一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖光柵傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器，適合于對高溫壓力管道等各種高溫構(gòu)件表面進行應(yīng)變在線監(jiān)測。
【背景技術(shù)】
[0002]自1978年K.0.Hill等人發(fā)現(xiàn)光纖的光敏性并利用縱向駐波寫入法制成世界上第一根光纖布拉格光柵以來，光纖光柵以其本質(zhì)安全、質(zhì)量輕、體積小、不受電磁干擾、易于復(fù)用、可遠距離遙測等獨特優(yōu)點而在傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已成為目前傳感技術(shù)發(fā)展的主流方向之一。
[0003]目前高溫壓力管道的安全監(jiān)測技術(shù)手段主要包括:電學(xué)傳感器檢測方法、超聲波檢測方法和紅外熱成像檢測方法。由于高溫壓力管道內(nèi)部通常為易燃易爆的危險介質(zhì)，任何微弱的電火花都可能會引起管道燃爆，因此電類傳感器不適宜對高溫壓力管道進行安全監(jiān)測；基于無損檢測理論的超聲波檢測方法和紅外熱成像檢測方法，雖然避免了電學(xué)傳感器的缺陷，但是超聲波檢測方法限于其工作原理只能檢測管道內(nèi)壁的裂縫和材料的氣泡缺陷等，不能對高溫壓力管道表面進行應(yīng)變在線監(jiān)測；而紅外熱成像檢測方法分辨率較低，只能檢測內(nèi)部蝕坑和壁厚缺陷，同樣無法實時檢測管道的外壁應(yīng)變變化。
[0004]大量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在排除管道制造先天缺陷和人為失誤操作的前提下，引起管道泄漏和爆管事故的主要原因是管道材料的高溫蠕變和管壁腐蝕，而無論是管道材料的高溫蠕變還是管壁腐蝕，其外在效應(yīng)均會造成管道外壁的明顯應(yīng)變，最終導(dǎo)致管道泄漏或爆裂?；诓牧狭W(xué)的理論分析可以得出，高溫壓力管道的外壁失效應(yīng)變是一個非線性過程，即管道越接近失效爆裂，其外壁的應(yīng)變速率越快，因此通過監(jiān)測高溫壓力管道的外壁失效應(yīng)變狀態(tài)，可以獲知管道的安全狀況，預(yù)先發(fā)現(xiàn)高溫壓力管道的應(yīng)變異常點，提醒企業(yè)及時修復(fù)或更換高溫壓力管道，確保高溫壓力管道安全運行，避免爆管事故的發(fā)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于監(jiān)測高溫壓力管道安全狀況的迫切性，本發(fā)明的目的在于提供一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器，通過對高溫壓力管道外壁表面進行實時應(yīng)變監(jiān)測，可以監(jiān)控高溫壓力管道的安全狀況。通過選取適合的耐高溫光纖光柵、基體結(jié)構(gòu)和材料，可以實現(xiàn)光纖光柵傳感器的增敏和溫度補償效果。
[0006]本發(fā)明提供一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器，所述光纖光柵傳感器包括直接傳感臂、菱形基體、間接傳感臂和耐高溫光纖布拉格光柵。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0008]所述的直接傳感臂、菱形基體和間接傳感臂為一體化的金屬基底結(jié)構(gòu)，其材料盡量選擇與高溫壓力管道相一致的材料。
[0009]所述的菱形基體，在其直接傳感臂方向的菱形內(nèi)角度小于90°，以起到應(yīng)變增敏的效果。
[0010]所述的間接傳感臂中粘接光纖光柵的部位為橄欖形。
[0011]所述的耐高溫光纖布拉格光柵為polyimide涂覆層的特種光纖布拉格光柵。
[0012]所述的耐高溫光纖布拉格光柵通過低溫玻璃焊料固定在間接傳感臂的橄欖槽中。
[0013]所述的低溫玻璃焊料的熔點為350°C?400°C。
[0014]所述的耐高溫光纖布拉格光柵粘接在間接傳感臂上時，需要施加適當(dāng)預(yù)拉，以保證傳感器具有雙向應(yīng)變傳感能力。
[0015]本發(fā)明所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器，通過對材料和結(jié)構(gòu)的合理選取與設(shè)計，可以在耐高溫300°C的同時，提高傳感器的應(yīng)變靈敏度，對高溫壓力管道的安全狀況進行在線監(jiān)測，并且通過連接多個監(jiān)測傳感器，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，在降低系統(tǒng)平均成本的同時，可以對整個高溫壓力管道系統(tǒng)進行多點實時遙測。
【附圖說明】
[0016]圖1為所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器示意圖
[0017]圖2為所述的光纖光柵傳感器加工平臺示意圖
[0018]圖3為安裝的光纖光柵傳感器相對于高溫壓力管道的具體位置示意圖
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器，包括直接傳感臂(11)、菱形基體(12)、間接傳感臂(13)和耐高溫光纖布拉格光柵(14)，其中直接傳感臂(11)、菱形基體(12)和間接傳感臂(13)為一體化的金屬基底結(jié)構(gòu)；耐高溫光纖布拉格光柵(14)通過低溫玻璃焊料固定在間接傳感臂(13)上面。
[0020]直接傳感臂(11)、菱形基體(12)和間接傳感臂(13)的材料選擇與高溫壓力管道相一致的材料，避免不同材料在溫度變化時熱膨脹系數(shù)差異所引起的熱應(yīng)力，以保證傳感器的監(jiān)測精度。
[0021]菱形基體(12)在直接傳感臂方向的內(nèi)夾角小于90°，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)理論，在管道應(yīng)變不變的情況下，菱形內(nèi)角度越小，應(yīng)變放大系數(shù)越高。在本發(fā)明中，菱形內(nèi)夾角為60°，實際中可根據(jù)高溫壓力管道的具體尺寸進行調(diào)整以取得最佳效果。
[0022]通過使用低溫玻璃焊料粘接耐高溫光纖布拉格光柵(14)和間接傳感臂(13)，可以實現(xiàn)在高溫300°C環(huán)境下監(jiān)測構(gòu)件表面應(yīng)變的目的。
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實例做進一步的闡述:
[0024]1.光纖光柵傳感器的制作
[0025]如圖2所示，一對滑輪(21)和升降平臺(23)固定在操作平臺(24)上面，將金屬基底結(jié)構(gòu)放在升降平臺(23)上面，保證金屬基底結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、水平放置；
[0026]將耐高溫光纖布拉格光柵(22)架裝在兩個固定的滑輪(21)之間，且柵區(qū)部分剛好位于菱形基體(12)內(nèi)部，光柵的一端用夾具(26)固定在操作平臺(24)側(cè)面，另一端懸掛適當(dāng)重量的重物(25)，以保證耐高溫光纖布拉格光柵(22)處于水平拉緊狀態(tài)；
[0027]用升降平臺(23)調(diào)整金屬基底結(jié)構(gòu)的豎直位置，保證柵區(qū)兩端處于菱形基體
(12)的橄欖槽中；
[0028]放入適量低溫玻璃焊料，然后進行燒結(jié)；
[0029]在耐高溫光纖布拉格光柵與菱形基體的接合處均勻地涂抹硅膠，以消除耐高溫光纖布拉格光柵和低溫玻璃焊料之間的應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免光柵因應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂，然后待娃I父完全固化；
[0030]整個制作過程須用光譜儀(27)實時監(jiān)測耐高溫布拉格光纖光柵的中心波長，以便有異?，F(xiàn)象時及時進行調(diào)整。
[0031]2.光纖光柵傳感器的固定
[0032]對管道進行焊接前的預(yù)處理，去除高溫壓力管道的表面附著物，使管道露出光潔表面；
[0033]將光纖光柵傳感器的直接傳感臂(11)兩端焊接在管道表面，焊接時對于每一個測點，采取軸向和環(huán)向分別焊接一個傳感器的方法，可以同時監(jiān)測高溫壓力管道表面的環(huán)向和軸向應(yīng)變變化，以提供全面、可靠的應(yīng)變信息，如圖3所示；
[0034]焊接完畢后用高溫膠布將傳感器覆蓋保護，避免外界物理損傷。
[0035]3.在線監(jiān)測
[0036]將焊接于高溫壓力管道表面的光纖光柵傳感器用光纜連接，利用傳感器復(fù)用技術(shù)組成傳感網(wǎng)絡(luò)，覆蓋需要監(jiān)測的高溫壓力管道。通過信號解調(diào)模塊對攜有高溫壓力管道應(yīng)變信息的傳感器反射波長信號進行分析，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)高溫管道的應(yīng)變異常點，提醒企業(yè)及時修復(fù)或更換高溫壓力管道，從而避免高溫壓力管道泄漏或爆管事故的發(fā)生。
【主權(quán)項】
1.一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器，其特征在于，所述的光纖光柵傳感器包括直接傳感臂、菱形基體、間接傳感臂和耐高溫光纖布拉格光柵，耐高溫光纖布拉格光柵通過低溫玻璃焊料固定在間接傳感臂的橄欖槽中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器，其特征在于，所述的直接傳感臂、菱形基體和間接傳感臂為一體化的金屬基底結(jié)構(gòu)，其材料盡量選擇與高溫壓力管道相一致的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器，其特征在于，所述的菱形基體，在其直接傳感臂方向的菱形內(nèi)角度小于90°，以起到應(yīng)變增敏的效果。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器，其特征在于，所述的間接傳感臂中粘接光纖光柵的部位為橄欖形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器，其特征在于，所述的低溫玻璃焊料的熔點為350°C?400°C。
【專利摘要】本發(fā)明屬于光纖光柵傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器。所述光纖光柵傳感器包括直接傳感臂、菱形基體、間接傳感臂和耐高溫光纖布拉格光柵。所述的直接傳感臂、菱形基體和間接傳感臂為一體化的金屬基底結(jié)構(gòu)，其材料盡量選擇與高溫壓力管道相一致的材料；耐高溫光纖布拉格光柵通過低溫玻璃焊料固定在間接傳感臂的橄欖槽中；菱形基體在直接傳感臂方向的內(nèi)角度為60°。本發(fā)明所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變在線監(jiān)測的光纖光柵傳感器，可以在高溫300℃環(huán)境下對高溫壓力管道等高溫構(gòu)件的安全狀況進行在線監(jiān)測，預(yù)先發(fā)現(xiàn)應(yīng)變異常點，提醒企業(yè)及時修復(fù)或更換相關(guān)設(shè)備，從而避免爆管事故的發(fā)生。
【IPC分類】G01B11-16
【公開號】CN104776808
【申請?zhí)枴緾N201410014287
【發(fā)明人】劉月明, 高曉良, 夏忠誠, 陳浩, 鄒建宇
【申請人】中國計量學(xué)院
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2014年1月10日