CN112344870A - 一种带温度补偿的耐高温fbg应变传感器及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带温度补偿的耐高温FBG应变传感器及其封装方法，该耐高温FBG应变传感器主要包括涂敷的光纤、高温退火的FBG、椭圆形传感结构以及封装结构。该应变传感器可取代传统监测设备对电站锅炉主蒸汽管道表面进行应变监测，具有高精度、高稳定性；该应变传感器结构紧凑、体积小，使用安装方便且大大节约了成本；该应变传感器采用耐高温材料进行封装保护，可在400℃‑600℃温度环境下依然保持较高的测量精度，且封装结构具有良好的稳定性，满足长期使用的要求；该应变传感器采用椭圆形传感结构，自动实现温度补偿效果，保证了传感器对电站锅炉主蒸汽管道表面应变的精确测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种带温度补偿的耐高温FBG应变传感器及其封装方法，属于光纤传感技术领域。
背景技术
电站锅炉是一种能量转换设备，电站锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。
随着我国电力工业的发展，对于电站锅炉主蒸汽管道的设计要求也越来越高，蒸汽管道工作的可靠性，不仅直接影响锅炉的安全运行，而且对整个热力发电系统的正常运转至关重要。主蒸汽管道的工作温度通常在400℃-500℃，在长期的高温高压条件下，主蒸汽管道表面会发生应变损伤，准确地预测主蒸汽管道的损伤以及安全运行寿命也是发电、石油化工以及核电等工程工业所普遍关心的重要问题，进行其应变实时监测以及寿命评估自然上升到了首要位置。
传统的电站锅炉主蒸汽管道应变监测设备通常包括固定装置、支撑装置、照明装置、图像采集装置等。一方面该设备体积大、重量大，对电站锅炉施加了额外的负载，且由于安装尺寸的限制对监测装置提出了很高的要求，安装成本也相对较高。另一方面，传统的监测设备监测过程效率低，稳定性、可靠性差，精度低。传统的监测设备已经无法满足人们对电站锅炉质量、稳定性、可靠性等方面不断提出的更高要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对电站锅炉主蒸汽管道表面应变测量的不稳定性和不可靠性、以及监测设备体积大、重量大、成本高的缺陷，提出一种带温度补偿的耐高温FBG应变传感器及其封装方法，实现对电站锅炉主蒸汽管道表面应变的精确测量，且体积小、重量轻，能够取代传统的监测设备，减轻电站锅炉的负载，大大节约了成本，提高监测效率，同时能够提高电站锅炉的可靠性与稳定性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种带温度补偿的耐高温FBG应变传感器，其特征在于：主要包括光纤(1)、椭圆形传感结构(2)、封装结构(3)；所述封装结构(3)内包括封装在光纤(1)上的高温退火的FBG(6)；椭圆形传感结构(2)包括一个椭圆形框体，光纤(1)两端均穿过椭圆形框体设置，光纤(1)位于椭圆形框体的短轴上且封装的FBG(6)
关于椭圆形长轴轴对称设置。
进一步的，封装结构(3)中，FBG(6)封装固定在光纤(1)上并位于石英管(5)内，石英管(5)位于椭圆形框体中；在FBG(6)两端各设置一个耐高温热缩管(4)包覆光纤(1)，各耐高温热缩管(4)的一端均置于石英管(5)内、而另一端从石英管(5)中伸出并沿椭圆形短轴穿过椭圆形框体的两侧框。
进一步的，FBG(6)两端的石英管(5)关于椭圆形长轴轴对称设置。
进一步的，光纤(1)与耐高温热缩管(4)之间用玻璃焊料固定，FBG(6)两端光纤(1)外的耐高温热缩管(4)用玻璃焊料固定在椭圆形传感结构(2)框体上；耐高温热缩管(4)与石英管(5)之间用耐高温胶(7)固定。
进一步的，椭圆形传感结构(2)沿长轴方向的两端分别往外延伸设置Y形支架。
进一步的，所述光纤(1)经过耐高温、耐腐蚀特性的树脂材料涂敷。
进一步的，所述FBG(6)是将FBG单元置于高温炉中经过高温加热并长时间保温得到的高温退火的FBG。
进一步的，所述FBG(6)是将FBG单元从室温加热到500℃，然后在500℃下保温5小时，使FBG单元反射率经过衰退后稳定在固定值，得到可耐500℃-600℃高温的FBG。
进一步的，椭圆形传感结构(2)采用65Mn钢制造。
一种上述带温度补偿的耐高温FBG应变传感器的封装方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采用耐高温、耐腐蚀特性的树脂材料涂敷光纤；
(2)将FBG单元进行高温退火，将FBG单元从室温加热到500℃，然后在500℃下保温5小时，使FBG单元反射率经过衰退后稳定在固定值；
(3)采用石英管与耐高温热缩管对光纤及FBG单元封装；
(4)将封装好的光纤与椭圆形传感结构固定得到带温度补偿的耐高温FBG应变传感器。
作为优选，所述椭圆形传感结构采用的65Mn钢制造，65Mn钢是一种弹簧钢，柔韧性好，可以很好地传递应变效果。将FBG两端光纤用玻璃焊料固定在椭圆形传感结构上，可监测电站锅炉主蒸汽管道表面的应力变化。该结构还可以自动实现温度补偿效果，当温度上升时，FBG会受温度作用影响引起FBG中心波长增大，同时，椭圆形传感结构受热膨胀致使椭圆形短轴CD端距离增大，又会引起FBG中心波长增大。此外，由于电站锅炉主蒸汽管道材料的热膨胀系数不同于椭圆形传感结构材料的热膨胀系数，则体现为椭圆形长轴AB端距离增大，力的传递导致椭圆形短轴CD端距离减小，因而导致中心波长减小。根据电站锅炉结构尺寸改变椭圆形传感结构的尺寸即可使得增大和减小的量相互抵消，从而实现温度补偿效果。
作为优选，所述涂敷的光纤是指用聚酰亚胺树脂对光纤进行涂敷，聚酰亚胺树脂具有突出的耐高温、耐腐蚀特性，且具有良好的物理力学性与工艺性，可以使光纤在高温环境下保持良好的化学性质。
作为优选，所述高温退火的FBG，是将FBG置于高温炉中经过高温加热并长时间保温过程所得到的可耐高温的FBG，具体为开始从室温加热到500℃，然后在500℃下保温5小时，使FBG反射率经过衰退后稳定在一个固定值，即可得到可耐500℃-600℃高温的FBG，使FBG应变传感器在电站锅炉主蒸汽管道表面保持良好的稳定性。
作为优选，所述封装结构采用石英管与耐高温热缩管对光纤及FBG封装，石英管主要成分是石英玻璃，其热稳定性好，热膨胀系数极小，能承受剧烈的温度变化，且耐高温可达1000℃以上，所以FBG采用石英管封装保护。耐高温热缩管则用来保护FBG两端光纤，虽然已经保证了光纤的耐高温特性，但光纤又是一种脆性材料，易折断，而耐高温热缩管高温收缩，密封性好，且具有超强的耐高温特性和超强的柔韧性，可以很好地保护两侧的光纤引线不被破坏，且需要两个耐高温热缩管，光纤与耐高温热缩管之间用玻璃焊料固定，耐高温热缩管与石英管之间用耐高温胶固定。此时，位于石英管内的FBG处于自由状态，仅受传感结构变形的影响。
有益效果：
本发明提供了一种带温度补偿的耐高温FBG应变传感器及其封装方法。具备以下有益效果：
该应变传感器可取代传统监测设备对电站锅炉主蒸汽管道表面进行应变监测，具有高精度、高稳定性。该应变传感器结构紧凑、体积小，使用安装方便且大大节约了成本；该应变传感器采用耐高温材料进行封装保护，可在400℃-600℃温度环境下依然保持较高的测量精度，且封装结构具有良好的稳定性，满足长期使用的要求。
此外，由于电站锅炉主蒸汽管道表面温度可高达500℃，故本发明采用经过高温退火处理的光纤布拉格光栅，且采用石英管与耐高温热缩管对光纤及FBG封装保护，石英管与耐高温热缩管都具有超强的耐高温特性，使FBG应变传感器在电站锅炉主蒸汽管道表面保持传感稳定性，避免了温度过高引起光纤光栅产生衰退效应的问题。
本发明采用椭圆形传感结构，自动实现温度补偿效果，保证了传感器对电站锅炉主蒸汽管道表面应变的精确测量。
FBG应变传感器体积小、重量轻，能够取代传统的监测设备，减轻电站锅炉的负载。
FBG应变传感器能够通过多点组网分布式的测量方式大大节约了成本，提高监测效率。
FBG的抗电磁干扰特性提高了电站锅炉的可靠性与稳定性。
附图说明
图1是本发明带温度补偿的耐高温FBG应变传感器的结构示意图。
图2是本发明带温度补偿的耐高温FBG应变传感器的内部构造图。
图3是本发明带温度补偿的耐高温FBG应变传感器的测量系统光路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步解释说明。
如图1所示，一种带温度补偿的耐高温FBG应变传感器，主要包括涂敷的光纤1、椭圆形传感结构2、封装结构3等。如图2所示，耐高温FBG应变传感器封装结构3，主要包括耐高温热缩管4、石英管5、高温退火的FBG 6、耐高温胶7等。
所述涂敷的光纤1，是指用聚酰亚胺树脂对光纤进行涂敷，聚酰亚胺树脂具有突出的耐高温、耐腐蚀特性，且具有良好的物理力学性与工艺性，可以使光纤在高温下保持良好的化学性质。所述高温退火的FBG 6，是将FBG置于高温炉中经过高温加热并长时间保温过程所得到的可耐高温的FBG，具体为开始从室温加热到500℃，然后在500℃下保温5小时，使FBG反射率经过衰退后稳定在一个固定值，即可得到可耐500℃-600℃高温的FBG，使FBG应变传感器在电站锅炉主蒸汽管道表面保持良好的稳定性。所述椭圆形传感结构2，采用的65Mn钢制造，65Mn钢是一种弹簧钢，柔韧性好，可以很好地传递应变效果。将FBG 6两端光纤1用玻璃焊料固定在椭圆形传感结构2上，可监测电站锅炉主蒸汽管道表面的应力变化。该结构还可以自动实现温度补偿效果，当温度上升时，FBG 6会受温度作用影响引起FBG 6中心波长增大，同时，椭圆形传感结构2受热膨胀致使CD端距离增大，又会引起FBG 6中心波长增大。此外，由于电站锅炉主蒸汽管道材料的热膨胀系数不同于椭圆形传感结构2材料的热膨胀系数，则体现为AB端距离增大，力的传递导致CD端距离减小，因而导致中心波长减小。根据电站锅炉结构尺寸改变椭圆形传感结构2的尺寸即可使得增大和减小的量相互抵消，从而实现温度补偿效果。所述封装结构3，采用石英管5与耐高温热缩管4对光纤1及FBG 6封装，石英管5主要成分是石英玻璃，其热稳定性好，热膨胀系数极小，能承受剧烈的温度变化，且耐高温可达1000℃以上，所以将FBG两端同样用玻璃焊料与石英管5固定。耐高温热缩管4则用来保护FBG两端光纤1，虽然已经保证了光纤的耐高温特性，但光纤1又是一种脆性材料，易折断，而耐高温热缩管4高温收缩，密封性好，且具有超强的耐高温特性和超强的柔韧性，可以很好地保护两侧的光纤引线不被破坏，且需要两个耐高温热缩管4。光纤1与耐高温热缩管4之间用玻璃焊料固定，耐高温热缩管4与石英管5之间用耐高温胶7固定。此时，位于石英管5内的FBG 6处于自由状态，仅受椭圆形传感结构2变形的影响。
如图3所示，是耐高温FBG应变传感器的测量系统光路示意图，FBG传感器测量系统主要有宽带光源、光隔离器、光耦合器、FBG传感解调系统和PC端等几部分组成。其中FBG传感解调系统是采用USB3.0接口与计算机连接，接插简单，传输速度高，同时监测精度高，数据刷新速度快，价格相对低廉，是一种理想的光纤光栅高速解调设备，为光纤光栅传感技术在电站锅炉上的应用研究提供的硬件支持。
本发明是一种新型耐高温FBG应变传感器，其传感过程及原理如下：
将封装保护的耐高温FBG应变传感器用玻璃焊料固定在电站锅炉主蒸汽管道表面，电站锅炉主蒸汽管道表面的应变会引起椭圆形传感结构发生变形，进而对光纤产生拉伸作用，使FBG的栅距和折射率发生改变，从而使FBG的反射和透射谱发生变化。宽带光源的光经过光隔离器、光耦合器进入传感光栅，根据光纤光纤耦合模理论，满足布拉格条件的光波λb被反射，其余波长的光被透射，有λb＝2nλ。(在方程中，λb是布拉格波长，n是光纤纤芯的有效折射率，而Λ是光栅之间的间隔长度，称为光栅周期。)反射后的光进入FBG传感解调系统，由FBG传感解调系统解调光波信号，最后将数据传入PC端，由计算机计算得到应变信息。
由于本发明的传感结构已对FBG进行了温度补偿，因此温度对FBG产生的中心波长漂移量可以忽略，从而可以排除环境温度变化带来的影响，实现对电站锅炉主蒸汽管道应变的精确监测。
Claims (10)
1.一种带温度补偿的耐高温FBG应变传感器，其特征在于：主要包括光纤(1)、椭圆形传感结构(2)、封装结构(3)；所述封装结构（3）内包括封装在光纤(1)上的高温退火的FBG（6）；椭圆形传感结构(2)包括一个椭圆形框体，光纤（1）两端均穿过椭圆形框体设置，光纤（1）位于椭圆形框体的短轴上且封装的FBG （6）关于椭圆形长轴轴对称设置。
2.根据权利要求1所述的带温度补偿的耐高温FBG应变传感器，其特征在于：封装结构(3)中，FBG （6）封装固定在光纤（1）上并位于石英管（5）内，石英管（5）位于椭圆形框体中；在FBG （6）两端各设置一个耐高温热缩管（4）包覆光纤（1），各耐高温热缩管（4）的一端均置于石英管（5）内、而另一端从石英管（5）中伸出并沿椭圆形短轴穿过椭圆形框体的两侧框。
3.根据权利要求1所述的带温度补偿的耐高温FBG应变传感器，其特征在于：FBG （6）两端的石英管（5）关于椭圆形长轴轴对称设置。
4.根据权利要求1所述的带温度补偿的耐高温FBG应变传感器，其特征在于：光纤（1）与耐高温热缩管（4）之间用玻璃焊料固定，FBG （6）两端光纤（1）外的耐高温热缩管（4）用玻璃焊料固定在椭圆形传感结构(2)框体上；耐高温热缩管（4）与石英管（5）之间用耐高温胶（7）固定。
5.根据权利要求1所述的带温度补偿的耐高温FBG应变传感器，其特征在于：椭圆形传感结构(2)沿长轴方向的两端分别往外延伸设置Y形支架。
6.根据权利要求1所述的带温度补偿的耐高温FBG应变传感器，其特征在于：所述光纤（1）经过耐高温、耐腐蚀特性的树脂材料涂敷。
7.根据权利要求1所述的带温度补偿的耐高温FBG应变传感器，其特征在于：所述FBG（6）是将FBG单元置于高温炉中经过高温加热并长时间保温得到的高温退火的FBG。
8.根据权利要求1所述的带温度补偿的耐高温FBG应变传感器，其特征在于：所述FBG（6）是将FBG单元从室温加热到500℃，然后在500℃下保温5小时，使FBG单元反射率经过衰退后稳定在固定值，得到可耐500℃-600℃高温的FBG。
9.根据权利要求1所述的带温度补偿的耐高温FBG应变传感器，其特征在于：椭圆形传感结构(2)采用65Mn钢制造。
10.一种权利要求1-9任一项所述带温度补偿的耐高温FBG应变传感器的封装方法，其特征在于包括如下步骤：
采用耐高温、耐腐蚀特性的树脂材料涂敷光纤；
将FBG单元进行高温退火，将FBG单元从室温加热到500℃，然后在500℃下保温5小时，使FBG单元反射率经过衰退后稳定在固定值；
采用石英管与耐高温热缩管对光纤及FBG单元封装；
将封装好的光纤与椭圆形传感结构固定得到带温度补偿的耐高温FBG应变传感器。
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2020
- 2020-11-02 CN CN202011202378.1A patent/CN112344870A/zh active Pending
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