基于光纖光柵傳感器溫度補償?shù)牡蜏貞?yīng)變測量方法研究

王雅莉,徒 蕓,涂善東,于新海,郭永寧,任利杰,陳時健

(1.華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室,上海 200237;2.中核蘇閥科技實業(yè)有限公司,江蘇蘇州 215001)

0 引言

低碳化石能源液化天然氣(LNG)作為一種過渡燃料,在全球能源組合中的重要性與日俱增。同時,LNG因具有易泄漏、易揮發(fā)擴散和易燃易爆等特性,其生產(chǎn)、儲運、接收氣化及終端應(yīng)用系統(tǒng)的安全可靠運行問題日益凸顯[1]。LNG系統(tǒng)使用了大量閥門,其中LNG低溫球閥因流阻小、操作時間短、適用范圍廣等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于LNG裝置,其密封性能對于LNG系統(tǒng)的安全可靠運行至關(guān)重要[2]。據(jù)統(tǒng)計,LNG低溫球閥的常見密封失效主要是球閥球體與閥座間密封副失效發(fā)生內(nèi)漏,以及殼體連接部位密封失效和閥桿填料密封失效發(fā)生外漏[2]。尤其是當(dāng)LNG流入閥體內(nèi)時,局部存在溫差,導(dǎo)致冷縮變形不一致,同時閥座處密封材料、球體在低溫下變形,均易造成球體與閥座密封失效發(fā)生泄漏[3]。因此,LNG球閥在低溫工況下的變形情況直接影響球閥的內(nèi)密封性能。目前針對LNG球閥低溫變形的研究主要集中于利用有限元進行低溫工況下的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析[3-4],但實際運行工況下LNG球閥變形情況更為復(fù)雜,其應(yīng)力應(yīng)變分布極不均勻[3,5]。因此,有必要實時監(jiān)測LNG球閥低溫工況下的應(yīng)變分布,這將為其設(shè)計制造提供重要基礎(chǔ)依據(jù)。

目前最常用電阻應(yīng)變片測量低溫應(yīng)變[6-7],但其存在易受電磁干擾、熱致非線性,以及導(dǎo)線熱干擾等缺點,測量精度和可靠性難以保障,且在監(jiān)測LNG系統(tǒng)時存在燃爆安全隱患[7-8]。光纖布拉格光柵(FBG)應(yīng)變傳感器因具有尺寸小、質(zhì)量輕、靈敏度高、抗電磁干擾、熱導(dǎo)率低、耐腐蝕、可準(zhǔn)分布式傳感等優(yōu)點,近年來被用于低溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量[9-11]。目前主要采用全涂覆封裝方式,用環(huán)氧樹脂膠粘劑將敏感光柵直接粘貼于被測結(jié)構(gòu)表面測量其低溫恒溫下的應(yīng)變。然而,FBG作為敏感元件對溫度與應(yīng)變敏感,這制約了利用FBG應(yīng)變傳感器測量因溫度變化引起的被測結(jié)構(gòu)變形。

為解決FBG傳感器交叉敏感的問題,國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛研究。其中,參考光柵法是最簡單、最常用的溫度補償方法[12-14]。該方法通過在測量被測結(jié)構(gòu)應(yīng)變的光柵旁放置另一支光柵,該光柵作為參考光柵僅感知被測結(jié)構(gòu)的溫度變化而不受其應(yīng)變影響,最后通過對測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理剝離溫度效應(yīng)。目前參考光柵溫度補償方案主要有兩種:一是以與測量應(yīng)變FBG傳感器結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同的另一個FBG傳感器為參考光柵,通過測量應(yīng)變FBG傳感器的波長變化減去參考光柵的波長變化剝離溫度效應(yīng)[13];二是以一個FBG溫度傳感器為參考光柵,通過FBG溫度傳感器測量溫度變化,再代入FBG應(yīng)變傳感器在外載和溫度共同作用下的表達式計算進行補償[12]。然而,方案一得到的是被測結(jié)構(gòu)的機械應(yīng)變,而非溫度變化引起的結(jié)構(gòu)變形;方案二忽略了裸光纖熱光系數(shù)影響,存在誤差。

針對低溫結(jié)構(gòu)應(yīng)變難以精確可靠測量的問題,本文開展了基于光纖光柵傳感器溫度補償?shù)牡蜏貞?yīng)變測量方法研究。首先,針對現(xiàn)有基于參考光柵的FBG應(yīng)變測量溫度補償法測量溫度變化引起的結(jié)構(gòu)變形存在誤差的問題,理論推導(dǎo)了考慮熱光系數(shù)的溫度補償算法;然后,制備了耐低溫膠封裝FBG應(yīng)變傳感器,研究了其室溫至液氮溫度下的應(yīng)變響應(yīng)特性;進而通過低溫溫度響應(yīng)試驗,分析了溫度補償算法的準(zhǔn)確性;最后,通過監(jiān)測LNG球閥球體從室溫浸沒液氮過程的應(yīng)變變化,驗證了基于膠封裝FBG應(yīng)變傳感器和考慮熱光系數(shù)的溫度補償算法監(jiān)測LNG球閥低溫應(yīng)變的可行性。

1 考慮熱光系數(shù)的溫度補償

對于均勻周期FBG,反射峰的中心波長取決于纖芯有效折射率和光柵周期,可表示為[15]

λB=2neffΛ

(1)

式中:λB為FBG的初始中心波長,nm;neff為纖芯的有效折射率;Λ為光柵周期,nm。

由式(1)全微分可得FBG的中心波長偏移量為

ΔλB=2ΔneffΛ+2neffΔΛ

(2)

式中:ΔλB為FBG的中心波長偏移量,nm;Δneff為纖芯的有效折射率變化量;ΔΛ為光柵周期變化量ΔΛ=εf·Λ,nm;εf為溫度變化和外載共同作用引起的光纖軸向應(yīng)變(含機械應(yīng)變和熱應(yīng)變)。

纖芯的有效折射率與溫度和光纖應(yīng)變均有關(guān),因此,溫度變化和光纖變形共同作用引起的有效折射率變化量可表示為[15]

(3)

式中:T、ΔT為溫度及其變化量,℃;l、Δl為光纖長度及其變化量,mm。

對于均勻周期FBG,若同時受溫度和應(yīng)變作用,忽略溫度與應(yīng)變交叉敏感系數(shù),聯(lián)立式(1)～式(3),可得到中心波長偏移量與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為:

(4)

由式(4)推導(dǎo)可得:

(5)

式中:ξ為光纖的熱光系數(shù),ξ=?neff/(neff?T),℃-1;Kεf為光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù),Kεf=1-Pe;Pe為光纖的彈光系數(shù),Pe=-(?neff/neff)/εf。

封裝的FBG應(yīng)變傳感器固定于被測結(jié)構(gòu)并隨之變形,二者變形協(xié)調(diào)。因被測結(jié)構(gòu)的截面積與彈性模量均遠大于光纖的截面積與彈性模量,則光纖的應(yīng)變可近似等于與被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。因此,根據(jù)式(5),FBG應(yīng)變傳感器的中心波長偏移量與溫度和被測結(jié)構(gòu)應(yīng)變的關(guān)系可表示為:

(6)

式中:λB1、ΔλB1分別為FBG應(yīng)變傳感器的初始中心波長及中心波長偏移量,nm;ε為被測結(jié)構(gòu)應(yīng)變(含機械應(yīng)變和熱應(yīng)變);Kε為FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。

如果在FBG應(yīng)變傳感器附近放置一個FBG溫度傳感器作為參考光柵,該FBG溫度傳感器不受外載且無幾何約束,僅由溫度變化引起的中心波長偏移量與溫度的關(guān)系可表示為[11]

(7)

式中:λB2、ΔλB2分別為FBG溫度傳感器的初始中心波長及中心波長偏移量,nm;KT為FBG溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù),℃-1。

假設(shè)FBG應(yīng)變傳感器與FBG溫度傳感器被認(rèn)為處于同一溫度場,則聯(lián)立式(6)及式(7),可求得被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?yōu)?/p>

(8)

若裸FBG作為溫度傳感器,則由式(8)可得:

(9)

式中:λbare、Δλbare分別為裸FBG的初始中心波長及中心波長偏移量,nm;KT為裸FBG的溫度靈敏度系數(shù),KT=αf+ξ,℃-1;αf為光纖的熱膨脹系數(shù),℃-1。

研究表明,液氮溫度下普通摻鍺光纖熱光系數(shù)是相對室溫的割線熱膨脹系數(shù)的3倍[16-17]。因此,為測量溫度變化引起的結(jié)構(gòu)變形,可將封裝的FBG應(yīng)變傳感器固定于被測結(jié)構(gòu),同時在其附近放置一個裸FBG作為參考光柵。那么根據(jù)式(9),可求得從室溫至液氮溫區(qū)的溫度變化引起的被測結(jié)構(gòu)應(yīng)變?yōu)?

(10)

2 低溫FBG應(yīng)變傳感器制備及標(biāo)定

2.1 傳感器封裝

選用柵長3 mm的丙烯酸酯涂覆FBG作為敏感光柵,可常溫固化的DW-4聚氨酯低溫膠粘劑作為封裝材料。為研究膠封裝FBG應(yīng)變傳感器低溫下的應(yīng)變響應(yīng)特性,選擇與LNG球閥同材質(zhì)的316L不銹鋼矩形橫截面板材拉伸試樣,平行長度120 mm,平行長度內(nèi)的寬度為15 mm,厚度為3 mm。

經(jīng)優(yōu)化的膠封裝工藝如下:

(1)清洗試樣表面:用丙酮溶液沖洗試樣,以清除表面油污,以清除試樣表面的油污;

(2)沖洗光柵:用蒸餾水沖洗光纖,以去除光柵表面灰塵;

(3)配膠:將DW-4膠的A和B雙組分按1.81∶1的質(zhì)量比調(diào)配后攪拌均勻,隨后靜置10 min以盡量減少攪拌產(chǎn)生的氣泡;

(4)涂膠:先將光柵預(yù)拉伸,然后用聚酰亞胺膠帶將光柵兩端粘貼固定于試樣表面,再將DW-4膠均勻涂刷在光柵柵區(qū)兩側(cè)。涂刷過程應(yīng)盡量保證膠層厚度均勻,膠層長×寬約為10 mm×6 mm,間距約為14 mm;

(5)固化:將DW-4膠封裝FBG應(yīng)變傳感器在常溫下靜置3 d固化。

采用上述膠封裝工藝在拉伸試樣表面制備2個膠封裝FBG應(yīng)變傳感器,如圖1所示。2個傳感器敏感光柵的初始中心波長分別約為1 530 nm和1 545 nm,因而2個傳感器分別記為FBG1530、FBG1545。

圖1 制備于板材試樣表面的膠封裝FBG應(yīng)變傳感器

光纖光柵的膠封裝工藝會影響光譜特性,圖2給出了膠封裝前后FBG在室溫下的反射光譜?？梢钥闯?2根FBG的反射譜形狀和反射峰幅值均無明顯變化,中心波長也無明顯偏移。上述結(jié)果說明,兩端膠粘、室溫固化的膠封裝工藝沿光柵未產(chǎn)生明顯殘余應(yīng)力,不改變FBG的反射光譜形狀,不影響FBG的光譜特性。

圖2 膠封裝前后FBG在室溫下的反射光譜

2.2 低溫拉伸試驗

利用集成了低溫試驗箱的CMT5504型萬能試驗機(見圖3),測試制備于板材試樣表面的膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的靜態(tài)性能。液氮制冷的低溫試驗箱可將試樣冷卻至液氮溫度,箱體內(nèi)設(shè)有一鎧裝鉑電阻(RTD),測溫精度可達±0.3 ℃。板材試樣與試驗機夾頭通過銷釘連接置于試驗箱內(nèi),鉑電阻測溫端應(yīng)盡可能位于兩光柵中間位置,保證光柵與鉑電阻處于相同溫度環(huán)境。

圖3 低溫單軸拉伸試驗裝置

在多組恒定低溫下,采用載荷控制的方式對板材試樣進行單軸拉伸多級階梯式加卸載試驗。試驗溫度分別為20 ℃(室溫)、0 ℃、-40 ℃、-80 ℃、-120 ℃、-162 ℃(LNG溫度)、-183 ℃(液氧溫度)、-196 ℃(液氮溫度,因低溫箱密封性限制,實際最低溫度為-194 ℃)。當(dāng)冷卻至每個試驗溫度后,保溫130 min,再進行多級加卸載試驗。試驗以50 N/s的加載速率,以1 kN為一級,從0加載至7 kN。每一級加載完成后,保載130 s使試樣變形區(qū)域穩(wěn)定,再進入下一級加載,以便取多個中心波長測量值的均值。加載至最大載荷后,以相同速率、幅值和保載時間進行多級卸載。在同一試驗溫度下,重復(fù)2次上述加卸載試驗步驟,獲得3個循環(huán)的6組試驗數(shù)據(jù)。整個拉伸試驗過程,利用Sm125-500型光纖光柵解調(diào)儀采集膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的中心波長及每級載荷下的反射光譜。

2.3 低溫應(yīng)變響應(yīng)特性分析

光柵反射光譜的穩(wěn)定性是評價FBG傳感器的重要性能指標(biāo)之一。以最低試驗溫度-194 ℃為例,FBG1530、FBG1545 2個中心波長的膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的反射光譜隨應(yīng)變的演變?nèi)鐖D4所示。板材試樣的應(yīng)變由試驗機施加載荷、板材試樣平行長度內(nèi)的橫截面積以及316L不銹鋼在不同低溫下的彈性模量[18]求得。-194 ℃下的拉伸過程中,膠封裝FBG的反射光譜始終保持良好的信噪比,無明顯啁啾現(xiàn)象,光譜帶寬、反射峰值、形狀等均無明顯變化,足以滿足大多數(shù)商業(yè)化光纖光柵解調(diào)儀探測光柵反射峰的要求。綜上表明,室溫固化兩端膠粘工藝制備的膠封裝FBG應(yīng)變傳感器在低至液氮溫區(qū),反射光譜的形狀不受低溫以及施加載荷使試樣產(chǎn)生變形的影響,具有良好的光譜穩(wěn)定性。

(a)FBG1530

(b)FBG1545圖4 -194 ℃下FBG反射光譜隨試樣應(yīng)變的演變

根據(jù)GBT18459—2001《傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計算方法》[19],取95%置信度,包含因子為2.57,求得的FBG1530、FBG1545在不同低溫下的重復(fù)性及回差如圖5所示。以一個拉伸循環(huán)為例,圖6給出了不同低溫下FBG1530、FBG1545中心波長隨應(yīng)變的特性曲線以及線性擬合曲線。在常溫及0 ℃時,由于低溫膠的粘彈性[20]導(dǎo)致遲滯效應(yīng),膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的加卸載應(yīng)變特性曲線重復(fù)性及線性度較差。隨著溫度降低至-40 ℃[21]以下,低溫膠彈性增強,加卸載曲線回差在5%以內(nèi),重復(fù)性在10%以內(nèi),線性擬合修正確定系數(shù)分別大于0.999、0.99,說明膠封裝FBG應(yīng)變傳感器在-194～-40 ℃低溫下,對加卸載應(yīng)變無明顯的遲滯現(xiàn)象,具有良好的重復(fù)性和線性特性。

圖5 低溫下膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的重復(fù)性及回差

(a)FBG1530

(b)FBG1545圖6 低溫下膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變特性曲線

根據(jù)FBG1530、FBG1545每一組加卸載數(shù)據(jù)的線性擬合曲線斜率,求得不同恒溫下膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)均值,如圖7所示。常溫及0 ℃時,由于低溫膠較軟,剪切強度低[22],膠封裝FBG應(yīng)變傳遞效率低;隨著溫度的降低,低溫膠剪切強度增強并趨于穩(wěn)定,膠封裝FBG應(yīng)變靈敏度系數(shù)逐漸增大,當(dāng)溫度降低至-40 ℃后,基本不再隨溫度變化而變化。FBG1530、FBG1545在-194～-40 ℃低溫下的應(yīng)變靈敏度系數(shù)平均值為0.74,標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)在2.4%以內(nèi)。因此,采用相同工藝制備的膠封裝FBG在-194～-40 ℃低溫下具有相同且恒定的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。裸光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)理論值約為0.791[23],膠封裝FBG的應(yīng)變靈敏度系數(shù)相比裸FBG略低,應(yīng)變傳遞效率約為94%,這是有機涂層及膠粘層造成的應(yīng)變傳遞損耗所致。

圖7 -194～-40 ℃下FBG1530、FBG1545應(yīng)變靈敏度系數(shù)隨溫度的變化

綜上所述,膠封裝FBG應(yīng)變傳感器在-194～-40 ℃低溫下對應(yīng)變響應(yīng)具有良好的線性、穩(wěn)定性及重復(fù)性。相同膠封裝工藝制備的光柵傳感器,在低溫下具有相似的應(yīng)變傳感特性,應(yīng)變靈敏度系數(shù)約為0.74,基本不受溫度的影響。

3 考慮熱光系數(shù)溫度補償算法的準(zhǔn)確性分析

3.1 低溫溫度響應(yīng)試驗

基于圖3中低溫拉伸試驗裝置,進行低溫下板材試樣的溫度響應(yīng)試驗,用以分析考慮熱光系數(shù)的溫度補償算法的準(zhǔn)確性及可行性。

將膠封裝有FBG1530和FBG1545的板材試樣上端由銷釘懸掛,下端銷釘去除,無約束地懸掛在低溫箱。同時,采用初始波長為1 550 nm的裸光柵作為參考光柵,自由懸掛在低溫箱中。光柵位置盡量靠近鉑電阻,確保各光柵處于同一溫度場。降溫過程從室溫(20 ℃)以每20 ℃為一級,降至-180 ℃,最后降至-196 ℃(受限于低溫箱密封性,實際最低溫度為-194 ℃),每級溫度保溫25 min;升溫過程從降溫最低溫度升至-180 ℃,后每20 ℃為一級,升溫至室溫,每級溫度保溫30 min,以便取波長測量值的均值。重復(fù)2組上述降溫、升溫過程,共進行3個循環(huán)。試驗過程中3根光柵始終與Sm125-500型光纖光柵解調(diào)儀相連記錄光柵中心波長。

3.2 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)GB/T18459—2001《傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計算方法》[19]求得6組膠封裝FBG應(yīng)變響應(yīng)曲線重復(fù)率均在0.25%以內(nèi),具有良好的重復(fù)性?；谠囼灚@得的光柵波長偏移量,采用不同溫補算法求得板材試樣的低溫應(yīng)變,并將6組應(yīng)變數(shù)據(jù)平均值與316L不銹鋼的熱應(yīng)變理論值[24]進行對比,如圖8所示?？梢钥闯?考慮熱光系數(shù)的溫度補償算法相比傳統(tǒng)溫度補償算法,得到的試樣應(yīng)變更接近理論值。圖9給出了不同算法得到應(yīng)變與熱應(yīng)變理論值的相對誤差。液氮溫度下,該方法的相對誤差(8.0%)小于現(xiàn)有溫度補償算法的相對誤差(17.4%)。因此,考慮熱光系數(shù)的溫度補償算法,有效提高了溫度變化引起的應(yīng)變測量精度。

(a)FBG1530

(b)FBG1545圖8 從室溫降至-194 ℃下板材試樣應(yīng)變不同解法結(jié)果對比

(a)FBG1530

(b)FBG1545圖9 從室溫降至-194 ℃下板材試樣應(yīng)變不同解法的相對誤差

4 LNG球閥球體低溫應(yīng)變測量

4.1 試驗裝置與方法

以DN100 mm的LNG球閥為研究對象,通過FBG應(yīng)變傳感器監(jiān)測球閥在通入液氮后的應(yīng)變情況。FBG傳感器布點位置如圖10所示,除了球閥關(guān)閉時密封圈處,在關(guān)閉密封圈內(nèi)偏移1 cm處同樣布置了測點進行對比分析。采用2組丙烯酸酯涂覆光柵串,每組光柵串上分別刻寫了初始波長不同的5根光柵,光柵柵長均為3 mm,采用優(yōu)化的兩端膠粘工藝,以DW-4低溫膠將光柵膠封裝于球閥關(guān)閉密封圈及偏移圈處。同時,將一根裸光柵一端粘貼在球閥球體上,一端自由懸掛,保證其波長偏移僅由球閥球體的溫度變化引起,用以溫度補償。

圖10 FBG串布點示意圖

將膠粘有FBG的球閥球體從室溫直接浸沒在液氮中,保溫約4 h后將球閥球體拿出,緩慢升溫至室溫,模擬液氮通入后接觸LNG球閥的過程。整個試驗進行了3個降-升溫循環(huán),光柵串與Si155型光纖光柵動態(tài)解調(diào)儀相連,每間隔0.1 s記錄一組光柵串的中心波長。

4.2 試驗結(jié)果與討論

以第1個循環(huán)為例,根據(jù)式(10)考慮熱光系數(shù)的溫度補償算法求得LNG球閥密封圈及偏移圈各點降溫及升溫過程中的應(yīng)變結(jié)果如圖11所示。降溫升溫過程中,密封圈及偏移圈各點的應(yīng)變響應(yīng)趨勢相同。當(dāng)整個球體沒入液氮中后,各測量點收縮應(yīng)變迅速增大直至穩(wěn)定,此時球體整體達到最大收縮量;當(dāng)球體從液氮中拿出后,溫度上升,各測量點收縮應(yīng)變減小,直至回歸零點,此時球體恢復(fù)原狀。此外,當(dāng)球閥球體浸沒到液氮以及從液氮分離時,膠封裝FBG均測到一個瞬間載荷,這可能是由于氣液固界面力所致。試驗結(jié)果表明,膠封裝FBG應(yīng)變傳感器可實現(xiàn)低至液氮溫區(qū)的LNG球閥球體應(yīng)變監(jiān)測,為監(jiān)測LNG球閥低溫工況下的應(yīng)變分布提供技術(shù)支持。

(a)密封圈

(b)偏移圈圖11 LNG球閥各點應(yīng)變測量結(jié)果(第1個循環(huán))

圖12給出了球閥球體浸沒在液氮中密封圈及偏移圈測點的3組應(yīng)變測量結(jié)果,各測點測量值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)以及對理論值的相對偏差如表1所示。由于光纖斷裂,FBG#2和FBG#5未測得第3組數(shù)據(jù);FBG1的第2、第3組測量值突變且不再恢復(fù),FBG#3測量值遠小于理論值,這可能是開膠導(dǎo)致應(yīng)變傳遞效率降低所致,進行應(yīng)變分析時去除上述異常點數(shù)據(jù)。當(dāng)球閥在液氮中變形穩(wěn)定后,測得密封圈各點應(yīng)變測量結(jié)果在3 800～4 800 με,標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)在10%以內(nèi),相對理論值的偏差基本在30%以上,大于316L不銹鋼的理論熱應(yīng)變[24],這是由于密封圈處存在約束應(yīng)力所致。偏移圈各點測量結(jié)果在2500～3600 με,標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)在15%以內(nèi),相對理論值的偏差在18%以內(nèi),測量值與理論值接近。試驗結(jié)果表明,基于膠封裝FBG應(yīng)變傳感器監(jiān)測LNG球閥球體低溫應(yīng)變具有一定可行性,從室溫降溫至液氮溫度后,LNG球閥球體密封圈處收縮變形較大,更容易發(fā)生泄漏。

圖12 LNG球閥球體密封圈、偏移圈各點應(yīng)變與厚度關(guān)系

表1 LNG球閥球體室溫浸沒液氮中的應(yīng)變測量結(jié)果

5 結(jié)束語

本文采用兩端粘貼工藝制備了膠封裝FBG應(yīng)變傳感器,并通過低溫下的單軸拉伸試驗評價了其線性、穩(wěn)定性及重復(fù)性,標(biāo)定了其應(yīng)變靈敏度系數(shù);基于光纖光柵傳感原理,理論推導(dǎo)了考慮光纖熱光系數(shù)的溫度補償算法,并通過低溫下板材試樣的溫度響應(yīng)試驗分析了其準(zhǔn)確性;最后通過LNG球閥球體的低溫應(yīng)變監(jiān)測試驗驗證。通過上述研究得出以下結(jié)論:

(1)采用兩端粘貼和室溫固化相結(jié)合的封裝工藝,可成功制備耐低溫膠封裝FBG應(yīng)變傳感器,封裝工藝不改變FBG的反射光譜形狀;該傳感器-194～-40 ℃溫度范圍內(nèi)的應(yīng)變靈敏度系數(shù)不隨溫度變化,且對應(yīng)變響應(yīng)具有良的線性、穩(wěn)定性及重復(fù)性。

(2)采用理論推導(dǎo)的考慮光纖熱光系數(shù)的溫度補償算法,利用耐低溫膠封裝FBG應(yīng)變傳感器,測得不受外載且無幾何約束下板材試樣從室溫降至-194 ℃的熱應(yīng)變,與熱應(yīng)變理論值相比,液氮溫度下該方法的相對誤差(8.0%)小于現(xiàn)有溫度補償算法的相對誤差(17.4%),說明該算法有效提高了溫度變化引起的應(yīng)變測量精度。

(3)基于耐低溫膠封裝FBG應(yīng)變傳感器和考慮熱光系數(shù)的溫度補償算法,結(jié)合裸光柵作為參考光柵,實現(xiàn)低至液氮溫區(qū)的LNG球閥球體低溫應(yīng)變監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)液氮浸泡下球體密封圈處應(yīng)變測量值大于理論值,為反映LNG球閥在低溫工況下內(nèi)密封性能提供了重要基礎(chǔ)依據(jù)。