光纖光柵高溫應變測量及工作溫區調控方法

劉 繄,李志強,譚躍剛,楊彩霞,管 昕,郭煜恩

(武漢理工大學 機電工程學院,湖北 武漢 430070 )

0 引言

在航空航天、核電及天然氣工業等領域,健康監測長期工作于高溫、高壓等極端環境下設備的應變和溫度等物理參數較難。由于光纖傳感器具有體積小,質量輕,成本低及抗電磁干擾等優點[1],近年來已得到了廣泛的應用。目前用于高溫下的光纖傳感技術主要有光纖光柵技術和光纖法布里-珀羅干涉儀技術。光纖法布里-珀羅干涉儀雖然耐高溫性能優異,但制作工藝復雜,一致性較差,且難以復用,應用場合受限[2]。而光纖光柵傳感器因其制作簡單,精度高和解調技術相對成熟等特點,因而應用較廣[3-4]。經調查發現,目前高溫下光纖光柵傳感器主要用于溫度測量,對應變測量應用較少。

光纖光柵傳感器極少用于高溫應變測量的原因主要有:

1) 粘接劑受溫度限制,在高溫下失效發生脫落。目前在高溫環境下一般使用高溫無機膠,因而此問題得到了有效解決。

2) 光纖光柵自身材料限制。利用光纖光柵進行應變測量時,通常利用兩點式表粘法將光纖光柵固定在待測件上,但兩者熱膨脹系數相差較大,在高溫下待測件的膨脹量遠大于光纖光柵的應變極限,這極大地限制了光纖光柵在高溫下的應用。

為了利用光纖光柵傳感器測量高溫下應變。Yun Tu等[5]開發了一種金屬封裝再生光纖布喇格光柵傳感器,可測量400 ℃下應變,但光纖光柵高溫再生后其機械性能降低,且傳感器易受溫度擾動的影響。Dirk Havermann等[6]通過熔化粉末方式將鍍鎳光纖嵌入不銹鋼361組件中,可測量400 ℃下溫度和應變,但是由于熱膨脹系數不同在高溫下易導致光纖和金屬分層,很難實現更高溫的突破。Suchandan Pal等[7]將一段稀土摻雜的光纖中寫入單個光纖布喇格光柵(FBG),可測量500 ℃下的應變,但并未突破光纖材料的限制,無法進行較大應變測量。 迄今為止,利用光纖光柵傳感器進行高溫應變測量無很大突破,亟待解決500 ℃以上的應變測量。

為實現利用光纖光柵進行500 ℃以上環境下應變測量,本文提出了一種精準冗余光纖的控制方法。此方法能夠通過預置墊片提供定量冗余光纖,在溫度上升的過程中,光纖光柵逐漸由松弛狀態變為緊張狀態,當到達特定溫度時,光纖的冗余量恰好補償待測件的熱膨脹量,光纖光柵可測量待測件產生的應變。冗余光纖通過改變墊片的數量和寬度進行精準調控,因而能夠精準調控光纖光柵傳感器的工作溫區。本文搭建了高溫應變平臺,并對冗余光纖控制方法進行了實驗驗證。

1 冗余光纖控制原理

1.1 原理

本文提出的冗余光纖控制方法如圖1所示。預置墊片使光纖產生軸向冗余量,通過光纖的粘接點距離、墊片的寬度和數量計算出光纖的冗余量。墊片材料選用雙向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)材料,熔點為170 ℃,升溫后會快速軟化,當溫度超過300 ℃時會快速降解消失,不會對高溫下應變測量精度產生影響。在升溫過程中,待測件的熱膨脹量會逐漸抵消光纖冗余量,到達計算溫度時光纖到達拉直狀態,此后待測件產生應變將通過粘接點傳遞給光纖光柵,從而實現高溫應變測量。

圖1 冗余光纖控制結構示意圖

1.2 建模分析與設計

冗余光纖控制結構如圖2所示。粘接點間光纖的長度L2為

圖2 冗余光纖控制結構尺寸圖

(1)

式中:L1為光纖光柵兩個粘接點的間距;k為墊片寬度;h為墊片厚度;n為墊片數量。

光纖光柵由常溫Tr升到溫度Ts的過程中,兩粘接點之間光纖的膨脹量ΔL為

ΔL=α1L2(Ts-Tr)

(2)

式中α1為光纖的熱膨脹系數。

兩粘接點間金屬基片的軸向膨脹量為

Δd=α2L1(Ts-Tr)

(3)

式中α2為待測件的熱膨脹系數。

若L2+ΔL=L1+Δd,則表示溫度Ts時,待測件的熱膨脹抵消光纖的冗余量,光纖光柵開始測量待測件產生的應變。

根據光纖光柵的耦合模理論,光纖光柵的中心波長為

λB=2neffΛ

(4)

式中:neff為光纖光柵的有效折射率;Λ為光柵周期。

λB的偏移由neff和Λ變化決定,而neff和Λ的變化主要受軸向應變Δε和溫度變化量ΔT的影響。溫度和應變引起的光纖光柵反射中心波長變化量為

(5)

式中:ΔT為光纖光柵所處溫度變化量;ξ為熱光系數;Δε為光纖光柵軸向應變;Pe為有效彈光系數。

由式(5)可看出,當光纖光柵受溫度影響時,中心波長的變化量由溫度變化量ΔT、光纖熱膨脹系數和熱光系數決定;當光纖光柵受應變影響時,中心波長的變化量由應變量和有效彈光系數決定。通過測量光纖光柵中心波長的漂移量實現對溫度和應變的測量。

1.3 設計方法

由式(1)～(3)可得,光纖光柵的冗余量可通過粘接點的距離、墊片的寬度和數量進行調整,從而實現在不同溫度下應變測量。在進行冗余光纖設計時,首先要明確待測件的熱膨脹系數及工作溫度,根據待測件的尺寸確定光纖粘接點的距離,然后根據待測件的熱膨脹量,確定墊片的寬度和厚度,最后通過微調某個變量對光纖的熱膨脹進行補償,從而實現冗余光纖的精準控制。

2 實驗

2.1 實驗樣品

為了驗證設計冗余光纖實現光纖光柵高溫應變測量的可行性,本文選用DZ4125鎳基合金材料的拉伸試件,通過Ncc4b-h耐高溫無機膠對光纖進行粘貼,制作了2種不同粘貼方式粘貼光纖光柵的拉伸試件(試件1、2)。由于拉伸平臺自身材料的限制,本次實驗設定的最高溫度為750 ℃。

試件1是將2個光纖光柵分別使用有、無冗余光纖的兩點式粘貼方法粘貼在拉伸試件上,如圖3(a)所示。粘貼時兩個光纖光柵粘接點的距離保持一致,且在試件的同一豎直位置,用于驗證兩點式粘貼光纖光柵的斷裂溫度和冗余光纖的可行性。

圖3 光纖光柵不同粘貼方法實物圖

試件2是將2個光纖光柵分別用單點粘貼方法和有冗余光纖的兩點式粘貼方法粘貼在拉伸試件上,如圖3(b)所示。用于驗證冗余光纖的準確性和提供冗余光纖后光纖光柵的高溫應變性能。

2.2 實驗裝置

搭建實驗裝置如圖4所示。其中高溫爐對試件進行升溫,當到達設定溫度時通過拉伸平臺對試件進行拉伸,產生應變;解調儀產生的寬帶光經過光纖傳導至光柵,光柵感受待測件的應變,反射光經過光纖返回解調儀,對中心波長進行監測,計算機對光譜數據和中心波長進行同步采集和保存。解調儀為自制儀器,內部自帶寬帶光源,其解調范圍為1 528～1 570 nm,分辨率為1 pm;高溫管式爐型號為OTF-1200X-S,最高工作溫度為1 200 ℃,控溫精度為±1 ℃。拉伸平臺為自制裝置,主要由拉伸機構和控制柜組成,通過控制柜對試件進行拉伸。

圖4 光纖光柵傳感器高溫應變特性實驗裝置

2.3 實驗步驟

1) 將試件1放入高溫爐內以10 ℃/min的速率升溫至750 ℃,實時觀察2個光柵的中心波長和光譜變化。

2) 將試件2放入高溫爐內以10 ℃/min的速率升溫至750 ℃,實時觀察2個光纖光柵中心波長的斜率變化。

3) 將試件2通過銷釘固定在高溫拉伸平臺內,高溫爐按10 ℃/min的速率勻速升溫至750 ℃后保溫,通過控制柜控制對試件進行拉伸,設定每次拉伸距離為5 μm,拉伸18次,通過解調儀和計算機實時采集,并保存光柵中心波長變化。

3 實驗結果分析

3.1 無應力實驗結果分析

根據實驗數據,獲得試件1上2個光纖光柵的中心波長隨溫度變化曲線。多次實驗表明,無冗余光纖粘貼的光纖光柵隨溫度的上升會出現兩種情況:

1) 到達某一溫度時光譜消失,無法檢測到正確中心波長。

2) 光譜正常,達到某一溫度時中心波長瞬間變小后隨溫度增大。

如圖5所示,通光后發現產生這兩種現象的原因是光纖的斷點位置不同,斷點分別在光柵的前、后側。

圖5 無冗余光纖粘貼光柵中心波長隨溫度變化

圖6為提供冗余光纖粘貼方法的光纖光柵中心波長隨溫度的變化。由圖可知,在溫度升到750 ℃的過程中,光纖光柵中心波長隨溫度升高表現出良好的線性。圖7為試件2上2個光柵中心波長隨溫度的變化。在升溫過程中,兩者的中心波長隨溫度變化曲線斜率相同,但在750 ℃后,有冗余光纖粘貼的光纖光柵中心波長隨溫度的變化曲線斜率明顯變大,單點固定光纖光柵的中心波長隨溫度變化曲線斜率不變。表明在750 ℃后單點固定光纖光柵仍只受溫度影響,有冗余光纖粘貼的光纖光柵開始同時受溫度和應變的影響,應變的影響導致曲線斜率明顯變大,說明在750 ℃時光纖冗余量恰好補償光纖自身和待測件的熱膨脹量。若此時保持溫度恒定,光纖光柵中心波長的變化即是對應待測件應變的變化,從而可以測量在此溫度下待測件的應變。

圖6 有冗余光纖粘貼光柵中心波長隨溫度變化

圖7 單點粘貼與有冗余光纖粘貼光柵中心波長隨溫度變化

由實驗結果可知,利用無冗余光纖的兩點式粘貼方法測量本文所述金屬材料待測件時,溫度最高達300 ℃。超過300 ℃后,光纖光柵只能測量微小應變或斷裂。利用本文提出的冗余光纖粘貼方法粘貼的光纖光柵在升溫過程中中心波長表現出良好的線性關系,在750 ℃下仍正常工作,通過墊片可準確控制光纖冗余量,可保證光纖光柵在一定溫度內只受溫度影響,從而提高光纖光柵的應用范圍。

3.2 拉伸實驗結果分析

在750 ℃保溫過程中拉伸實驗數據如表1所示。光纖光柵中心波長λB隨應變變化的曲線如圖8所示。由圖可看出,光柵中心波長與應變呈良好的線性關系,相關系數超過0.999,應變靈敏度為1.44 pm/με,觀察保溫過程中光譜的變化,光譜未出現退化和啁啾現象。

表1 拉伸實驗數據

圖8 中心波長隨拉伸次數變化的曲線

由上述實驗結果可知,本文提出的冗余光纖粘貼方法粘貼光纖光柵可在750 ℃下正常工作,光纖光柵中心波長的變化量可以準確反映每次拉伸的應變量。由此可以證實此方法的可行性。由于選用的墊片材料在超過300 ℃時會降解消失,在500 ℃以上高溫時不會對光纖光柵產生影響。因此,在光柵不超過溫度極限的條件下,通過理論計算可以實現采用墊片改變光纖的余量,從而調整光纖光柵應變傳感器的工作溫度范圍,使其能夠在500～1 000 ℃范圍內工作。

4 結束語

本文提出了通過預置墊片為光纖提供精準冗余量的控制方法,并搭建高溫應變實驗臺對該方法粘貼的光纖光柵進行實驗,驗證了此方法粘貼的光纖光柵在750 ℃下的應變特性,其線性相關系數超過0.999,應變靈敏度為1.44 pm/με,在實際高溫應變測量工作中,可以通過工作溫度及材料熱膨脹關系設計計算光纖冗余量,利用墊片精確控制這個冗余長度,從而提高光纖光柵應變傳感器的使用溫度范圍。該方法操作簡單,具有可重復性,實現了利用光纖光柵進行高溫應變的測量,具有良好的應用前景。