光纖傳感器對合金結(jié)構(gòu)瞬態(tài)高溫應(yīng)變測量的適用性研究

王則力，王淑玉，丁鎮(zhèn)軍，丁 洋，喬 通

（1.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所； 2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100076）

0 引言

結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的力學(xué)性能與常溫環(huán)境下有顯著差異。在我國航空、航天、核工業(yè)、電力、化工等多個(gè)行業(yè)中，高溫下結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性以及使用壽命得到研究人員的廣泛關(guān)注[1-5]，尤其是在航空、航天領(lǐng)域，航空發(fā)動機(jī)、高超聲速飛行器對結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)變測量有著更為迫切的需求。

對于結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)變測量，美國NASA 的研究指出，焊接式電阻應(yīng)變計(jì)可以應(yīng)用于600 ℃以下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量，繞線式電阻應(yīng)變計(jì)和石英光纖應(yīng)變計(jì)可以用于600～1000 ℃環(huán)境下，且電阻應(yīng)變計(jì)常用于合金材料結(jié)構(gòu)，石英光纖應(yīng)變計(jì)常用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[6]。巨亞堂等[7]探討了目前國內(nèi)外光纖法布里-珀羅高溫應(yīng)變傳感器技術(shù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，指出基于石英光纖的法布里-珀羅干涉型光纖應(yīng)變傳感器理論上能夠應(yīng)用于1000 ℃以下的結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)變測量。王則力等[8]采用光纖高溫應(yīng)變復(fù)合傳感器對碳基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣件在常溫至810 ℃范圍內(nèi)的高溫應(yīng)變測試特性進(jìn)行研究，驗(yàn)證了該類傳感器對碳基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高溫拉伸應(yīng)變測量的精度和重復(fù)性。喬通等[9]采用光纖高溫應(yīng)變復(fù)合傳感器對改性C/C材料結(jié)構(gòu)在4 點(diǎn)彎撓度加載狀態(tài)下進(jìn)行最高800 ℃條件下的應(yīng)變測試，研究該技術(shù)測量彎曲應(yīng)變時(shí)的精度和重復(fù)性。李麗霞等[10]研究了Vishay 公司生產(chǎn)的高溫應(yīng)變片對高溫合金梁在550 ℃穩(wěn)態(tài)溫度場條件下的高溫應(yīng)變，結(jié)果4 個(gè)應(yīng)變片3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得的熱輸出應(yīng)變最大值為5 699.3 με，數(shù)據(jù)重復(fù)性優(yōu)于0.84%。王成亮等[11]研究了Vishay 公司生產(chǎn)的高溫應(yīng)變片對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在紅外石英燈輻射加熱至500 ℃狀態(tài)下應(yīng)變測量的重復(fù)性，6 次實(shí)驗(yàn)測試的應(yīng)變最大值約為3000 με，此時(shí)的應(yīng)變數(shù)值最大偏差約為500 με，數(shù)據(jù)重復(fù)性為8.3%。

航空發(fā)動機(jī)渦輪高溫燃?xì)饬鳑_刷、航天飛行器氣動熱等特殊的極端環(huán)境會使結(jié)構(gòu)溫度呈現(xiàn)出瞬態(tài)快速變化的特點(diǎn)[12-15]，而傳統(tǒng)應(yīng)用于高溫條件的電阻應(yīng)變片在經(jīng)受緩慢溫度變化和瞬態(tài)快速溫度變化時(shí)的熱輸出應(yīng)變特性完全不同[12-13]，這一特點(diǎn)給準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)在瞬態(tài)高溫下的應(yīng)變參數(shù)帶來全新挑戰(zhàn)。近幾年發(fā)展起來的光纖高溫應(yīng)變傳感技術(shù)已經(jīng)在穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù)測量中展現(xiàn)出重復(fù)性好、精度高的特點(diǎn)，故而有必要進(jìn)行光纖高溫應(yīng)變傳感技術(shù)對于瞬態(tài)熱環(huán)境下結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量的適用性研究。

本文采用航空、航天領(lǐng)域熱模擬試驗(yàn)中常用的石英燈輻射加熱技術(shù)構(gòu)建瞬態(tài)輻射加熱環(huán)境，以合金材料結(jié)構(gòu)為測量對象，通過自主研制的光纖應(yīng)變傳感器[8-9]獲取并分析合金材料結(jié)構(gòu)件在高溫應(yīng)變測試中數(shù)據(jù)的重復(fù)性，以研判其對于瞬態(tài)高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量的適用性。

1 實(shí)驗(yàn)對象及系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

如圖1 所示：實(shí)驗(yàn)對象為薄壁平板型合金材料構(gòu)件；采用陶瓷膠黏結(jié)安裝的方式，在實(shí)驗(yàn)對象（實(shí)驗(yàn)件）一側(cè)平面上安裝能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度雙參數(shù)原位同時(shí)測量的光纖高溫應(yīng)變傳感器，并在該傳感器附近采用焊接的方式安裝K 型熱電偶對結(jié)構(gòu)的溫度進(jìn)行測量，以便與光纖傳感器獲得的原位溫度進(jìn)行對比分析。光纖高溫應(yīng)變傳感器采用光纖非本征法布里-珀羅干涉（EFPI）獲取結(jié)構(gòu)應(yīng)變、采用光纖布拉格光柵（FBG）獲取結(jié)構(gòu)溫度[8-9]，利用寬帶連續(xù)掃描激光相位解調(diào)方法以及光纖波分解耦方法實(shí)現(xiàn)1 個(gè)光纖傳感器上這2 種微結(jié)構(gòu)光信號的同時(shí)解調(diào)，獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、溫度雙參數(shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)對象及光纖應(yīng)變傳感器Fig.1 Experimental object and optical fiber strain sensor

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為獲取光纖高溫應(yīng)變傳感器對合金材料結(jié)構(gòu)的高溫應(yīng)變測試數(shù)據(jù)，構(gòu)建瞬態(tài)輻射加熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包含石英燈瞬態(tài)輻射加熱器、實(shí)驗(yàn)件以及安裝在實(shí)驗(yàn)件表面用于應(yīng)變-溫度測量的光纖傳感器。如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有2 種加熱狀態(tài)——加熱器對實(shí)驗(yàn)件上光纖傳感器的安裝面和非安裝面進(jìn)行加熱，前者光纖傳感器暴露在石英燈輻射加熱的光照之中，后者光纖傳感器不會被石英燈輻射光照直接加熱。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的2 種加熱狀態(tài)Fig.2 Two heating states of the experimental system

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)工況如表1 所示：在光纖傳感器安裝面加熱狀態(tài)下，采用一件全新合金實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)，3 次實(shí)驗(yàn)的測點(diǎn)處最高溫度均為850 ℃；在光纖傳感器非安裝面加熱狀態(tài)下，采用另一件全新合金實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)，前2 次實(shí)驗(yàn)的測點(diǎn)處最高溫度為650 ℃，第3 次實(shí)驗(yàn)的測點(diǎn)處最高溫度為770 ℃。2 種加熱狀態(tài)下所使用的合金實(shí)驗(yàn)件具有相同的外形尺寸和材質(zhì)。

表1 光纖傳感器高溫測量實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Cases for HT measurement experiment by optical fiber strain sensor

實(shí)驗(yàn)中，石英燈輻射加熱系統(tǒng)均采用人工干預(yù)功率驅(qū)動開環(huán)控制加熱方案[16]，可避免因加熱控制傳感器失效引起系統(tǒng)故障；但在人工干預(yù)下，每次實(shí)驗(yàn)中被加熱結(jié)構(gòu)以及傳感器所經(jīng)歷的溫度歷程會存在一定的差異。在本文研究中，以K 型熱電偶溫度值為基準(zhǔn)，當(dāng)其滿足實(shí)驗(yàn)工況狀態(tài)要求時(shí)停止輻射加熱。光纖傳感器數(shù)據(jù)和K 型熱電偶溫度數(shù)據(jù)在加熱開始時(shí)同步采集，兩者的采樣率均為10 Hz。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 光纖傳感器安裝面加熱狀態(tài)

光纖傳感器安裝面加熱狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)件上的光纖傳感器與熱電偶獲得的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖3 所示：光纖傳感器與K 型熱電偶獲得的實(shí)驗(yàn)件溫度的延時(shí)響應(yīng)具有相同的量級；3 次實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)件的熱電偶測點(diǎn)的最高溫度均達(dá)到850 ℃。第1 次實(shí)驗(yàn)中，最大溫升速率為16.8 ℃/s，光纖傳感器測溫結(jié)果略高于熱電偶測溫結(jié)果——在熱電偶的溫度測量值為850 ℃時(shí)刻，光纖傳感器測得的溫度值偏高8 ℃（+0.96%）。第2 次實(shí)驗(yàn)中，最大溫升速率為18.0 ℃/s，在室溫至750 ℃范圍內(nèi)，光纖傳感器測溫結(jié)果與熱電偶測溫結(jié)果十分一致；在750～850 ℃范圍內(nèi)，光纖傳感器測溫結(jié)果略高于熱電偶測溫結(jié)果——在熱電偶的溫度測量值為850 ℃時(shí)刻，光纖傳感器測得的溫度值偏高10 ℃（+1.18%）。第3 次實(shí)驗(yàn)中，最大溫升速率為18.0 ℃/s，在室溫至750 ℃范圍內(nèi)，光纖傳感器測溫結(jié)果與熱電偶測溫結(jié)果十分一致；在750～850 ℃范圍內(nèi)，光纖傳感器測溫結(jié)果略高于熱電偶測溫結(jié)果——在熱電偶的溫度測量值為850 ℃時(shí)刻，光纖傳感器測得的溫度偏高15 ℃（+1.76%）。

圖3 實(shí)驗(yàn)件溫度隨時(shí)間變化曲線（光纖傳感器安裝面加熱狀態(tài)）Fig.3 Temperature variations of the test piece against time(for heating optical fiber sensor mounting surface)

采用升溫過程中光纖傳感器的測量數(shù)據(jù)得到3 次實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)溫度-應(yīng)變關(guān)系以及3 次數(shù)據(jù)的平均值，如圖4 所示：3 次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的一致性；在熱電偶的溫度測量值為850 ℃時(shí)，光纖傳感器測得的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變達(dá)到9 848.2 με。

圖4 實(shí)驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)溫度-應(yīng)變關(guān)系（光纖傳感器安裝面加熱狀態(tài)）Fig.4 Relationship between structural temperature and strain of the test piece (for heating optical fiber sensor mounting surface)

應(yīng)變數(shù)據(jù)的重復(fù)性（最大分散度）為

其中，ε為應(yīng)變， εˉ為多次應(yīng)變測量數(shù)據(jù)均值。實(shí)驗(yàn)中，在結(jié)構(gòu)升溫至600 ℃、650 ℃、700 ℃、800 ℃和850 ℃時(shí)，光纖傳感器獲得的結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量數(shù)據(jù)見表2，應(yīng)變數(shù)據(jù)重復(fù)性優(yōu)于1.42%。光纖應(yīng)變測點(diǎn)所處位置結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)升溫速率差異以及光纖傳感器安裝使用的陶瓷黏結(jié)劑在高溫及退火后產(chǎn)生的性質(zhì)變化可能會引起應(yīng)變測量結(jié)果差異。

表2 光纖應(yīng)變測量結(jié)果Table 2 Results of strain measured by optical fiber sensor

2.2 光纖傳感器非安裝面加熱狀態(tài)

光纖傳感器非安裝面加熱狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)件上的光纖傳感器與熱電偶獲得的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖5 所示：光纖傳感器與K 型熱電偶獲得的實(shí)驗(yàn)件溫度的延時(shí)響應(yīng)具有相同的量級；前2 次實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)件的熱電偶測點(diǎn)的最高溫度為650 ℃，第3 次實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)件的熱電偶測點(diǎn)的最高溫度為770 ℃。第1 次實(shí)驗(yàn)中，最大溫升速率為13 ℃/s，在熱電偶的溫度測量值為650 ℃時(shí)刻，光纖傳感器測得的溫度值偏低10 ℃（-1.54%）。第2 次實(shí)驗(yàn)中，最大溫升速率為12.5 ℃/s，在熱電偶的溫度測量值為650 ℃時(shí)刻，光纖傳感器測得的溫度值偏低5 ℃（-0.77%）；第3 次實(shí)驗(yàn)中，最大溫升速率為13.6 ℃/s，在熱電偶的溫度測量值為770 ℃時(shí)刻，光纖傳感器測得的溫度值偏低10 ℃（-1.30%）。

圖5 實(shí)驗(yàn)件溫度隨時(shí)間變化曲線（光纖傳感器非安裝面加熱狀態(tài)）Fig.5 Temperature variations of the test piece against time(for heating optical fiber sensor non-mounting surface)

采用升溫過程中光纖傳感器的測量數(shù)據(jù)得到3 次實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)溫度-應(yīng)變關(guān)系以及前2 次數(shù)據(jù)的平均值，如圖6 所示：3 次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的一致性；在熱電偶的溫度測量值為770 ℃時(shí)，光纖傳感器測量的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變達(dá)到9 300.0 με；在熱電偶的溫度測量值為650 ℃時(shí)，3 次實(shí)驗(yàn)光纖傳感器測量的結(jié)構(gòu)應(yīng)變分別為7 514.2 με、7 420.6 με和7 540.5 με，平均值為7 491.8 με，其與安裝面加熱狀態(tài)、相同溫度下的測量平均值（7 441.6 με）的相對差異僅為0.67%。

圖6 實(shí)驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)溫度-應(yīng)變關(guān)系（光纖傳感器非安裝面加熱狀態(tài)）Fig.6 Relationship between structural temperature and strain of the test piece (for heating optical fiber sensor nonmounting surface)

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石英燈輻射加熱器產(chǎn)生的強(qiáng)光輻照、測點(diǎn)所處位置結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)升溫速率差異不會對光纖傳感器的應(yīng)變測量結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。通過式(1)計(jì)算，3 次實(shí)驗(yàn)測量獲得結(jié)構(gòu)溫度650 ℃時(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)的重復(fù)性為0.95%。

3 結(jié)束語

本文就光纖高溫應(yīng)變復(fù)合傳感器在瞬態(tài)輻射加熱環(huán)境下對合金材料結(jié)構(gòu)件應(yīng)變測量的適用性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)中結(jié)構(gòu)件最高溫度達(dá)到850 ℃，瞬態(tài)溫升速率最高達(dá)到18 ℃/s。光纖應(yīng)變復(fù)合傳感器獲得的原位溫度與對比用的K 型熱電偶測溫值偏差小于1.76%；且實(shí)驗(yàn)件采用的合金材料在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)處于彈性力學(xué)區(qū)間，多次升降溫不會影響實(shí)驗(yàn)件的彈性力學(xué)性能，因此，3 次加熱升溫實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虍a(chǎn)生相同的彈性力學(xué)變化關(guān)系，即相同的溫度-應(yīng)變關(guān)系。光纖應(yīng)變復(fù)合傳感器獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也證實(shí)了這一點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在石英燈瞬態(tài)輻射加熱下，在結(jié)構(gòu)件溫度為850 ℃時(shí)，測量獲得的最大應(yīng)變達(dá)到9 848.2 με，3 次測試獲得的應(yīng)變數(shù)據(jù)重復(fù)性優(yōu)于1.42%，滿足工程應(yīng)用的基本要求，表明本文中采用的光纖應(yīng)變復(fù)合傳感器適用于石英燈瞬態(tài)輻射加熱環(huán)境下合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變測量。