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船体钢结构应力监测和预警系统

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船体钢结构应力监测和预警系统

  1.产品背景
  大型船舶由于其结构的固有特点,必然存在抗扭转与屈曲强度弱、所受切应力变化幅度大的状态。同时更大更长的船体结构,可能导致其船体固有频率更接近波浪遭遇频率,更容易受到波激振动和砰击颤振等环境因素的影响。在实际营运中,船舶在波浪中航行时受力情况变化无常,船体构件长期受到突变应力和交变应力的作用,船体强度不足和疲劳破坏等因素引起的事故时有发生,为了船舶航行安全,配备一套船体钢结构应力监测及预警系统是很必要的。
  2.方案内容
  本公司生产的光纤船体钢结构应力监测及预警系统会在船体结构中布设传感系统,赋予了船舶能够感知结构变化的信息体系,它能够对船上的重要结构、敏感部位及船体结构的动态参数进行监测。系统通过实时监测船体结构状态信息并实时记录相应海况信息资料,实现了对船舶结构安全、船舶振动性能的综合评估,并能够提供趋势预测及相应的预警/报警功能,可以为驾控人员提供及时的客观可靠的船体信息。增强大型船舶抵抗海洋环境中各种恶劣的风、浪、流等航行风险的能力,从而提高大型船舶在大风浪等恶劣环境中的航行安全性。同时对监测数据进行长期积累,可形成专家数据库,能够为船体维修工作提供关键数据,有助于船舶的全寿命周期保障服务。
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图1:船体钢结构应力监测和预警系统示意图
  3.解决问题
  舰船结构破坏往往始于结构应力集中处及活性缺陷位置,如何及时准确地预报和监测这些高危区域的结构破坏已成为现代先进测试技术的发展重点和方向。随着现代船舶的发展,船舶建造吨位越来越大,船舶结构也日趋复杂,传统测试技术已不能满足未来船舶结构安全测试的要求,此外更是出现了越来越多传统测试技术无法解决的安全检验和测试问题。尤其在对船体结构进行实时、全过程安全监测时,常规的电传感器易受电磁环境干扰、易被腐蚀,海洋环境中长期稳定性差,无法满足长期稳定监测的要求。
  因此,亟待寻找性能更为优越的新型传感器件。光纤传感传感器是一种新型的光学传感器件,具有抗电磁干扰,耐腐蚀,长期稳定性好和易于实现大型分布式测量的优势,是船舶结构健康监测理想的传感器件。
  4.比较优势
  光纤传感器由纯石英光纤盒高等不锈钢或其他金属或非金属材料制成,无需电源驱动,结构简单,特别适用于船舶、化工等高危严苛的场合。与传统传感器相比较,具有许多天然的优势。详细对比如表1所示。
表1:详细对比图

比较内容

光纤传感器

传统电子传感器

无源元件

无需用电,无需导线连接,测量与数据传输仅通过光纤连接即可

有源器件,需要电源供电,必须通过导线连接实现测量和数据传输

是否绝缘元件

敏感元件光纤为纯石英,属于高绝缘等级材料

敏感元件由导体或半导体制成,半导体已被击穿

本质是否安全

纯石英元件,无源、防燃、防爆

有源元件,通过电路设计实现“本质安全”,存在燃爆隐患

电磁、电离辐射

无源元件,不产生电磁辐射和电离辐射,不受电磁辐射和电离辐射射频干扰。

有源无件,会产生电磁和电离辐射, 易受电磁和电离辐射干扰。

酸碱腐蚀

光纤化学性能稳定,耐各类化学腐蚀。

有源元件化学耐受性差。

环境耐受性

无源元件耐高温、高热、高湿、高压等恶劣环境。

有源元件环境耐受性差。

使用寿命

敏感元件为无源光纤,使用寿命20年以上,无蠕变,无零漂,性能稳定,无需校正。

有源元件,受半导体材料特性限制, 使用年限短,需定期校正。

测量精度

光纤光栅为pm级精密光学器件,精度可达千分之一,分辨率可达万分之一。

有源元件,受半导体材料性能局限, 且易受电磁干扰,精度、分辨率难以提高,进口高精度传感器价格极高。

传输距离

光纤光栅传感器数据采集和传输利用激光波长调制实现, 距离超过40km。

有源元件易受干扰,传输距离700m左右。

连接方式

串联连接,一根光纤上最多可连40个传感器;直径19mm的200芯带铠光缆,可接2000~8000只传感器;环网冗余,稳定可靠。

传统电子传感器点对点屏蔽线连接, 线缆极多;新型总线型传感器可实现多个传感器串联,连接距离短,总线协议多,内部结构复杂,价格高,可靠性受限。

安装成本

线缆总量减少70%-90%,走线空间极小,舱壁开孔减少;光缆不发热、无干扰、可堆叠,走线几乎不受限制; 省人工;光缆价格极低,200芯带铠光缆仅几十元。

电子传感器连接信号屏蔽线,长距离平行走线易干扰,需与动力电缆、变频电缆保持很大间距,占用空间,限制多;安装人工成本高;线缆价格昂贵。

维护成本

光纤光栅传感器无需经常校正;光纤用熔接法连接、加长、更换,性能不受影响,简易快捷。

电子传感器需定期校正;电线维修连接需用接线盒,降低可靠性,无法整根更换。

产品重量

传感器核心部件为一根10毫米长石英光纤,无任何电气元件,外部封装形式多种多样;体积极小,重量轻。100芯光缆直径约 10mm,重量为65KG/KM;可大量布置。

传感器核心部件为半导体+线路板等器件,脆弱需坚固的厚重外部封装。2*1.5mm 信 号屏蔽电缆直径约 10mm,重量为 131KG/KM。100 芯光缆至少可取代 1000 根信号屏蔽电缆,重量比为:1/2000;大量布置代价太大。

 

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