一種耐高溫分布式光纖應變傳感器的試驗研究

黃 俊，陳 騁，孫中元，張 禹，王 輝

（1.中國國電集團公司諫壁發(fā)電廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000）

引言

高溫壓力管道長期承受動力荷載，可能會出現(xiàn)疲勞損傷，引起管道的結構安全性降低，甚至出現(xiàn)爆管現(xiàn)象[1-2]。為了及時了解管道的受力狀況，需要對管道的應力應變進行監(jiān)測，實現(xiàn)對管道爆管事故的預警。目前，對管道應變監(jiān)測的傳感器主要是電阻式應變片和光纖傳感器[3-4]。由于光纖傳感器具有高靈敏度、高精度、良好的抗電磁干擾特性及更強的環(huán)境適應能力，受到了國內(nèi)外學者和工程師的廣泛關注[5-7]。此外，相較于電阻式應變片，光纖傳感器可實現(xiàn)分布式測量且線路集成較方便，更適用于長距離管道監(jiān)測。

光纖傳感器雖然在管道監(jiān)測領域具有很強的優(yōu)勢，但將其運用于高溫壓力管道也存在著關鍵性的技術問題。即對于普通的光纖傳感器，在250 ℃會產(chǎn)生較強的光波反射衰減，從而導致光纖傳感器測量的失真或失效[8]。目前雖然已經(jīng)有一些耐高溫應變傳感器被提出，但它們的結構形式基本都是點式的，無法實現(xiàn)管道的長距離監(jiān)測[9-10]。

為了使光纖傳感器能承受超過250 ℃的高溫且實現(xiàn)管道結構表面應變的長距離監(jiān)測，本研究基于聚酰亞胺光纖設計了一種耐高溫分布式光纖應變傳感器，通過試驗對其耐高溫性能、傳感性能及安裝工藝進行了研究。

1 耐高溫分布式光纖應變傳感器的設計

如圖1 所示，該耐高溫分布式光纖應變傳感器由聚酰亞胺光纖和鎳片組成。聚酰亞胺光纖通過聚酰亞胺膠固定在鎳片上并作為該傳感器的傳感部分；鎳片為該傳感器的基礎部分，其通過采取開孔的方式，降低自身的剛度，從而增加與結構物的協(xié)同變形能力。

圖1 耐高溫分布式光纖應變傳感器結構示意

2 耐高溫分布式光纖應變傳感器的性能測試

2.1 試驗平臺的搭建

高溫性能測試裝置見圖2(a)。該裝置由拉伸臺、加熱臺、溫度燮制器、萬分表和OSI-S 分布式光纖傳感儀（簡稱OFDR）組成。拉伸臺用來調(diào)整拉伸的位移；加熱臺用來對耐高溫分布式光纖應變傳感器加熱；溫度燮制器用來調(diào)整加熱臺的溫度；萬分表用來測量實際拉伸的位移；OFDR 用來測試聚酰亞胺光纖的應變。鑒于封裝完成的耐高溫分布式光纖應變傳感器在純拉伸時，鎳基片會產(chǎn)生不均勻的變形，因此選取了1 m僅完成固定端封裝的樣品用于測試，見圖2(b)。為測試耐高溫分布式光纖應變傳感器的傳感性能，設計的試驗裝置見圖3。該試驗裝置由等強度梁、砝碼、裸線、耐高溫分布式光纖應變傳感器、砝碼、萬分表和OFDR組成。裸線與耐高溫分布式光纖應變傳感器沿等強度梁軸向?qū)ΨQ布置并通過引線串聯(lián)，其中耐高溫分布式光纖應變傳感器被分為三段，它們分別是點焊+環(huán)氧樹脂段、分隔段與點焊段，分隔段未采取任何固定；砝碼用來對等強度梁施加荷載；萬分表用來測量等強度梁的撓度。

圖2 耐高溫分布式光纖應變傳感器耐高溫性能試驗裝置示意

圖3 耐高溫分布式光纖應變傳感器傳感性能及安裝工藝裝置示意

2.2 計算原理

對于拉伸臺拉伸試驗，拉伸應變的理論值可通過公式（1）計算。

式中：△L 為拉伸臺位移量；L 為測試樣品的原始長度。

對于等強度梁試驗，其計算原理見圖4。

圖4 等強度梁計算原理

基于等強度梁的特性，即等強度梁上下表面任意點，由荷載P 作用產(chǎn)生的應變均相等。則任意一點的應變ε(x)可表示為：

于是，可通過萬分表測量等強度梁的撓度y(x)，從而得到等強度梁的理論計算值。

2.3 試驗結果分析

圖5 展示了耐高溫分布式光纖應變傳感器在300 ℃高溫下加熱不同時長的應變位移曲線。圖中顯示，耐高溫分布式光纖應變傳感器加熱8 h 后的應變位移曲線與加熱0 h 相比無明顯差異，均有較高的線性度。將耐高溫分布式光纖應變傳感器不同位移下的平均應變記錄見表1，其中理論值可通過公式（1）計算。表中顯示，耐高溫分布式高溫應變傳感器加熱0 h與加熱8 h 的測試值與理論值的最大誤差分別為-0.82%和-0.42%。這一現(xiàn)象說明，耐高溫分布式光纖應變傳感器加熱8 h 后未產(chǎn)生滑移，依然可以保持良好的應變傳遞性能，即其可以承受300 ℃的高溫。

表1 耐高溫分布式光纖應變傳感器在不同位移下測試值

圖5 300 ℃下加熱前后的應變位移曲線

圖6 展示了耐高溫分布式光纖應變傳感器與裸纖的荷載應變曲線。圖中顯示，與裸纖的應變測試曲線相比，耐高溫分布式光纖應變傳感器兩種固定方式的應變測試曲線無明顯差異，均比較光滑且波動較小。這一現(xiàn)象說明，點焊與點焊+環(huán)氧樹脂的固定方式均可以使耐高溫分布式光纖應變傳感器達到較好的傳感性能。將裸纖與耐高溫分布式光纖應變傳感器的測試結果的均值記錄見表2。從表中可以得出，耐高溫分布式光纖應變傳感器與理論計算值的最大誤差為1.66%。這一結果說明，耐高溫分布式光纖應變傳感器具有良好的傳感性能。

表2 不同荷載下應變均值

圖6 荷載應變曲線

3 結論

本研究提出了一種采用變剛度設計的耐高溫分布式光纖應變傳感器，通過試驗研究了該傳感器的耐高溫性能和傳感性能。試驗結果表明，該傳感器可以承受300 ℃的高溫，并具有良好的傳感性能，與理論計算值的誤差最大僅為1.66%，可實現(xiàn)高溫高壓管道的長距離應變監(jiān)測。此外對耐高溫分布式光纖應變傳感器的現(xiàn)場安裝工藝進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)點焊與點焊+環(huán)氧樹脂的方式均可以實現(xiàn)較好的傳感性能。