CN113375898A - 一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法 - Google Patents

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彭凡
莫堃
张沛
杨霄
徐娜
张帆
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Abstract

本发明公开了一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法，首先在测试中合理选择光纤光栅布局位置，将光纤光栅粘贴于测试管外壁并进行防水处理；然后充分利用光纤光栅抗干扰能力强、分布式测量、传输损耗小等优点，用于替代传统应变片的测试，仅一根光纤即可实现十个以上测点应变的测量，结果不受外界温度干扰，具有测试成本低、安装过程简单、测试精度高、温度自补偿、测点多等优点，能为管束结构应力和疲劳寿命分析提供数据输入，能轻松实现水环境下管束结构的分布式应变测量，可替代大量应变片的使用，操作简单，测试成本低，能以较低成本实现管束结构流致振动应变的分布式准确测量，具有较高的应用推广价值。

Description

一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法
技术领域
本发明属于管束结构流致振动测试领域，具体涉及一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法。
背景技术
管束结构，一般管数量较多，在流致振动测试中所需的应变测点也多。传统测量方式，最多就是采用应变片进行测量。但是这种传统测量方式，除了应变片采购成本多，还会存在应变片安装操作繁琐，连接关系复杂，连接信号线多且乱等缺点。在安装过程中，也会耗费大量的人力物力。
而光纤光栅技术，是近期比较热门的测试技术，以其抗干扰能力强、分布式测量、远程传输信号损耗小等优点，正广泛运用于风电，交通轨道等测试领域。
因此本发明考虑在管束结构流致振动测试中，运用光纤光栅测量技术实现管束结构流致振动应变的测试需求。
发明内容
本发明提供的一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法，利用光纤光栅的特性，能够解决传统应变测试方法应变测点多，测试安装程序繁琐等问题。
本发明的技术方案如下：
一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，首先，根据力学理论，通过管束结构形式和边界条件确定管束结构应变响应水平较高的位置，一般流体进出口区域和跨距偏长管的应变响应较大，宜选为光纤光栅布置位置；
步骤二，根据选择的光纤光栅布置位置，依次在测试管的外壁粘贴光纤光栅，与信号连接线的一端连接，然后对光纤光栅进行封装；
步骤三，信号连接线的另一端通过接插件密封连接至外部测试系统；
步骤四，对管束结构进行耐水压测试，验证光纤光栅和接插件的密封效果；
步骤五，将试验的管束结构移至测试台架，连入外部水循环系统，并开始管束结构流致振动光纤光栅应变测试测试试验，其中，稳定工况下单次采集时间至少为3min，单个工况重复次数至少为5次；
步骤六，统计各测点处的应力应变数据，为管束结构中管的应力强度和疲劳寿命分析提供数据输入。
所述信号连接线设置于测试管管内，一端在光纤光栅附近通过穿线孔引出与光纤光栅连接，另一端从管束结构的端部导出，通过接插件密封连接至外部测试系统。
本发明中，采用的光纤光栅为精密元器件，灵敏度为1.2pm/με，出厂前执行严格的标定程序，粘贴时应注意不要弯折或使用外力破坏，以免造成光纤光栅波长的变化，影响应变测试结果。
因为单根光纤光栅上包括有若干个应变测点，即一根光纤光栅就可用来测量多个位置的应变，轻松实现分布式测量，适用于管束结构流致振动测试应变测点多的需求。所以，在每个光纤光栅布置位置，只需要布置一根光纤光栅。
所述光纤光栅测试方法适用于不同温度环境，可实现温度自补偿功能，无需担心测试环境温度的变化，并且经历成熟封装工艺处理的光纤光栅也可在流体冲刷环境下稳定工作。
步骤六中，所述应力应变数据用于为结构强度校核和疲劳寿命预测等提供关键数据；所述应力应变数据包括一段时间内的管不同位置的应变数据，以及不同测试流速工况下测量点的应变数据，数据处理中可选择雨留计数法统计分析应变数据，作为疲劳寿命预测的依据，也可以取峰峰值或均方根值作为统计，为管束结构强度校核提供参考。
本方法适用于形式多样的管束结构形式多样。所述管束结构可以是多根并排的直管或弯管，也可以是单根直管或弯管。
本发明的有益效果如下：
本发明将光纤光栅技术应用于管束结构流致振动测试领域，用于替代传统应变片的测试，实现水环境下管束结构的分布式应变测量，测试方法中仅一根光纤即可实现十个以上测点应变的测量，结果不受外界温度干扰，具有测试成本低、安装过程简单、测试精度高、温度自补偿、测点多等优点，能为管束结构应力和疲劳寿命分析提供数据输入。
附图说明
图1是本发明的测试流程示意图。
图2是本发明中光纤光栅的布点示意图。
图3是本发明的光纤光栅安装示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法，其步骤如下：
步骤一，首先根据管束结构形式和边界条件确定管束结构应变响应水平较高的位置，一般流体进出口区域和跨距偏长管的应变响应较大，宜选为光纤光栅布置位置，如图2所示；
步骤二，根据选择的光纤光栅布置位置，依次在测试管的外壁粘贴光纤光栅，信号连接线布置于测试管内，信号连接线的一端均从测试管管内通过穿线孔引出，与光纤光栅连接，并进行封装；
步骤三，信号连接线的另一端从管束结构的端部导出，并通过接插件密封连接至外部测试系统；
步骤四，对管束结构进行耐水压测试，验证光纤光栅和接插件的密封效果；
步骤五，将试验的管束结构移至测试台架，连入外部水循环系统，并开始管束结构流致振动光纤光栅应变测试测试试验，其中，稳定工况下单次采集时间至少为3min，单个工况重复次数至少为5次；
步骤六，统计各测点处的应力应变数据，为管束结构中管的应力强度和疲劳寿命分析提供数据输入。
本实施例中，采用的光纤光栅为精密元器件，灵敏度为1.2pm/με，出厂前执行严格的标定程序，粘贴时应注意不要弯折或使用外力破坏，以免造成光纤光栅波长的变化，影响应变测试结果。
因为单根光纤光栅上包括有若干个应变测点，即一根光纤光栅就可用来测量多个位置的应变，轻松实现分布式测量，适用于管束结构流致振动测试应变测点多的需求。所以，在每个光纤光栅布置位置，只需要布置一根光纤光栅。
光纤光栅传感器测试应变时，由于单根光纤光栅包含10个左右测点，根据实际测试需要，可适当布置其中若干个测点作为温度补偿测量点，后续数据处理中即可消除温度影响，实现温度自补偿。因此，光纤光栅测试方法适用于不同温度环境，可实现温度自补偿功能，无需担心测试环境温度的变化，并且经历成熟封装工艺处理的光纤光栅也可在流体冲刷环境下稳定工作。
步骤六中，所述应力应变数据包括包括一段时间内的管不同位置的应变数据，以及不同测试流速工况下测量点的应变数据，数据处理中可选择雨留计数法统计分析应变数据。这些数据，可以作为疲劳寿命预测的依据，也可以取峰峰值或均方根值作为统计，为管束结构强度校核提供参考。
总体来说，本发明将光纤光栅技术应用于管束结构流致振动测试领域，用于替代传统应变片的测试，实现水环境下管束结构的分布式应变测量，测试方法中仅一根光纤即可实现十个以上测点应变的测量，其耐水、绝缘，而且抗电磁干扰能力强。

Claims (7)

1.一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，首先根据管束结构形式和边界条件确定管束结构应变响应水平较高的位置，选择出光纤光栅布置位置；
步骤二，根据选择的光纤光栅布置位置，依次在测试管的外壁粘贴光纤光栅，与信号连接线的一端连接，然后对光纤光栅进行封装；
步骤三，信号连接线的另一端通过接插件密封连接至外部测试系统；
步骤四，对管束结构进行耐水压测试，验证光纤光栅和接插件的密封效果；
步骤五，将试验的管束结构移至测试台架，连入外部水循环系统，并开始管束结构流致振动光纤光栅应变测试测试试验，其中，稳定工况下单次采集时间至少为3min，单个工况重复次数至少为5次；
步骤六，统计各测点处的应力应变数据，为管束结构中管的应力强度和疲劳寿命分析提供数据输入。
2.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法，其特征在于：所述信号连接线设置于测试管管内，一端在光纤光栅附近通过穿线孔引出与光纤光栅连接，另一端从管束结构的端部导出。
3.根据权利要求2所述的一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法，其特征在于：从管束结构的端部导出的信号连接线，通过接插件密封连接至外部测试系统。
4.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法，其特征在于：所述光纤光栅的灵敏度为1.2pm/με。
5.根据权利要求1或4所述的一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法，其特征在于：在每个光纤光栅布置位置，只布置一根光纤光栅。
6.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法，其特征在于：步骤六中，所述应力应变数据用于为结构强度校核和疲劳寿命预测提供关键数据。
7.根据权利要求6所述的一种管束结构流致振动的光纤光栅测试方法，其特征在于：所述应力应变数据包括一段时间内的管不同位置的应变数据，不同测试流速工况下测量点的应变数据，数据处理中可选择雨留计数法统计分析应变数据。
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