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科研进展
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一种耐高温金属封装再生光纤布拉格光栅应变传感器的研制及性能研究
发表时间:2015-01-16 阅读次数:2029次

         为提高能量转化和生产效率,现代过程工业向高温高压的趋势发展。高温下材料劣化会导致构件失效,从而危及装置的服役安全。由于服役条件的多变性,在设计阶段一般无法预见操作工况的实际变化,因此常规设计不足以保障装置的安全运行。为此,结构完整性监测成为确保装置安全运行的一种重要手段。鉴于高温下材料/构件主要的失效机理是蠕变损伤,蠕变损伤又是蠕变累积的结果,因而应变测量是高温环境中结构完整性监测最可靠的方法。然而,由于缺乏高温下可靠的传感装置,高温环境的应变测量是长期以来所面临的严峻挑战。

         本研究基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感理论,应用磁控溅射和电镀工艺,研制一种新型耐高温金属封装再生光纤布拉格光栅(Regenerated Fiber Bragg grating, RFBG)应变传感器,并研究其应变响应特性。

         研究中,基于自行设计的应变传感器封装结构,建立了三维有限元模型求解埋入金属基体光纤的应变状态;给出了金属封装RFBG应变传感器的制备工艺;利用单轴拉伸试验标定了传感器的应变灵敏度,并评价了传感器的稳定性和重复性。主要结论如下:

         (1) 成功制备了金属封装RFBG应变传感器,金属封装过程不会对RFBG反射谱型产生明显地影响,且光纤/Ti膜、Ni镀层/P91钢基体之间界面,以及各金属层之间界面,无明显的不连续。

         (2) 金属封装RFBG应变传感器工作温度最高可达400 °C;在室温至400 °C范围内恒温条件下,具有良好的线性、稳定性和重复性;由于易受温度波动干扰,为提高传感器的精确度,有必要进行温度补偿。。

         (3) 通过对比分析金属封装RFBG应变传感器和裸RFBG的应变响应特性,发现经过金属封装后的RFBG比裸RFBG具有更高的应变灵敏度,这是由于设计的柔性结构基体起到了应变增敏作用。

         (4) 比较金属封装RFBG应变传感器应变灵敏度的数值结果与试验结果,发现在试验温度范围内两者具有很好的一致性。因此,可以基于有限元分析方法,预测传感器的应变灵敏度。

         本研究成果有望用于压水堆(PWR)型核电站高温构件的结构完整性监测。

 

论文信息:Yun Tu, Shantung Tu. Fabrication and characterization of a metal-packaged regenerated fiber Bragg grating strain sensor for structural integrity monitoring of high-temperature components. Smart Materials and Structures, 23 (2014) 035001.