CN103575331B - 一种高温结构温度和应变的同时测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高温结构温度和应变的同时测试方法，采用的装置包括加热源温度控制系统、加热源、隔热环境舱、热电偶、数据采集仪、实验平台、耐高温托架、光纤光栅、光纤光栅解调仪和计算机，热电偶与数据采集仪电信号连接，光纤光栅和光纤光栅解调仪电信号连接，加热源温度控制系统与辐射加热源电信号连接；方法首先测出未封装的裸光纤返回信号随温度变化规律，再测试光纤封装于不同材料时相应的应变传递系数，一个光栅用高温粘接剂封装，另一个光栅固定在材料表面只传感材料温度。通过光纤光栅解调仪得到两个返回波长信号，进行信号解耦，实现材料温度和应变的测量。本发明具有抗电磁干扰能力强、复用能力强、传输距离远的特点。

Description

一种高温结构温度和应变的同时测试方法

技术领域

本发明涉及的是一种高温结构温度和应变的同时测试方法。

背景技术

飞行器在飞行过程中，受到热力载荷联合作用，实时监测结构热力响应，需要进行温度和应变的同时测试。此外，结构在高温环境下进行试验时也需要测试温度和应变。目前，温度和应变的测试往往是分开进行的。温度测试方法主要是接触式的热电偶和非接触的单、双比色高温计等。而高温应变测试也分为接触式和非接触式两种：接触式应变传感器主要有应变计、光栅传感器、电容或电感传感器等；非接触式应变测试法主要有数字图像相关法、高温云纹法、相干梯度敏感法等。光纤光栅传感器能够感应温度和应变变化，同时还具有抗电磁干扰能力强、尺寸小、耐腐蚀性好、复用能力强、传输距离远等特点，在结构健康监测中被广泛应用。然而，高温条件下，光纤光栅传感器如何封装在结构表面，以及返回信号如何将温度和应变分别解耦是高温结构温度应变同时测试的关键所在。

发明内容

针对高温条件下光纤光栅传感器应用的难题，本发明的目的在于提供了一种高温结构温度和应变的同时测试方法，将高温光纤光栅传感器封装在被测材料表面，根据不同被测材料对光纤光栅传感器进行标定，实现材料温度和应变同时测量。

本发明的目的是这样实现的：一种高温结构同时测试温度和应变的标定方法，采用一种高温结构同时测试温度和应变的标定装置，该标定装置包括加热源温度控制系统、加热源、隔热环境舱、热电偶、数据采集仪、实验平台、耐高温托架、光纤光栅、光纤光栅解调仪和计算机，热电偶与数据采集仪电信号连接，光纤光栅和光纤光栅解调仪电信号连接，加热源温度控制系统与辐射加热源电信号连接，计算机分别与加热源温度控制系统、数据采集仪、光纤光栅解调仪电信号连接；隔热环境舱放置在实验平台上，隔热环境舱内部下方设置耐高温托架，隔热环境舱内部上方是辐射加热源，光纤光栅穿过隔热环境舱的一侧置于耐高温托架上，热电偶穿过隔热环境舱的另外一侧置于光纤光栅上；加热源温度控制系统控制加热源的温度，光纤光栅传感温度应变信号返回到光纤光栅解调仪中，热电偶测试光纤光栅处的温度通过数据采集仪记录，由计算机进行温度控制和数据整合；所述热电偶为K型铠装热电偶，

方法包括如下步骤：

第一步，将未封装的光纤光栅放入隔热环境舱，调整热源温度控制系统使得温度从室温缓慢升到1000℃，通过数据采集仪和光纤光栅解调仪实时记录温度和光栅返回波长信号，测出不同温度对应的波长，对得到的数据利用公式

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_{T1}\mathrm{\Δ}T+K_{T2}{\mathrm{\ΔT}}^2$

其中，Δλ_B是布拉格反射波长漂移量，λ_B是初始中心波长，K_T1是裸光栅的一阶温度灵敏系数，K_T2是裸光栅的二阶温度灵敏系数；

进行二次多项式拟合得到裸光栅的温度一阶灵敏系数：K_T1，完成了光纤光栅传感器的温度标定；

第二步，将光纤光栅粘接在被测材料表面上；通过施胶工艺控制粘接层尺寸，确保每次粘接剂固化后尺寸一定；然后将封装了光纤光栅传感器的材料放置在高温环境舱中，同样缓慢升温至高温，获得温度和波长数据，利用公式

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}={K_{T1}}^{\′}\mathrm{\Δ}T+{K_{T2}}^{\′}{\mathrm{\ΔT}}^2$

进行二次多项式拟合得到封装光纤的一阶温度灵敏系数：K′_T1和封装光纤的二阶温度灵敏系数：K′_T2；利用公式

K_T1＝α+ζ

和公式

K′_T1＝(α+ζ)+βK_ε(α_s-α)

得到应变传递系数，完成了应变传递系数的标定；其中，K_ε是应变灵敏系数，α和ζ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，α_s是基底材料的热膨胀系数。

本发明还具有如下技术特征：

所述的粘接剂在选择时应该注意线膨胀系数与基底材料、弹性体材料保持在一个量级的同时具有便于涂覆的流动性。

本发明针对高温条件下光纤光栅传感器应用的难题，提供了一种高温结构温度和应变的同时测试方法及标定装置，可以实现高温环境下对结构温度和应变同时测量。目前的光纤光栅虽然已经取得了广泛的应用，但是由于缺少应用到高温环境下的方法和技术，一直难以应用到航空、航天等高温测试领域，本发明为光纤光栅传感器在高温领域的应用开辟了一种新途径和方法。本发明的优点如下：1)提供了一种可以同时实现结构温度和应变测试的方法及标定装置；2)具有抗电磁干扰能力强、尺寸小、耐腐蚀性好、复用能力强、传输距离远等特点；3)能够测试高温(800℃以上)环境下的热力响应。

附图说明

图1是本发明的标定装置示意图；

图2是标定得到裸光栅波长-温度曲线图；

图3是封装在超高温陶瓷的光栅波长-温度曲线图；

图4是封装在高温合金的光栅波长-温度曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅只局限于下面的实施例：

实施例1：

一种高温结构同时测试温度和应变的标定装置，包括加热源温度控制系统1、加热源2、隔热环境舱3、热电偶4、数据采集仪5、实验平台6、耐高温托架7、光纤光栅8、光纤光栅解调仪9和计算机10，热电偶与数据采集仪电信号连接，光纤光栅和光纤光栅解调仪电信号连接，加热源温度控制系统与辐射加热源电信号连接，计算机分别与加热源温度控制系统、数据采集仪、光纤光栅解调仪电信号连接；隔热环境舱放置在实验平台上，隔热环境舱内部下方设置耐高温托架，隔热环境舱内部上方是辐射加热源，光纤光栅穿过隔热环境舱的一侧置于耐高温托架上，热电偶穿过隔热环境舱的另外一侧置于光纤光栅上；加热源温度控制系统控制加热源的温度，光纤光栅传感温度应变信号返回到光纤光栅解调仪中，热电偶测试光纤光栅处的温度通过数据采集仪记录，由计算机进行温度控制和数据整合。

实施例2：

布拉格光栅返回波长与光纤折射率变化大小以及空间分布周期有关。一般用有效折射率n_eff反映光纤折射率调制变化的大小，用光栅条纹周期Λ描述折射率调制的空间分布情况。有效折射率和光栅条纹周期称为光栅常数。任何引起光栅常数发生改变的物理过程都将引起光纤布拉格波长的变化。作用在光纤光栅的外界条件如温度、应变或压力改变就会引起光栅周期和折射率的变化，从而导致光纤光栅波长的变化，通过检测光纤光栅波长的变化，可获得温度和应变等信息。

光纤光栅的布拉格反射波长为

λ_B＝2n_effΛ (1)

式中n_eff——有效折射率，Λ——光栅周期。

对于光纤光栅温度-应变的传感测量，Bragg波长是两者的函数。进行Taylor展开，可得

$\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_B({\mathrm{\ϵ}}_0+\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ},T_0+\mathrm{\Δ}T)={\mathrm{\λ}}_B({\mathrm{\ϵ}}_0,T_0)+2{\[\mathrm{\Λ}\frac{\∂n_{eff}}{\∂\mathrm{\ϵ}}+n_{eff}\frac{\∂\mathrm{\Λ}}{\∂\mathrm{\ϵ}}\]}_{T=T_0,\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_0}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}+\\ 2{\[\mathrm{\Λ}\frac{\∂n_{eff}}{\∂T}+n_{eff}\frac{\∂\mathrm{\Λ}}{\∂T}\]}_{T=T_0,\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_0}\mathrm{\Δ}T+\\ \frac{1}{2!}\×2{\[\mathrm{\Λ}\frac{{\∂}^{2}n}{\∂\mathrm{\ϵ}\∂T}+n\frac{{\∂}^2\mathrm{\Λ}}{\∂\mathrm{\ϵ}\∂T}+\frac{\∂\mathrm{\Λ}}{\∂T}\frac{\∂n_{eff}}{\∂\mathrm{\ϵ}}+\frac{\∂\mathrm{\Λ}}{\∂\mathrm{\ϵ}}\frac{\∂n_{eff}}{\∂T}\]}_{T=T_0,\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_0}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\mathrm{\Δ}T+\\ \frac{1}{2!}\×2{\[\mathrm{\Λ}\frac{{\∂}^2{n}_{eff}}{\∂{\mathrm{\ϵ}}^2}+n_{eff}\frac{{\∂}^2\mathrm{\Λ}}{\∂{\mathrm{\ϵ}}^2}\]}_{T=T_0,\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_0}{\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\right)}^2+\frac{1}{2!}\×{\[\mathrm{\Λ}\frac{{\∂}^2{n}_{eff}}{\∂T^2}+n_{eff}\frac{{\∂}^2\mathrm{\Λ}}{\∂T^2}\]}_{T=T_0,\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_0}{\left(\mathrm{\Δ}T\right)}^2+\mathrm{...}\end{array}---\left(2\right)$

由上式可知，Δε、ΔT及它们的交叉项和高阶项都会引起波长的漂移Δλ_B。高阶项对波长改变的贡献随Δε、ΔT的增大而增大，当Δε、ΔT很大时，波长随Δε、ΔT的变化是非线性的。

当光纤光栅环境温度变化而不受外载荷作用时，反射波长只是关于温度的函数，进行二阶Taylor展开有：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_B(T_0+\mathrm{\Δ}T)={\mathrm{\λ}}_B\left(T_0\right)+2{\[\mathrm{\Λ}\frac{\∂n_{eff}}{\∂T}+n_{eff}\frac{\∂\mathrm{\Λ}}{\∂T}\]}_{T=T_0}\mathrm{\Δ}T+\\ \frac{1}{2!}\×2{\[\mathrm{\Λ}\frac{{\∂}^2{n}_{eff}}{\∂T^2}+2\frac{\∂\mathrm{\Λ}}{\∂T}\frac{\∂n_{eff}}{\∂T}+n_{eff}\frac{{\∂}^2\mathrm{\Λ}}{\∂T^2}\]}_{T=T_0}{\left(\mathrm{\Δ}T\right)}^2+\mathrm{...}\end{array}---\left(3\right)$

热膨胀效应引起光栅周期的变化：

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Λ}}=\mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ}T---\left(4\right)$

式中α——光纤的热膨胀系数

热光效应引起有效折射率变化：

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_{eff}}{n_{eff}}=\mathrm{\ζ}\·\mathrm{\Δ}T---\left(5\right)$

式中ζ——光纤的热光系数

由于高温光纤测试温度范围较大，需要考虑二次项

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_{T1}\mathrm{\Δ}T+K_{T2}{\mathrm{\ΔT}}^2---\left(6\right)$

温度一阶灵敏系数为：

K_T1＝α+ζ (7)

温度二阶灵敏系数为：

$K_{T2}=\frac{1}{2}({\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ζ}}^2+2\mathrm{\α}\mathrm{\ζ}+\frac{\∂\mathrm{\α}}{\∂T}+\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂T})---\left(8\right)$

高温光纤由于元素掺杂不同，制作工艺不同，热膨胀系数和热光系数都不同，在使用前需要进行温度敏感系数的标定，才能进行温度测试。

温度不变，应变产生的伸缩以及弹光效应，会引起光栅周期和有效折射率发生变化，可得反射波长的变化量：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}}=2(n_{eff}\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}}+\mathrm{\Λ}\frac{{\mathrm{\Δn}}_{eff}}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}})$

当光纤仅受轴向应力作用时，应变张量矩阵ε_j可用轴向应变来表示：

ε_j＝[-vε_z -vε_z ε_z 0 0 0]^T (9)

考虑光栅仅受轴向应力而无切向应力且温度场保持恒定的情况下。轴向应变引起光栅周期的变化为：

ΔΛ＝ΛΔε (10)

对各向同性的纤芯材料，应变引起的折射率的变化为：

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_{eff}}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}}=-P_e\·n_{eff}---\left(11\right)$

式中P_e——有效弹光系数

$P_e=\frac{n_e^2}{2}\[P_{12}-v(P_{11}+P_{12})\]---\left(12\right)$

式中P₁₁、P₁₂——光纤的弹光系数；

v——泊松比

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}---\left(13\right)$

那么，应变灵敏度系数为：

$K_{\mathrm{\ϵ}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_B}\frac{{\mathrm{d\λ}}_B}{d\mathrm{\ϵ}}=1-P_e---\left(14\right)$

应变灵敏度系数反映了波长相对漂移量Δλ/λ_B与Δε之间的变化关系。当材料确定后，K_ε是与材料系数相关的常数。对此种高温光纤，P_e≈0.22，K_ε＝0.78。

当光纤光栅粘贴在物体的表面，物体本身的应变以表面剪切应力的形式通过粘接层传递到光栅上。由于粘接层对应力的吸收，使得光栅所传感的物体名义应变量Δε′与实际应变量Δε发生出入，即光栅应变和物体应变之间存在应变传递系数β。

Δε′＝βΔε (15)

应变传递系数与被测材料和粘接剂的物理性能和几何尺寸密切相关。在使用光纤光栅测应变前，需要针对被测材料，采用特殊粘接工艺控制胶体尺寸，对光纤光栅传感器进行标定后，才能进行应变测试。

对于高温下不受外力作用的材料，应变就是温度梯度产生的热应变，被测材料的平均热膨胀系数用α_s表示，α为光纤热膨胀系数一般取0.5×10^-6/℃，温度一阶灵敏度可表示为：

K′_T1＝(α+ζ)+βK_ε(α_s-α) (16)

这样，裸光栅和封装在被测材料的光栅分别进行高温测试，得到返回波长和温度的数据。利用公式(6)得出裸光栅的一阶温度灵敏系数K_T1和二阶温度灵敏系数K_T2，完成光纤温度敏感系数的标定。同样，利用(6)得到封装光栅的一阶温度灵敏系数K′_T1，然后利用公式(7)和(16)就可以得到应变传递系数。这样就完成了针对一种被测材料标定。

对于高温光纤光栅传感器，温度和应变的耦合系数可以忽略不计，同时应变和波长有良好的线性关系，这样当被测材料温度变化同时承受载荷作用时，温度和应变与返回波长的关系如下：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_{T1}\mathrm{\Δ}T+K_{T2}{\mathrm{\ΔT}}^2+K_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\β}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}---\left(17\right)$

利用温度补偿的方法进行解耦，试验时将同一型号的光纤光栅传感器(记为①号)或K型铠装热电偶安装(记为②号)在被测材料表面进行信号解耦，安装③光纤光栅传感器进行实际测量。若安装①号光纤光栅，则①号光栅返回的波长信号只由温度引起，则根据返回的波长信号即可消除温度的影响。若安装为②号K型铠装热电偶，则可以根据热电偶采集到的温升ΔT，结合已经标定的参数(一阶温度灵敏系数K_T1和二阶温度灵敏系数K_T2)即可计算出被测材料的温升引起的波长变化，进行用以消除温度的影响，进行解耦。最后得到名义应变引起的应变，继而通过传递系数换算材料的实际应变。

实施例3：

第一步，将未封装的光纤光栅放入高温环境舱，调整热源输出使得温度从室温缓慢升到1000℃，通过温度采集仪和光纤光栅解调仪实时记录温度和光栅返回波长信号，测出不同温度对应的波长，对得到的数据利用公式(6)进行二次多项式拟合得到温度一阶灵敏系数：K_T1，完成了光纤光栅传感器的温度标定。

第二步，将高温光纤光栅粘接在被测材料表面上。粘接剂在选择时应该注意线膨胀系数与基底材料、弹性体材料尽可能接近同时具有较好的流动性、较高的弹性模量和机械强度。通过特殊施胶工艺控制粘接层尺寸，确保每次粘接剂固化后尺寸一定。然后将封装了高温光纤光栅传感器的材料放置在高温环境舱中，同样缓慢升温至高温，获得温度和波长数据，利用公式(6)进行二次多项式拟合得到温度一阶灵敏系数：K′_T1。利用公式(7)和(16)就可以得到应变传递系数，完成了应变传递系数的标定。

实施例4：

本实施例利用标定装置对未封装的裸光栅进行温度标定。将裸光栅放置于隔热舱3内的高温托架7上，调节控制系统1让加热系统内部温度缓慢上升，通过光纤光栅解调仪9和温度数据采集仪5分别记录返回波长和温度数据，如图2。对数据进行二次多项式拟合，得到一阶温度灵敏系数K_T1为7.8×10^-6和二阶温度灵敏系数K_T2为2.1×10^-9。这样就完成了裸光栅的温度敏感性标定。

实施例5：

本实例针对超高温陶瓷材料，进行封装光栅的应变标定。首先，将光纤光栅粘接在超高温陶瓷试件表面，超高温陶瓷试件尺寸：50×45×5mm，采用相应的粘接剂和特殊工艺，控制胶体固化后尺寸：30×7×2mm，放置在隔热环境舱3中的高温托架7上，同样调节控制系统1，让加热系统缓慢升温，同样通过光纤光栅解调仪9和温度数据采集仪5分别记录返回波长和温度数据，进行二次多项式拟合，得到一阶温度灵敏系数K′_T1为10.5×10^-6，二阶温度灵敏系数K_T2为2.1×10^-9。得到封装于超高温陶瓷的光栅波长-温度曲线，如图3。

超高温陶瓷在750℃以内的平均热膨胀系数为6×10^-6/℃时，然后利用公式(7)和(16)就可以得到应变传递系数，应变传递系数β＝0.63。这就完成了针对超高温陶瓷应变测试的应变传递系数的标定。

Claims (2)

1.一种高温结构温度和应变的同时测试方法，采用一种高温结构温度和应变的同时测试装置，该测试装置包括加热源温度控制系统、加热源、隔热环境舱、热电偶、数据采集仪、实验平台、耐高温托架、光纤光栅、光纤光栅解调仪和计算机，热电偶与数据采集仪电信号连接，光纤光栅和光纤光栅解调仪电信号连接，加热源温度控制系统与辐射加热源电信号连接，计算机分别与加热源温度控制系统、数据采集仪、光纤光栅解调仪电信号连接；隔热环境舱放置在实验平台上，隔热环境舱内部下方设置耐高温托架，隔热环境舱内部上方是辐射加热源，光纤光栅穿过隔热环境舱的一侧置于耐高温托架上，热电偶穿过隔热环境舱的另外一侧置于光纤光栅上；加热源温度控制系统控制加热源的温度，光纤光栅传感温度应变信号返回到光纤光栅解调仪中，热电偶测试光纤光栅处的温度通过数据采集仪记录，由计算机进行温度控制和数据整合；所述热电偶为K型铠装热电偶，

其特征在于，方法包括如下步骤：

第一步，将未封装的光纤光栅放入隔热环境舱，调整热源温度控制系统使得温度从室温缓慢升到1000℃，通过数据采集仪和光纤光栅解调仪实时记录温度和光栅返回波长信号，测出不同温度对应的波长，对得到的数据利用公式

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_{T1}\mathrm{\Δ}T+K_{T2}{\mathrm{\ΔT}}^2$

其中，Δλ_B是布拉格反射波长漂移量，λ_B是初始中心波长，K_T1是裸光栅的一阶温度灵敏系数，K_T2是裸光栅的二阶温度灵敏系数，ΔT是测试的环境温度与初始温度的温度差；

进行二次多项式拟合得到裸光栅的温度一阶灵敏系数：K_T1，完成了光纤光栅传感器的温度标定；

第二步，将光纤光栅粘接在被测材料表面上；通过施胶工艺控制粘接层尺寸，确保每次粘接剂固化后尺寸一定；然后将封装了光纤光栅传感器的材料放置在隔热环境舱中，同样缓慢升温至高温，获得温度和波长数据，利用公式

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}={K_{T1}}^{\′}\mathrm{\Δ}T+{K_{T2}}^{\′}{\mathrm{\ΔT}}^2$

进行二次多项式拟合得到封装光纤的一阶温度灵敏系数：K′_T1和封装光纤的二阶温度灵敏系数：K′_T2；利用公式

K_T1＝α+ζ

和公式

K′_T1＝(α+ζ)+βK_ε(α_s-α)

得到应变传递系数β，完成了应变传递系数的标定；其中，K_ε是应变灵敏系数，α和ζ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，α_s是基底材料的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的一种高温结构温度和应变的同时测试方法，其特征在于：所述的粘接剂在选择时应该注意线膨胀系数与基底材料、弹性体材料保持在一个量级的同时具有便于涂覆的流动性。