CN105890534B - 一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件。所述光纤光栅传感器件包括光纤Bragg光栅、一级传递导杆、二级传递导杆、螺柱焊脚和连接杆。其中光纤光栅为普通的光纤Bragg光栅，光栅粘接固定在二级传递导杆顶端的凹槽上。一级传递导杆、二级传递导杆、螺柱焊脚和连接杆为一体化连接，连接杆的厚度为一级传递导杆的一半，以便于应变传递。本发明所述的一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件，通过对材料和结构的选取与设计，可以将高温管道外壁的应变传递到管道保温层外进行检测，并对传感器进行增敏，避免了光纤光栅在高温下工作，实现光纤光栅在常温下对高温管道外壁应变进行检测。

Description

一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件。

背景技术

大量数据结果表明，在排除高温压力管道制造先天缺陷和人为失误操作的前提下，引起管道泄漏和爆管事故的主要原因是管道材料的高温蠕变和管壁腐蚀，而无论是管道材料的高温蠕变还是管壁腐蚀，其外在效应均会造成管道外壁的明显应变，最终导致管道泄漏或爆裂。

为预防高温压力管道泄漏或爆裂事故的发生，需要对高温压力管道的外壁应变进行实时监测，而光纤布拉格(Bragg)光栅应变传感器具有响应速度快、重量轻、结构紧凑、使用灵活、成本低、不受电磁干扰、抗腐蚀等优点，这使它可以对应变进行很好的检测。

但是，光纤光栅是使用紫外激光照射光纤，在光纤纤芯区域得到纤芯折射率周期性调制的相位光栅，这种折射率周期调制效应在高温下是不稳定的，因此普通光纤光栅只能耐受200℃以下的温度环境，在温度更高的环境中使用时，纤芯内的折射率周期性调制将逐渐消失，最终导致光纤光栅被完全擦除，这种现象称为光纤光栅的高温衰退效应。该效应的存在极大限制了光纤光栅在高温场合的应用。

为避免将光纤光栅直接置于高温管道的高温环境中，本专利设计了应变导杆结构，利用应变传递机制，将高温管道外壁的应变传递到常温环境下，然后再利用普通光纤光栅进行检测，避免了光纤光栅在高温环境下工作，同时导杆结构又能够对光纤光栅应变传感器进行增敏，实现了光纤光栅在常温下对高温压力管道外壁应变的检测。

发明内容

本发明提出来一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件，能够对对应变进行传递，避免了光纤光栅在高温环境下工作，同时对光纤光栅应变传感器进行增敏。

本发明提供一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件，所述光纤光栅传感器件包括光纤Bragg光栅、一级传递导杆、二级传递导杆、螺柱焊脚和连接杆。

为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

所述的一级传递导杆、二级传递导杆、螺柱焊脚和连接杆为一体化连接，一级传递导杆和二级传递导杆以连接杆为分界点，连接杆的厚度为一级传递导杆的一半，以便于应变传递。

所述的螺柱焊脚是基于螺柱焊的技术要求制作，可用螺柱焊机将其焊接在高温压力管道外壁表面。

所述的光纤光栅为普通的光纤Bragg光栅，光栅粘接固定在二级传递导杆顶端的凹槽上，粘接时需要施加适当预拉，以保证传感器具有双向应变传感能力。

所述的一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件，其灵敏度可通过改变二级传递导杆的长度和一级传递导杆的长度之比来调节。

所述的一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件，其一级传递导杆的长度可根据实际情况定制，使高温管道外壁应变能够传递出来，而二级传递导杆的长度可根据所需灵敏度的大小进行设计，二级传递导杆的长度和一级传递导杆的长度的比值越大则灵敏度越高。

本发明所述的一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件，通过对材料和结构的选取与设计，可以将高温管道外壁的应变传递到保温层外进行检测，并对传感器进行增敏，避免了光纤光栅在高温下工作，实现光纤光栅在常温下对高温管道外壁应变进行检测。

附图说明

图1为所述的一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件示意图

图2为所述的一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件工作原理图

图3为所述的一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件在管道环向安装示意图

具体实施方式

本发明所述的一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件，包括光纤Bragg光栅(1)、一级传递导杆(2)、二级传递导杆(3)、螺柱焊脚(4)和连接杆(5)。

所述的一级传递导杆(2)、二级传递导杆(3)、螺柱焊脚(4)和连接杆(5)为一体化的金属结构，一级传递导杆(2)和二级传递导杆(3)以连接杆为分界点，而连接杆(5)的厚度为一级传递导杆(2)的一半，以便于应变传递。

所述一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件，如图1所示，为左右对称结构。

所述的一级传递导杆(2)、二级传递导杆(3)、螺柱焊脚(4)和连接杆(5)的材料宜选用与高温压力管道外壁相一致的材料，避免不同材料在外界温度变化时由于热膨胀系数差异所引起的热应力，以保证传感器的检测精度。

所述的光纤Bragg光栅(1)通过粘接固定在二级传递导杆(3)顶端的凹槽上，粘接时需要施加适当预拉，以保证传感器具有双向应变传感能力。

所述的光纤Bragg光栅(1)的栅区部分，如图1所示，位于两个二级传递导杆(3)顶端的中间部位。

所述的螺柱焊脚(4)是基于螺柱焊的技术要求制作，可通过螺柱焊将其焊接固定在高温压力管道外壁上。

根据理论力学理论，在所测应变不变的情况下，二级传递导杆(3)的长度和一级传递导杆(2)的长度的比值越大，应变放大系数越高，实际中可根据具体应用场合进行调整以取得最佳效果。

下面结合附图对本发明实例做进一步的阐述：

1.一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件工作原理

如图2所示，图中实线为承受应力前传感器件的状态，虚线为承受应力后传感器件的各部位变化。由于螺柱焊脚(4)是焊接在高温压力管道外壁表面的，当高温压力管道外壁表面发生应变时，与螺柱焊脚(4)焊接在一起的一级传递导杆(2)会受到如图2所示的向外的拉应力或向内的压应力F作用。

如图2所示，高温压力管道外壁表面发生应变时，会使螺柱焊脚(4)发生微位移，其微位移量为螺柱焊脚(4)的移动距离即图中的ab段，通过一级传递导杆(2)和二级传递导杆(3)的传递及杠杆放大作用使二级传递导杆(3)尾端的微位移量为图中的cd段，由三角形相似原理可知，cd/ab＝oc/oa，由此可以得出，微位移放大倍数为oc/oa，表现出来明显的位移放大效果，因此可以通过改变oc/oa的比值来调节位移放大倍数，进而间接控制应变灵敏系数，达到增敏的效果。同时，应变可以通过一级传递导杆(2)和二级传递导杆(3)传递出来，避免了光纤光栅在高温恶劣环境下工作，增加了传感器灵敏度。

2.光纤光栅传感器的安装与检测

图3为光纤光栅传感器件在管道环向安装示意图，包括高温压力管道外壁(6)、保温层(7)和光纤光栅传感器件，两螺柱焊脚(4)焊接在高温压力管道外壁(6)上，高温压力管道外壁(6)外面通常有一层保温层(7)，当管道发生应变时，应变会通过螺柱焊脚(4)、一级传递导杆(2)和二级传递导杆(3)传递到管道保温层(7)外的光纤光栅上，此时光纤光栅处于常温环境，将光纤光栅与解调仪相连接，通过对携有高温压力管道外壁(6)应变信息的反射波长信号进行分析，可以检测出高温压力管道外壁(6)表面所发生应变的大小。如需对高温压力管道外壁(6)轴向进行应变检测，只需改变两螺柱焊脚(4)的焊接位置，使两螺柱焊脚(4)的连线方向与管道轴向平行。

Claims (2)

1.一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件，其特征在于，所述的光纤光栅传感器件包括光纤Bragg光栅、一级传递导杆、二级传递导杆、螺柱焊脚和连接杆，其中光纤光栅为普通的光纤Bragg光栅，光栅粘接固定在二级传递导杆顶端的凹槽上，粘接时需要施加适当预拉，以保证传感器具有双向应变传感能力，而一级传递导杆、二级传递导杆、螺柱焊脚和连接杆为一体化连接，一级传递导杆和二级传递导杆以连接杆为分界点，连接杆的厚度为一级传递导杆的一半，以便于应变传递，一级传递导杆的长度可根据实际情况定制，使高温管道外壁应变能够传递出来，而二级传递导杆的长度可根据所需灵敏度的大小进行设计，二级传递导杆的长度和一级传递导杆的长度的比值越大则灵敏度越高。

2.根据权利要求1所述的一种高温压力管道外壁应变导杆光纤光栅传感器件，其特征在于，所述的器件结构可以将高温管道外壁的应变传递到保温层外进行检测，同时实现应变增敏，避免了光纤光栅在高温下工作，实现光纤光栅在常温下对高温管道外壁应变进行检测。