祁耀斌，何進(jìn)飛，梁磊

（武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430070）

21世紀(jì)的重大海洋工程如遠(yuǎn)距離洋面高速公路、大型深水港口碼頭、遠(yuǎn)海石油開發(fā)工程、海面大型機(jī)場、300 m以下深水建筑等的結(jié)構(gòu)建筑與施工等，離不開大型海上浮吊的技術(shù)支撐[1]。吊臂桁架結(jié)構(gòu)是大型海上浮吊的核心結(jié)構(gòu)，直接關(guān)系到大型海上浮吊的可靠性安全運(yùn)行。根據(jù)大型海上浮吊所處的海況環(huán)境、工作狀況、結(jié)構(gòu)形式，其吊臂桁架運(yùn)行存在3方面不確定性：一是外部環(huán)境荷載（如颶風(fēng)、浪涌載荷、海上地震等）的不確定性；二是結(jié)構(gòu)本體（如構(gòu)件材料性能、截面幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力以及復(fù)雜環(huán)境對結(jié)構(gòu)影響而引起的結(jié)構(gòu)性能退化）的不確定性；三是結(jié)構(gòu)整體分析中因模型簡化和假設(shè)而產(chǎn)生的潛在不確定性[2?3]。大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)工況復(fù)雜，多場耦合干擾強(qiáng)烈，所受載荷表現(xiàn)為由時間、海況、氣象、作業(yè)海區(qū)和作業(yè)任務(wù)等引發(fā)的交變動載荷，加之吊臂桁架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)疲勞特性，其故障特征和失效機(jī)理表現(xiàn)為長期性疲勞破壞[4?5]。因此，為保障大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)的長期安全健康運(yùn)行，必須研發(fā)大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)在線實(shí)時動態(tài)健康檢測技術(shù)。光纖光柵為大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和安全評估，提供了一種完全實(shí)時的、全面在線的長期監(jiān)測方法[6?8]。大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)材料為Q345B，其屈服強(qiáng)度σs為345 MPa，其最大線彈性應(yīng)變ε為1 667με。因此，大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)光纖光柵應(yīng)變傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如精度應(yīng)為±2με，量程為±2 000με，信號頻率為20 Hz。

1 粘貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器的研制

結(jié)合金屬結(jié)構(gòu)表面、結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的應(yīng)變測量，開發(fā)出一種粘貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器。這種傳感器采用片狀形式，由光纖光柵、基底、基底膠和粘貼劑等4部分構(gòu)成，見圖1。將粘貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器粘貼于主體材料表面。作為傳感元件，粘貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器本體并未受到外力作用，結(jié)構(gòu)材料的變形通過粘接劑傳遞到傳感光柵，使其產(chǎn)生伸長或縮短，進(jìn)而導(dǎo)致可以測量的光波長發(fā)生改變。

圖1 粘貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Bonded fiber Bragg grating strain sensor structure

1.1 應(yīng)變光柵對正弦應(yīng)變波的響應(yīng)

因?yàn)閼?yīng)變光柵反映出來的應(yīng)變波是應(yīng)變片光柵全長度內(nèi)所感受應(yīng)變量的平均值，因此，應(yīng)變片反映的波幅將低于真實(shí)應(yīng)變波的振幅，從而帶來一定誤差。顯然，這種誤差將隨應(yīng)變片的基長的增長而增大。應(yīng)變波幅產(chǎn)生的測量誤差為：

式中：εp為應(yīng)變片所反映的應(yīng)變；ε0為真實(shí)應(yīng)變波的應(yīng)變；λ為應(yīng)變波波長；l0為應(yīng)變片基長。

式中：f為應(yīng)變片的可測頻率；v為應(yīng)變片的傳播速度；n為應(yīng)變波波長與應(yīng)變片基長之比。對于鋼材，v=5 km/s，如取n=20，則利用式（2）可算得不同基長應(yīng)變片的最高工作頻率。

應(yīng)該指出的是：以上討論的應(yīng)變片對動態(tài)特性的頻率響應(yīng)通常是取l0/λ=1/10～1/20的條件下得到的，只能滿足一般工程檢測精度的要求。當(dāng)對測量精度有更高要求時，基長 l0應(yīng)盡量小，這樣，才能滿足 l0/λ＜＜1，使誤差減小。

1.2 粘貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器的性能實(shí)驗(yàn)

1.2.1 疲勞測試

對于交變載荷環(huán)境下的結(jié)構(gòu)，光柵與封裝材料界面、封裝材料與結(jié)構(gòu)界面上的粘貼劑或焊料將產(chǎn)生疲勞損傷，輕者會妨礙應(yīng)變的傳遞，造成應(yīng)變測量失真；重者將使界面完全脫粘，傳感器失效。因此，必須研究光纖光柵應(yīng)變傳感器的疲勞可靠性。

本系統(tǒng)采用加速疲勞方法進(jìn)行疲勞測試，使用激振器作為加載裝置進(jìn)行加載和卸載。通過控制激振器的振幅來控制等強(qiáng)度梁形變量，由控制激振器的頻率和統(tǒng)計(jì)振動時間，計(jì)算疲勞次數(shù)，分別在不同時間進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖2。

圖2 疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results data of fatigue experiment

由圖2可知：波長最大漂移量低于1.7 nm。通過100 000次的疲勞測試后，傳感器完好無損。這說明上述傳感器用于長期應(yīng)變測量滿足疲勞性要求，而且具有非常好的重復(fù)性。

1.2.2 一致性和標(biāo)定

采用標(biāo)準(zhǔn)等強(qiáng)度梁作實(shí)驗(yàn)裝置，對上述傳感器進(jìn)行一致性測試和標(biāo)定。通過4次不同波長的光纖傳感器實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3可見：

（1）由光纖光柵傳感器與電阻應(yīng)變片測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合方程均呈明顯線性關(guān)系，其線性擬合度均達(dá)到0.99以上，表明其線性度優(yōu)良。

圖3 粘貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器應(yīng)變特性Fig.3 Stress character of bonding fiber bragg grating strain sensor

（2）光柵 1～4的擬合直線斜率分別為 1.060，1.050，1.040 和1.110 pm/（με），平均值為1.068 pm/（με），最大誤差為7.5%，說明4個光柵應(yīng)變傳感器的一致性較好，設(shè)計(jì)和封裝合理。

1.2.3 粘貼式光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器溫度特性的實(shí)驗(yàn)

將粘貼在等強(qiáng)度梁上4個光纖光柵應(yīng)變傳感器連同等強(qiáng)度梁一起放入溫度試驗(yàn)箱（?40～150 ℃），使用光纖Bragg光柵解調(diào)儀記錄光柵波長。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：4個傳感器的溫度靈敏度系數(shù)為25.6，25.7，26.8和25.5 pm/℃，分別為裸光柵靈敏度系數(shù)9.35 pm/℃的2.738 0，2.748 7，2.866 3和2.727 3倍，具有較好的一致性，說明其封裝工藝有效。

1.2.4 粘貼式光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器動態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)

光纖光柵應(yīng)變傳感器的動態(tài)應(yīng)變測量實(shí)驗(yàn)是在等強(qiáng)度（彈性模量為205 GPa）條件下進(jìn)行的。由接觸式激振器對梁施加各種激振力，光纖光柵感應(yīng)的光信號通過光柵解調(diào)器轉(zhuǎn)換為電信號，加速度計(jì)感應(yīng)的加速度信號由電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號。

在正弦激振力作用下，光纖光柵應(yīng)變傳感器和加速度計(jì)對柔性梁應(yīng)變響應(yīng)的幅值譜見圖4。從圖4可見：二者在相同條件下的動態(tài)響應(yīng)特性具有很好的一致性；適用于大型海上浮吊臂架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，不僅具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，且可大大提高結(jié)構(gòu)損傷識別的精度。

等強(qiáng)度梁動態(tài)應(yīng)變在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：粘貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器具有與加速度傳感器一致的動態(tài)響應(yīng)特性，其最高工作頻率大于200 Hz，遠(yuǎn)超過了海浪頻率。說明所研制的粘貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器動態(tài)特性優(yōu)異，能夠滿足大型浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)動態(tài)檢測。

圖4 正弦激振力作用下FBG與加速度計(jì)的應(yīng)變時程曲線及應(yīng)變幅度譜Fig.4 Strain?time curve and of FBG and strain amplitude spectrum accelerometer on force of sinusoidal excitation of free vibration

2 大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)光纖光柵實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)施步驟

下面提出如圖5所示的大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)粘貼式光纖光柵分布式實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施方案。其建構(gòu)步驟如下。

圖5 大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)粘貼式光纖光柵分布式實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成Fig.5 Bonded FBG distributed real-time online monitoring system of large-scale offshore floating crane boom truss structure

Step 1 確定吊臂桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布。依據(jù)大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)以及大型海上浮吊的工程應(yīng)用要求，確定測點(diǎn)位置和測量分布方式，估計(jì)測點(diǎn)應(yīng)變范圍，推算大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變檢測點(diǎn)分布概況。

Step 2 確定測點(diǎn)光纖光柵中心波長?；诮】蛋踩L期在線監(jiān)測的要求，研制大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)粘貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器。根據(jù) step 1，確定與測點(diǎn)對應(yīng)的光纖光柵波長，并保證各測點(diǎn)波長分布具有一定的間隔（間隔值取決于各測點(diǎn)應(yīng)變的最大值和應(yīng)變屬性），避免光柵工作波長重疊。疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)光柵中心波長據(jù)見表1。

Step 3 確定傳感器結(jié)構(gòu)和安裝工藝。根據(jù)監(jiān)測要求和工程實(shí)際，選擇傳感器的結(jié)構(gòu)形式（貼片式或埋入式等）和安裝方式（粘貼或焊接等），確定滿足大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)粘貼式光纖光柵傳感器的布設(shè)工藝。

Step 4 確定光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)。依據(jù)對應(yīng)測點(diǎn)最大應(yīng)變變化值的光纖光柵波長變化值和各點(diǎn)波長分布間隔，計(jì)算所有測點(diǎn)的波長變化值和間隔值的總和，確定所需光纖光柵解調(diào)器的波長解調(diào)范圍，并結(jié)合所需的測量精度，開發(fā)相應(yīng)的光纖光柵解調(diào)器。

Step 5結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的分析和評估。依據(jù)結(jié)構(gòu)上各測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)變值，進(jìn)行特定的程序運(yùn)算，確定結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)變分布狀態(tài)，并對極限狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警。

2.2 各測點(diǎn)對應(yīng)處的光纖光柵的波長的確定及分布

采用波分復(fù)用技術(shù)，可在1根光纖上同時串接多個中心波長不同的光纖光柵傳感器。將波長與測點(diǎn)位置對應(yīng)起來，實(shí)現(xiàn)分布式測量[1]。

對于大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試，由于其峰值應(yīng)力均小于200 MPa，推算出其測點(diǎn)應(yīng)變范圍為±1 000 με（相當(dāng)于±1 nm），溫度變化范圍為?20～80℃（相當(dāng)于?0.2～0.8 nm）。經(jīng)綜合考慮，各光柵間的中心波長間隔應(yīng)該不小于2 nm。由于采用的光源光譜寬度為50 nm，故該測量通道最多可復(fù)用16個傳感器。解調(diào)器為四通道高速解調(diào)器，故測點(diǎn)分布數(shù)量為 64個，每路可串接16個傳感器。由以上分析，提出基于波分復(fù)用原理的傳感器布點(diǎn)與中心波長設(shè)計(jì)方案，見圖6。

表1 疲勞實(shí)驗(yàn)所得光柵波長Table 1 Wavelength of fatigue experiment μm

圖6 大型浮吊布點(diǎn)方案與中心波長設(shè)計(jì)Fig.6 Distribution program and center wavelength design of large-scale floating crane

3 大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)粘貼式光纖光柵傳感器溫度補(bǔ)償

大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)處于海洋復(fù)雜環(huán)境的影響，其溫度變化存在以下特點(diǎn)：（1）海上浮吊吊臂桁架屬于金屬結(jié)構(gòu)，易引起溫度補(bǔ)償跟蹤問題；（2）大型海上浮吊在拖泊和作業(yè)過程需要經(jīng)常變換方位或洋面夾角，造成溫度變化的隨機(jī)性很大；（3）工作環(huán)境是在海洋之中，氣象條件變化復(fù)雜，引發(fā)溫度變化的不確定性和隨機(jī)性。

由于大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)的健康安全在線實(shí)時監(jiān)測，需要在吊臂桁架結(jié)構(gòu)上設(shè)置大量的光纖光柵傳感器，因此，光纖光柵傳感器必須解決傳感溫度補(bǔ)償問題，其要求包括3個方面：一是大面積的溫度補(bǔ)償；二是依據(jù)實(shí)時補(bǔ)償?shù)囊?，解決溫度補(bǔ)償塊熱耦合問題（溫度滯后）；三是解決施工荷載對溫度補(bǔ)償塊的力耦合問題。

本文針對大型浮吊臂架金屬結(jié)構(gòu)，分別采用以下3種補(bǔ)償方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.1 懸臂雙貼片式補(bǔ)償方法

將FBG1貼于一端固定懸于較大鋼板上，在補(bǔ)償中作為補(bǔ)償光柵來使用，F(xiàn)BG2貼于較大鋼板上作為受力光柵。放于溫控箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，波長變化結(jié)果見表2。表2表明：2根光柵的波長溫差差值在10～20 ℃時為0.008 nm，20～30 ℃時為0.012 nm。此方法在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了較好的溫度跟蹤[9]。在大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的試驗(yàn)，其跟蹤效果不好，見圖 7。其中：縱坐標(biāo)為中心波長變化量（pm），應(yīng)變監(jiān)測的變化量較好地顯示出了監(jiān)測的過程。從圖7可以看出：溫度變化對應(yīng)變變化跟蹤不好，勢必造成監(jiān)測誤差增大，達(dá)不到補(bǔ)償要求和監(jiān)測效果。

3.2 十字交叉式補(bǔ)償方法

十字交叉式補(bǔ)償方法是將FBG1和FBG1呈直角粘貼于同一金屬上，相對懸臂貼片法可以有效解決溫度補(bǔ)償滯后問題[10]。放于溫控箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 1號測點(diǎn)懸臂雙貼片式光柵波長在不同溫度下的漂移Table 2 Wavelength drift of Cantilever dual-patch bragg grating of point No.1 on different temperature situations μm

圖7 懸臂雙貼片光柵應(yīng)變溫度監(jiān)測Fig.7 Bragg grating temperature and strain monitoring of Cantilever dual-patch

表3 2號測點(diǎn)十字交叉式光柵波長在不同溫度下的漂移Table 3 Wavelength drift of criss-cross bragg grating of point No.2 on different temperature situations nm

由表3可知：這種補(bǔ)償方法的溫度變化基本達(dá)到要求。

將應(yīng)變FBG和溫度FBG一起貼在監(jiān)測點(diǎn)上，雖然解決了溫度跟蹤滯后的問題，但是，在荷載較大（起吊質(zhì)量可達(dá) 2 600 t）的浮吊施工中易出現(xiàn)施工載荷耦合問題，導(dǎo)致補(bǔ)償片也受到了一定的應(yīng)力，十字交叉式補(bǔ)償方法很可能達(dá)不到監(jiān)測要求，見圖8。

圖8（b）中凸起處說明溫度補(bǔ)償FBG受力，也就是說，十字交叉法很容易出現(xiàn)荷載耦合問題，達(dá)不到監(jiān)測需求的效果。

3.3 濾波補(bǔ)償方法

數(shù)字信號低通濾波就是濾去低于設(shè)定閥值的信號，而保留高于閥值的信號?？梢哉{(diào)用 matlab和Simulink中內(nèi)含的濾波模塊來完成相應(yīng)的運(yùn)算。通過VB編寫低通濾波模塊，在數(shù)據(jù)輸入時通過調(diào)用低通濾波模塊來實(shí)現(xiàn)，見圖9。

經(jīng)過大量數(shù)據(jù)觀測和分析發(fā)現(xiàn)：溫度造成的漂移是一個緩慢變化過程，其造成的漂移突變量較小，可以認(rèn)為在5個點(diǎn)的時間內(nèi)發(fā)生的漂移變化量小于5 pm時可以看成是溫度漂移，調(diào)用低通濾波模塊把不必要的溫度漂移濾去。

圖8 十字交叉法現(xiàn)場測試結(jié)果Fig.8 Field test results of criss-cross method

圖9 低通濾波實(shí)現(xiàn)流程Fig.9 Low-pass filter process

3.4 濾波后測試情況及分析

圖10所示是未采用濾波技術(shù)監(jiān)測的1次起吊過程（縱坐標(biāo)為中心波長變化量（單位pm）。從圖10可知：在起吊過程中，中心波長變化總共產(chǎn)生了約80 pm的溫度漂移。

圖10 未采用濾波時起吊過程Fig.10 Lifting process without filter

圖11 采用濾波時起吊過程Fig.11 Lifting process with filter

圖11所示為采用了低通濾波處理后的結(jié)果。從圖11可見：起吊應(yīng)變引起中心波長變化量為6 pm，通過采用低通濾波方法大大提高了監(jiān)測精度。

溫度變化造成的中心波長漂移是一個緩慢變化過程，造成的突變比較小。大量數(shù)據(jù)分析表明：低通濾波方法可以解決溫度補(bǔ)償問題。

4 基于光纖光柵傳感的大型海上浮吊吊臂桁架健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)為大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)護(hù)提供了實(shí)時、多特征和海量數(shù)據(jù)采集技術(shù)方案，見圖12。但要能夠?qū)崿F(xiàn)大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)的長期實(shí)時健康監(jiān)測，必須以光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)建一個健康監(jiān)護(hù)管理專家系統(tǒng)，不僅能夠在線采集數(shù)據(jù)，而且要實(shí)時分析數(shù)據(jù)，能智能管理數(shù)據(jù)，更要能專家評價數(shù)據(jù)。為此，本文構(gòu)建一個基于光纖光柵傳感的大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

圖12 基于光纖光柵傳感的大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)框架Fig.12 Health monitoring system framework of Large-scale offshore floating crane boom truss based on FBG

圖13 基于光纖光柵傳感的大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)置Fig.13 Function setting of Large-scale offshore floating crane boom truss structure health monitoring system based on FBG

大型海上浮吊吊臂桁架實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)見圖13，主要通過對吊臂桁架關(guān)鍵部位的應(yīng)變、溫度等信號的分析，利用由監(jiān)測信息構(gòu)成的吊臂桁架運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)庫，對異常信息預(yù)警報(bào)警；建立信息智能管理方針，為今后將要發(fā)展的吊臂桁架結(jié)構(gòu)損傷及剩余壽命評估，預(yù)設(shè)信息專家系統(tǒng)模式，為大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)健康狀況分析評估功能打下基礎(chǔ)。子系統(tǒng)功能如下。

（1）波長子系統(tǒng)界面。主要包括波長顯示和波長曲線2個組成部分。

（2）數(shù)據(jù)子系統(tǒng)界面。功能包括數(shù)據(jù)的啟動接收、停止接收、波長顯示、數(shù)據(jù)保存等，另外還在這個界面設(shè)置數(shù)據(jù)的采樣頻率及數(shù)據(jù)保存的間隔時間。波長曲線主要是顯示各個光柵的波長變化情況，其顯示的光柵號由下方的復(fù)選框來完成。

（3）應(yīng)力子系統(tǒng)界面。由應(yīng)力監(jiān)測主界面，所有測點(diǎn)監(jiān)測界面，單測點(diǎn)監(jiān)測界面等3個部分組成。應(yīng)力監(jiān)測主界面功能包括各測點(diǎn)位應(yīng)力柱坐標(biāo)顯示情況，各點(diǎn)在臂架上的位置標(biāo)注及各點(diǎn)在不同應(yīng)力狀態(tài)下的不同顏色告警情況。

（4）稱荷載子系統(tǒng)界面。主要功能包括各主鉤的單獨(dú)載荷顯示、總載荷顯示及單鉤載荷條形百分比柱狀圖，見圖14。

圖14 稱重界面Fig.14 Weighing interface

（5）標(biāo)定子系統(tǒng)界面。主要功能是針對應(yīng)變和稱重，建立零點(diǎn)標(biāo)定。操作過程為：選定應(yīng)變標(biāo)定或者稱重標(biāo)定復(fù)選按鈕，點(diǎn)擊顯示當(dāng)前波長，點(diǎn)擊停止顯示當(dāng)前波長，存當(dāng)前標(biāo)定值。

（6）系統(tǒng)設(shè)置界面。主要功能是進(jìn)行自重應(yīng)力和許用應(yīng)力的設(shè)置。

（7）專家系統(tǒng)界面。提供告警功能和數(shù)據(jù)回放功能。告警功能包括聲音告警和應(yīng)力主界面的測點(diǎn)顏色變化告警2部分組成。應(yīng)力告警狀態(tài)分為4級狀態(tài)，見表4。

表4 應(yīng)力主界面的測點(diǎn)顏色變化告警Table 4 Measuring point color change alarming of main stress interface

（8）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)界面。主要功能包括應(yīng)力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、稱重?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、告警統(tǒng)計(jì)和報(bào)表輸出等。

（9）用戶設(shè)置界面。進(jìn)行用戶設(shè)置，以及用戶密碼設(shè)置。

圖15所示為現(xiàn)場的1次起吊過程中2個測點(diǎn)的波長變化。其整個過程顯示出了系統(tǒng)對起吊過程的應(yīng)力監(jiān)測是良好的。其工作過程中，漂移波長分別為 5 pm（FBG1）和 4 pm（FBG2）。

通過數(shù)據(jù)觀察，大型海上浮吊吊臂桁架實(shí)時監(jiān)測系達(dá)到監(jiān)測目標(biāo)。

圖15 1號測點(diǎn)和2號測點(diǎn)的波長變化圖Fig.15 Wavelength changes of No.1 and No.2 measuring points

5 結(jié)論

（1）針對大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)，對其專用的粘貼式光纖光柵應(yīng)力傳感器進(jìn)行了開發(fā)和有效性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。針對海洋環(huán)境變化復(fù)雜的特點(diǎn)，結(jié)合大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)的金屬特性，圍繞應(yīng)變與溫度交叉敏感導(dǎo)致的溫度測量滯后，以應(yīng)變和溫度的同時測量為目標(biāo)，通過對不同方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場安裝測試，提出了低通濾波補(bǔ)償方案，解決了溫度補(bǔ)償問題。

（2）開發(fā)了基于光纖光柵傳感的大型海上浮吊吊臂桁架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了光纖光柵波長測量與顯示、數(shù)據(jù)接收與顯示、應(yīng)力分析與顯示、起重?cái)?shù)據(jù)顯示、稱重標(biāo)定、系統(tǒng)設(shè)置、專家分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和用戶設(shè)置共9類功能。

（3）目前，該專業(yè)評估系統(tǒng)不完善，僅完成了告警系統(tǒng)和數(shù)據(jù)回放分析系統(tǒng)這2項(xiàng)功能，尚未建立專家知識庫，知識結(jié)構(gòu)庫以及評估體系，有待于進(jìn)一步研究和發(fā)展；系統(tǒng)的可移植性尚需完善，以便在同類監(jiān)測中進(jìn)行推廣應(yīng)用。為了增加其應(yīng)用價值，還需要加入遠(yuǎn)程傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時后傳。

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