CN103968773A - 一种二维应变检测的柔性高温光栅应变片 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤光栅传感技术领域，涉及一种能进行复杂构件表面二维应变检测的柔性高温光纤光栅应变片。它是由“十”字形或“T”字形高温恒弹合金基底、高温布拉格光栅A、高温布拉格光栅B和高温布拉格光栅C以及耐高温覆盖层组成的；三只高温布拉格光栅沿横向和纵向用高温胶固定在基底上，其中高温布拉格光栅A和高温布拉格光栅B两端由高温胶进行固定，分别测量横向应变和纵向应变，高温布拉格光栅C单端自由，只感受温度变化，以实现温度补偿功能。应用时需将应变片焊接或粘接在被测构件表面。本发明的柔性高温光纤光栅应变片能耐高温、具有柔性、抗电磁干扰且安装方便，适合复杂构件表面的二维应变检测，可实现准分布式多点测量。

Description

一种二维应变检测的柔性高温光栅应变片

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，特别涉及一种检测构件表面二维应变的柔性高温光栅应变片，其结构是用耐高温金属薄片和耐高温布拉格光纤光栅结合，以实现高温环境和复杂表面的二维应变检测。

背景技术

电阻应变片是工程结构或部件试验中应变测量的传统敏感元件。目前，应用最为广泛的是以各种应变电阻合金箔为敏感栅的金属箔式应变片，它以制作方便、价格便宜、使用简便、测量可靠的优点而广泛应用于工程结构或部件的应变测量。但是，这种以金属箔式电阻应变片为代表的电式传感器在应变测量领域有很多不足之处，例如，在进行易燃易爆场合的结构健康检测时，电类传感器中产生的电火花使得它应用时具有很大的危险性；电类传感器易受电磁干扰从而导致精度大大降低；此外，高温环境和构件表面的不平整性也大大限制了电类传感器的应用。

光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一，自从1978K.O.Hill年等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅以来，由于它具有许多独特的优点，因而在光纤传感领域取得了广泛的应用。以光纤光栅为敏感单元的传感器相比传统电类传感器有很多的优点，它有抗电磁干扰、体积小、重量轻、结构简单以及便于成网等诸多优点。事实上光纤光栅已成为目前最有前途、最具有代表性的光纤传感器件之一，它极大地拓宽了传感技术的应用范围，提高了传感器的检测精度。

传统的光纤光栅应变片是以布拉格光纤光栅作为敏感器件的，这种光纤光栅应变片相比金属箔式应变片有明显的技术优势，但是，这种光栅应变片只能在主应变方向已知的情况下进行一维轴向应变测量，不能对二维平面上的主应变方向和大小进行检测。对于某些结构，如高温压力管道，其表面应变属于二维应变，基于FBG的一维应变测量不能获得管道表面的主应力大小及方向，不能反映最大应变值，因而不能满足监测要求。

现有的光纤光栅应变片除了具有不能测量二维应变的不足外，还缺乏温度补偿的功能，同时大多传感器只适用于平面构件的应变检测，不能应用于复杂表面的二维应变测量。本发明提供了一种耐高温、具有柔性、可以进行二维应变检测并且兼具温度补偿功能的光纤光栅应变片。

发明内容

本发明的目的在于解决传统光纤光栅应变片无法进行二维应变检测的不足，提供一种能进行二维表面应变检测的器件，同时该器件具有柔性、耐高温的特点，并且具有温度补偿的功能，特别适合于高温压力管道的结构健康检测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

用于二维应变检测的光纤光栅应变片，以“十”字形或“T”字形金属薄片作为基底，由二维布局的耐高温布拉格光纤光栅、高温胶和耐高温覆盖层组成。

对于方形应变片基底，在轴向受到拉伸之后，其横向会发生一定程度的收缩，导致原本没有应变的横向光栅特征波长发生漂移，增大了测量误差，而本发明所述的“十”字形金属薄片基底即消除了这种现象，它由横向金属薄片和纵向金属薄片组成，且为中心对称图形；高温布拉格光栅A经预拉后两端固定在横向金属薄片的中心轴上，高温布拉格光栅B经预拉后两端固定在纵向金属薄片的中心轴上，高温布拉格光栅C单端自由地固定在纵向金属薄片上；所述的高温布拉格光栅A只感受横向应变，高温布拉格光栅B只感受纵向应变，而高温布拉格光栅C只感受温度的变化，用于实现温度补偿的功能；所述的高温布拉格光栅A、高温布拉格光栅B和高温布拉格光栅C之间为光串行连接，且具有不同的特征波长；高温布拉格光栅A和高温布拉格光栅B感受应变后，其反射光的特征波长发生变化，经解调仪解调可测得特征波长的变化量，由特征波长的变化量可确定待测应变的大小，此时光纤光栅应变片即可实现复杂构件表面二维应变检测兼具温度补偿的目的。

所述的金属薄片基底和耐高温覆盖层材料的热膨胀系数尽量与被测构件的热膨胀系数相同，以减小由于热胀系数差异所导致的测量误差；所述的金属薄片基底材料选择能在300℃高温下稳定工作的高温恒弹合金。

所述的“十”字形金属薄片基底为正方形，厚度为0.5mm至1.5mm，长度和宽度相等，均为3cm至5cm，且横向金属薄片和纵向金属薄片宽度相等，均为1cm至2cm；实际应用中基底的尺寸可由具体应用需要而定，但横向金属薄片宽度一般不应超过总宽度的三分之一，以消除应变片横向应变和纵向应变的相互耦合；本发明中所用“十”字形应变片尺寸已在图1中标示出。

所述的高温布拉格光栅A和高温布拉格光栅B在进行固定时，须有适当的预应力，以保证高温布拉格光栅能感受构件收缩时产生的应变。

所述的“T”字形光纤光栅应变片与“十”字形光纤光栅应变片功能基本相同，都能进行复杂构件表面的二维应变检测，且具有耐高温、柔性和温度补偿的特点，制作方法和要求与“十”字形应变片相同，优势在于，与“十”字形应变片相比，它更加适合于测量“T”字形构件或管道表面的二维应变。

实现本发明所采用的方法是选用适当的高温恒弹合金金属薄片作为基底，然后根据应力应变分析将高温布拉格光纤光栅适当预拉后用高温胶固定在金属基底之上，最后用耐高温覆盖层对整个应变片进行保护性封装。对结构构件进行应变监测时需要将待测构件表面进行打磨、清洗，然后将制作好的光纤光栅应变片用焊接或粘接工艺固定在构件表面。

本发明是一种能进行复杂构件表面二维应变检测的应变检测器件，同时具有柔性、耐高温和温度补偿的特点。本发明应变片具有灵敏度高、本质安全、重量轻、体积小、便于成网等优点。由于应变片的敏感元件为耐高温布拉格光纤光栅，所以这种应变检测器件能抗电磁干扰、成本低、耐腐蚀以及可实现准分布式多点测量。

附图说明

图1为本发明所述的“十”字形光纤光栅应变片结构示意图。

图2为本发明所述的“T”字形光纤光栅应变片结构示意图。

图3为本发明所述的用于二维复杂构件表面应变检测的系统原理图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明作进一步说明。

结合图1，本发明是一种能检测复杂构件表面二维应变的耐高温光纤光栅应变片，它是由“十”字形金属薄片基底(4)、高温布拉格光栅A(1)、高温布拉格光栅B(2)、高温布拉格光栅C(3)以及耐高温覆盖层(5)组成的；三只高温布拉格光栅通过高温胶固定在基底(4)上面，耐高温覆盖层(5)通过高温胶粘贴在三只高温布拉格光栅上面；三只高温布拉格光栅之间为光串行连接，且具有不同的特征波长；在焊接点(6)处将光纤光栅应变片固定在构件表面；其中应变片尺寸已在图1中标示出。

本发明是一种能进行复杂构件表面二维应变检测的柔性高温光纤光栅应变片，具体实施步骤如下：

步骤一：制备光纤光栅应变片

1.应变片制备

“十”字形金属薄片或“T”字形金属薄片的具体大小应根据待测构件的大小进行制作，实际尺寸和本发明所述成比例即可，然后将处理好的“十”字形或“T”字形金属薄片基底(4)平放在加工平台上，再把准备好的高温布拉格光栅如图用高温胶进行固定，固定时高温布拉格光栅A和高温布拉格光栅B应有适当的预应力，以保证应变片能感受构件收缩时产生的应变，最后将耐高温覆盖层放在布拉格光纤光栅上面用高温胶进行固定。

2.应变片检查

检查制做的光纤光栅应变片的基底和覆盖层是否平整、露在外面的光纤部分有无损伤、整个应变片是否粘贴牢固，并检查应变片的高温胶是否被挤出太多，如有多余部分应用小刀轻轻切去(外围应留有一定量的胶水，但不宜太多，一般1mm至2mm即可)，此时还应测量并记录光纤光栅应变片的特征波长，以便做误差分析。

步骤二：粘贴光纤光栅应变片

1.处理待测构件表面

采用刮刀或挫刀打磨的方式以清除待测构件表面氧化皮及污垢等松动物质，再用细砂皮纸在构件表面粘贴部位(一般应大于应变片面积3～5倍)进行打磨，或者用喷砂、电砂轮等提高构件表面的粗糙程度，然后使用脱酯棉球蘸取清洁剂，如丙酮、无水酒精或四氯化碳等溶剂清洗被测构件表面上待粘应变片处的有机污垢，直至棉球上无明显油渍为止。

2.固定光纤光栅应变片

采用焊接或粘接技术将光纤光栅应变片固定在构件表面。

步骤三：贴片后处理

将光纤光栅应变片焊接或粘接到构件表面后，最后再喷一层耐高温保护隔绝层，以隔绝光纤光栅应变片和外界空气，起到防潮防水，保护应变片的目的。

结合图2，“T”字形光纤光栅应变片，由金属薄片基底(4)、高温布拉格光栅A(1)、高温布拉格光栅B(2)、高温布拉格光栅C(3)和耐高温覆盖层(5)组成；高温布拉格光栅A(1)和高温布拉格光栅B(2)两端固定在金属薄片基底的中心轴处，分别感受横向和纵向应变，高温布拉格光栅C(3)单端自由，只感受温度变化，用以实现温度补偿功能；三只高温布拉格光栅之间为光串行连接，具有不同的特征波长；在焊接点(6)将光纤光栅应变片固定在构件表面；应变片尺寸已在图2中标示出。

结合图3，由宽带激光器(1)发出的宽带光经光纤(2)传输进入至三端口光环形器(3)的a端口，由b端口传出后再经光纤(2)传输至位于构件表面上的光纤光栅应变片(4)，实时感应构件表面应变后，光纤光栅反射光的特征波长值发生变化，反射光再经三端口光环形器(3)的b端口最后由c端口传出至解调仪(5)。由解调仪可读出与构件表面应变量成一定比例的特征波长的变化值，通过监测特征波长的变化值即可以实现间接测量构件表面应变的目的。

Claims (4)

1.一种能进行复杂构件表面二维应变检测的高温光纤光栅应变片，它是由高温恒弹合金基底、高温布拉格光栅A、高温布拉格光栅B和高温布拉格光栅C以及耐高温覆盖层组成的，其特征在于：高温恒弹合金基底为“十”字形或“T”字形，三只高温布拉格光栅用高温胶固定在基底上，并且用耐高温覆盖层加以封装保护。

2.如权利要求1所述的用于复杂构件表面二维应变检测的高温光纤光栅应变片，其特征是：金属薄片基底和覆盖层为“十”字形或“T”字形，其中，“十”字形基底尺寸：厚度为0.5mm至1.5mm，长度和宽度相等，均为3cm至5cm，且横向金属薄片和纵向金属薄片宽度相等，均为1cm至2cm；横向金属薄片宽度不超过总宽度的三分之一。

3.如权利要求1所述的用于复杂构件表面二维应变检测的高温光纤光栅应变片，其特征是：金属薄片基底材料选择能在300℃高温下稳定工作的高温恒弹合金。

4.如权利要求1所述的用于复杂构件表面二维应变检测的高温光纤光栅应变片，其特征是：高温布拉格光栅A和高温布拉格光栅B两端固定，高温布拉格光栅C单端自由。