CN110044288A - 基于fbg的耐高温应变传感器 - Google Patents

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岳珠峰
李飞
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Abstract

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及基于FBG的耐高温应变传感器。该基于FBG的耐高温应变传感器可以包括陶瓷基壳、毛细玻璃管、光纤和隔热接嘴，陶瓷基壳具有第一端与第二端，陶瓷基壳设有连通所述第一端与所述第二端的通孔；毛细玻璃管固定于所述通孔内部；光纤贯穿所述毛细玻璃管且两端均凸出于所述毛细玻璃管，所述光纤上刻有II型光栅；隔热接嘴设有过孔且固定连接于所述陶瓷基壳的第一端以及第二端，所述光纤贯穿所述过孔且凸出于所述隔热接嘴。陶瓷基壳以及隔热接嘴对光纤进行第一层隔热，使得应变传感器能够在较高的温度下工作，然后毛细玻璃管进行第二层隔热，进一步的提升应变传感器的工作温度范围。

Description

基于FBG的耐高温应变传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及基于FBG的耐高温应变传感器。
背景技术
作为一种新兴的基础性光纤器件，光纤传感器不仅具有重量轻、体积小、抗电磁干扰、本质安全等优势，能大大减小检测的复杂度，可作为提高待测部件检测精准的有效途径之一。
现有技术中的基于FBG的应变传感器无法在高温环境下稳定工作，且在高温条件下容易断裂失效。
因此，有必要设计一种新的基于FBG的耐高温应变传感器。
所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术基于FBG的应变传感器无法承受高温且在高温条件下容易断裂的不足，提供一种能够承受高温，在高温条件可以正常工作的基于FBG的耐高温应变传感器。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
根据本发明的一个方面，一种基于FBG的耐高温应变传感器，包括：
陶瓷基壳，具有第一端与第二端，设有连通所述第一端与所述第二端的通孔；
毛细玻璃管，固定于所述通孔内部；
光纤，贯穿所述毛细玻璃管且两端均凸出于所述毛细玻璃管，所述光纤上刻有II型光栅；
隔热接嘴，设有过孔且固定连接于所述陶瓷基壳的第一端以及第二端，所述光纤贯穿所述过孔且凸出于所述隔热接嘴。
在本公开的一种示例性实施例中，所述陶瓷基壳包括：
陶瓷基底座，其上设置有第一弧形槽；
陶瓷基上盖，设有第一凹槽，所述陶瓷基底座嵌入所述第一凹槽，在所述第一凹槽上设有与所述第一弧形槽相适配的第二弧形槽；
所述第一弧形槽与所述第二弧形槽能够构成所述通孔。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一端与第二端之间的距离与所述毛细玻璃管的长度相同。
在本公开的一种示例性实施例中，所述毛细玻璃管为碳纤维毛细玻璃管。
在本公开的一种示例性实施例中，所述II型光栅位于所述光纤轴向方向的中间位置。
在本公开的一种示例性实施例中，所述隔热接嘴的宽度沿远离所述陶瓷基壳的方向逐渐减小。
在本公开的一种示例性实施例中，所述隔热接嘴的材料包括氧化铝复合材料。
在本公开的一种示例性实施例中，所述基于FBG的耐高温应变传感器还包括：
隔热盖，其上设置有第二凹槽，所述陶瓷基壳完全嵌入所述第二凹槽。
在本公开的一种示例性实施例中，所述隔热盖的材料包括氧化铝复合材料。
在本公开的一种示例性实施例中，所述陶瓷基壳的材料包括碳化硅复合陶瓷。
由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：
本发明基于FBG的耐高温应变传感器将刻有II型光栅的光纤插入毛细玻璃管，然后将毛细玻璃管插入陶瓷基壳上设有的通孔内，最后采用隔热接嘴对光纤进行固定，陶瓷基壳以及隔热接嘴对光纤进行第一层隔热，使得应变传感器能够在较高的温度下工作，然后毛细玻璃管进行第二层隔热，进一步的提升应变传感器的工作温度范围。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是本发明基于FBG的耐高温应变传感器的爆炸结构示意图；
图2是本发明基于FBG的耐高温应变传感器安装在待测试件的结构示意图；
图3是本发明基于FBG的耐高温应变传感器安装在待测试件时的侧视图；
图4是本发明基于FBG的耐高温应变传感器安装在待测试件时的主视图的部分。
图中主要元件附图标记说明如下：
1、陶瓷基壳；11、陶瓷基底座；111、第一弧形槽；12、陶瓷基上盖；121、第一凹槽；122、第二弧形槽；
2、毛细玻璃管；3、光纤；31、II型光栅；4、隔热接嘴；41、过孔；5、隔热盖；6、待测试件；7、粘合点。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
光纤传感器以布拉格光纤光栅(FBG，Fiber Bragg Grating)传感器应用最广，它具有基于波长解调的特性，不受光源功率及耦合损耗影响，具有良好的抗干扰特性，实现一根光纤3上对多点进行测量，目前，光纤光栅已被广泛应用于电力监测、土木工程、石油化工、医疗诊断和国防等领域。普通型光纤光栅只能工作在室温到200℃，当外界温度高于200℃，其反射光谱随着温度升高而急剧下降，当温度达到350℃，光栅就会被完全擦除。FBG在高温下具有较好的稳定性，温度、应变的传感线性度好，同时也能够对应变进行响应，是理想的高温传感材料。但是，由于高温FBG光纤3的制造工艺导致光纤3的脆性较大，容易断裂，到目前为止布拉格光纤光栅在高温领域的实际应用还是一项技术性难题。有效提高FBG传感器在高温环境中测试应变的精确度，从而减少在使用过程中发生损坏的概率，这将对结构高温检测具有重要意义。
相关技术中的应变传感器测试技术主要分为接触式和非接触式应变传感器两类，接触式传感器包括应变片、引伸计等，这类传感器具有结构简单、使用方便等优点，但是也存在难于应用于应变精准测量，并在高温情况下易出现热滞后等缺点。非接触式应变测量法主要包括全息干涉法及数字图像法等光学测量法，这类传感器可以很方便地测试结构的高温应变响应，实现应变场的实时测量，同时不会对结构应变产生干扰，但主要缺点是测试系统造价昂贵、结构集成困难，使用不便。
相关技术中的FBG传感器可以很好地兼顾接触式和非接触式传感器应变测量的优点，有效避免部分它们各自无法克服的缺点，但是在持续高温工作时其本身的性质和制造工艺还是有很大的应变测量误差，甚至造成测量失败。在持续高温作用下，光栅也会发生性质的改变，光栅位移明显，由此通过调制解调仪解析出的波长会受很大程度的影响，波长的变化是温度场和应力场共同作用的结果，且在单一测试应变时无法精确分离出温度场对光栅的影响程度，对实验结果分析造成阻碍。
本发明提供一种基于FBG的耐高温应变传感器，参照图1所示，该基于FBG的耐高温应变传感器可以包括陶瓷基壳1、毛细玻璃管2、光纤3和隔热接嘴4，陶瓷基壳1具有第一端与第二端，陶瓷基壳1设有连通所述第一端与所述第二端的通孔；毛细玻璃管2固定于所述通孔内部；光纤3贯穿所述毛细玻璃管2且两端均凸出于所述毛细玻璃管2，所述光纤3上刻有II型光栅31；隔热接嘴4设有过孔41且固定连接于所述陶瓷基壳1的第一端以及第二端，所述光纤3贯穿所述隔热接嘴且凸出于所述隔热接嘴。
陶瓷基壳1以及隔热接嘴对光纤3进行第一层隔热，使得应变传感器能够在较高的温度下工作，然后毛细玻璃管进行第二层隔热，进一步的提升应变传感器的工作温度范围。
在本示例实施方式中，参照图1所示，陶瓷基壳1具有第一端与第二端且设有连通第一端与第二端的通孔，陶瓷基壳1可以是长方体结构，通孔的中心轴线与长方体较长的一边平行设置。陶瓷基壳1可以是由陶瓷基底座11和陶瓷基上盖12构成，陶瓷基底座11为长方体结构，在与长方体较长的一边平行的方向上设置有第一弧形槽111，陶瓷基上盖12也可以是长方体结构，设有第一凹槽121，所述陶瓷基底座11嵌入所述第一凹槽121，在所述第一凹槽121内设有与所述第一弧形槽111相适配的第二弧形槽122，第二弧形槽122的中心轴线与长方体较长的一边平行，且第一弧形槽111与第二弧形槽122构成通孔，陶瓷基底座11与陶瓷基上盖12可以用耐高温胶粘合。陶瓷基上盖12也可以不设置第一凹槽121，在与长方体较长的一边平行的方向上设置有第二弧形槽122，利用耐高温胶将陶瓷基底座11与陶瓷基上盖12粘合在一起。陶瓷基壳1的材料可以是碳化硅复合陶瓷，也可以是其他耐高温陶瓷。在另一示例实施方式中，陶瓷基壳1也可以是其他形状，例如三棱柱，圆柱等。还可以根据待测试件6的不同来改变陶瓷基壳1的形状。
参照图1和图3所示，毛细玻璃管2固定于上述通孔内，可以采用少量耐高温胶将毛细玻璃管固定于通孔内部避免毛细玻璃管2掉出通孔，此处采用少量是为来防止耐高温胶的厚度使得毛细玻璃管2无法置于通孔内部。毛细玻璃管2的长度与长方体结构的陶瓷基壳1的长相同，毛细玻璃管2的外径略小于上述通孔的直径，以使得毛细比例管能够完全放入上述通孔，毛细玻璃管2可以是碳纤维毛细玻璃管2也可以是石英毛细玻璃管2，还可以是其他类型的毛细玻璃管2，在此不做具体限定。
在本示例实施方式中参照图1和图3所示，光纤3设于毛细玻璃管2内，毛细玻璃管的径向截面可以是六边形或圆形等，光纤3的直径略小于毛细比例管的内径，以使得光纤3能够插入毛细玻璃管2，光纤3贯穿毛细玻璃管2且两端均凸出于毛细玻璃管2，且在光纤3上刻有II型光栅31，II型光栅31可以刻在光纤3轴向方向上的中间位置。
在本示例实施方式中，参照图1和图2所示，隔热接嘴4的数可以为两个，隔热接嘴4连接于陶瓷基壳1的第一端以及第二端，光纤3贯穿所述隔热接嘴4且凸出于所述隔热接嘴4，隔热接嘴4的材料可以是氧化铝复合材料，也可以是其他隔热性能较好的材料，隔热接嘴4的宽度沿远离所述陶瓷基壳1的方向逐渐减小，隔热接嘴4与陶瓷基壳1可以通过耐高温胶粘合在一起，也可以是在隔热接嘴4靠近陶瓷基壳1的一侧套设于陶瓷基壳1。
在本示例实施方式中，参照图1和图4所示，本发明还可以包括隔热盖5，在隔热盖5上设置有第二凹槽，使得整个陶瓷基壳1嵌入第二凹槽，然后可以使用耐高温胶来将隔热盖5与嵌入粘盒固定。隔热盖5的材料可以是隔热接嘴4的材料可以是氧化铝复合材料，也可以是其他隔热性能较好的材料。
此时，隔热盖5首先可以抵挡部分热量，然后，陶瓷基壳1也可以阻隔部分未被隔热盖5阻挡的热量，最后有毛细玻璃管2来对光纤3进行进一步的保护，以使得本发明的应变传感器可以在高温环境下工作。
本发明所采用的耐高温胶为单组分超高温无机胶，主要成分是硅铝酸盐等耐火性陶瓷与无机聚合物。
本发明使用的是在光纤3上用先进的飞秒激光刻写的II型光栅31，在理论情况之下可以达到1000℃左右的测试温度，通过氧化铝复合材料本身良好的隔热性能对光纤3进行第一次保护，紧接着在光纤3上部施加耐高温的SiC(碳化硅)陶瓷基复合材料上下基座，一方面能固定光纤3，另一方面可以对光纤3进行第二次保护，同时，与光纤3紧密接触的碳纤维毛细玻璃管2能够对光纤3进行第三次保护，用来保护光纤3在实际拉压中受到周围摩擦等因素干扰，也能对热气流有部分阻挡作用。以上的对光纤3的三次保护能够使得II型FBG光纤3光栅能在高温环境中稳定工作。
下面来说明本发明基于FBG的耐高温应变传感器的工作原理。
光纤3传感以其反射波长随外界的拉压的变化造成形变为基础，在通过光纤3传输时利用调试解调仪进行分解，从而分析应变变化规律。
由FBG光纤3应变传感理论，有一个中心波长λB，λB与光纤3纤芯有效折射率neff和光栅周期(栅距)Λ的关系有
λB＝2neffΛ
温度和应力发生变化时，会导致中心波长偏移，中心波长的变化可以表征为：
只受温度影响时，
ΔλB1＝λB(α+ξ)ΔT
只受应力影响时，
ΔλB2＝λB(1-Pe)Δε
目
其中，Δ便是变化量，Δε表示应变变化量，Pe有效弹光系数，P1、P2为FBG材料的弹光系数，μ为FBG材料泊松比。
因此反射中心的波长偏移量为：
ΔλB＝ΔλB1+ΔλB2
对于掺锗石英光纤3，弹光系数分别为P1＝0.252，P2＝0.113，泊松比μ约为0.16，可得有效弹光系数Pe约为0.22，α＝5.5×10-7-1，ξ＝6.4×10-6-1。
在温度方面可以用温度补偿系数加以调整。
下面简单说明本发明基于FBG的耐高温应变传感器的各部件之间的安装方法。
将带有II型光栅31的光纤3用酒精洗净，避免污物残留，使其湿润易于抽动，同时将端头用剪切刀切平；将处理好的光纤3缓慢插入毛细玻璃管2内，使II型光栅31大致处于碳纤维毛细玻璃管2中心区域范围内，将插入光纤3后的毛细玻璃管2放置在陶瓷基底座11第一弧形槽111内，同时调整II型光栅31的位置，使其保持在中心区域范围内，在毛细玻璃管2下部涂抹少量耐高温胶使其固定在陶瓷基底座11上，将陶瓷基上盖12盖在陶瓷基底座11上，使第一弧形槽以及第二弧形槽对齐，与毛细玻璃管2和光纤3形成一个闭合区域，从上往下盖上氧化铝复合材料隔热盖5，在氧化铝复合材料隔热接嘴与陶瓷基底座11、陶瓷基上盖12的相交区域涂上高温胶，将光纤3分别穿过两侧氧化铝复合材料隔热接嘴4的过孔41，与此同时将两侧的氧化铝复合材料隔热接嘴与陶瓷基壳1粘接在一起。
参照图1和图4所示，在使用时，可以将本发明的基于FBG的耐高温应变传感器采用耐高温胶粘盒在待测试件6上，可以将陶瓷基壳1的四角采用耐高温胶粘合在带测试件6上，在高温胶的作用下，陶瓷基壳1与待测试件6之间不直接接触，从而减少热传递，且陶瓷基壳1的长度大于待测试件6变形核心区域的长度，宽度距离试件边缘要留有余地，一般为1mm-2mm。进一步地，判断光纤3的大致位置，使其在经历上述操作后尽可能不发生较大位移，然后，来回抽动光纤3多次，防止光纤3粘在部件上。
参照图2所示，使待测试件6与凸出隔热接嘴4的光纤3紧密粘合在一起，待测试件6与凸出隔热接嘴4的光纤3具有两个粘合点7，待测试件6与光纤3的粘合不宜过于紧绷，应当留有余地，防止待测试件6在拉升或者在测试该过程中毁坏光纤3。同时将陶瓷基壳1也采用耐高温胶粘合在待测试件6上。采用将组合好的应变传感器和待测试件6放置在加热器上，温度持续150℃，加热预处理使其凝固；将预留较长的一端光纤3通过接头与特定的调制解调仪连起来，通过光谱实时监控应变变化情况。
上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。
本说明书中使用“约”“大约”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内。在此给定的数量为大约的数量，意即在没有特定说明的情况下，仍可隐含“约”“大约”“大致”“大概”的含义。
虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“前”“后”“左”“右”等也作具有类似含义。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。
本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (10)

1.一种基于FBG的耐高温应变传感器，其特征在于，包括：
陶瓷基壳，具有第一端与第二端，设有连通所述第一端与所述第二端的通孔；
毛细玻璃管，固定于所述通孔内部；
光纤，贯穿所述毛细玻璃管且两端均凸出于所述毛细玻璃管，所述光纤上刻有II型光栅；
隔热接嘴，设有过孔且固定连接于所述陶瓷基壳的第一端以及第二端，所述光纤贯穿所述过孔且凸出于所述隔热接嘴。
2.根据权利要求1所述的基于FBG的耐高温应变传感器，其特征在于，所述陶瓷基壳包括：
陶瓷基底座，其上设置有第一弧形槽；
陶瓷基上盖，设有第一凹槽，所述陶瓷基底座嵌入所述第一凹槽，在所述第一凹槽上设有与所述第一弧形槽相适配的第二弧形槽；
所述第一弧形槽与所述第二弧形槽能够构成所述通孔。
3.根据权利要求1所述的基于FBG的耐高温应变传感器，其特征在于，所述第一端与第二端之间的距离与所述毛细玻璃管的长度相同。
4.根据权利要求1所述的基于FBG的耐高温应变传感器，其特征在于，所述毛细玻璃管为碳纤维毛细玻璃管。
5.根据权利要求1所述的基于FBG的耐高温应变传感器，其特征在于，所述II型光栅位于所述光纤轴向方向的中间位置。
6.根据权利要求1所述的基于FBG的耐高温应变传感器，其特征在于，所述隔热接嘴的宽度沿远离所述陶瓷基壳的方向逐渐减小。
7.根据权利要求1所述的基于FBG的耐高温应变传感器，其特征在于，所述隔热接嘴的材料包括氧化铝复合材料。
8.根据权利要求1所述的基于FBG的耐高温应变传感器，其特征在于，所述基于FBG的耐高温应变传感器还包括：
隔热盖，其上设置有第二凹槽，所述陶瓷基壳完全嵌入所述第二凹槽。
9.根据权利要求1所述的基于FBG的耐高温应变传感器，其特征在于，所述隔热盖的材料包括氧化铝复合材料。
10.根据权利要求1所述的基于FBG的耐高温应变传感器，其特征在于，所述陶瓷基壳的材料包括碳化硅复合陶瓷。
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