[发明专利]一种二维应变检测的柔性高温光栅应变片

说明书

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，特别涉及一种检测构件表面二维应变的柔性高温光栅应变片，其结构是用耐高温金属薄片和耐高温布拉格光纤光栅结合，以实现高温环境和复杂表面的二维应变检测。

背景技术

电阻应变片是工程结构或部件试验中应变测量的传统敏感元件。目前，应用最为广泛的是以各种应变电阻合金箔为敏感栅的金属箔式应变片，它以制作方便、价格便宜、使用简便、测量可靠的优点而广泛应用于工程结构或部件的应变测量。但是，这种以金属箔式电阻应变片为代表的电式传感器在应变测量领域有很多不足之处，例如，在进行易燃易爆场合的结构健康检测时，电类传感器中产生的电火花使得它应用时具有很大的危险性；电类传感器易受电磁干扰从而导致精度大大降低；此外，高温环境和构件表面的不平整性也大大限制了电类传感器的应用。

光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一，自从1978K.O.Hill年等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅以来，由于它具有许多独特的优点，因而在光纤传感领域取得了广泛的应用。以光纤光栅为敏感单元的传感器相比传统电类传感器有很多的优点，它有抗电磁干扰、体积小、重量轻、结构简单以及便于成网等诸多优点。事实上光纤光栅已成为目前最有前途、最具有代表性的光纤传感器件之一，它极大地拓宽了传感技术的应用范围，提高了传感器的检测精度。

传统的光纤光栅应变片是以布拉格光纤光栅作为敏感器件的，这种光纤光栅应变片相比金属箔式应变片有明显的技术优势，但是，这种光栅应变片只能在主应变方向已知的情况下进行一维轴向应变测量，不能对二维平面上的主应变方向和大小进行检测。对于某些结构，如高温压力管道，其表面应变属于二维应变，基于FBG的一维应变测量不能获得管道表面的主应力大小及方向，不能反映最大应变值，因而不能满足监测要求。

现有的光纤光栅应变片除了具有不能测量二维应变的不足外，还缺乏温度补偿的功能，同时大多传感器只适用于平面构件的应变检测，不能应用于复杂表面的二维应变测量。本发明提供了一种耐高温、具有柔性、可以进行二维应变检测并且兼具温度补偿功能的光纤光栅应变片。

发明内容

本发明的目的在于解决传统光纤光栅应变片无法进行二维应变检测的不足，提供一种能进行二维表面应变检测的器件，同时该器件具有柔性、耐高温的特点，并且具有温度补偿的功能，特别适合于高温压力管道的结构健康检测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

用于二维应变检测的光纤光栅应变片，以“十”字形或“T”字形金属薄片作为基底，由二维布局的耐高温布拉格光纤光栅、高温胶和耐高温覆盖层组成。

对于方形应变片基底，在轴向受到拉伸之后，其横向会发生一定程度的收缩，导致原本没有应变的横向光栅特征波长发生漂移，增大了测量误差，而本发明所述的“十”字形金属薄片基底即消除了这种现象，它由横向金属薄片和纵向金属薄片组成，且为中心对称图形；高温布拉格光栅A经预拉后两端固定在横向金属薄片的中心轴上，高温布拉格光栅B经预拉后两端固定在纵向金属薄片的中心轴上，高温布拉格光栅C单端自由地固定在纵向金属薄片上；所述的高温布拉格光栅A只感受横向应变，高温布拉格光栅B只感受纵向应变，而高温布拉格光栅C只感受温度的变化，用于实现温度补偿的功能；所述的高温布拉格光栅A、高温布拉格光栅B和高温布拉格光栅C之间为光串行连接，且具有不同的特征波长；高温布拉格光栅A和高温布拉格光栅B感受应变后，其反射光的特征波长发生变化，经解调仪解调可测得特征波长的变化量，由特征波长的变化量可确定待测应变的大小，此时光纤光栅应变片即可实现复杂构件表面二维应变检测兼具温度补偿的目的。

所述的金属薄片基底和耐高温覆盖层材料的热膨胀系数尽量与被测构件的热膨胀系数相同，以减小由于热胀系数差异所导致的测量误差；所述的金属薄片基底材料选择能在300℃高温下稳定工作的高温恒弹合金。

所述的“十”字形金属薄片基底为正方形，厚度为0.5mm至1.5mm，长度和宽度相等，均为3cm至5cm，且横向金属薄片和纵向金属薄片宽度相等，均为1cm至2cm；实际应用中基底的尺寸可由具体应用需要而定，但横向金属薄片宽度一般不应超过总宽度的三分之一，以消除应变片横向应变和纵向应变的相互耦合；本发明中所用“十”字形应变片尺寸已在图1中标示出。

所述的高温布拉格光栅A和高温布拉格光栅B在进行固定时，须有适当的预应力，以保证高温布拉格光栅能感受构件收缩时产生的应变。