一種適用于高溫環境的管道應變實時檢測器的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種光纖光柵式管道應變實時檢測器，包括有敏感膜板和高溫光纖光柵傳感器，其中高溫光纖光柵傳感器包含有高溫光纖光柵軸向應變傳感器、高溫光纖光柵橫向應變傳感器和高溫光纖光柵溫度傳感器；其中高溫光纖光柵橫向應變傳感器距高溫光纖光柵軸向傳感器和高溫光纖光柵溫度傳感器所成直線的最小直線距離不小于10cm。本發明的應變實時檢測器能夠實時檢測高溫環境下管道的二維應變情況，并在傳感系統內部解決溫度補償的問題；該光纖光柵式高溫管道應變實時檢測器具有抗電磁干擾、精度高、動態響應快、體積小、重量輕等特點，更具可靠性、穩定性和簡易性；同時，多個該應變實時檢測器排布使用，可對高溫管道進行多點分布式組網檢測。
【專利說明】—種適用于高溫環境的管道應變實時檢測器
【技術領域】
[0001]本發明屬于光纖傳感設備部件【技術領域】，具體涉及一種適用于高溫環境的光纖光柵式管道應變實時檢測器。
【背景技術】
[0002]隨著能源開采規模的不斷擴大，高溫管道已廣泛應用于石油化工、航空航天、鋼鐵能源、環境保護、制藥等與國家經濟命脈緊密聯系的行業。而每年都會有高溫管道爆炸和泄漏事故發生，防止爆管發生成為關注焦點。大量事故統計顯示，造成高溫管道泄漏和爆炸的主要原因是管壁腐蝕減薄和高溫蠕變。而且高溫管道的外壁失效應變是一個非線性過程，即管道越接近失效爆裂，其外壁的應變量越大。因此如果能夠獲取高溫管道的動態、實時、在線的應變檢測數據，就可以預判管道的蠕變和爆裂的可能性，從而確保壓力管道安全運行，避免爆管傷人事故的發生。因此建立一套高溫管道外壁應變的實時檢測系統具有重要意義。
[0003]我國對超期服役高溫管道的失效檢測通常采用在停機年檢時對管道的蠕變程度進行人工千分尺測量；或者從高溫管道上割取一段壓力管道進行高溫蠕變測試試驗，從而對管道的安全運行狀況進行測試。但這兩種方法存在缺點:首先，上述兩種方法均需要停機才可以進行檢測；其次，兩種方法均需要人工長時間對管道的性能進行測量并記錄數據，這樣不但工作量大、代價高、精度不高、試驗周期長；最為重要的是，兩種方法均不能對運行中的管道進行測試。
[0004]對高溫管道進行實時檢測的方法目前主要采用電學傳感器檢測方法、紅外熱成像檢測方法和超聲波檢測方法。
[0005]利用高溫電容式傳感器可以進行壓力管道的應變檢測，但是一般電容傳感器無法在高溫下長期工作，而且使用的高溫電容傳感器或者高溫應變片都價格昂貴，抗電磁干擾性能差，但在化工企業和石油企業高溫管道內部通常為易燃易爆的危險品，任何微弱的電磁信號、電火花都會引發燃爆，因而無法使用；采用紅外熱成像方法檢測高溫壓力管道內部缺陷，建立一個大型管道試驗裝置，對不同壁厚的不銹鋼和碳鋼管道壁厚減薄缺陷進行了加溫或降溫過程的紅外熱成像檢測試驗，該方法缺陷在于成像質量受太陽光及背景反射、管道表面狀態等因素的影響；采用超聲波檢測高溫壓力管道的應變，主要研究材料的高溫檢測，如熱鋼板、高溫鍛件的超聲波檢測，所做的工作主要是高溫狀態下的壁厚測試。而不同的溫度下，材料中超聲波的聲速、聲壓發生變化，隨著溫度的升高，超聲波的速度降低，聲波幅度衰減顯著變大，對超聲波探測影響很大。
[0006]綜上所述，目前所用的實時檢測方法都不能滿足高溫管道的實時檢測，高溫管道應變實時檢測急需開發更加合適的技術裝置。

【發明內容】

[0007]本發明的目的是提供一種適用于高溫環境的光纖光柵式管道應變實時檢測器，即一種安裝方便、結構簡單、靈敏度高，能對高溫管道外壁二維應變狀態同時進行準確有效實時檢測，且在傳感系統內部進行溫度補償的光纖光柵式的高溫管道應變實時檢測器，以及應用該檢測器的檢測系統及使用方法。
[0008]本發明首先提供一種適用于高溫環境的光纖光柵式管道應變實時檢測器，包括有敏感膜板和固定在敏感膜板上的高溫光纖光柵傳感器，其中所述的高溫光纖光柵傳感器包含有安裝方向彼此垂直的、兩端固定安裝在敏感膜板表面上的高溫光纖光柵軸向應變傳感器和高溫光纖光柵橫向應變傳感器；且還包含有非兩端固定方式安裝在敏感膜板表面上的高溫光纖光柵溫度傳感器；其中高溫光纖光柵橫向應變傳感器距高溫光纖光柵軸向傳感器和高溫光纖光柵溫度傳感器所成直線的最小直線距離不小于10cm。
[0009]上述的高溫光纖光柵軸向應變傳感器的兩端平行固定在軸向應變敏感膜板的長軸方向中軸線的中心位置上，高溫光纖光柵橫向應變傳感器的兩端平行固定在橫向應變敏感膜板的長軸方向中軸線上，高溫光纖光柵溫度傳感器以非兩端固定方式安裝在溫度敏感膜板的長軸方向中軸線的中心位置上；
[0010]上述的高溫光纖光柵軸向應變傳感器、高溫光纖光柵橫向應變傳感器和高溫光纖光柵溫度傳感器通過光纖串行連接。
[0011]所述高 溫光纖光柵傳感器為高溫光纖布拉格光柵傳感器或高溫長周期光纖光柵傳感器。
[0012]所述的敏感膜板的一種優選尺寸如下:橫向長度為40cm，縱向長度為30cm，其中，軸向應變敏感膜板的橫向長度為15cm，縱向長度為IOcm;溫度敏感膜板的橫向長度為15cm，縱向長度為IOcm ;橫向應變敏感膜板的橫向長度為10cm，縱向長度為30cm。
[0013]本發明還提供一種適用于高溫環境的檢測管道應變的系統，包括有寬帶光源、光纖環形器、光開關、光纖光柵式管道應變實時檢測器、計算機和光纖光柵解調儀；
[0014]若米用的高溫光纖光柵傳感器為高溫光纖布拉格光柵傳感器，則寬帶光源發出的光經光纖環形器后進入光開關輸入端，光開關輸出端連接光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器；光纖光柵解調儀與光纖環行器的輸出端口以及計算機連接，光開關連接計算機，計算機控制光纖光柵解調儀和光開關通斷時間；
[0015]上述光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器數目為一個或以上；
[0016]上述系統的使用方法，包括有如下的步驟:
[0017]步驟1:將光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器的敏感膜板通過第一焊接點、第二焊接點、第三焊接點固定于待測高溫管道外壁上，且第一焊接點與第三焊接點所成直線與高溫管道的軸線平行；
[0018]步驟2:寬帶光源發出的光通過a端口進入光纖環行器，后從b端口出射進入光開關的輸入端，經光開關后入射到高溫光纖布拉格光柵軸向應變傳感器、高溫光纖布拉格光柵橫向應變傳感器和高溫光纖布拉格光柵溫度傳感器串行連接后的其中一端；寬帶光源發出的光經過光纖布拉格光柵會發生反射，產生的反射波由b端口進入光纖環行器,后從c端口輸出，進入光纖光柵解調儀；
[0019]步驟3:使高溫管道發生微小形變，即將待測應變Λ ε施加于光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器上，其中，Λ ε包括施加于軸向上的應變Λ ε ^和施加于橫向上的應變
Δ ε B ；[0020]步驟4:利用光纖光柵解調儀測量三個高溫光纖布拉格光柵傳感器的反射波中心波長漂移量，并得到高溫光纖布拉格光柵軸向應變傳感器與高溫光纖布拉格光柵溫度傳感器的中心波長漂移量的差值Δ λ工、高溫光纖布拉格光柵橫向應變傳感器與高溫光纖布拉格光柵溫度傳感器的中心波長漂移量的差值Λ λ2 ;
[0021]步驟5:
[0022]若== 則待測應變Λ ε = 0，即高溫管道無應變；
[0023]若Δ λ ?關O, Δ λ 2 = O,則Δ ε B = O,待測應變Δε = Δ ε L ^ O,即高溫管道無橫向應變，僅有軸向應變，且應變值Λ ε = Λ A1ZA1(1-Pe)；
[0024]若Δ λ ? = O, Δ λ 2關O,則Δ ε L = O,待測應變Δε = Δ ε Β關O,即高溫管道無軸向應變，僅有橫向應變，且應變值Λ ε = Λ λ 2/A2(1-Pe)；
[0025]若Δλ2# O,則待測應變Δε = Δ ε L+Δ ε Β ^ O,即高溫管道既有橫向應變，又有軸向應變，且橫向應變值Λ εΒ= Δ λ2/λ2(1-Ρ上軸向應變值Λ El=AA1/λ i(i_Pe)；
[0026]其中，λ工為高溫光纖布拉格光柵軸向應變傳感器的中心波長，λ 2為高溫光纖布拉格光柵橫向應變傳感器的中心波長，Pe為光纖的有效彈光系數。
[0027]若采用的高溫光纖光柵傳感器為高溫長周期光纖光柵傳感器，則寬帶光源發出的光進入光開關輸入端，光開關輸出端連接長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器；長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器的輸出端與光纖光柵解調儀連接；計算機連接光開關以及光纖光柵解調儀，由其控制光纖光柵解調儀和光開關通斷時間；
[0028]上述長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器數目為一個或以上；
[0029]上述系統的使用方法，包括有如下的步驟:
[0030]步驟1:將長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器的敏感膜板通過第一焊接點、第二焊接點、第三焊接點固定于待測高溫管道外壁上，且第一焊接點與第三焊接點所成直線與高溫管道的軸線平行。
[0031]步驟2:將寬帶光源發出的光通過光開關入射到高溫長周期光纖光柵軸向應變傳感器、高溫長周期光纖光柵橫向應變傳感器和高溫長周期光纖光柵溫度傳感器串行連接后的其中一端；
[0032]步驟3:使高溫管道發生微小形變，即將待測應變Λ ε施加于長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器上，其中，Λ ε包括施加于軸向上的應變Λ ε ^和施加于橫向上的應變
Δ ε B ；
[0033]步驟4:光纖光柵解調儀連接高溫長周期光纖光柵軸向應變傳感器、高溫長周期光纖光柵橫向應變傳感器和高溫長周期光纖光柵溫度傳感器串行連接后的另一端，寬帶光源發出的光經過三個光纖光柵傳感器后有透射光出射，測量三個高溫長周期光纖光柵應變實時檢測器的透射波長漂移量，并得到高溫長周期光纖光柵軸向應變傳感器與高溫長周期光纖光柵溫度傳感器的中心波長漂移量的差值Λ X1、高溫長周期光纖光柵橫向應變傳感器與高溫長周期光纖光柵溫度傳感器的中心波長漂移量的差值△入2 ;
[0034]步驟5:
[0035]若Δ λ ?關O, Δ λ 2 = O,則Δ ε B = O,待測應變Δε = Δ ε L ^ O,即高溫管道無橫向應變，僅有軸向應變，且應變值Λ ε = Λ A1ZA1(1-Pe)；[0036]若Δ λ I = O, Δ λ 2古O,則Δ ε L = O,待測應變Δε = Δ ε Β ^ O,即高溫管道無軸向應變，僅有橫向應變，且應變值Λ ε = Λ λ 2/A2(1-Pe)；
[0037]若Λ X1^O, Λ λ2#0,則待測應變Λ ε = Δ ε L+Δ ε Β ^ O,即高溫管道既有橫向應變，又有軸向應變，且橫向應變值Λ εΒ = Λ λ2/λ2(1-Ρ上軸向應變值Aq=AA1/λ i(i_Pe)；
[0038]其中，A1為高溫長周期光纖光柵軸向應變傳感器的中心波長，λ 2為高溫長周期光纖光柵橫向應變傳感器的中心波長，Pe為光纖的有效彈光系數。
[0039]本發明的適用于高溫環境的光纖光柵式管道應變實時檢測器、檢測系統及使用方法，能夠實時檢測高溫環境下管道的二維應變情況，并在傳感系統內部解決溫度補償的問題；該光纖光柵式管道應變實時檢測器具有抗電磁干擾、精度高、動態響應快、體積小、重量輕、成本相對低廉等特點，更具可靠性、穩定性和簡易性；同時，多個該應變實時檢測器排布使用，可對高溫管道進行多點分布式組網檢測。 【專利附圖】

【附圖說明】:
[0040]圖1:本發明一種適用于高溫環境的光纖光柵式管道應變實時檢測器的結構示意圖；
[0041]圖2:本發明采用光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器檢測管道應變的檢測系統圖；
[0042]圖3:本發明采用長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器檢測管道應變的檢測系統圖；
[0043]圖4:本發明具體實施例4采用η個光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器檢測管道應變的結構示意圖；
[0044]其中:1、敏感膜板；1-1、軸向應變敏感膜板；1-2、溫度敏感膜板；1-3、橫向應變敏感膜板；2、高溫光纖光柵軸向應變傳感器；3、高溫光纖光柵橫向應變傳感器；4、高溫光纖光柵溫度傳感器；5、第一焊接點；6、第二焊接點；7、第三焊接點。
【具體實施方式】
[0045]下面結合實施例和附圖對本發明的一種適用于高溫環境的光纖光柵式管道應變實時檢測器及應用該檢測器的系統作進一步描述:
[0046]實施例1:
[0047]圖1為本發明實施例1、實施例2、實施例3中使用到的的一種適用于高溫環境的光纖光柵式管道應變實時檢測器，其中包括敏感膜板1、軸向應變敏感膜板1-1、溫度敏感膜板1-2、橫向應變敏感膜板1-3、高溫光纖光柵軸向應變傳感器2、高溫光纖光柵橫向應變傳感器3、高溫光纖光柵溫度傳感器4、第一焊接點5、第二焊接點6、第三焊接點7。敏感膜板I通過第一焊接點5、第二焊接點6、第三焊接點7固定于待測高溫管道上，且第一焊接點5與第三焊接點7所成直線與高溫管道的軸線平行。其中高溫光纖光柵軸向應變傳感器2的兩端平行固定在軸向應變敏感膜板1-1的長軸方向中軸線的中心位置上，高溫光纖光柵橫向應變傳感器3的兩端平行固定在橫向應變敏感膜板1-3的長軸方向中軸線上，高溫光纖光柵溫度傳感器4以非兩端固定方式安裝在溫度敏感膜板1-2的長軸方向中軸線的中心位置上；其中高溫光纖光柵橫向應變傳感器3距高溫光纖光柵軸向傳感器2和高溫光纖光柵溫度傳感器4所成直線的最小直線距離不小于IOcm ;且高溫光纖光柵軸向應變傳感器2、高溫光纖光柵橫向應變傳感器3和高溫光纖光柵溫度傳感器4通過光纖串行連接。
[0048]其中高溫光纖光柵軸向應變傳感器2、高溫光纖光柵橫向應變傳感器3和高溫光纖光柵溫度傳感器4與敏感膜板I之間采用熔點為耐高溫膠水粘接。
[0049]敏感膜板I的橫向長度為40cm，縱向長度為30cm，其中，軸向應變敏感膜板1_1的橫向長度為15cm，縱向長度為IOcm;溫度敏感膜板1_2的橫向長度為15cm，縱向長度為IOcm ;橫向應變敏感膜板1-3的橫向長度為10cm，縱向長度為30cm。
[0050]將適用于高溫環境的光纖光柵式管道應變實時檢測器連入檢測高溫管道應變的系統中，其中敏感膜板I通過第一焊接點5、第二焊接點6、第三焊接點7固定于待測高溫管道上，且第一焊接點5與第三焊接點7所成直線與高溫管道的軸線平行。給上述光纖光柵式管道應變實時檢測器施加軸向力時，由敏感膜板I的結構可知，軸向應變敏感膜板1-1發生形變，而與施加力方向垂直的橫向應變敏感膜板1-2側向剛度大，不發生形變，只考察軸向應變敏感膜板1-1上粘貼的高溫光纖光柵軸向應變傳感器2中心波長的變化；高溫光纖光柵橫向應變傳感器距高溫光纖光柵軸向傳感器和高溫光纖光柵溫度傳感器所成直線的最小直線距離不小于10cm，目的是為了保證高溫光纖光柵橫向應變傳感器與軸向應變敏感膜板沒有相交的部分，不受軸向應變的影響。給上述光纖光柵式管道應變實時檢測器施加橫向力時，由敏感膜板的結構可知，橫向應變敏感膜板1-2發生形變，而與施加力方向垂直的軸向應變敏感膜板1-1側向剛度大，不發生形變，只考察橫向應變敏感膜板1-2上粘貼的高溫光纖光柵橫向應變傳感器3中心波長的變化。所述第三高溫光纖光柵溫度傳感器4的兩端自由地固定在高溫管道上，其只感受管道的溫度變化，對管道應變無響應，由于敏感膜板I為金屬結構且不大，可以看成是等溫度體，高溫光纖光柵溫度傳感器4感受到的溫度是與高溫光纖光柵軸向應變傳感器2和高溫光纖光柵橫向應變傳感器3感受到的溫度是相同的，可作為溫度補償傳感器。
[0051]這樣高溫光纖光柵軸向應變傳感器2的輸出信號反映管道軸向應變及溫度變化，高溫光纖光柵橫向應變傳感器3的輸出信號反映管道橫向應變及溫度變化,高溫光纖光柵溫度傳感器4的輸出信號反映管道的溫度變化。
[0052]本實施例使用的高溫光纖光柵軸向應變傳感器2、高溫光纖光柵橫向應變傳感器3和高溫光纖光柵溫度傳感器4均為材料、結構和尺寸相同的高溫光纖布拉格光柵傳感器，三者均由Polyimide耐高溫光纖光柵制備而成,長度均為8cm,光柵直徑均為125um,帶寬為2nm左右，波谷光譜寬度均為30nm，但三者特征中心波長不同，分別為λ2 = 1531nm, A3 =1565nm, A 4 = 1593nm。光纖布拉格光柵傳感器為反射式波長編碼傳感器件，對溫度和應變有相應的特征波長漂移，利用光纖光柵解調儀探測反射光波并進行溫度補償數據處理可將波長漂移量轉化為相應的高溫管道應變值。
[0053]而適用于高溫環境的光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器檢測高溫管道應變的系統，如圖2所示，包含有寬帶光源(BBS，1550SLD臺式光源)、光纖環形器、光開關、光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器、計算機和光纖光柵解調儀(SM-130，采樣頻率1000Hz);其中寬帶光源發出的光經光纖環形器后進入光開關輸入端，光開關輸出端連接光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器；光纖光柵解調儀與光纖環行器的輸出端口以及計算機連接，光開關連接計算機，計算機控制光纖光柵解調儀和光開關通斷時間；
[0054]寬帶光源發出的光通過a端口進入光纖環行器，后從b端口出射進入光開關的輸入端，經光開關后入射到高溫光纖布拉格光柵軸向應變傳感器2、高溫光纖布拉格光柵橫向應變傳感器3和高溫光纖布拉格光柵溫度傳感器4串行連接后的其中一端；寬帶光源發出的光經過光纖布拉格光柵會發生反射，產生的反射波由光纖環行器的b端口進入,后從c端口輸出，進入光纖光柵解調儀；
[0055] 使高溫管道發生微小形變，即將待測應變Δ ε施加于光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器上，其中，Λ ε包括施加于軸向上的應變Λ ε ^和施加于橫向上的應變
Δ ε B ；
[0056]利用光纖光柵解調儀測量三個高溫光纖布拉格光柵傳感器的反射波中心波長漂移量，并得到高溫光纖布拉格光柵軸向應變傳感器2與高溫光纖布拉格光柵溫度傳感器4的中心波長漂移量的差值Δ λ工、高溫光纖布拉格光柵橫向應變傳感器3與高溫光纖布拉格光柵溫度傳感器4的中心波長漂移量的差值Λ λ2 ;
[0057]若Δ λ I關O, Δ λ 2 = O,則Δ ε B = O,待測應變Δε = Δ ε L ^ O,即高溫管道無橫向應變，僅有軸向應變，且應變值Λ ε = Λ A1ZA1(1-Pe)；
[0058]若Δ λ I = O, Δ λ 2關O,則Δ ε L = O,待測應變Δε = Δ ε Β關O,即高溫管道無軸向應變，僅有橫向應變，且應變值Λ ε = Λ λ 2/A2(1-Pe)；
[0059]若Δλ2# O,則待測應變Δε = Δ ε L+Δ ε Β ^ O,即高溫管道既有橫向應變，又有軸向應變，且橫向應變值Λ εΒ = Λ λ2/λ2(1-Ρ上軸向應變值Aq=AA1/λ i(i_Pe)；
[0060]其中，λ工為高溫光纖布拉格光柵軸向應變傳感器2的中心波長，λ 2為高溫光纖布拉格光柵橫向應變傳感器3的中心波長，Pe為光纖的有效彈光系數。
[0061]實施例2
[0062]與實施例1的不同之處在于，高溫光纖光柵軸向應變傳感器2、高溫光纖光柵橫向應變傳感器3和高溫光纖光柵溫度傳感器4均為材料、結構和尺寸相同的高溫長周期光纖光柵傳感器，但三者特征中心波長不同。
[0063]三者均由Polyimide耐高溫光纖光柵制備而成，長度均為8cm,光柵直徑均為125um，帶寬為4nm左右，波谷光譜寬度均為35nm，最大衰減18dB，但三者特征中心波長不同，分別為λ2= 1533ηπι, λ 3 = 1560nm, λ 4 = 1590nm。長周期光纖光柵傳感器為透射式波長編碼傳感器件，對溫度和應變有相應的特征波長漂移，利用光纖光柵解調儀探測透射光波并進行溫度補償數據處理可將波長漂移量轉化為相應的高溫管道應變值。
[0064]如圖3所示，而適用于高溫環境的長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器檢測高溫管道應變的系統，包含有寬帶光源(BBS，1550SLD臺式光源)、光開關、長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器、計算機和光纖光柵解調儀(SM-130，采樣頻率1000Hz);其中寬帶光源發出的光進入光開關輸入端，光開關輸出端連接長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器；長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器的輸出端與光纖光柵解調儀連接；計算機連接光開關以及光纖光柵解調儀，由其控制光纖光柵解調儀和光開關通斷時間；
[0065]具體步驟如下:
[0066]步驟1:將寬帶光源發出的光通過光開關入射到高溫長周期光纖光柵軸向應變傳感器2、高溫長周期光纖光柵橫向應變傳感器3和高溫長周期光纖光柵溫度傳感器4串行連接后的其中一端；
[0067]步驟2:使高溫管道發生微小形變，即將待測應變Λ ε施加于長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器上，其中，Λ ε包括施加于軸向上的應變Λ ε ^和施加于橫向上的應變
Δ ε B ；
[0068]步驟3:光纖光柵解調儀連接高溫長周期光纖光柵軸向應變傳感器2、高溫長周期光纖光柵橫向應變傳感器3和高溫長周期光纖光柵溫度傳感器4串行連接后的另一端，寬帶光源發出的光經過三個光纖光柵傳感器后有透射光出射，測量三個高溫長周期光纖光柵應變實時檢測器的透射波長漂移量，并得到高溫長周期光纖光柵軸向應變傳感器2與高溫長周期光纖光柵溫度傳感器4的中心波長漂移量的差值Λ X1、高溫長周期光纖光柵橫向應變傳感器3與高溫長周期光纖光柵溫度傳感器4的中心波長漂移量的差值Λ λ 2 ;
[0069]步驟4:
[0070]若Λ λ I乒O, Δ λ 2 = O,則Δ ε B = O,待測應變Δε = Δ ε L ^ O,即高溫管道無橫向應變，僅有軸向應變，且應變值Λ ε = Λ A1ZA1(1-Pe)；
[0071]若八入丨=。，Δ λ 2關O,則Δ ε L = O,待測應變Δε = Δ ε Β關O,即高溫管道無軸向應 變，僅有橫向應變，且應變值Λ ε = Λ λ 2/A2(1-Pe)；
[0072]若Δλ2# O,則待測應變Δε = Δ ε L+Δ ε Β ^ O,即高溫管道既有橫向應變，又有軸向應變，且橫向應變值Λ εΒ = Λ λ2/λ2(1-Ρ上軸向應變值Aq=AA1/λ i(i_Pe)；
[0073]其中，X1為高溫長周期光纖光柵軸向應變傳感器2的中心波長，λ 2為高溫長周期光纖光柵橫向應變傳感器3的中心波長，Pe為光纖的有效彈光系數。
[0074]實施例3:
[0075]如圖4所示，與實施例1的不同之處在于，在實施例1的基礎上，將η (η≥2)個敏感膜板并行排布在高溫管道上，其目的在于對高溫管道進行多點分布式組網檢測。
[0076]當寬帶光源的出射光波經過光纖環行器后在光開關的控制下進入上述η組光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器串行連接后的一端。
[0077]給上述η個光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器施加應變△ ε ,光纖布拉格光柵反射回來的光通過光纖環行器進入光纖光柵解調儀，通過與解調儀連接的計算機來監測每組傳感器上的高溫光纖布拉格光柵的中心波長漂移量。
[0078]對于每一個高溫管道應變檢測傳感器而言，其應變測量方法同實施例1，若某高溫管道應變檢測傳感器無中心波長漂移量差值，說明該高溫管道應變檢測傳感器所在位置的高溫管道無應變；若某高溫管道應變檢測傳感器有中心波長漂移量差值，說明該高溫管道應變檢測傳感器所在位置的高溫管道有應變。
【權利要求】
1.一種適用于高溫環境的光纖光柵式管道應變實時檢測器，其特征在于，所述的應變實時檢測器包括有敏感膜板(I)和固定在敏感膜板(I)上的高溫光纖光柵傳感器，其中所述的高溫光纖光柵傳感器包含有安裝方向彼此垂直的、兩端固定安裝在敏感膜板(I)表面上的高溫光纖光柵軸向應變傳感器(2)和高溫光纖光柵橫向應變傳感器(3);且還包含有非兩端固定方式安裝在敏感膜板(I)表面上的高溫光纖光柵溫度傳感器(4);其中高溫光纖光柵橫向應變傳感器(3)距高溫光纖光柵軸向傳感器(2)和高溫光纖光柵溫度傳感器(4)所成直線的最小直線距離不小于10cm。
2.如權利要求1所述的應變實時檢測器，其特征在于，所述的高溫光纖光柵軸向應變傳感器(2)的兩端平行固定在軸向應變敏感膜板(1-1)的長軸方向中軸線的中心位置上，高溫光纖光柵橫向應變傳感器(3)的兩端平行固定在橫向應變敏感膜板(1-3)的長軸方向中軸線上，高溫光纖光柵溫度傳感器(4)以非兩端固定方式安裝在溫度敏感膜板(1-2)的長軸方向中軸線的中心位置上。
3.如權利要求1或2所述的應變實時檢測器，其特征在于，所述的高溫光纖光柵軸向應變傳感器(2)、高溫光纖光柵橫向應變傳感器(3)和高溫光纖光柵溫度傳感器(4)通過光纖串行連接。
4.如權利要求1所述的應變實時檢測器，其特征在于，所述的高溫光纖光柵傳感器為高溫光纖布拉格光柵傳感器或高溫長周期光纖光柵傳感器。
5.如權利要求1所述的應變實時檢測器，其特征在于，所述的敏感膜板(I)的橫向長度為40cm，縱向長度為30cm，其中，軸向應變敏感膜板(1_1)的橫向長度為15cm，縱向長度為IOcm ;溫度敏感膜板(1-2)的橫向長度為15cm，縱向長度為IOcm ;橫向應變敏感膜板(1_3)的橫向長度為10cm，縱向長度 為30cm。
6.一種適用于高溫環境的檢測管道應變的系統，其特征在于，所述的系統包括有寬帶光源、光纖環形器、光開關、權利要求1所述的光纖光柵式管道應變實時檢測器、計算機和光纖光柵解調儀；其中寬帶光源發出的光經光纖環形器后進入光開關輸入端，光開關輸出端連接光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器；光纖光柵解調儀與光纖環行器的輸出端口以及計算機連接，光開關連接計算機，計算機控制光纖光柵解調儀和光開關通斷時間；且高溫光纖光柵傳感器為高溫光纖布拉格光柵傳感器。
7.如權利要求6所述的適用于高溫環境的光纖光柵式高溫管道應變實時檢測器檢測高溫管道應變的系統，其特征在于所述的光纖布拉格光柵式高溫管道應變實時檢測器的數目為一個或以上。
8.權利要求6所述的適用于高溫環境的檢測管道應變的系統的使用方法，包括有如下的步驟: 步驟1:將光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器的敏感膜板通過第一焊接點、第二焊接點、第三焊接點固定于待測高溫管道外壁上，且第一焊接點與第三焊接點所成直線與高溫管道的軸線平行； 步驟2:寬帶光源發出的光通過a端口進入光纖環行器，后從b端口出射進入光開關的輸入端,經光開關后入射到高溫光纖布拉格光柵軸向應變傳感器、高溫光纖布拉格光柵橫向應變傳感器和高溫光纖布拉格光柵溫度傳感器串行連接后的其中一端；寬帶光源發出的光經過光纖布拉格光柵會發生反射，產生的反射波由b端口進入光纖環行器,后從c端口輸出，進入光纖光柵解調儀； 步驟3:使高溫管道發生微小形變，即將待測應變Λ ε施加于光纖布拉格光柵式管道應變實時檢測器上，其中，Λ ε包括施加于軸向上的應變Λ ε ^和施加于橫向上的應變Δ ε B ； 步驟4:利用光纖光柵解調儀測量三個高溫光纖布拉格光柵傳感器的反射波中心波長漂移量，并得到高溫光纖布拉格光柵軸向應變傳 感器與高溫光纖布拉格光柵溫度傳感器的中心波長漂移量的差值Δ λ工、高溫光纖布拉格光柵橫向應變傳感器與高溫光纖布拉格光柵溫度傳感器的中心波長漂移量的差值Λ λ2 ; 步驟5: 若Δλι = 0, Δλ2 = O,則待測應變Δ ε = O,即高溫管道無應變； 若Δ λ ?關O, Δ λ 2 = O,則Δ ε B = O,待測應變Δε = Δ ε L ^ O,即高溫管道無橫向應變，僅有軸向應變，且應變值Λ ε = Λ A1ZA1(1-Pe)； 若Δ λ ? = O, Δ λ 2關O,則Δ ε L = O,待測應變Δε = Δ ε Β ^ O,即高溫管道無軸向應變，僅有橫向應變，且應變值Λ ε = Λ λ 2/A2(1-Pe)； 若Δλι關O, Δ λ 2 ^ O,則待測應變Δε = Δ ε L+Δ ε Β ^ O,即高溫管道既有橫向應變，又有軸向應變，且橫向應變值Λ εΒ = Λ λ2/λ2(1-Ρ上軸向應變值Aq=AA1/λ i(i_Pe)； 其中，λ I為高溫光纖布拉格光柵軸向應變傳感器的中心波長，λ 2為高溫光纖布拉格光柵橫向應變傳感器的中心波長，Pe為光纖的有效彈光系數。
9.一種適用于高溫環境的檢測管道應變的系統，包括有寬帶光源、光纖環形器、光開關、權利要求1所述的光纖光柵式高溫管道應變實時檢測器、計算機和光纖光柵解調儀；其中寬帶光源發出的光進入光開關輸入端，光開關輸出端連接長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器；長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器的輸出端與光纖光柵解調儀連接；計算機連接光開關以及光纖光柵解調儀，由其控制光纖光柵解調儀和光開關通斷時間；且光纖光柵式高溫管道應變實時檢測器的數目為一個或以上。
10.權利要求9所述的適用于高溫環境的檢測管道應變的系統的使用方法，包括有如下的步驟: 步驟1:將長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器的敏感膜板通過第一焊接點、第二焊接點、第三焊接點固定于待測高溫管道外壁上，且第一焊接點與第三焊接點所成直線與高溫管道的軸線平行， 步驟2:將寬帶光源發出的光通過光開關入射到高溫長周期光纖光柵軸向應變傳感器、高溫長周期光纖光柵橫向應變傳感器和高溫長周期光纖光柵溫度傳感器串行連接后的其中一端； 步驟3:使高溫管道發生微小形變，即將待測應變Λ ε施加于長周期光纖光柵式管道應變實時檢測器上，其中，Λ ε包括施加于軸向上的應變Λ ε ^和施加于橫向上的應變Δ ε B ； 步驟4:光纖光柵解調儀連接高溫長周期光纖光柵軸向應變傳感器、高溫長周期光纖光柵橫向應變傳感器和高溫長周期光纖光柵溫度傳感器串行連接后的另一端，寬帶光源發出的光經過三個光纖光柵傳感器后有透射光出射，測量三個高溫長周期光纖光柵應變實時檢測器的透射波長漂移量，并得到高溫長周期光纖光柵軸向應變傳感器與高溫長周期光纖光柵溫度傳感器的中心波長漂移量的差值Λ X1、高溫長周期光纖光柵橫向應變傳感器與高溫長周期光纖光柵溫度傳感器的中心波長漂移量的差值△入2 ; 步驟5: 若Δ λ ?關O, Δ λ 2 = O,則Δ ε B = O,待測應變Δε = Δ ε L ^ O,即高溫管道無橫向應變，僅有軸向應變，且應變值Λ ε = Λ A1ZA1(1-Pe)； 若Δ λ ? = O, Δ λ 2關O,則Δ ε L = O,待測應變Δε = Δ ε Β ^ O,即高溫管道無軸向應變，僅有橫向應變，且應變值Λ ε = Λ λ 2/A2(1-Pe)； 若Δλι關O, Δ λ 2 ^ O,則待測應變Δε = Δ ε L+Δ ε Β ^ O,即高溫管道既有橫向應變，又有軸向應變，且橫向應變值Λ εΒ= Λ λ 2/A2(1-Pe)，軸向應變值Aq=AA1/λ i(i_Pe)； 其中，X1為高溫長周期光纖光柵軸向應變傳感器的中心波長，λ 2為高溫長周期光纖光柵橫向應變傳感器的 中心波長，Pe為光纖的有效彈光系數。
【文檔編號】G01B11/16GK103968775SQ201410181937
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】張銘, 田維堅 申請人:青島市光電工程技術研究院