CN104406616B - 高温光纤传感器热力耦合实验测试装置 - Google Patents

高温光纤传感器热力耦合实验测试装置 Download PDF

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Abstract

一种高温光纤传感器热力耦合实验测试装置，包括高温夹具组件、试验结构组件、粘结平台和实验台，在实验台上高温夹具组件夹持试验结构组件与粘结平台在同一水平面上。本发明能为高温光纤传感器提供贴近真实工况的高温热环境，同时建立了热环境温度的测量方法和控制方法，本发明还能分别对试验件平行和垂直于光纤传感器的方向施加约束力。

Description

高温光纤传感器热力耦合实验测试装置
技术背景：
飞行器的工作环境往往是极端恶劣的，所以要求飞行器的外部结构材料必须拥有优异的防热承力性能，超高温陶瓷、高温合金等耐高温材料因其在高温环境下的优越性能在航天航空领域中被广泛应用，但在高温条件下其材料的结构温度响应测试手段却相对有限。高温光纤光栅传感器具有抗电磁干扰能力强、尺寸小、耐腐蚀性好、复用能力强、传输距离远等优点，因此在结构健康监测领域中的应用相当广泛。
高温光纤传感器存在很多优点不容置疑，但也存在着退火段脆弱封装困难等缺点，在高温光纤传感器应用航天领域之前，我们必须进行大量的实验去探索高温光纤的特性和模拟真实工况下的测试方法。为了客观真实的评价典型热防护材料的热力耦合性能，因此发明了高温光纤传感器热力耦合实验测试装置。
发明内容：
本发明针对高温光纤传感器，发明了一种高温光纤传感器热力耦合实验测试装置。
本发明产生的有益效果：
本发明能为高温光纤传感器提供贴近真实工况的高温热环境，同时建立了热环境温度的测量方法和控制方法，本发明还能分别对试验件平行和垂直于光纤传感器的方向施加约束力，同时建立了边界压力值的测量方法和控制方法。已知的温度数据和已知的边界约束力数据不但能为数值仿真提供准确的边界条件，还能为模拟真实工况下的高温光纤传感器响应测试提供客观依据和理论基础。
本发明所述一种高温光纤传感器热力耦合实验测试装置，包括高温夹具组件、试验结构组件、粘结平台和实验台，其特征在于：在实验台上高温夹具组件夹持试验结构组件与粘结平台在同一水平面上，
所述高温夹具组件由U型槽101、丝杆102、第一隔热材料103、第二隔热材料106和可移动结构105得到，U型槽101一端有丝杆102穿过，丝杆102与可移动结构105连接在一起为一体结构，可移动结构105与U型槽101另一端组成紧固结构；紧固结构内侧壁垂直丝杆方向设有两块第一隔热材料103，紧固结构下侧平行于丝杆方向设有第二隔热材料106；两块第一隔热材料103组成了高温夹具；U型槽101另一端上部开有压力传感器通孔104；第二隔热材料106中心位置开有高能量激光束射入孔107；
所述试验结构组件由高温光纤传感器201、试验件202和热电偶测温装置接入结构203组成，试验件202上放置高温光纤传感器201，高温粘结剂204将高温光纤传感器201粘结于试验件202上，高温光纤传感器201两侧设有热电偶测温装置接入结构203；
所述粘结平台放置于实验台上且分别置于高温夹具组件两侧，试验件202与粘结平台301保持在同一水平面上；
所述实验台由台面和支撑结构组成，实验台中心位置设有激光射入孔402，激光射入孔402与高能量激光束射入孔107直径相等，实验台401下部支撑结构固定有H型激光加热器支架404，激光加热器支架404中心位置开有与激光射入孔402垂直的激光加热器装配孔403，用于固定激光加热器，从而使高能量激光束射入孔107、激光射入孔402和激光加热器装配孔403在同一条直线上。
所述U型槽101是钢制结构加工出来的凹槽。
所述第一隔热材料和第二隔热材料为刚玉。
所述试验件202为热防护材料。
所述热防护材料为碳/碳复合材料，陶瓷复合材料。
高温光纤传感器热力耦合实验测试装置的测试方法，包括如下步骤：第一步，将高温光纤传感器(201)接入光纤信号解调仪，热电偶接入数据采集器，启动高能量激光加热器通过激光束射入孔(107)照射试验件(202)底部。第二步，通过光纤信号解调仪采集应变与温度耦合作用产生的波长信号，通过热电偶实时监测采集试验件(202)表面的温度。第三步，通过数据解耦方法进行应变响应数据及温度响应数据解耦，同时获得试验件(202)热力耦合条件下的实时温度与应变。
附图说明：
图1是本发明中试验件高温夹具的示意图；
图2是本发明中试验件与高温光纤传感器粘接示意图；
图3是本发明中高温夹具与试验件组装示意图；
图4是本发明中压力传感器示意图；
图5是本发明中高温夹具与压力传感器组装示意图；
图6是本发明中光纤传感器粘结平台的示意图；
图7是本发明中高温夹具、试验件与粘结平台组装的示意图；
图8是本发明中高温光纤传感器实验台示意图；
图9是本发明中试验件夹持装置与实验台组装示意图；
图10是本发明中激光加热器示意图；
图11是高温光纤传感器热力耦合实验测试装置整体示意图；
具体实施方式：
本发明的实现方式是这样的，通过可调节的夹持装置和压力传感器灵活的结合，能分别在试验件的两个方向施加已知大小的压力，并通过高能量激光设备为试验件提供热环境，通过在试验件表面粘结热电偶来监测表面的温度响应，这个实验装置为试验件提供了已知的热力耦合场，为高温光纤传感器提供了典型热力耦合的测量环境。
下面结合附图对本发明的实施方式做具体的描述：
图1给出了试验件高温夹具的示意图，U型槽101是钢制结构加工出来的凹槽，U型槽一端有丝杆102穿过，丝杆102与可移动结构105连接在一起为一体结构，可移动结构105与U型槽101另一端组成紧固结构，可以根据试验件的不同尺寸，通过调节丝杆102进行夹持的调节。紧固结构内侧壁垂直丝杆方向设有两块第一隔热材料103，紧固结构下侧平行于丝杆方向设有第二隔热材料106，第一隔热材料和第二隔热材料可以是刚玉，防止高温试验件损毁夹具和实验台。两块第一隔热材料103组成了高温夹具。U型槽101另一端上部开有压力传感器通孔104，其用于压力传感器的连接装配孔。第二隔热材料106中心位置开有高能量激光束射入孔107，用于对试验件进行高温加热。操作时，通过丝杆102的平移来调整紧固结构的尺寸。
图2给出了试验件与高温光纤传感器粘接示意图，试验件202上放置高温光纤传感器201，高温粘结剂204将高温光纤传感器201粘结于试验件202上，高温光纤传感器201两侧设有热电偶测温装置接入结构203。试验件202为热防护材料制成的。
图3给出了高温夹具与试验件组装示意图，试验件202与高温光纤传感器201通过高温粘结剂粘结，高温夹具与粘结后的试验件202组装在一起，试验件202和高温夹具有两种组装方式，一种是高温夹具的夹持方向与高温光纤传感器201方向垂直，另一种是高温夹具的夹持方向与高温光纤传感器201方向平行，图3中显示了高温夹具的夹持方向与高温光纤传感器201方向垂直。这两种夹持方向，为试验件提供了两种不同的约束力方向。
图4给出了压力传感器示意图，高温夹具对试验件两个方向的夹持，都可以通过压力传感器601准确的测量出试验件夹持端的约束力。
图5给出了高温夹具与压力传感器组装示意图，通过高温夹具上压力传感器通孔104与压力传感器601装配在一起，这样就能为热力耦合实验提供已知可调节的约束力。
图6给出了光纤传感器粘结平台的示意图，因为高温光纤传感器抗剪能力差，为了防止高温光纤因为弯折发生破坏，制作了两个高度相同的粘结平台301，粘结平台301分别置于高温夹具组件两侧。
图7给出了高温夹具、试验件与粘结平台组装的示意图，基于对光纤传感器抗剪能力的考虑，基本保证试验件202与粘结平台301保持在同一水平面上。
图8给出了高温光纤传感器实验台示意图，为了给高能量激光束创造出足够的操作空间，有利于激光加热器的固定和夹持，所以制作了实验台401，实验台由台面和支撑结构组成，实验台中心位置设有激光射入孔402，激光射入孔402与高能量激光束射入孔107直径相等，实验台401下部支撑结构固定有H型激光加热器支架404，激光加热器支架404中心位置开有与激光射入孔402垂直的激光加热器装配孔403，用于固定激光加热器，从而使高能量激光束射入孔107、激光射入孔402和激光加热器装配孔403在同一条直线上。
图9给出了试验件夹持装置与实验台组装示意图，高温夹具、试验件202、高温光纤传感器204和粘结平台301组成了试验件的夹持装置，为了保证热力耦合实验具有稳定的实验环境，所以将试验件的夹持装置固定在实验台上。
图10给出了激光加热器示意图，501结构是激光加热器的镜头，502结构是加热器的保护结构，503结构是激光的传输电缆。激光加热器能为高温光纤传感器的测量实验提供2000摄氏度以下的环境温度。
图11给出了高温光纤传感器热力耦合实验测试装置整体示意图，能更直观的了解实验装置的作用原理和外部形貌。
该装置的测试方法为：高温光纤传感器热力耦合实验测试装置的测试方法，包括如下步骤：第一步，将高温光纤传感器(201)接入光纤信号解调仪，热电偶接入数据采集器，启动高能量激光加热器通过激光束射入孔(107)照射试验件(202)底部。第二步，通过光纤信号解调仪采集应变与温度耦合作用产生的波长信号，通过热电偶实时监测采集试验件(202)表面的温度。第三步，通过数据解耦方法进行应变响应数据及温度响应数据解耦，同时获得试验件(202)热力耦合条件下的实时温度与应变。

Claims (6)

1.一种高温光纤传感器热力耦合实验测试装置，包括高温夹具组件、试验结构组件、粘结平台和实验台，其特征在于：在实验台上高温夹具组件夹持试验结构组件与粘结平台在同一水平面上，
所述高温夹具组件由U型槽(101)、丝杆(102)、第一隔热材料(103)、第二隔热材料(106)和可移动结构(105)得到，U型槽(101)一端有丝杆(102)穿过，丝杆(102)与可移动结构(105)连接在一起为一体结构，可移动结构(105)与U型槽(101)另一端组成紧固结构；紧固结构内侧壁垂直丝杆方向设有两块第一隔热材料(103)，紧固结构下侧平行于丝杆方向设有第二隔热材料(106)；两块第一隔热材料(103)组成了高温夹具；U型槽(101)另一端上部开有压力传感器通孔(104)；第二隔热材料(106)中心位置开有高能量激光束射入孔(107)；
所述试验结构组件由高温光纤传感器(201)、试验件(202)和热电偶测温装置接入结构(203)组成，试验件(202)上放置高温光纤传感器(201)，高温粘结剂(204)将高温光纤传感器(201)粘结于试验件(202)上，高温光纤传感器(201)两侧设有热电偶测温装置接入结构(203)；
所述粘结平台放置于实验台上且分别置于高温夹具组件两侧，试验件(202)与粘结平台(301)保持在同一水平面上；
所述实验台由台面和支撑结构组成，实验台中心位置设有激光射入孔(402)，激光射入孔(402)与高能量激光束射入孔(107)直径相等，实验台(401)下部支撑结构固定有H型激光加热器支架(404)，激光加热器支架(404)中心位置开有与激光射入孔(402)垂直的激光加热器装配孔(403)，用于固定激光加热器，从而使高能量激光束射入孔(107)、激光射入孔(402)和激光加热器装配孔(403)在同一条直线上。
2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述U型槽(101)是钢制结构加工出来的凹槽。
3.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述第一隔热材料和第二隔热材料为刚玉。
4.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述试验件(202)为热防护材料。
5.如权利要求4所述的测试装置，其特征在于：所述热防护材料为碳/碳复合材料，陶瓷复合材料。
6.如权利要求1所述的高温光纤传感器热力耦合实验测试装置的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，将高温光纤传感器(201)接入光纤信号解调仪，热电偶接入数据采集器，启动高能量激光加热器通过激光束射入孔(107)照射试验件(202)底部；
第二步，通过光纤信号解调仪采集应变与温度耦合作用产生的波长信号，通过热电偶实时监测采集试验件(202)表面的温度；
第三步，通过数据解耦方法进行应变响应数据及温度响应数据解耦，同时获得试验件(202)热力耦合条件下的实时温度与应变。
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