CN106813592A - 一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法，将光纤光栅传感器及光纤光栅温度计预埋在待测试材料中，在超低温环境下获取测量值，计算得到超低温下的材料应变ε，材料应变ε计算式为：其中n为光纤有效折射率，p_e为有效弹光系数，λ为反射波长，δλ为反射波长变化量，ΔT为温度变化，通过标定光纤光栅温度计得到，标定过程包括以下步骤：S1，将光纤光栅温度传感器置于温度可测的环境中，得到温度‑波长曲线；S2，曲线拟合，得到超低温度下的温度与波长二次关系式。与现有技术相比，本发明修正了超低温下光纤光栅的温度模型、应变模型等理论计算模型，使测试计算结果更接近超低温下的实际应变。

Description

一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法

技术领域

本发明涉及一种超低温环境下材料应变的测量方法，尤其是涉及一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法。

背景技术

超低温(低于-150℃)下混凝土的性能与常温及低温下有很大不同。超低温下混凝土的抗压、抗折强度是常温下的2～3倍。就机械性能而言，混凝土是一种极佳的超低温材料，因而被用于建造液化天然气、液化氧气等超低温液体储罐外壳。近年来，国外学者提出采用混凝土来建造液化天然气储罐内罐这一构想，这将极大的降低储罐的建造成本和施工时间，同时也将对混凝土的各项性能提出更高的要求。

光纤光栅是常温及低温下测量混凝土应变的方法，但目前光纤光栅极少应用于超低温环境，经典的光纤光栅温度计算模型、应变计算模型在超低温的温度范围内存在较大偏差，对测试结果产生很大影响。同时，在超低温极端环境下，许多常温及低温混凝土性能测试设备及方法均难以使用。例如电阻应变片是常温及低温下尝试用的测试混凝土应变的方法，但在超低温下电阻应变片失效，不能获取超低温数据。且在超低温下，光纤光栅啁啾化，信号中产生多峰现象，使得测试结果失效，不能用于混凝土等多相复合材料结构的超低温低温下测量。

现有光纤光栅计算模型如下：

光纤光栅反射波长λ＝2·n·d，n为光栅有效折射率，d为光纤光栅栅距。FBG应变传感器中心反射波长主要受弹光效应及热光效应影响，其反射波长变化分数为

其中，δλ为波长变化量，δl为光纤光栅元件长度变化量，δn为有效折射率变化量。

常温下和与温度变化量成正比，

又

α_sub为基体材料热膨胀系数，ξ为热光系数，p_e为有效弹光系数，常温下均为常数。将α_sub，ξ代入式1，有：

在常温下，式2中第一项远小于第二项，可以忽略不计，式2可以写为：

即可得到光纤光栅温度传感器计算模型

对于光纤光栅应变传感器，其光纤光栅长度变化率又代入式1，可得

即可得光纤光栅应变传感器计算模型

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用光纤光栅测量超低温混凝土应变的有效计算和实施方法，使得超低温混凝土受力状态的在线监测成为可能，以推进混凝土在超低温构筑物中的广泛使用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法，该方法通过将光纤光栅传感器及光纤光栅温度计预埋在待测试材料中，在超低温环境下获取测量值，计算得到超低温下的材料应变ε，所述的超低温度为低于-150℃的温度，材料应变ε计算式为：

其中，n为光纤有效折射率，p_e为已知的有效弹光系数，λ为由光纤光栅传感器测得的反射波长，δλ为反射波长变化量，即对应温度变化量的反射波长变化量，ΔT为由光纤光栅温度计测得的温度变化，通过标定光纤光栅温度计得到，标定过程包括以下步骤：

S1，将光纤光栅温度传感器置于温度可测的环境中，得到温度-波长曲线，温度范围下限低于-150℃；

S2，对温度-波长曲线进行拟合，得到超低温度下的温度与波长二次关系式。

所述的步骤S1中，将温度计与光纤光栅温度传感器预埋于待测试材料中，再将待测试材料置于温度逐渐变化的环境中，记录温度和波长变化数据，得到温度-波长曲线。

所述的环境为逐渐降温的环境。

所述的环境的温度变化范围为20℃～-180℃。

环境的降温速率为0.5℃/min。

所述的温度与波长二次关系式为：

λ＝aT²+bT+λ₀+c₀

其中，a、b、c₀为需要标定的值，λ₀为标称波长。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)根据超低温下温度与波长的关系，修正了超低温下光纤光栅的温度模型、应变模型等理论计算模型，使测试计算结果更接近超低温下的实际应变。

(2)标定中，先将温度计与光纤光栅温度传感器预埋于待测试材料中，再将待测试材料置于温度逐渐变化的环境中，记录温度和波长变化数据，使标定环境与测试环境相同，得到的温度-波长曲线接近测试环境下的温度-波长曲线，提高了测试准确度。

(3)在逐渐降温的环境下对光纤光栅温度传感器进行标定，可以得到更多的数据，使得标定曲线更贴近实际温度，结果更准确。

(4)环境的降温速率为0.5℃/min，可保证温度计与光纤光栅温度传感器处于同一温度环境下。

附图说明

图1为本实施例得到的超低温温度与波长关系图；

图2为本实施例多次升降温重复性验证得到的超低温温度与波长关系图；

图3为本实施例得到的多个光纤光栅温度传感器的标定曲线；

图4为本实施例测试超低温下砂浆热应变的曲线图，其中4(a)为单次冻融循环测量曲线，4(b)为多次冻融循环测量曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

在超低温下，式2中α_sub和ξ随温度变化而变化，均不为常数，常温下的温度计算模型不再通用，式(1)可变为：

笔者查阅大量文献资料中超低温范围内光纤光栅折光系数与热膨胀系数，并计算比较了超低温范围内第一项与第二项计算结果，证明在低温至超低温范围内(-40℃～-200℃)，第一项仍比第二项小两个数量级，故可以忽略，上式可以变为：

超低温下，若与ΔT有固定的一对一关系式，则光纤光栅温度传感器可以用来测量超低温下的温度。试验证明与ΔT超低温下具有良好的二次关系，且重复性良好，可以用来测量超低温度。

本发明中应变模型修正过程为：

超低温下，光纤光栅应变计测试原理与上式相同，长度变化由材料应变ε决定，即

其中，可由标定温度传感器获得，即将视为一个系数，标定可以得到温度与波长的关系式，通过式8，可得不同温度下该系数的值，p_e、λ已知，δλ为应变传感器测得，从而可以通过波长变化测得材料应变。

具体测试过程：

采用超低温校准后的T型热电偶标定光纤光栅温度传感器，得到温度与波长曲线。可将T型热电偶与光纤光栅温度传感器预埋于被测试件中同一位置，再将被测试件放于缓慢降温的超低温冰箱中，降温速率为0.5℃/min，温度范围为20℃～-180℃。

对光纤光栅温度传感器波长与温度曲线进行二次拟合，得到超低温温度与波长二次关系式(式10)，随后该温度传感器可用于超低温温度测量。对于同一厂家同一型号不同批次光纤光栅温度计，其a、b值基本相同(a值偏差小于2％，b值偏差小于0.8％)，c值与常温下波长λ₀(出厂报告已知)有关，式10可变为式11，即对于同一厂家同一型号不同批次光纤光栅温度计，经一次标定a、b、c₀值后，可用固定公式11计算。

λ＝aT²+bT+c 式10

λ＝aT²+bT+λ₀+c₀ 式11

根据光纤光栅温度传感器温度与波长关系曲线，可计算任一超低温温度下值，代入式9计算应变传感器应变测量结果。

如图1、图2所示，超低温下，波长与温度不再是线性关系，而是具有良好重复性的二次关系。通过二次拟合可以得到二次关系方程，用于计算对应温度，和任一温度下项的值。试验证明，同一厂家同一型号不同批次光纤光栅温度传感器进行一次标定即可，其中a值偏差小于2％，b值偏差小于0.8％。

如图3、图4(a)、4(b)所示，水泥基材料因为其组分的特殊性，在低温下展现出复杂的热应变。在降温过程中，从20℃～-30℃表现为冷缩，在-30℃～-50℃之间表现为膨胀，主要是因为孔隙水的结冰膨胀引起。在-50℃～-130℃表现为冷缩，-130℃前后，冷缩的斜率发生细微变化，主要是孔隙冰晶型转变所致。升温阶段在-50℃～-7℃之间出现了滞涨，主要是孔隙水融化收缩引起。多次超低温冻融循环结果显示，在冻融之后，样品中出现残余应变。

以上测试结果得到诸多细节信息，有助于对材料本身超低温性能、孔隙水结冰过程的分析与研究。以上方法的成功主要来自与对测试方法的改进和计算方法的优化处理。

Claims (6)

1.一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法，其特征在于，该方法通过将光纤光栅传感器及光纤光栅温度计预埋在待测试材料中，在超低温环境下获取测量值，计算得到超低温下的材料应变ε，所述的超低温度为低于-150℃的温度，材料应变ε计算式为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{1-p_e}(\frac{\mathrm{\δ}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}\mathrm{\Δ}T}-\frac{1}{n}\frac{dn}{dT})$

其中，n为光纤有效折射率，p_e为已知的有效弹光系数，λ为由光纤光栅传感器测得的反射波长，δλ为反射波长变化量，ΔT为由光纤光栅温度计测得的温度变化，通过标定光纤光栅温度计得到，标定过程包括以下步骤：

S1，将光纤光栅温度传感器置于温度可测的环境中，得到温度-波长曲线，温度范围下限低于-150℃；

S2，对温度-波长曲线进行拟合，得到超低温度下的温度与波长二次关系式。

2.根据权利要求1所述的一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法，其特征在于，所述的步骤S1中，将温度计与光纤光栅温度传感器预埋于待测试材料中，再将待测试材料置于温度逐渐变化的环境中，记录温度和波长变化数据，得到温度-波长曲线。

3.根据权利要求2所述的一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法，其特征在于，所述的环境为逐渐降温的环境。

4.根据权利要求2所述的一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法，其特征在于，所述的环境的温度变化范围为20℃～-180℃。

5.根据权利要求2所述的一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法，其特征在于，环境的降温速率为0.5℃/min。

6.根据权利要求1所述的一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法，其特征在于，所述的温度与波长二次关系式为：

λ＝aT²+bT+λ₀+c₀

其中，a、b、c₀为需要标定的值，λ₀为标称波长。