CN112880584A - 光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器及其制备方法，所述应变传感器包括光纤、毛细管、应变传感器基底、粘接胶或焊料；光纤的一部分刻写有光纤光栅，光纤光栅位于毛细管内部，光纤光栅两端的光纤、毛细管通过粘接胶或焊料固定在应变传感器基底上，常温条件下光纤光栅受到压应力。本发明公开的光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器，减小了高温条件下光纤光栅受到的拉应力，光纤光栅不容易发生超量程断裂和脱粘。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器。
背景技术
在航空航天、军事、电力、石化等领域，高温结构的设计验证、状态监测等对耐高温应变传感器具有广泛的需求。光纤光栅应变传感器具有稳定性好、抗电磁干扰、体积小、信号易传输、易复用等优点，在高温结构的应变测试和监测中具有重要和广泛的应用。
目前，随着光纤光栅制作工艺的发展，光纤光栅本身的最高工作温度范围已扩展到≥1000℃；但是，光纤光栅在高温环境下(≥300℃)的抗拉强度保持、光纤和待测结构之间的高强度固定，仍然是高温环境下应变测试应用亟待解决的难题。
现有的耐高温光纤光栅应变传感器，通常采用无机胶粘接、镀膜、焊接或喷涂的方式，将光纤光栅和应变传感器基底或待测结构固定在一起；为了抑制光纤光栅啁啾、同时测量拉压应变，在室温条件下光纤光栅一般处于预受拉应力的状态，用于高温环境下的结构应变测量，待测结构的热膨胀会对光纤光栅施加较大的拉应力，降低了光纤光栅应变传感器量程和可靠性。
高温环境下的结构应变测试，通常为常温安装、高温测试，在高温条件下高温合金结构的热膨胀会对应变传感器施加较大的拉应力。以GH6783高温合金为例，在25℃～700℃的热膨胀系数约为13×10-6/℃，而石英材料的热膨胀系数＜1×10-6/℃；如果室温条件下将光纤光栅固定在GH6783高温合金结构上，在700℃时GH6783高温合金结构的热膨胀会对光纤光栅施加超过8000με的拉应变；常温下光纤光栅预受拉应力的应变传感器，光纤光栅容易发生超量程断裂或脱粘。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器，克服了现有的光纤光栅应变传感器在高温下光纤光栅所受拉应力大、可靠性差的难题。
本发明的技术解决方案是：一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器，能够耐受大于300℃的高温环境，该传感器包括刻有光纤光栅的光纤、毛细管、粘接胶或焊料、应变传感器基底；
光纤穿过毛细管，使得光纤刻有光纤光栅的区域位于毛细管的内部，套有毛细管的光纤固定在应变传感器基底内，常温条件下光纤光栅受到压应力。
所述毛细管的内径小于等于光纤刻有光纤光栅的区域外径的1.5倍，毛细管内表面和光纤刻有光纤光栅的区域外表面之间为空气或弹性模量≤10MPa的填充材料。
所述弹性模量≤10MPa的填充材料为硅橡胶或有机硅凝胶。
所述应变传感器基底采用与待测结构的热膨胀系数之差不超过3×10-6/℃。
光纤刻有光纤光栅的区域长度为1mm～10mm。
应变传感器基底两端一部分区域外径大于其他区域，侧面形成突起，方便与被测结构安装固定在一起。
套有毛细管的光纤通过粘接胶或焊料固定在应变传感器基底上。
本发明的另一个技术解决方案是：上述光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器的制备方法，该方法包括如下步骤：
S1、采用热膨胀系数与待测结构的热膨胀系数之差不超过3×10-6/℃的材料，制备应变传感器基底；所述应变传感器基底为空心管状结构；
S2、将刻有光纤光栅的光纤穿过毛细管，使得光纤上刻有光纤光栅的区域位于毛细管的内部，并将光纤和毛细管两端固定；
S2、对应变传感器基底施加拉力或加热，使应变传感器基底产生拉应变ε预拉；
S4、通过粘接胶或焊料将步骤S2制备的套有毛细管的光纤穿过具有拉应变的应变传感器基底，并固定在应变传感器基底空心管内部；
S5、待粘接胶或焊料固化后，撤销施加在应变传感器基底上的拉力或温度降至室温，应变传感器基底收缩对光纤光栅施加压应力，使光纤光栅产生压应变。
所述压应变大小为ε预压＝-(0.5～1)ε预拉，压应变绝对值|ε预压|≥3000με。
所述应变传感器基底内径为0.2mm～1mm。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明通过对光纤光栅预加载压应力，降低了高温下光纤光栅的拉应力，提高了高温条件下光纤光栅应变传感器的量程和可靠性。
(2)、本发明应变传感器基底和待测结构选用同一种材料，降低了应变传感器基底的应力，提高了高温条件下光纤光栅应变传感器的量程和可靠性。
(3)、本发明在光纤光栅外部包覆毛细管用于保护光纤光栅，避免光纤光栅直接受到粘接胶传递的不均匀应变，有利于提高测量精度。
(4)、本发明方法在高温环境下，应变传感器基底两端的外径或宽度增大的区域有利于提高安装固定强度。
附图说明
图1为本发明的光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器的一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明图1结构A-A的剖面示意图；
图3为本发明的光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器的另一种具体实施方式的结构示意图；
图4为本发明图3结构A-A的剖面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明公开的一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器进一步详细的说明。
本发明提供了一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器，包括光纤1、毛细管3、粘接胶或焊料4、应变传感器基底5；光纤1的一段长度区域内采用飞秒激光加工方法或化学重构方法制作有光纤光栅2，即光纤为刻有光纤光栅2的光纤1，光纤1穿过毛细管3，使得光纤刻有光纤光栅2的区域位于毛细管3的内部，在轴向上毛细管3完全覆盖光纤光栅2，套有毛细管3的光纤、毛细管3通过粘接胶或焊料4固定在应变传感器基底5，应变传感器基底5采用与待测结构相同的待测材料，当待测结构为高温合金时，应变传感器基底5采用同种牌号的高温合金，所述应变传感器基底5采用与待测结构的热膨胀系数之差不超过3×10-6/℃。常温条件下光纤光栅2受到压应力。光纤刻有光纤光栅2的区域长度为1mm～10mm。
毛细管3的内径不大于光纤光栅2的外径的1.5倍；对于外径为125μm的光纤光栅，毛细管3的内径为126μm～187μm；对于外径为80μm的光纤光栅，毛细管3的内径为81μm～120μm。毛细管3的材料为石英或高硼玻璃。
毛细管3内表面和刻有光纤光栅2的区域外表面之间为空气或弹性模量≤10MPa的填充材料，填充材料为硅橡胶或有机硅凝胶。应变传感器基底5采用和待测结构相同的材料。应变传感器基底5两端部分区域的直径或宽度大于其它部分的直径或宽度，在应变传感器基底5侧面形成突起，方便与被测结构安装固定在一起。应变传感器基底5采用和待测结构同种材料制作而成；当待测结构材料为高温合金时，应变传感器基底5采用同种牌号的高温合金；对于GH6783高温合金待测结构，应变传感器基底5采用GH6783的高温合金。
粘接胶或焊料4为磷酸盐或硅酸盐无机胶。
本发明还给出了一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器的制备方法，该方法包括如下步骤：
S1、采用热膨胀系数与待测结构的热膨胀系数之差不超过3×10-6/℃的材料，制备应变传感器基底5；所述应变传感器基底5为空心管状结构；所述应变传感器基底5内径为0.2mm～1mm。
S2、将刻有光纤光栅2的光纤1穿过毛细管3，使得光纤上刻有光纤光栅2的区域位于毛细管3的内部，并将光纤和毛细管3两端固定；
S2、对应变传感器基底5施加拉力或加热，使应变传感器基底5产生拉应变ε预拉；
S4、通过粘接胶或焊料4将步骤2制备的套有毛细管3的光纤穿过具有拉应变的应变传感器基底5，并固定在应变传感器基底5空心管内部；
S5、待粘接胶或焊料4固化后，撤销施加在应变传感器基底5上的拉力或温度降至室温，应变传感器基底5收缩对光纤光栅2施加压应力，使光纤光栅(2)产生压应变，所述压应变大小为ε预压＝-(0.5～1)ε预拉，压应变绝对值|ε预压|≥3000με。
实施例1：
应变传感器基底5的一种具体实施例如图1和图2所示，应变传感器基底5是空心圆筒状结构，应变传感器基底5两端部分区域5-1、5-2的外径大于其他区域的外径；对应变传感器基底5施加拉力，使应变传感器基底5产生拉应变ε预拉，通过粘接胶将光纤光栅2两端的部分光纤、毛细管3固定在圆筒内部；待粘接胶或焊料4固化后，撤销施加在应变传感器基底5上的拉力，并将温度降至室温，应变传感器基底5收缩对光纤光栅2施加压应力，使光纤光栅2产生压应变，压应变大小为ε预压＝-(0.5～1)ε预拉，压应变绝对值的典型值为|ε预压|≥3000με。
实施例2：
应变传感器基底5的一种具体实施例如图3和图4所示，应变传感器基底5是基片结构，应变传感器基底5两端部分区域5-1、5-2的安装面宽度大于其他区域的宽度，宽度差异≥0.5mm；对应变传感器基底5加热，使应变传感器基底5产生拉应变ε预拉，通过焊料将光纤光栅2两端的部分光纤、毛细管3固定在基片表面中心；待粘接胶或焊料4固化后，撤销施加在应变传感器基底5上的拉力，应变传感器基底5收缩对光纤光栅2施加压应力，使光纤光栅2产生压应变，压应变大小为ε预压＝-(0.5～1)ε预拉，压应变绝对值的典型值为|ε预压|≥3000με。
本发明说明书未详细公开部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (10)
1.一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器，能够耐受大于300℃的高温环境，其特征在于：包括刻有光纤光栅(2)的光纤(1)、毛细管(3)、粘接胶或焊料(4)、应变传感器基底(5)；
光纤(1)穿过毛细管(3)，使得光纤刻有光纤光栅(2)的区域位于毛细管(3)的内部，套有毛细管(3)的光纤固定在应变传感器基底(5)内，常温条件下光纤光栅(2)受到压应力。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器，其特征在于：所述毛细管(3)的内径小于等于光纤刻有光纤光栅(2)的区域外径的1.5倍，毛细管(3)内表面和光纤刻有光纤光栅(2)的区域外表面之间为空气或弹性模量≤10MPa的填充材料。
3.根据权利要求3所述的一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器，其特征在于所述弹性模量≤10MPa的填充材料为硅橡胶或有机硅凝胶。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器，其特征在于：所述应变传感器基底(5)采用与待测结构的热膨胀系数之差不超过3×10-6/℃。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器，其特征在于：光纤刻有光纤光栅(2)的区域长度为1mm～10mm。
6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器，其特征在于：应变传感器基底(5)两端一部分区域外径大于其他区域，侧面形成突起，方便与被测结构安装固定在一起。
7.根据权利要求1所述的一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器，其特征在于套有毛细管(3)的光纤通过粘接胶或焊料(4)固定在应变传感器基底(5)上。
8.权利要求1所述的一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、采用热膨胀系数与待测结构的热膨胀系数之差不超过3×10-6/℃的材料，制备应变传感器基底(5)；所述应变传感器基底(5)为空心管状结构；
S2、将刻有光纤光栅(2)的光纤(1)穿过毛细管(3)，使得光纤上刻有光纤光栅(2)的区域位于毛细管(3)的内部，并将光纤和毛细管(3)两端固定；
S2、对应变传感器基底(5)施加拉力或加热，使应变传感器基底(5)产生拉应变ε预拉；
S4、通过粘接胶或焊料(4)将步骤S2制备的套有毛细管(3)的光纤穿过具有拉应变的应变传感器基底(5)，并固定在应变传感器基底(5)空心管内部；
S5、待粘接胶或焊料(4)固化后，撤销施加在应变传感器基底(5)上的拉力或温度降至室温，应变传感器基底(5)收缩对光纤光栅(2)施加压应力，使光纤光栅(2)产生压应变。
9.权利要求1所述的一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器的制备方法，其特征在于所述压应变大小为ε预压＝-(0.5～1)ε预拉，压应变绝对值|ε预压|≥3000με。
10.权利要求1所述的一种光纤光栅预加载压应力的耐高温应变传感器的制备方法，所述应变传感器基底(5)内径为0.2mm～1mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210601 |