法。針對(duì)海洋環(huán)境特點(diǎn)，考慮傳感器封裝技術(shù)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元仿真計(jì)算，研制以彈性體和電阻應(yīng)變片為主要組成的應(yīng)變傳感器。設(shè)計(jì)傳感器專用標(biāo)定梁，并完成標(biāo)定流程的制定和數(shù)據(jù)處理方法的研究，開(kāi)展標(biāo)定試驗(yàn)，獲取傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)，得到傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)和非線性誤差。開(kāi)展傳感器的環(huán)境與可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)具有較高的一致性，系數(shù)最大為0.342，最小為0.335，偏差為2.05%，試驗(yàn)傳感器最大非線性誤差為1.3%，并通過(guò)了9項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)與2.56個(gè)循環(huán)（共1 980 h）的可靠性試驗(yàn)考核。提出的標(biāo)定方法適用，傳感器可承受海洋環(huán)境條件中溫度、濕度和鹽度的長(zhǎng)期作用，滿足實(shí)船監(jiān)測(cè)需求。

船海工程；結(jié)構(gòu)安全；應(yīng)變監(jiān)測(cè)；彈性體；標(biāo)定技術(shù)；環(huán)境與可靠性試驗(yàn)

船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)在自身內(nèi)力和風(fēng)、浪、流引起的周期性疲勞載荷作用下[1-3]，一些應(yīng)力集中、高低強(qiáng)度鋼交界、大開(kāi)口等關(guān)鍵部位容易產(chǎn)生裂紋或裂紋擴(kuò)展[4-6]，若得不到及時(shí)抑制，將威脅整體結(jié)構(gòu)安全[7]。另外，在船舶全海域大型化的趨勢(shì)下，船舶航行中所遇到的極端波浪海況[8]需要引起重視，這對(duì)船舶總縱強(qiáng)度提出了更高的要求[9-11]。為保證人員和物品的安全，提高船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)的能力，結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)正在快速發(fā)展[12-14]。

在結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)中，應(yīng)變作為一個(gè)關(guān)系船舶總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度非常重要的物理量，是不得不監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)。電阻應(yīng)變片因其精度高、測(cè)量范圍廣、線性度好、品種多樣化和價(jià)格便宜等特點(diǎn)，在應(yīng)變測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[15-18]。但直接將電阻應(yīng)變片應(yīng)用于實(shí)船環(huán)境下的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)時(shí)，施工環(huán)境條件和操作工藝無(wú)法得到很好的保證，尤其在長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中，受到海洋環(huán)境條件中溫度、濕度和鹽度的長(zhǎng)期作用，應(yīng)變片片基容易老化，性能發(fā)生蠕變，甚至失效，以致傳感器的長(zhǎng)期可靠性無(wú)法得到保證[19]。

針對(duì)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變長(zhǎng)期可靠性監(jiān)測(cè)，文中設(shè)計(jì)了一種彈性體，結(jié)合電阻式應(yīng)變片完成了適用于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的應(yīng)變傳感器研制，并針對(duì)應(yīng)變傳感器開(kāi)展了標(biāo)定方法、標(biāo)定試驗(yàn)研究及環(huán)境與可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 應(yīng)變傳感器研制

1.1 彈性體設(shè)計(jì)

當(dāng)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)受力發(fā)生微小變形時(shí)，彈性體敏感區(qū)域應(yīng)同步發(fā)生變形?？紤]到±2 000 με應(yīng)變量程和海洋環(huán)境條件要求，彈性體選用經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的不銹鋼。為充分利用惠斯通電橋的和差特性，提高電橋的靈敏度，在彈性體內(nèi)部合適位置開(kāi)圓形槽與方形槽，并合理減小應(yīng)變片粘貼位置（①—④）的壁厚，使得彈性體①—④位置的拉壓特性與惠斯通電橋的和差特性相對(duì)應(yīng)。設(shè)計(jì)完成的彈性體包含敏感區(qū)域和安裝區(qū)域，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彈性體結(jié)構(gòu)

1.2 仿真計(jì)算

為獲得彈性體在拉壓載荷下敏感區(qū)域的應(yīng)變響應(yīng)特性，基于NX Nastran[20]進(jìn)行彈性體有限元仿真，參照彈性體實(shí)際安裝狀態(tài)施加邊界條件和載荷，受力分析的應(yīng)力云圖如圖2所示。根據(jù)彈性體受力分析結(jié)果可知，當(dāng)對(duì)彈性體兩端施加拉伸載荷時(shí)，彈性體敏感區(qū)域①和④處于拉伸狀態(tài)，敏感區(qū)域②和③處于壓縮狀態(tài)；當(dāng)對(duì)彈性體兩端施加壓縮載荷時(shí)，彈性體敏感區(qū)域①和④處于壓縮狀態(tài)，敏感區(qū)域②和③處于拉伸狀態(tài)。

圖2 彈性體有限元仿真計(jì)算云圖

經(jīng)過(guò)多組彈性體仿真計(jì)算，不同載荷下彈性體兩端相對(duì)位移及各敏感區(qū)域的應(yīng)力水平如圖3所示。從曲線可直觀看出所設(shè)計(jì)的彈性體敏感區(qū)域各測(cè)點(diǎn)具有較好的線性響應(yīng)。

圖3 彈性體仿真計(jì)算結(jié)果

1.3 組橋處理

為提高彈性體的應(yīng)變輸出靈敏度，并消除由溫度變化引起的測(cè)量誤差[21]，采用4個(gè)標(biāo)稱阻值為350 Ω的電阻應(yīng)變片粘貼在彈性體敏感區(qū)域的相應(yīng)位置上，組成等臂全橋?？紤]到彈性體在受到拉伸載荷時(shí)輸出應(yīng)變值應(yīng)該為正值，根據(jù)電橋的和差特性，①和④為相對(duì)橋臂，②和③為相對(duì)橋臂，具體橋路連接方式如圖4所示，橋路輸出電壓見(jiàn)式（1）。

圖4 橋路接線圖

式中：為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；i為激勵(lì)電壓；o為輸出電壓；為傳感器各貼片位置的輸出應(yīng)變值。

1.4 傳感器封裝

考慮到海洋環(huán)境條件中溫度、濕度和鹽度的長(zhǎng)期作用，需要對(duì)彈性體進(jìn)行封裝，封裝后的傳感器通過(guò)基座安裝在船體上，具體封裝步驟為：在彈性體上按位置要求粘貼好電阻應(yīng)變片后，采用固化烘烤工藝進(jìn)行烘烤；組橋處理；使彈性體內(nèi)部充滿硅橡膠，且采用橡膠墊進(jìn)一步密封；引出電纜，并安裝傳感器盒蓋。

2 應(yīng)變傳感器標(biāo)定方法研究

對(duì)傳感器作出封裝處理后，傳感器輸出的應(yīng)變值并不是測(cè)點(diǎn)處的實(shí)際應(yīng)變值，需要對(duì)應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定的目的是獲取傳感器輸出應(yīng)變與測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的轉(zhuǎn)換系數(shù)和傳感器非線性誤差，以便傳感器可以投入實(shí)船應(yīng)用。

2.1 標(biāo)定梁設(shè)計(jì)

為獲取傳感器輸出應(yīng)變與測(cè)點(diǎn)應(yīng)變，需設(shè)計(jì)一標(biāo)定梁作為力加載對(duì)象，傳感器安裝于標(biāo)定梁上（前后均有基座可安裝傳感器），另在梁上粘貼參考應(yīng)變片，作為測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值來(lái)源。為滿足船體鋼變形測(cè)量需求，應(yīng)變傳感器對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變應(yīng)滿足±2 000 με量程范圍，考慮1.5倍安全系數(shù)，標(biāo)定梁材料選用高強(qiáng)度不銹鋼。采用工字形作為標(biāo)定梁截面形狀，設(shè)計(jì)加工完成的標(biāo)定梁長(zhǎng)740 mm，梁截面尺寸和外形如圖5和圖6所示。

圖5 標(biāo)定梁截面尺寸

圖6 標(biāo)定梁外形

2.2 標(biāo)定梁應(yīng)變片布置

根據(jù)理論計(jì)算，標(biāo)定梁相同截面段各位置的軸向應(yīng)變值應(yīng)相同，在標(biāo)定梁表面粘貼1個(gè)參考應(yīng)變片，即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)定梁加載應(yīng)變輸出值的測(cè)量。但由于標(biāo)定梁加工、應(yīng)變片粘貼等工藝處理均存在由加工設(shè)備和人為因素導(dǎo)致的不可消除的系統(tǒng)誤差，因此在標(biāo)定梁中段位置粘貼10個(gè)應(yīng)變片，在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí)，分別計(jì)算10組標(biāo)定參數(shù)，進(jìn)行均值化處理。標(biāo)定梁應(yīng)變片布置（S1—S10）如圖7所示。

2.3 標(biāo)定梁拉壓載荷計(jì)算及標(biāo)定流程

在加載標(biāo)定梁時(shí)，為達(dá)到應(yīng)變傳感器的滿量程測(cè)試，標(biāo)定梁測(cè)點(diǎn)應(yīng)變輸出至少達(dá)到±2 000 με。根據(jù)式（2）可知，對(duì)標(biāo)定梁兩端施加的載荷應(yīng)超過(guò)±140 080 N。

式中：為材料彈性模量；為標(biāo)定梁貼片處原始截面積；為標(biāo)定梁軸向應(yīng)變。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，并考慮梁裝載過(guò)程中的初始應(yīng)力及梁前后位置存在應(yīng)變差異的誤差影響，確定如下的應(yīng)變傳感器標(biāo)定原則：先進(jìn)行預(yù)加載，再進(jìn)行正式加載，同時(shí)考慮前后傳感器的位置交換（加載速度為4 kN/s，每級(jí)載荷保載20 s），如圖8所示。

圖7 標(biāo)定梁應(yīng)變片布置

圖8 應(yīng)變傳感器標(biāo)定流程

2.4 標(biāo)定數(shù)據(jù)數(shù)理方法

根據(jù)應(yīng)變傳感器標(biāo)定流程可知，每次正式加載會(huì)有17次保載階段。在保載階段，各應(yīng)變片與傳感器測(cè)量值應(yīng)趨于小波動(dòng)下的平穩(wěn)，使用各測(cè)點(diǎn)保載階段的輸出均值進(jìn)行傳感器標(biāo)定參數(shù)計(jì)算具有比較高的可信度。因此，標(biāo)定數(shù)據(jù)處理主要包含以下幾個(gè)步驟：標(biāo)定數(shù)據(jù)保載階段數(shù)據(jù)提??；各測(cè)點(diǎn)保載階段均值計(jì)算；計(jì)算傳感器與各應(yīng)變片的線性系數(shù)，并作均值化計(jì)算，得到傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)；傳感器非線性誤差計(jì)算。

經(jīng)過(guò)第二個(gè)步驟，得各應(yīng)變片的測(cè)量值為X（為1～10），單個(gè)傳感器的測(cè)量值為，假設(shè)X= kY+b+ε，則可將傳感器與各應(yīng)變片線性系數(shù)k和偏移量b的求解轉(zhuǎn)化為非線性最優(yōu)化問(wèn)題的求解[22-23]，目標(biāo)函數(shù)如式（3）所示。

求解出k（為1～10）后，取傳感器與各應(yīng)變片線性系數(shù)k的均值作為傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)，即：

將傳感器原始測(cè)量值與擬合直線X=kY+b的最大線性偏差作為傳感器輸出的非線性誤差fi，即

式中：為擬合直線與應(yīng)變片測(cè)量值最大偏差的絕對(duì)值；為應(yīng)變片測(cè)量值絕對(duì)值的最大值。

3 應(yīng)變傳感器標(biāo)定試驗(yàn)

3.1 傳感器標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

傳感器標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括力加載設(shè)備、標(biāo)定梁裝置和數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。力加載設(shè)備采用walter+ bai LFV 500 HH疲勞試驗(yàn)機(jī)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用DE- WESoft SIRIUS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，搭建完成的傳感器標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 傳感器標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)

3.2 傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)處理

按照2.3節(jié)標(biāo)定流程，對(duì)編號(hào)為Sensor1—Sensor8共8個(gè)應(yīng)變傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，并按照2.4節(jié)標(biāo)定數(shù)據(jù)處理方法對(duì)8個(gè)應(yīng)變傳感器對(duì)應(yīng)的8組標(biāo)定數(shù)據(jù)組（見(jiàn)表1）對(duì)應(yīng)的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行保載階段數(shù)據(jù)提取、保載階段均值計(jì)算和標(biāo)定參數(shù)計(jì)算等數(shù)據(jù)處理。

通過(guò)對(duì)各數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取處理，得到各組傳感器對(duì)應(yīng)的正式加載響應(yīng)曲線，以第一組為代表，如圖10所示。

圖10 各組傳感器對(duì)應(yīng)的正式加載響應(yīng)曲線

計(jì)算8組保載階段測(cè)點(diǎn)響應(yīng)均值數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算得到的各傳感器與各參考應(yīng)變片的線性系數(shù)、各傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)和非線性誤差最大值，見(jiàn)表2。

從表2中可知，各傳感器與各參考應(yīng)變片的線性系數(shù)均值最大為0.342，最小為0.335，系數(shù)均值最大偏差為2.05%，各傳感器的最大非線性誤差為1.3%。

表1 傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)組

Tab.1 Calibration data group of sensors

表2 傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)和非線性誤差計(jì)算結(jié)果

Tab.2 Conversion coefficients and non-linear error calculation results of sensors

4 環(huán)境與可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證傳感器在海洋環(huán)境下的適用性，在中國(guó)船舶工業(yè)電工電子設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)檢測(cè)中心，依據(jù)《環(huán)境試驗(yàn)大綱》與《可靠性考核試驗(yàn)大綱》開(kāi)展了環(huán)境與可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，受試傳感器共20套，如圖11所示。環(huán)境與可靠性試驗(yàn)工況參數(shù)見(jiàn)表3，在2.56個(gè)可靠性循環(huán)中（包含1個(gè)24 h冷循環(huán)，1.56個(gè)48 h熱循環(huán)），單套受試傳感器累計(jì)有效試驗(yàn)時(shí)間為99 h，所有受試傳感器累計(jì)有效試驗(yàn)時(shí)間為1 980 h。

圖11 傳感器環(huán)境與可靠性試驗(yàn)

環(huán)境與可靠性試驗(yàn)期間，傳感器功能正常，責(zé)任故障數(shù)=0。試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，可承受海洋環(huán)境的長(zhǎng)期作用。

表3 環(huán)境與可靠性試驗(yàn)工況參數(shù)

Tab.3 Duty parameters of environmental and reliability test

5 結(jié)論

文中針對(duì)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量需求，研制了適用于海洋環(huán)境的應(yīng)變傳感器，并針對(duì)所研制的傳感器開(kāi)展了標(biāo)定方法研究。通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)，得到了多組傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)，結(jié)論如下：

1）該應(yīng)變傳感器利用了惠斯通電橋的和差特性，消除了溫度變化引起的測(cè)量誤差影響，并增加了傳感器的輸出靈敏度。

2）采用的傳感器標(biāo)定方法將標(biāo)定梁加工、應(yīng)變片粘貼等系統(tǒng)誤差影響降到最小，通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)所得到的各傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)具有較高的一致性，傳感器最大非線性誤差為1.3%。

3）通過(guò)環(huán)境適應(yīng)性和可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，表明傳感器可承受海洋環(huán)境條件中溫度、濕度和鹽度的長(zhǎng)期作用，滿足實(shí)船監(jiān)測(cè)需求。

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Research on Strain Sensor Technology Applied in Structural Safety Monitoring of Ships and Offshore Engineering

ZHENG Qing-xin1,2, WANG Xue-liang1,2, ZHAO Xiao-yu2, YANG Hua-wei1,2, XU Chun1,2, JIANG Zhen-tao1,2

(1. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory, Guangzhou 511458, China; 2. China Ship Science Research Center, Jiangsu Wuxi 214082, China)

The work aims to develop strain sensors suitable for safety monitoring of ships and marine engineering structures and propose calibration methods. In view of the characteristics of the marine environment, considering the sensor packaging technology, a strain sensor with elastomer and resistance strain gauges as the main components was developed through structural design and finite element simulation calculation. A special calibration beam for sensor was designed and the calibration process and data processing method research were completed. The calibration experiment was carried out to obtain the calibration data of the sensor as well as the conversion coefficient and nonlinear error of the sensor. Environmental and reliability test verification of sensors were carried out. The conversion coefficient of the sensor had a high consistency. The maximum value of the coefficient was 0.342. The minimum was 0.335. The deviation was 2.05%. The maximum nonlinear error of the test sensor was 1.3%. It has passed 9 environmental tests and 2.56 cycles of reliability assessment with a total of 1 980 hours. The calibration method presented is applicable. The sensor can withstand the long-term effects of temperature, humidity and salinity in marine environmental conditions and meet the monitoring needs of real ships.

marine engineering; structural safety; strain monitoring; elastomer; calibration technology; environment and reliability test

TH82

A

1672-9242(2023)01-0083-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.01.012

2021–12–25；

2021-12-25；；

2022–02–18

2022-02-18

南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州）人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)重大專項(xiàng)（GML2019ZD0502）；高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（工信部裝函[2019]357號(hào)）

Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou) (GML2019ZD0502); High-tech Ship Scientific Research Project (Ministry of Industry and Information Technology Cover letter [2019] No. 357)

鄭慶新（1992—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)、結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化技術(shù)。

ZHENG Qing-xin (1992-), Male, Master, Engineer, Research focus: structural safety monitoring and evaluation technology, structural reliability optimization technology.

鄭慶新, 汪雪良, 趙曉宇, 等. 應(yīng)用于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的應(yīng)變傳感器技術(shù)研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(1): 083-089.

ZHENG Qing-xin, WANG Xue-liang, ZHAO Xiao-yu, et al.Research on Strain Sensor Technology Applied in Structural Safety Monitoring of Ships and Offshore Engineering[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(1): 083-089.

責(zé)任編輯：劉世忠