CN104764412B - 基于编织结构的二维应变柔性高温光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术高温环境应变检测领域，具体涉及一种基于编织结构的二维应变柔性高温光纤光栅传感器。包括利用T300碳纤维材料编织的矩形耐高温柔性基底，在基底中编织有三个长周期光纤光栅LPFG1，LPFG2，LPFG3，三者之间采用光纤连接，本征波长也各不相同。LPFG1编织于纵向方向，LPFG2编织于横向方向，LPFG3编织于纵向方向，作为温度补偿。本发明的柔性高温光纤光栅传感器具有柔性编织基底、耐300℃高温和温度补偿的特点，同时还具有本质安全、抗电磁干扰和便于构成分布式传感网络等优点，适合复杂高温构件表面的二维应变检测，是一种高温性能极佳的光纤光栅应变传感器。

Description

基于编织结构的二维应变柔性高温光纤光栅传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术高温环境应变检测领域，具体涉及一种基于编织结构的二维应变柔性高温光纤光栅传感器。

背景技术

在现代社会中，很多地方都需要利用应变传感器去测量材料结构表面的应变，从而对材料结构进行实时检测和监控，预防材料结构的安全事故，比如：高温压力管道的泄露和爆管事故，这些事故是因为容器壁高温或疲劳失效导致，其外在效应是容器表面的应变变化，该应变是非线性过程，如果能够提供高温压力管道和容器实时失效监测数据，就可以有效避免事故的发生，因此研制一种能实时检测高温构件表面应变的传感器具有十分重要的意义。

目前，应变监测主要是利用电阻应变片传感器来实现的，它以制作相对简单、价格低廉、品种多样、使用方法简单、测量性能稳定的优点而被大量应用于工程结构的应变测量中。但是，这种电式传感器在应变测量领域还存在着明显的不足之处，例如，在进行易燃易爆场合的结构实时检测和监控时，此类传感器中可能产生的电火花容易导致燃爆，使得它在应用时具有很大的危险性；传统电阻应变片传感器还易受电磁干扰导致测量结果不精确，也不利于分布式测量的实现；此外，被测结构的不平整在很大程度上也限制了电式传感器的应用。

基于无损检测理论的超声波方法和红外成像方法虽然避免了电式传感器的安全缺陷，但是应用的局限性较大。前者仅适合于高温构件的局部监测，而后者目前只能检测构件蚀坑、裂纹和气泡缺陷，都无法达到对高温构件状况实时监测的效果。

随着光纤光栅技术的发展，人们发现可以利用光纤光栅制成应变传感器。与传统电阻应变片制成的传感器相比，光纤光栅制成的应变传感器具有以下的优点：(1)抗电磁干扰，测量结果更精确；(2)可以应用到易燃易爆环境当中； (3)可以测量更大范围的应变，一般可测±3000微应变；(4)系统集成度高，对被测构件产生的干扰少；(5)多个光纤光栅可以集成在一根光纤中，实现多点准分布式监测，从而节约系统成本。现在的光纤光栅应变传感器，主要是基于光纤布拉格光栅(FBG)制成的。FBG是一种反射式信号输出的光纤器件，基于FBG的应变传感器只能用于低于200℃的工作环境，对于更高温度的环境，由于存在光栅结构的“高温擦除”现象而不能应用，此类应变传感器一般也只能进行一维轴向应变检测，不能对待测构件的二维应变进行检测，同时也不具备柔性功能。

为了解决上面的问题，本发明将采用高频二氧化碳激光写入的长周期光纤光栅(LPFG)制作高温应变传感器，因为采用高频二氧化碳激光写入的LPFG具有更好的耐高温特性，一般可达300℃以上，并且具备FBG应变传感器的所有优点。同时为了实现柔性功能，本发明采用具有良好柔性性能的耐高温T300碳纤维编织基底，柔性基底可以让传感器更好的与复杂高温构件表面贴合。综上所述，本发明将提供一种基于编织结构的可以耐300℃高温、具有柔性、可以进行二维应变检测同时具有温度补偿功能的长周期光纤光栅应变传感器。

发明内容

本发明的目的在于解决基于FBG制成的应变传感器不能适用于200℃以上高温环境，不能更好地贴合在不平整构件表面，不能进行二维应变检测的问题，提供一种基于编织结构的二维应变检测的LPFG传感器，同时该器件具有柔性、耐300℃高温和温度补偿功能的特点，可以更好贴合在构件表面，特别适合用于高温压力管道等不平整高温构件表面结构健康检测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明采用的是高频CO₂激光脉冲写入法制作的LPFG。因为，这种LPFG在激光入射方向和出射方向对弯曲最敏感，而与激光入射方向垂直的方向对弯曲最不敏感，利用二维编织方法，可以制作成弯曲不敏感的长周期光纤光栅应变传感器，以抵消编织造成的光栅弯曲影响。

基底是利用二维编织方法形成的，因此采用T300碳纤维作为编织材料。因为碳纤维不仅具有碳材料的耐高温特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维相比，弹性模量是其3倍多；与凯夫拉纤维相比，不仅弹性模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出众，在较高温度内也能保持良好的化学结构，一般在700℃以下其弹性模量基本维持不变，不会烧焦和变形，使得该材料可以被用在耐高温光纤光栅传感器保护层编织中。

采用T300碳纤维编织的柔性耐高温光纤光栅传感器结构设计：该设计中，采用T300碳纤维做编织材料，利用二维编织方法，将碳纤维编织成为一块矩形编织布。因为编织在日常生活具有很重要的应用，采用编织技术能够使得产品在保证其柔性的前提下大大提高结构的强度。因此，利用编织工艺制作的柔性基底不仅使传感器具有良好的应变传递效率，而且提高了基底材料与待测构件表面的贴合率，同时保证该传感器具有较高的机械强度，提高了不规则曲面测量性能和应变灵敏度，具体编织结构局部放大图如附图1所示。

在编织碳纤维编织布的过程中，选择合适的位置将LPFG编织于该双层编织布中。考虑到现行碳纤维编织机大都是将碳纤维材料编织成矩形，此处将T300 碳纤维编织成3cm×3cm的矩形，长周期光纤光栅距离基底边缘的距离为0.25cm，这样既能节省编织材料又能保证光纤光具有良好的应变灵敏度，光纤光栅具体的编织排列方式如附图2所示。在实际生产的时候，可以根据待测构件大小适当调整基底的大小和结构。在附图2中，包含三个LPFG，分别为LPFG1、LPFG2、 LPFG3，三者之间是光纤连接；LPFG1编织于纵向方向(横纵方向的规定如附图 2所示)，用于测量纵向应变量的大小；LPFG2编织于横向方向，用于测量横向应变量的大小；LPFG3编织于纵向方向，作为温度补偿；并且LPFG1、LPFG2、 LPFG3的光栅敏感区没有编织在基底中，消除编织时光栅弯曲带来的本征波长漂移影响，如附图3所示。若环境温度发生变化，LPFG3的本征波长也会发生相应的变化，输出信号也会有所变化，从而将LPFG3用作温度补偿，把LPFG1和 LPFG2受温度的交叉敏感性剔除掉，以实现二维应变的准确测量。

为了使测量结果更精确，在进行编织的时候还应注意：在编织时对LPFG1、 LPFG2进行适当的预拉，预拉完成后用耐高温胶将光纤光栅两端与基底材料固定，保证其能感受高温构件收缩和拉伸的双向应变；编织时注意长周期光纤光栅的放置方式，将LPFG对弯曲最不敏感的两个侧面紧贴基底法线方向编织材料 (基底平面的法线方向，如附图2所示)，避免与待测构件粘贴时由于光纤光栅弯曲而产生本征波长漂移，影响测量结果；同时为了保证LPFG3不受应变影响，传感器与待测构件粘贴的时候要注意粘贴点的选取，粘接点最好选在光纤光栅固定位置的背面对称位置，如附图2所示；LPFG1、LPFG2、LPFG3的光栅敏感区区没有编织在基底中，如附图3所示；为了保证柔性编织布在受力后的应变有效传递，在编织基底完成后，用耐高温涂布硅胶涂覆在基底表面，以固化光纤光栅与编织基底的相互位置。

当柔性高温光纤光栅应力传感器制作完成后，将其用耐高温胶粘贴在待测高温器件表面，粘贴点的位置如附图2所示，就可以对待测高温构件表面应变进行实时检测。

本发明是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传感器。该器件具有柔性编织基底、耐300℃高温和温度补偿的特点，同时还具有本质安全、便于构成分布式传感网络等优点；而且该传感器采用柔性性能优良的 T300碳纤维作为光纤光栅的基底和保护材料，大大增加了该传感器对于二维曲面应变测量的能力，是一种高温性能极佳的光纤光栅传感器。

附图说明

图1为本发明专利中的碳纤维二维编织结构局部图。

图2为本发明专利中柔性高温光纤光栅传感器结构图。

图3为本发明专利中LPFG编织方式其中一个局部放大示意图。

图4为本发明专利中所述用于高温构件表面二维应变检测的系统原理图。

具体实施方式

下面将结合附图2到附图4与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

基于编织结构的二维应变柔性高温光纤光栅传感器如图2所示，包括由T300 碳纤维编织成的基底1，该基底是正方形的，具有编织布的良好柔性，其中编织有3个LPFG，分别为LPFG1 2、LPFG2 3、LPFG3 4，三者之间是光纤连接，本征波长也各不相同。其中LPFG1 2纵向编织在基底材料中，其本征波长只受纵向应变影响，从而测得高温构件表面纵向应变大小；LPFG2 3横向编织在基底材料中，当横向方向有应变变化时，其本征波长也会发生相应的变化，根据这个变化，可以检测出横向应变的大小；LPFG3 4纵向编织于基底中，LPFG1、LPFG2、LPFG3的光栅敏感区没有编织在基底材料中，消除编织时光栅弯曲带来的本征波长漂移影响，如附图3所示，并且将LPFG3用作温度补偿，把LPFG1和LPFG2受温度的影响剔除掉，以实现二维应变的准确测量。编织所采用的T300碳纤维直径与长周期光纤光栅的直径相当，5为光信号的输入端，6为光信号的输出端。

传感器中的LPFG1、LPFG2、LPFG3对应三个不同的本征波长λ₁，λ₂，λ₃，如果待测高温构件表面产生应变时，LPFG1、LPFG2的本征波长也会发生相应的变化，此时LPFG3只感应温度变化，作为LPFG1和LPFG2的温度补偿。

如图4所示，用耐高温胶将长周期光纤光栅应变传感器粘贴于待测高温构件表面，粘贴点的位置分别为9、10、11和12，其中9、10、11也是光纤光栅预拉后与基底固定时的粘接位置，粘贴点12距离相对近的基底边缘距离为0.75cm；光纤输入端的FC头8与宽带光源13的输出端连接，光纤输出端的FC头7和信号解调与处理模块的输入端14相连，开启系统，光纤光栅信号输入信号解调和处理模块，得到待测位置的实时二维应变值，从而实现对高温构件表面应变进行在线监测。

Claims (3)

1.一种基于编织结构的二维应变柔性高温光纤光栅传感器，其特征在于：采用T300碳纤维做编织材料，编织方法为二维编织法，基底(1)是由T300碳纤维编制而成的矩形，其中编织有三个耐高温长周期光纤光栅LPFG1(2)、LPFG2(3)、LPFG3(4)，LPFG1(2)编织于纵向方向，LPFG2(3)编织于横向方向，LPFG3(4)编织于纵向方向，三者之间为光连接；耐高温长周期光纤光栅编织时的放置方式为：将LPFG1(2)、LPFG2(3)、LPFG3(4)对弯曲最不敏感的两个侧面紧贴基底法线方向编织材料；LPFG1(2)、LPFG2(3)进行了适当的预拉，LPFG1(2)、LPFG2(3)、LPFG3(4)的光栅敏感区域没有编织在基底材料中，编织完成后在表面涂覆了一层耐高温涂布硅胶。

2.根据权利要求1所述的一种基于编织结构的二维应变柔性高温光纤光栅传感器，其特征在于：T300碳纤维编织成3cm×3cm的矩形，长周期光纤光栅距离基底边缘的距离为0.25cm。

3.根据权利要求1所述的一种基于编织结构的二维应变柔性高温光纤光栅传感器，其特征在于：传感器是利用耐高温胶与待测高温构件表面进行粘接的，粘贴方式采用 四点粘接法。