CN106931898A - 一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法 - Google Patents

一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法，属于测试技术领域。该方法包含以下步骤：1、测试工作环境下应变测量，2、模拟环境下复现应变测量数据，3、应变值获取。本发明间接实现应变测量的原位校准，使得高温环境下应变测量数据可溯源；无需对传感器进行高温环境下的参数(如灵敏系数、热输出等)标定，可直接用于试验测试，避免了标定过程中引入误差，同时复现测试环境、被测试件状态及传感器安装，抵消了测量过程中的隐含误差源，可显著提高高温环境下应变测量的准确度。

Description

一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法，属于测试技术领域。
技术背景
工程上经常需要通过测试零件、结构的受力和工作状态，确定应力、应变、载荷等力学参数，用以解决工程结构和机械的强度刚度的问题。例如，航空发动机中的热端部件在工作过程中承受着极为严酷、复杂的热力载荷，高温会显著降低材料的强度极限和结构的承载能力，通过对热端部件进行应变测量分析，解决高温下结构的可靠性问题已成为事关航空发动机研制成败的关键。在高温环境下，试验件和应变计的材料属性发生变化，会导致应变计的灵敏度系数改变、热输出和热滞后增加，从而影响应变测量精度。因此，高温对传感器及测试数据带来诸多影响使得高温应变的测量成为测试的难点。
为此，国内外开展了很多针对高温环境下应变测量方法的研究。如，申请专利号为CN200710168994.8的专利提供了一种能准确测量高温应力应变的方法，该专利采用高温应变片进行高温环境下的应变测量，通过高温老化处理及热输出标定，得到稳定的高温应变片热输出曲线，对不同温度下的应变数据进行修正，得到应变值，进而计算应力。申请专利号为CN201310527017.8的专利提供了一种光纤光栅高温应变测试装置及其安装方法，该专利采用双光栅光纤结构，由温度参考光栅对应变传感光栅进行温度补偿，同时采用反射辐射及隔热方法，降低试验中光栅承受温度，从而提高光栅的使用温度。
综上所述，现有高温环境下的应变测量方法主要是通过温度补偿提高应变测量精度，例如采用标准装置标定得到传感器在不同温度下的应变灵敏系数、热输出及热滞后等参数曲线，用于对应变数据进行修正，从而得到应变值。但是，一方面，传感器标定引入的误差会通过应变数据的修正带入计算结果；另一方面，在高温环境下被测件材料属性的变化也会引入大量的隐含误差源，这是目前高温环境下的应变测量方法所无法解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了提高高温环境下应变测量的精度，减少高温环境下被测件材料属性变化引入的隐含误差，避免传感器标定过程中的引入误差，提出了一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法，所涉及符号的物理意义如表1所示，包含以下步骤：
表1符号物理意义表
序号 符号 物理意义
1 Xε0 光纤应变传感器在实测试验前输出信号值
2 XT0 光纤温度传感器在实测试验前输出信号值
3 Xε1 光纤应变传感器在实测环境下输出信号值
4 XT1 光纤温度传感器在实测环境下输出信号值
5 Xε2 光纤应变传感器在模拟试验前输出信号值
6 XT2 光纤温度传感器在模拟试验前输出信号值
7 Xε3 光纤应变传感器在模拟环境下输出信号值
8 XT3 光纤温度传感器在模拟环境下输出信号值
9 T0 在模拟环境下，当XT2＝XT0时，加载的温度值
10 T1 在模拟环境下，当XT3＝XT1时，加载的温度值
11 α 标准件在20～T1温度下，线膨胀系数
12 ε1 标准件在T1温度下，机械力加载产生的应变
13 εT 标准件在T1温度下，由于线膨胀产生的应变
14 ε 高温环境下应变测量值
1)测试工作环境下应变测量
a)设计被测试件试验点位置：通过试验点位置设计，保证试验过程中，光纤应变传感器和光纤温度传感器安装位置附近的温场分布均匀；
b)安装传感器到被测试件：采用标准工艺将光纤应变传感器和光纤温度传感器分别安装到被测试件试验点位置；
c)记录试验前传感器输出信号值：将光纤应变传感器和光纤温度传感器接入解调设备，通过设备操作软件设置解调参数，保证数据采集解调正常，记录传感器输出信号值分别为Xε0、XT0；
d)记录实测环境下传感器输出信号值：启动试验设备，达到试验工作条件后，记录传感器输出信号值分别为Xε1、XT1；
2)模拟环境下复现应变测量数据
a)设计加工标准件：标准件的材料及热处理工艺要与被测试件一致；
b)设计标准件上传感器安装位置：通过传感器安装位置设计，保证在模拟温度及机械力加载环境中，光纤应变传感器和光纤温度传感器安装位置附近的温场分布均匀；
c)安装传感器到标准件：采用标准工艺将光纤应变传感器和光纤温度传感器分别安装到标准件试验点位置；
d)安装标准件：将标准件安装到温度及机械力加载装置上，将光纤应变传感器和光纤温度传感器接入解调设备，通过设备操作软件设置解调参数，保证数据采集解调正常；
e)复现实测试验初始温度：启动温度加载，观察光纤温度传感器的输出信号值XT2，直至XT2＝XT0时，停止温度加载，记录此时加载温度值T0以及光纤应变传感器的输出信号值Xε2；
f)复现实测试验工作温度：继续进行温度加载，观察光纤温度传感器的输出信号值XT3，直至XT3＝XT1，停止温度加载，记录此时加载温度值T1；
g)复现实测试验加载机械力：启动机械力加载，观察光纤应变传感器的输出信号值Xε3，直至Xε3-Xε2＝Xε1-Xε0；
h)计算机械力产生的应变：通过测量标准件变形，可计算得到此时标准件由于机械力加载产生的应变ε1；
3)应变值获取
a)计算温度产生的应变：根据公式εT＝α×(T1-T0)，计算得到温度加载产生的应变；
b)计算实测试验中应变值：根据公式ε＝ε1+εT＝ε1+α×(T1-T0)，计算得到被测试件在实测试验中的应变值。
本发明的一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法，光纤应变传感器和光纤温度传感器可基于光纤光栅式传感原理，还可基于F-P干涉式传感原理。
本发明的一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法，标准件由机械力加载产生的应变可由挠度计算获得，还可由伸长/压缩长度计算获得。
有益效果
本发明对比已有技术有以下显著创新点：
1、本发明所涉及的高温环境下应变测量方法采用标准装置进行温度及机械力复现加载，间接实现应变测量的原位校准；
2、本发明所涉及的高温环境下应变测量方法复现测试环境、被测试件状态及传感器安装，可抵消测量过程中的隐含误差源。
加入上述创新点后，本发明具有如下优点：
1、间接实现应变测量的原位校准，使得高温环境下应变测量数据可溯源；
2、无需对传感器进行高温环境下的参数(如灵敏系数、热输出等)标定，可直接用于试验测试，避免了标定过程中引入误差，同时复现测试环境、被测试件状态及传感器安装，抵消了测量过程中的隐含误差源，可显著提高高温环境下应变测量的准确度。
附图说明
图1为本发明的一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法示意图；
图2为本发明的测试工作环境下应变测量的流程图；
图3为本发明的模拟环境下复现应变测量数据的流程图；
图4为本发明的应变值获取的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法，包含以下步骤：
实施例1
步骤一、测试工作环境下应变测量
1)设计被测试件试验点位置：被测试件材料为K417G，在试验件中心位置设计安装试验点；
2)安装传感器到被测试件：采用标准安装工艺将光纤光栅式应变传感器和光纤光栅式温度传感器安装到试验点位置；
3)记录试验前传感器输出信号值：将光纤光栅式应变传感器和光纤光栅式温度传感器接入解调设备，通过设备操作软件设置解调参数，保证数据采集解调正常，记录传感器输出信号值分别为Xε0、XT0；
4)记录实测环境下传感器输出信号值：将被测试件安装到热风洞试验区，启动热风洞，待其工作稳定后，记录传感器输出信号值分别为Xε1、XT1；
步骤二、模拟环境下复现应变测量数据
5)设计加工标准件：采用K417G材料设计加工标准梁，采用被测试件的热处理工艺对标准梁进行热处理；
6)设计标准件上传感器安装位置：在标准梁中心位置设计传感器安装点；
7)安装传感器到标准件：采用标准安装工艺将光纤光栅式应变传感器和光纤光栅式温度传感器安装到标准梁设计试验点位置；
8)安装标准件：将标准梁安装到具有温度加载功能的钢架梁应变加载装置，将光纤光栅式应变传感器和光纤光栅式温度传感器接入解调设备，通过设备操作软件设置解调参数，保证数据采集解调正常；
9)复现实测试验初始温度：启动温度加载，观察光纤光栅式温度传感器的输出信号值XT2，直至XT2＝XT0时，停止温度加载，记录此时加载温度值T0以及光纤光栅式应变传感器的输出信号值Xε2；
10)复现实测试验工作温度：继续进行温度加载，观察光纤光栅式温度传感器的输出信号值XT3，直至XT3＝XT1，停止温度加载，记录此时加载温度值T1；
11)复现实测试验加载机械力：启动机械力加载，观察光纤光栅式应变传感器的输出信号值Xε3，直至Xε3-Xε2＝Xε1-Xε0；
12)计算机械力产生的应变：通过激光位移传感器测量光纤光栅式应变传感器安装位置的挠度，根据挠度-应变计算公式，可得到此时标准梁由于机械力加载产生的应变ε1；
步骤三、应变值获取
13)计算温度产生的应变：根据公式εT＝α×(T1-T0)，计算得到温度加载产生的应变εT；
14)计算实测试验中应变值：根据公式ε＝ε1+εT＝ε1+α×(T1-T0)，计算得到被测试件在实测试验中的应变值ε。
实施例2
步骤一、测试工作环境下应变测量
1)设计被测试件试验点位置：被测试件材料为K417G，在试验件中心位置设计安装试验点；
2)安装传感器到被测试件：采用标准安装工艺将光纤光栅式应变传感器和光纤光栅式温度传感器安装到试验点位置；
3)记录试验前传感器输出信号值：将光纤光栅式应变传感器和光纤光栅式温度传感器接入解调设备，通过设备操作软件设置解调参数，保证数据采集解调正常，记录传感器输出信号值分别为Xε0、XT0；
4)记录实测环境下传感器输出信号值：将被测试件安装到热风洞试验区，启动热风洞，待其工作稳定后，记录传感器输出信号值分别为Xε1、XT1；
步骤二、模拟环境下复现应变测量数据
5)设计加工标准件：采用K417G材料设计加工标准拉伸件，采用被测试件的热处理工艺对标准拉伸件进行热处理；
6)设计标准件上传感器安装位置：在标准拉伸件中心位置设计传感器安装点；
7)安装传感器到标准件：采用标准安装工艺将光纤光栅式应变传感器和光纤光栅式温度传感器安装到标准拉伸件设计试验点位置；
8)安装标准件：将标准拉伸件安装到具有温度加载功能的材料拉伸试验机，将光纤光栅式应变传感器和光纤光栅式温度传感器接入解调设备，通过设备操作软件设置解调参数，保证数据采集解调正常；
9)复现实测试验初始温度：启动温度加载，观察光纤光栅式温度传感器的输出信号值XT2，直至XT2＝XT0时，停止温度加载，记录此时加载温度值T0以及光纤光栅式应变传感器的输出信号值Xε2；
10)复现实测试验工作温度：继续进行温度加载，观察光纤光栅式温度传感器的输出信号值XT3，直至XT3＝XT1，停止温度加载，记录此时加载温度值T1；
11)复现实测试验加载机械力：启动机械力加载，观察光纤光栅式应变传感器的输出信号值Xε3，直至Xε3-Xε2＝Xε1-Xε0；
12)计算机械力产生的应变：通过材料拉伸试验机获得标准拉伸件的变形，根据伸长/压缩长度-应变计算公式，可得到此时标准拉伸件由于机械力加载产生的应变ε1；
步骤三、应变值获取
13)计算温度产生的应变：根据公式εT＝α×(T1-T0)，计算得到温度加载产生的应变εT；
14)计算实测试验中应变值：根据公式ε＝ε1+εT＝ε1+α×(T1-T0)，计算得到被测试件在实测试验中的应变值ε。
实施例3
将实施例1中的光纤光栅式应变传感器和光纤光栅式温度传感器改为F-P干涉式应变传感器和F-P干涉式温度传感器，其余步骤与实施例1相同。
实施例4
将实施例2中的光纤光栅式应变传感器和光纤光栅式温度传感器改为F-P干涉式应变传感器和F-P干涉式温度传感器，其余步骤与实施例2相同。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法，其特征在于，具体包含以下步骤：
步骤一、测试工作环境下应变测量
a)设计被测试件试验点位置：通过试验点位置设计，保证试验过程中，光纤应变传感器和光纤温度传感器安装位置附近的温场分布均匀；
b)安装传感器到被测试件：采用标准工艺将光纤应变传感器和光纤温度传感器分别安装到被测试件试验点位置；
c)记录试验前传感器输出信号值：将光纤应变传感器和光纤温度传感器接入解调设备，通过设备操作软件设置解调参数，保证数据采集解调正常，记录传感器输出信号值分别为Xε0、XT0，其中Xε0为光纤应变传感器在实测试验前输出信号值，XT0为光纤温度传感器在实测试验前输出信号值；
d)记录实测环境下传感器输出信号值：启动试验设备，达到试验工作条件后，记录传感器输出信号值分别为Xε1、XT1，其中Xε1为光纤应变传感器在实测环境下输出信号值，XT1为光纤温度传感器在实测环境下输出信号值；
步骤二、模拟环境下复现应变测量数据
a)设计加工标准件：标准件的材料及热处理工艺要与被测试件一致；
b)设计标准件上传感器安装位置：通过传感器安装位置设计，保证在模拟温度及机械力加载环境中，光纤应变传感器和光纤温度传感器安装位置附近的温场分布均匀；
c)安装传感器到标准件：采用标准工艺将光纤应变传感器和光纤温度传感器分别安装到标准件试验点位置；
d)安装标准件：将标准件安装到温度及机械力加载装置上，将光纤应变传感器和光纤温度传感器接入解调设备，通过设备操作软件设置解调参数，保证数据采集解调正常；
e)复现实测试验初始温度：启动温度加载，观察光纤温度传感器的输出信号值XT2，直至XT2＝XT0时，停止温度加载，记录此时加载温度值T0以及光纤应变传感器的输出信号值Xε2，其中，Xε2为光纤应变传感器在模拟试验前输出信号值，XT2为光纤温度传感器在模拟试验前输出信号值；
f)复现实测试验工作温度：继续进行温度加载，观察光纤温度传感器的输出信号值XT3，直至XT3＝XT1，停止温度加载，记录此时加载温度值T1，其中，XT3为光纤温度传感器在模拟环境下输出信号值；
g)复现实测试验加载机械力：启动机械力加载，观察光纤应变传感器的输出信号值Xε3，直至Xε3-Xε2＝Xε1-Xε0，其中，Xε3为光纤应变传感器在模拟环境下输出信号值；
h)计算机械力产生的应变：通过测量标准件变形，可计算得到此时标准件由于机械力加载产生的应变ε1，其中，ε1为标准件在T1温度下，机械力加载产生的应变；
步骤三、应变值获取
a)计算温度产生的应变：根据公式εT＝α×(T1-T0)，计算得到温度加载产生的应变，其中，εT为标准件在T1温度下，由于线膨胀产生的应变，T1为在模拟环境下，当XT3＝XT1时，加载的温度值，T0为在模拟环境下，当XT2＝XT0时，加载的温度值；
d)计算实测试验中应变值：根据公式ε＝ε1+εT＝ε1+α×(T1-T0)，计算得到被测试件在实测试验中的应变值，其中，α为标准件在20～T1温度下，线膨胀系数，ε为高温环境下应变测量值。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法，其特征在于：所述的标准件由机械力加载产生的应变可由挠度计算获得，还可由伸长/压缩长度计算获得。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法，其特征在于：所述的光纤应变传感器和光纤温度传感器可基于光纤光栅式传感原理，还可基于F-P干涉式传感原理。
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