CN102564334B - 用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温管道微应变检测技术领域，具体涉及并公开了一种用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片，包括H形的金属基片，金属基片包括第一竖梁、第二竖梁、横梁，LPFG1纵向固定在第一竖梁上，LPFG2横向固定在横梁上，LPFG3两端自由地纵向固定在第二竖梁上，所述的LPFG1、LPFG2、LPFG3之间为光连接，三个高温长周期光纤光栅具有不同的特征波长。本发明的优越性在于：采用三个H形排布的高温长周期光纤光栅可以同时检测高温管道的横向和纵向应变，并具备温度补偿功能，可用于测定200摄氏度以上高温管道，结构简单、安装方便、能对高温管道外壁二维应变状态进行准确而有效检测。
Description
技术领域
本发明属于高温管道微应变检测技术领域，具体涉及一种用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片。
背景技术
在现代社会中，高温压力管道在化工、石油企业和发电厂得到广泛应用，而每年不时有高温管道泄漏和爆炸事故发生。事故的主要原因是高温蠕变和管壁腐蚀减薄，其中管壁失效应变是一个非线性过程，如果能够提供高温管道的动态、实时、在线的失效监测数据，提供预报信息，可以有效避免管道失效爆管事故的发生，因此建立一套高温管道实时在线监测系统具有重要意义。
目前高温管道的实时检测技术手段包括：电学传感器检测方法，超声波检测方法和红外热成像检测方法，光纤传感技术检测方法。
电学传感器最常用的为应变片检测技术，但应变片检测及其电路通常不能工作于高温条件下，而且电学传感器产生的电火花容易引发高温化工管道的燃爆。另外，再考虑多点分布式遥测方式时，电学传感器也不是合适的选择。
超声波方法和红外成像方法都基于无损检测理论，虽避免了电传感器的安全隐患缺陷，但应用局限性较大，前者比较适用于检测管道出厂时的品质检测，而后者目前只能检测内部蚀坑和壁厚减薄缺陷，两者都无法检测管道外壁的实时应变状态。
光纤传感技术检测方法，光纤光栅（FBG）是一种最常见的检测表面微应变的技术手段，但FBG限于“高温衰退效应”只能工作于200摄氏度以下的工作环境，采用高温长周期光纤光栅（LPFG）做为高温管道的光纤传感器件，可以克服FBG无法应用于高温传感环境下的问题；该技术具有灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、防爆、便于遥测遥控以及便于分布式传感等优点。
通过这些检测技术手段的比较，光纤传感LPFG技术检测方法对高温管道进行实时检测优势突出，它克服了目前现有高温管道检测方法的缺点，具有广阔的应用前景。
在利用高温长周期光纤光栅LPFG来进行高温压力管道检测时，遇到高温管道的检测点具体布置方式和温度补偿等问题。为此必须设计一种适用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片，来保证LPFG对高温管道外壁二维应变状态进行准确而有效检测。
根据应变测试理论，如果采用应变片技术，一个测点上的贴片数和方位问题，由该点的应力状态而定，如果能明确测点处为单向应力状态，则只要沿该单向应力方向贴一个工作应变片即可测出应变的大小 
。如果应变的大小和方向均未知，则可以在待测点处将应变片以应变花方式布置，先测出几个已知方向的组合应变，然后，计算得到二维主应变的大小和方向。
综上所述，在利用光纤光栅传感技术进行高温管道检测时，设计一种合理布置高温管道检测点同时解决温度补偿问题的适用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片具有重要的现实意义。国内一些大学、科研院所及公司对高温压力管道应变检测技术也进行过较长时间的研究，但尚未见到适用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片的技术报道。
发明内容
针对现有技术存在缺乏对高温管道外壁二维应变状态进行准确而有效检测的应变片的缺陷，本发明提供一种结构简单、安装方便、能对高温管道外壁二维应变状态进行准确而有效检测的用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片。
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片，包括金属基片，所述的金属基片为H形，金属基片包括第一竖梁、第二竖梁、连接在第一竖梁与第二竖梁之间的横梁，第一高温长周期光纤光栅纵向固定在第一竖梁上，第二高温长周期光纤光栅横向固定在横梁上，第三高温长周期光纤光栅两端自由地纵向固定在第二竖梁上，所述的第一高温长周期光纤光栅、第二高温长周期光纤光栅、第三高温长周期光纤光栅之间为光连接，三个高温长周期光纤光栅具有不同的特征波长。高温长周期光纤光栅（LPFG）为波长编码传感器件，其对敏感量的有相应的特征波长移动，利用后续的信号解调仪可以将波长移动量变为相应的电信号输出，LPFG的特征波长移动量越大，对应电信号越强，表明被测管道应变越大。第一高温长周期光纤光栅（LPFG1）的输出信号反映管道纵向应变，第二高温长周期光纤光栅（LPFG2）的输出信号反映管道横向应变，第三高温长周期光纤光栅（LPFG3）的输出信号反映管道的温度变化，作为应变分析的温度修正。LPFG3通过单点与管道连接，因此管道表面应变无法传递到LPFG3上，LPFG3只受管道环境温度的影响，若环境温度发生变化，其输出信号也会有所变化，用LPFG3进行参照，可以把LPFG1和LPFG2受温度的影响剔除掉，即进行准确的温度补偿。H形金属基片单片结构，同时对高温管道二向应力（即横向和径向）进行检测，可以满足管道二维应变状态的检测要求，并只需两个应力分量所对应的数据采集通道数，使数据处理简单、快速，同时单片应变片作为一个整体，维修、替换方便。
作为优选，所述的第一高温长周期光纤光栅、第二高温长周期光纤光栅、第三高温长周期光纤光栅与金属基片之间采用熔点为450－500摄氏度的低温玻璃进行粘接。粘连效果好，气密性能高。
作为优选，所述的金属基片的材料与待测管道材料的热膨胀系数相同。二者因为温度变化引起的体积变化具有一致性。
作为优选，所述的金属基片纵向长度为40cm，横向长度为40cm，横梁的横向长度为30cm，所述的三个高温长周期光纤光栅长度为20cm。H型金属基片的尺寸或纵横比例根据具体使用环境而定，主要依据适合管道表面安装的需要，以及有利于横向和纵向应变的解耦和分离。
作为优选，所述的金属基片设置三个焊接点，用于与高温管道的固定连接。
本发明的用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片的优越性在于：采用三个H形排布的高温长周期光纤光栅可以同时检测高温管道的横向和纵向应变，并具备温度补偿功能，可用于测定200摄氏度以上高温管道，结构简单、安装方便、能对高温管道外壁二维应变状态进行准确而有效检测。
附图说明
图1 为本发明所述的用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片实施例的结构示意图。
图2为本发明所述的用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片的使用图。
具体实施例
下面结合附图1－2与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片，如图1所示，包括金属基片1，所述的金属基片1为H形，金属基片1包括第一竖梁11、第二竖梁13、连接在第一竖梁11与第二竖梁13之间的横梁12，第一高温长周期光纤光栅2纵向固定在第一竖梁11上，第二高温长周期光纤光栅3横向固定在横梁12上，第三高温长周期光纤光栅4两端自由地纵向固定在第二竖梁13上，所述的第一高温长周期光纤光栅2、第二高温长周期光纤光栅3、第三高温长周期光纤光栅4之间为光连接，三个高温长周期光纤光栅2、3、4具有不同的特征波长。三个高温长周期光纤光栅2、3、4与金属基片1之间采用熔点为450摄氏度的低温玻璃进行粘接。所述的金属基片1的材料与待测管道材料的热膨胀系数相同。金属基片1纵向长度为40cm，横向长度为40cm，横梁12的横向长度为30cm，所述的三个高温长周期光纤光栅2、3、4长度为20cm。金属基片1设置三个焊接点5，用于与高温管道的固定连接。
如图2所示，金属基片1通过三个焊接点5固定在高温管道外壁，光源6输出端与第一高温长周期光纤光栅2连接，第三长周期光纤光栅与信号解调模块7的输入端光连接，信号解调模块7的输出端与A/D采样模块8的输入端连接，A/D采样模块8的输出端与数据处理模块9连接。
LPFG1，LPFG2，LPFG3对应三个不同特征波长λ1、λ2和λ3，如果管道产生微应变或者温度变化，LPFG1，LPFG2的特征波长会产生变化，特征波长移动量通过信号解调模块7转化为相应的电信号输出，被测管道应变越大或温度越高，则特征波长移动量越大，对应电信号也越强，信号解调模块7的解调原理有边沿滤波法、匹配F-P滤波法、相关分析法等。LPFG3不感受应力的变化，只受管道环境温度的影响，其特征波长的变化只反映温度的影响。要得到LPFG1，LPFG2只受应力变化影响的数据，需要将LPFG1和LPFG2受温度的影响剔除掉。方法是首先通过标定实验建立LPFG1和LPFG2在不同温度下的应变与信号输出的关系，然后通过LPFG3测出管道的实时温度，然后通过传感器数据融合算法将LPFG1和LPFG2中的温度交叉敏感项剔除掉。如果管道表面温度是相对恒定的，则可以简单的利用LPFG1和LPFG2输出信号中减掉LPFG3的对应温度信号贡献，就可以在LPFG1和LPFG2输出信号中只包含管道应变的影响，实现温度补偿功能。A/D采样模块8对信号解调模块7输出的电信号进行模拟数字转换和采样，数据处理模块9对采样后的数据进行处理，得到管道的应变量数据。
Claims (5)
1.用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片，包括金属基片（1），其特征在于：所述的金属基片（1）为H形，金属基片（1）包括第一竖梁（11）、第二竖梁（13）、连接在第一竖梁（11）与第二竖梁（13）之间的横梁（12），第一高温长周期光纤光栅（2）纵向固定在第一竖梁（11）上，第二高温长周期光纤光栅（3）横向固定在横梁（12）上，第三高温长周期光纤光栅（4）两端自由地纵向固定在第二竖梁（13）上，第三高温长周期光纤光栅（LPFG3）通过单点与管道连接，所述的第一高温长周期光纤光栅（2）、第二高温长周期光纤光栅（3）、第三高温长周期光纤光栅（4）之间为光连接，三个高温长周期光纤光栅（2、3、4）具有不同的特征波长。
2.根据权利要求1所述的用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片，其特征在于：所述的第一高温长周期光纤光栅（2）、第二高温长周期光纤光栅（3）、第三高温长周期光纤光栅（4）与金属基片（1）之间采用熔点为450－500摄氏度的低温玻璃进行粘接。
3.根据权利要求1所述的用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片，其特征在于：所述的金属基片（1）的材料与待测管道材料的热膨胀系数相同。
4.根据权利要求1所述的用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片，其特征在于：所述的金属基片（1）纵向长度为40cm，横向长度为40cm，横梁（12）的横向长度为30cm，所述的三个高温长周期光纤光栅（2、3、4）长度为20cm。
5.根据权利要求1所述的用于高温管道微应变检测的长周期光纤光栅应变片，其特征在于：所述的金属基片（1）设置三个焊接点（5），用于与高温管道的固定连接。
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