一種二維應變檢測的柔性高溫光柵應變片的制作方法
【專利摘要】本發明屬于光纖光柵傳感【技術領域】，涉及一種能進行復雜構件表面二維應變檢測的柔性高溫光纖光柵應變片。它是由“十”字形或“T”字形高溫恒彈合金基底、高溫布拉格光柵A、高溫布拉格光柵B和高溫布拉格光柵C以及耐高溫覆蓋層組成的；三只高溫布拉格光柵沿橫向和縱向用高溫膠固定在基底上，其中高溫布拉格光柵A和高溫布拉格光柵B兩端由高溫膠進行固定，分別測量橫向應變和縱向應變，高溫布拉格光柵C單端自由，只感受溫度變化，以實現溫度補償功能。應用時需將應變片焊接或粘接在被測構件表面。本發明的柔性高溫光纖光柵應變片能耐高溫、具有柔性、抗電磁干擾且安裝方便，適合復雜構件表面的二維應變檢測，可實現準分布式多點測量。
【專利說明】一種二維應變檢測的柔性高溫光柵應變片
【技術領域】
[0001]本發明屬于光纖光柵傳感【技術領域】，特別涉及一種檢測構件表面二維應變的柔性高溫光柵應變片，其結構是用耐高溫金屬薄片和耐高溫布拉格光纖光柵結合，以實現高溫環境和復雜表面的二維應變檢測。
【背景技術】
[0002]電阻應變片是工程結構或部件試驗中應變測量的傳統敏感元件。目前，應用最為廣泛的是以各種應變電阻合金箔為敏感柵的金屬箔式應變片，它以制作方便、價格便宜、使用簡便、測量可靠的優點而廣泛應用于工程結構或部件的應變測量。但是，這種以金屬箔式電阻應變片為代表的電式傳感器在應變測量領域有很多不足之處，例如，在進行易燃易爆場合的結構健康檢測時，電類傳感器中產生的電火花使得它應用時具有很大的危險性；電類傳感器易受電磁干擾從而導致精度大大降低；此外，高溫環境和構件表面的不平整性也大大限制了電類傳感器的應用。
[0003]光纖光柵是最近幾年發展最為迅速的光纖無源器件之一，自從1978K.0.Hill年等人首先在摻鍺光纖中采用駐波寫入法制成世界上第一只光纖光柵以來，由于它具有許多獨特的優點，因而在光纖傳感領域取得了廣泛的應用。以光纖光柵為敏感單元的傳感器相比傳統電類傳感器有很多的優點，它有抗電磁干擾、體積小、重量輕、結構簡單以及便于成網等諸多優點。事實上光纖光柵已成為目前最有前途、最具有代表性的光纖傳感器件之一，它極大地拓寬了傳感技術的應用范圍，提高了傳感器的檢測精度。
[0004]傳統的光纖光柵應變片是以布拉格光纖光柵作為敏感器件的，這種光纖光柵應變片相比金屬箔式應變片有明顯的技術優勢，但是，這種光柵應變片只能在主應變方向已知的情況下進行一維軸向應變測量，不能對二維平面上的主應變方向和大小進行檢測。對于某些結構，如高溫壓力管道，其表面應變屬于二維應變，基于FBG的一維應變測量不能獲得管道表面的主應力大小及方向，不能反映最大應變值，因而不能滿足監測要求。
[0005]現有的光纖光柵應變片除了具有不能測量二維應變的不足外，還缺乏溫度補償的功能，同時大多傳感器只適用于平面構件的應變檢測，不能應用于復雜表面的二維應變測量。本發明提供了一種耐高溫、具有柔性、可以進行二維應變檢測并且兼具溫度補償功能的光纖光柵應變片。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于解決傳統光纖光柵應變片無法進行二維應變檢測的不足，提供一種能進行二維表面應變檢測的器件，同時該器件具有柔性、耐高溫的特點，并且具有溫度補償的功能，特別適合于高溫壓力管道的結構健康檢測。
[0007]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0008]用于二維應變檢測的光纖光柵應變片，以“十”字形或“T”字形金屬薄片作為基底，由二維布局的耐高溫布拉格光纖光柵、高溫膠和耐高溫覆蓋層組成。[0009]對于方形應變片基底，在軸向受到拉伸之后，其橫向會發生一定程度的收縮，導致原本沒有應變的橫向光柵特征波長發生漂移，增大了測量誤差，而本發明所述的“十”字形金屬薄片基底即消除了這種現象，它由橫向金屬薄片和縱向金屬薄片組成，且為中心對稱圖形；高溫布拉格光柵A經預拉后兩端固定在橫向金屬薄片的中心軸上，高溫布拉格光柵B經預拉后兩端固定在縱向金屬薄片的中心軸上，高溫布拉格光柵C單端自由地固定在縱向金屬薄片上；所述的高溫布拉格光柵A只感受橫向應變，高溫布拉格光柵B只感受縱向應變，而高溫布拉格光柵C只感受溫度的變化，用于實現溫度補償的功能；所述的高溫布拉格光柵A、高溫布拉格光柵B和高溫布拉格光柵C之間為光串行連接，且具有不同的特征波長；高溫布拉格光柵A和高溫布拉格光柵B感受應變后，其反射光的特征波長發生變化，經解調儀解調可測得特征波長的變化量，由特征波長的變化量可確定待測應變的大小，此時光纖光柵應變片即可實現復雜構件表面二維應變檢測兼具溫度補償的目的。
[0010]所述的金屬薄片基底和耐高溫覆蓋層材料的熱膨脹系數盡量與被測構件的熱膨脹系數相同，以減小由于熱脹系數差異所導致的測量誤差；所述的金屬薄片基底材料選擇能在300V高溫下穩定工作的高溫恒彈合金。
[0011]所述的“十”字形金屬薄片基底為正方形,厚度為0.5mm至1.5mm,長度和寬度相等，均為3cm至5cm,且橫向金屬薄片和縱向金屬薄片寬度相等,均為Icm至2cm ;實際應用中基底的尺寸可由具體應用需要而定，但橫向金屬薄片寬度一般不應超過總寬度的三分之一，以消除應變片橫向應變和縱向應變的相互耦合；本發明中所用“十”字形應變片尺寸已在圖1中標示出。
[0012]所述的高溫布拉格光柵A和高溫布拉格光柵B在進行固定時，須有適當的預應力，以保證高溫布拉格光柵能感受構件收縮時產生的應變。
[0013]所述的“T”字形光纖光柵應變片與“十”字形光纖光柵應變片功能基本相同，都能進行復雜構件表面的二維應變檢測，且具有耐高溫、柔性和溫度補償的特點，制作方法和要求與“十”字形應變片相同，優勢在于，與“十”字形應變片相比，它更加適合于測量“T”字形構件或管道表面的二維應變。
[0014]實現本發明所采用的方法是選用適當的高溫恒彈合金金屬薄片作為基底，然后根據應力應變分析將高溫布拉格光纖光柵適當預拉后用高溫膠固定在金屬基底之上，最后用耐高溫覆蓋層對整個應變片進行保護性封裝。對結構構件進行應變監測時需要將待測構件表面進行打磨、清洗，然后將制作好的光纖光柵應變片用焊接或粘接工藝固定在構件表面。
[0015]本發明是一種能進行復雜構件表面二維應變檢測的應變檢測器件，同時具有柔性、耐高溫和溫度補償的特點。本發明應變片具有靈敏度高、本質安全、重量輕、體積小、便于成網等優點。由于應變片的敏感元件為耐高溫布拉格光纖光柵，所以這種應變檢測器件能抗電磁干擾、成本低、耐腐蝕以及可實現準分布式多點測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明所述的“十”字形光纖光柵應變片結構示意圖。
[0017]圖2為本發明所述的“T”字形光纖光柵應變片結構示意圖。
[0018]圖3為本發明所述的用于二維復雜構件表面應變檢測的系統原理圖。【具體實施方式】
[0019]下面將結合附圖，對本發明作進一步說明。
[0020]結合圖1，本發明是一種能檢測復雜構件表面二維應變的耐高溫光纖光柵應變片，它是由“十”字形金屬薄片基底(4)、高溫布拉格光柵A(I)、高溫布拉格光柵B (2)、高溫布拉格光柵C(3)以及耐高溫覆蓋層(5)組成的；三只高溫布拉格光柵通過高溫膠固定在基底(4)上面，耐高溫覆蓋層(5)通過高溫膠粘貼在三只高溫布拉格光柵上面；三只高溫布拉格光柵之間為光串行連接，且具有不同的特征波長；在焊接點(6)處將光纖光柵應變片固定在構件表面；其中應變片尺寸已在圖1中標示出。
[0021]本發明是一種能進行復雜構件表面二維應變檢測的柔性高溫光纖光柵應變片，具體實施步驟如下:
[0022]步驟一:制備光纖光柵應變片
[0023]1.應變片制備
[0024]“十”字形金屬薄片或“T”字形金屬薄片的具體大小應根據待測構件的大小進行制作，實際尺寸和本發明所述成比例即可，然后將處理好的“十”字形或“T”字形金屬薄片基底
(4)平放在加工平臺上，再把準備好的高溫布拉格光柵如圖用高溫膠進行固定，固定時高溫布拉格光柵A和高溫布拉格光柵B應有適當的預應力，以保證應變片能感受構件收縮時產生的應變，最后將耐高溫覆蓋層放在布拉格光纖光柵上面用高溫膠進行固定。
[0025]2.應變片檢查
[0026]檢查制做的光纖光柵應變片的基底和覆蓋層是否平整、露在外面的光纖部分有無損傷、整個應變片是否粘貼牢固，并檢查應變片的高溫膠是否被擠出太多，如有多余部分應用小刀輕輕切去(外圍應留有一定量的膠水，但不宜太多，一般Imm至2mm即可)，此時還應測量并記錄光纖光柵應變片的特征波長，以便做誤差分析。
[0027]步驟二:粘貼光纖光柵應變片
[0028]1.處理待測構件表面
[0029]采用刮刀或挫刀打磨的方式以清除待測構件表面氧化皮及污垢等松動物質，再用細砂皮紙在構件表面粘貼部位(一般應大于應變片面積3?5倍)進行打磨，或者用噴砂、電砂輪等提高構件表面的粗糙程度，然后使用脫酯棉球蘸取清潔劑，如丙酮、無水酒精或四氯化碳等溶劑清洗被測構件表面上待粘應變片處的有機污垢，直至棉球上無明顯油潰為止。
[0030]2.固定光纖光柵應變片
[0031]采用焊接或粘接技術將光纖光柵應變片固定在構件表面。
[0032]步驟三:貼片后處理
[0033]將光纖光柵應變片焊接或粘接到構件表面后，最后再噴一層耐高溫保護隔絕層，以隔絕光纖光柵應變片和外界空氣，起到防潮防水，保護應變片的目的。
[0034]結合圖2，“T”字形光纖光柵應變片，由金屬薄片基底(4)、高溫布拉格光柵A (I)、高溫布拉格光柵B (2)、高溫布拉格光柵C (3)和耐高溫覆蓋層(5)組成；高溫布拉格光柵A(I)和高溫布拉格光柵B(2)兩端固定在金屬薄片基底的中心軸處，分別感受橫向和縱向應變，高溫布拉格光柵C (3)單端自由，只感受溫度變化，用以實現溫度補償功能；三只高溫布拉格光柵之間為光串行連接，具有不同的特征波長；在焊接點(6)將光纖光柵應變片固定在構件表面；應變片尺寸已在圖2中標不出。
[0035]結合圖3，由寬帶激光器(I)發出的寬帶光經光纖(2)傳輸進入至三端口光環形器(3)的a端口，由b端口傳出后再經光纖(2)傳輸至位于構件表面上的光纖光柵應變片
(4),實時感應構件表面應變后，光纖光柵反射光的特征波長值發生變化，反射光再經三端口光環形器(3)的b端口最后由c端口傳出至解調儀(5)。由解調儀可讀出與構件表面應變量成一定比例的特征波長的變化值，通過監測特征波長的變化值即可以實現間接測量構件表面應變的目的。
【權利要求】
1.一種能進行復雜構件表面二維應變檢測的高溫光纖光柵應變片，它是由高溫恒彈合金基底、高溫布拉格光柵A、高溫布拉格光柵B和高溫布拉格光柵C以及耐高溫覆蓋層組成的，其特征在于:高溫恒彈合金基底為“十”字形或“T”字形，三只高溫布拉格光柵用高溫膠固定在基底上，并且用耐高溫覆蓋層加以封裝保護。
2.如權利要求1所述的用于復雜構件表面二維應變檢測的高溫光纖光柵應變片，其特征是:金屬薄片基底和覆蓋層為“十”字形或“T”字形，其中，“十”字形基底尺寸:厚度為0.5mm至1.5mm,長度和寬度相等,均為3cm至5cm,且橫向金屬薄片和縱向金屬薄片寬度相等，均為Icm至2cm ;橫向金屬薄片寬度不超過總寬度的三分之一。
3.如權利要求1所述的用于復雜構件表面二維應變檢測的高溫光纖光柵應變片，其特征是:金屬薄片基底材料選擇能在300°C高溫下穩定工作的高溫恒彈合金。
4.如權利要求1所述的用于復雜構件表面二維應變檢測的高溫光纖光柵應變片，其特征是:高溫布拉格光柵A和高溫布拉格光柵B兩端固定，高溫布拉格光柵C單端自由。
【文檔編號】G01B11/16GK103968773SQ201310040920
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年1月29日 優先權日:2013年1月29日
【發明者】劉月明, 高曉良, 蔡慶木, 吳剛, 夏忠誠 申請人:中國計量學院