一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件的制作方法
【專利摘要】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)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件。所述光纖光柵傳感器件包括光纖Bragg光柵、一級傳遞導(dǎo)桿、二級傳遞導(dǎo)桿、螺柱焊腳和連接桿。其中光纖光柵為普通的光纖Bragg光柵，光柵粘接固定在二級傳遞導(dǎo)桿頂端的凹槽上。一級傳遞導(dǎo)桿、二級傳遞導(dǎo)桿、螺柱焊腳和連接桿為一體化連接，連接桿的厚度為一級傳遞導(dǎo)桿的一半，以便于應(yīng)變傳遞。本發(fā)明所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件，通過對材料和結(jié)構(gòu)的選取與設(shè)計(jì)，可以將高溫管道外壁的應(yīng)變傳遞到管道保溫層外進(jìn)行檢測，并對傳感器進(jìn)行增敏，避免了光纖光柵在高溫下工作，實(shí)現(xiàn)光纖光柵在常溫下對高溫管道外壁應(yīng)變進(jìn)行檢測。
【專利說明】
一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件
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)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件。
【背景技術(shù)】
[0002]大量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在排除高溫壓力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。
[0003]為預(yù)防高溫壓力管道泄漏或爆裂事故的發(fā)生，需要對高溫壓力管道的外壁應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，而光纖布拉格(Bragg)光柵應(yīng)變傳感器具有響應(yīng)速度快、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、使用靈活、成本低、不受電磁干擾、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，這使它可以對應(yīng)變進(jìn)行很好的檢測。
[0004]但是，光纖光柵是使用紫外激光照射光纖，在光纖纖芯區(qū)域得到纖芯折射率周期性調(diào)制的相位光柵，這種折射率周期調(diào)制效應(yīng)在高溫下是不穩(wěn)定的，因此普通光纖光柵只能耐受200°C以下的溫度環(huán)境，在溫度更高的環(huán)境中使用時(shí)，纖芯內(nèi)的折射率周期性調(diào)制將逐漸消失，最終導(dǎo)致光纖光柵被完全擦除，這種現(xiàn)象稱為光纖光柵的高溫衰退效應(yīng)。該效應(yīng)的存在極大限制了光纖光柵在高溫場合的應(yīng)用。
[0005]為避免將光纖光柵直接置于高溫管道的高溫環(huán)境中，本專利設(shè)計(jì)了應(yīng)變導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)，利用應(yīng)變傳遞機(jī)制，將高溫管道外壁的應(yīng)變傳遞到常溫環(huán)境下，然后再利用普通光纖光柵進(jìn)行檢測，避免了光纖光柵在高溫環(huán)境下工作，同時(shí)導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)又能夠?qū)饫w光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行增敏，實(shí)現(xiàn)了光纖光柵在常溫下對高溫壓力管道外壁應(yīng)變的檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出來一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件，能夠?qū)?yīng)變進(jìn)行傳遞，避免了光纖光柵在高溫環(huán)境下工作，同時(shí)對光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行增敏。
[0007]本發(fā)明提供一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件，所述光纖光柵傳感器件包括光纖Bragg光柵、一級傳遞導(dǎo)桿、二級傳遞導(dǎo)桿、螺柱焊腳和連接桿。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0009]所述的一級傳遞導(dǎo)桿、二級傳遞導(dǎo)桿、螺柱焊腳和連接桿為一體化連接，一級傳遞導(dǎo)桿和二級傳遞導(dǎo)桿以連接桿為分界點(diǎn)，連接桿的厚度為一級傳遞導(dǎo)桿的一半，以便于應(yīng)變傳遞。
[0010]所述的螺柱焊腳是基于螺柱焊的技術(shù)要求制作，可用螺柱焊機(jī)將其焊接在高溫壓力管道外壁表面。
[0011]所述的光纖光柵為普通的光纖Bragg光柵，光柵粘接固定在二級傳遞導(dǎo)桿頂端的凹槽上，粘接時(shí)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。
[0012]所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件，其靈敏度可通過改變二級傳遞導(dǎo)桿的長度和一級傳遞導(dǎo)桿的長度之比來調(diào)節(jié)。
[0013]所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件，其一級傳遞導(dǎo)桿的長度可根據(jù)實(shí)際情況定制，使高溫管道外壁應(yīng)變能夠傳遞出來，而二級傳遞導(dǎo)桿的長度可根據(jù)所需靈敏度的大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，二級傳遞導(dǎo)桿的長度和一級傳遞導(dǎo)桿的長度的比值越大則靈敏度越高。
[0014]本發(fā)明所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件，通過對材料和結(jié)構(gòu)的選取與設(shè)計(jì)，可以將高溫管道外壁的應(yīng)變傳遞到保溫層外進(jìn)行檢測，并對傳感器進(jìn)行增敏，避免了光纖光柵在高溫下工作，實(shí)現(xiàn)光纖光柵在常溫下對高溫管道外壁應(yīng)變進(jìn)行檢測。
【附圖說明】
[0015]圖1為所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件示意圖
[0016]圖2為所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件工作原理圖
[0017]圖3為所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件在管道環(huán)向安裝示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明所述的一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件，包括光纖Bragg光柵(I)、一級傳遞導(dǎo)桿(2)、二級傳遞導(dǎo)桿(3)、螺柱焊腳(4)和連接桿(5)。
[0019]所述的一級傳遞導(dǎo)桿(2)、二級傳遞導(dǎo)桿(3)、螺柱焊腳(4)和連接桿(5)為一體化的金屬結(jié)構(gòu)，一級傳遞導(dǎo)桿(2)和二級傳遞導(dǎo)桿(3)以連接桿為分界點(diǎn)，而連接桿(5)的厚度為一級傳遞導(dǎo)桿(2)的一半，以便于應(yīng)變傳遞。
[0020]所述一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件，如圖1所示，為左右對稱結(jié)構(gòu)。
[0021]所述的一級傳遞導(dǎo)桿(2)、二級傳遞導(dǎo)桿(3)、螺柱焊腳(4)和連接桿(5)的材料宜選用與高溫壓力管道外壁相一致的材料，避免不同材料在外界溫度變化時(shí)由于熱膨脹系數(shù)差異所引起的熱應(yīng)力，以保證傳感器的檢測精度。
[0022]所述的光纖Bragg光柵(I)通過粘接固定在二級傳遞導(dǎo)桿(3)頂端的凹槽上，粘接時(shí)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。
[0023]所述的光纖Bragg光柵(I)的柵區(qū)部分，如圖1所示，位于兩個(gè)二級傳遞導(dǎo)桿(3)頂端的中間部位。
[0024]所述的螺柱焊腳(4)是基于螺柱焊的技術(shù)要求制作，可通過螺柱焊將其焊接固定在高溫壓力管道外壁上。
[0025]根據(jù)理論力學(xué)理論，在所測應(yīng)變不變的情況下，二級傳遞導(dǎo)桿(3)的長度和一級傳遞導(dǎo)桿(2)的長度的比值越大，應(yīng)變放大系數(shù)越高，實(shí)際中可根據(jù)具體應(yīng)用場合進(jìn)行調(diào)整以取得最佳效果。
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)例做進(jìn)一步的闡述:
[0027]1.一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件工作原理
[0028]如圖2所示，圖中實(shí)線為承受應(yīng)力前傳感器件的狀態(tài)，虛線為承受應(yīng)力后傳感器件的各部位變化。由于螺柱焊腳(4)是焊接在高溫壓力管道外壁表面的，當(dāng)高溫壓力管道外壁表面發(fā)生應(yīng)變時(shí)，與螺柱焊腳(4)焊接在一起的一級傳遞導(dǎo)桿(2)會受到如圖2所示的向外的拉應(yīng)力或向內(nèi)的壓應(yīng)力F作用。
[0029]如圖2所示，高溫壓力管道外壁表面發(fā)生應(yīng)變時(shí)，會使螺柱焊腳(4)發(fā)生微位移，其微位移量為螺柱焊腳(4)的移動距離即圖中的ab段，通過一級傳遞導(dǎo)桿(2)和二級傳遞導(dǎo)桿(3)的傳遞及杠桿放大作用使二級傳遞導(dǎo)桿(3)尾端的微位移量為圖中的Cd段，由三角形相似原理可知，cd/ab = oc/oa，由此可以得出，微位移放大倍數(shù)為oc/oa，表現(xiàn)出來明顯的位移放大效果，因此可以通過改變oc/oa的比值來調(diào)節(jié)位移放大倍數(shù)，進(jìn)而間接控制應(yīng)變靈敏系數(shù)，達(dá)到增敏的效果。同時(shí)，應(yīng)變可以通過一級傳遞導(dǎo)桿(2)和二級傳遞導(dǎo)桿
(3)傳遞出來，避免了光纖光柵在高溫惡劣環(huán)境下工作，增加了傳感器靈敏度。
[0030]2.光纖光柵傳感器的安裝與檢測
[0031]圖3為光纖光柵傳感器件在管道環(huán)向安裝示意圖，包括高溫壓力管道外壁(6)、保溫層(7)和光纖光柵傳感器件，兩螺柱焊腳(4)焊接在高溫壓力管道外壁(6)上，高溫壓力管道外壁(6)外面通常有一層保溫層(7)，當(dāng)管道發(fā)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變會通過螺柱焊腳(4)、一級傳遞導(dǎo)桿(2)和二級傳遞導(dǎo)桿(3)傳遞到管道保溫層(7)外的光纖光柵上，此時(shí)光纖光柵處于常溫環(huán)境，將光纖光柵與解調(diào)儀相連接，通過對攜有高溫壓力管道外壁(6)應(yīng)變信息的反射波長信號進(jìn)行分析，可以檢測出高溫壓力管道外壁(6)表面所發(fā)生應(yīng)變的大小。如需對高溫壓力管道外壁(6)軸向進(jìn)行應(yīng)變檢測，只需改變兩螺柱焊腳⑷的焊接位置，使兩螺柱焊腳(4)的連線方向與管道軸向平行。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高溫壓力管道外壁應(yīng)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件，其特征在于，所述的光纖光柵傳感器件包括光纖Bragg光柵、一級傳遞導(dǎo)桿、二級傳遞導(dǎo)桿、螺柱焊腳和連接桿，其中光纖光柵為普通的光纖Bragg光柵，光柵粘接固定在二級傳遞導(dǎo)桿頂端的凹槽上，而一級傳遞導(dǎo)桿、二級傳遞導(dǎo)桿、螺柱焊腳和連接桿為一體化連接，連接桿的厚度為一級傳遞導(dǎo)桿的一半，以便于應(yīng)變傳遞，螺柱焊腳是基于螺柱焊的技術(shù)要求制作，可用螺柱焊機(jī)將其焊接在高溫壓力管道外壁表面。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)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件，其特征在于，所述的器件增敏效果可通過改變二級傳遞導(dǎo)桿的長度和一級傳遞導(dǎo)桿的長度之比來調(diào)節(jié)。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)變導(dǎo)桿光纖光柵傳感器件，其特征在于，所述的器件結(jié)構(gòu)可以將高溫管道外壁的應(yīng)變傳遞到保溫層外進(jìn)行檢測，同時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變增敏，避免了光纖光柵在高溫下工作，實(shí)現(xiàn)光纖光柵在常溫下對高溫管道外壁應(yīng)變進(jìn)行檢測。
【文檔編號】G01B11/16GK105890534SQ201510029856
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年1月19日
【發(fā)明人】劉月明, 張亮, 陳浩, 鄒建宇, 夏忠誠, 高曉良
【申請人】中國計(jì)量學(xué)院