基于FBG的高温应变增敏检测技术研究

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由于基于光纤Bragg光栅的各类传感器一般都有高灵敏度、抗电磁干扰和体积小等优异性能,因此在石油化工行业、结构健康检测和航空航天等领域获得愈来愈广泛的关注和应用。在石油化工行业中通常需要在高温环境中进行接触式应变检测,由于电学传感器存在安全性问题无法使用,而由传统胶黏剂封装的光纤光栅应变传感器,由于存在寿命短和不稳定的特点而无法满足测量要求。本文正是针对上述问题,围绕光纤光栅应变传感器的耐高温性封装,和相应的应变增敏,以及封装后的耐高温性能展开研究,主要做了如下工作:1、设计、加工并改进了在高温环境下进行应变检测的高灵敏度光纤布拉格光栅应变传感器。主要从耐高温光纤Bragg光栅、固定方式和传感结构的角度考虑,最终确定了满足应用要求的p olyimide-FBG、低温玻璃粉和无胶化夹持两种固定方式和菱形传感结构。2、分别对上述两种封装光栅结构的应变传递过程进行了理论分析,确定了待测弹性构件表面的应变大小和光纤布拉格光栅中心波长之间的关系,并且分析了封装过程中Bragg波长的漂移和应变测量范围的关系;3、用ANSYS有限元分析软件分别对上述菱形结构和二级杠杆式应变增敏结构进行了模拟分析,得出了在外界应变作用下两种封装结构的应力分布图;4、最后对两种结构在高温环境下的时间特性、温度特性和应变特性进行了测试。时间特性中,夹持结果显示了类似“矩形波”的形状,表现了良好的夹持效果;由于光栅有限的预应力,在正应变增大至一定值后出现平坦阶段,与预期效果一致;压缩应变特性在光栅不发生断裂的前提下一直保持良好的线性度,并在高温3000C下传感器依然可以正常工作。实验测得传感器的平均正、负应变灵敏度分别为]1pm/με和12pm/με。最终,不仅实现了光纤光栅应变传感器的两种耐高温封装—永久性连接和活动连接,而且具有较高的应变灵敏度和预应力可调性。
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