CN109579725A - 一种耐高温柔性长标距应变传感器、制造方法以及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可用于高温设施应变监测的耐高温长标距柔性应变传感器，采用光纤光栅传感为传感技术，利用耐高温的封装工艺，实现高温情况下的应变监测。本发明的传感器包括光纤光栅和封装护套，其中光纤光栅通过两端的锚固区固定在封装护套内，光栅区位于两个锚固区之间。当传感器布设在高温设施表面时，光栅区监测的应变可反映结构一定范围的应变。本发明传感结构简单，成本低，可大量串联，可实现高温设施(平面或曲面)高温应变/应力监测难题，市场竞争力强，对保障国家基础设施安全产生有益效果。
Description
技术领域
本发明属于工程结构养护/监测、传感技术领域，具体涉及的是一种基于光纤光栅传感技术的可用于高温设施应变监测的耐高温柔性长标距应变传感器。
背景技术
高温高压容器是化工行业的重要基础设施，是化工行业的重要反应容器和存储容器。据2017年国家市场监督管理总局数据统计，我国目前拥有各类压力容器381.96万台，其中相当比例的是高温高压容器(设计温度一般在300℃以上)。压力容器的安全情况一直是社会关注的热点，因为一旦发生事故，往往伴有重大财产损失和人员伤亡。因此，需要对这类特殊的基础设施实施监测。
压力容器的设计使用寿命为20年，若平均延长2年寿命，相当于新制造30多万台，相当于几百亿人民币，可节约大量的社会资源。实际上，有很多容器超过了使用寿命仍在使用。这些超期服役的容器，一般可能已经存在一些损伤，如焊缝处的裂纹，因此，其安全状况更值得实施监测。
目前高温高压容器的安全主要依靠定期检测为主，每次检测需要停机，清空罐内物料，去除保温层，既影响生产，费时费财，还无法及时捕捉损伤发展状况并及时预警。结构安全监测在桥梁、隧道等基础设施行业已经发展很多年，并且出现了很多有益成果。但是在压力容器行业，结构安全监测还处于研究起步阶段，其中一个难点就是高温下很多常规传感器无法有效工作，例如普通的电阻应变计一般采用树脂等有机胶封装，而这些胶在200℃以上将软化失效。
光纤光栅(FBG)因其优异的传感性能，目前是用于监测应变的一种主流传感方式。光纤内部光传播结构采用石英玻璃，一般可耐1000℃以上的温度，但是光纤玻璃结构***的保护层是树脂层，无法耐高温。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种基于光纤光栅技术的耐高温柔性长标距应变传感器。
本发明同时提供了上述耐高温柔性长标距应变传感器的制造方法以及应用。
技术方案：为实现上述目的，本发明耐高温柔性长标距应变传感器可采用以下技术方案。
一种耐高温长标距柔性应变传感器，包括封装护套及收容在封装护套内部的光纤光栅，所述封装护套的两端为锚固区，光纤光栅通过两端的锚固区固定在封装护套内，其中光纤光栅的光栅区位于两个锚固区之间。
进一步的，所述的封装护套采用不锈钢钢片制成的钢弹簧。
进一步的，锚固区内灌注耐高温胶。
进一步的，每个锚固区的长度l不小于5cm。
进一步的，封装护套的总长度L为2m。
本发明的有益效果是：
1、本发明中采用光纤光栅传感技术和耐高温封装，解决了高温设施的应变/应力难以准确、及时、全面监测的困境，具有较强的适用性及市场竞争力；
2、本发明中传感器具有大范围传感、适应曲面/平面等多种监测对象，为高温结构监测领域提供了新思路，为保障工程结构有效、安全运营提供技术支持；
3、本发明中传感结构简单，实现了高温高压等高温特种设施的低成本在线监测，市场竞争力强，为保障国家基础设施安全和财产安全产生有益效果。
本发明还提供了制造上述耐高温长标距柔性应变传感器的方法的技术方案，该制造方法包括如下步骤：
第一步，在编织机器上制备封装护套；
第二步，将光纤光栅布设在封装护套内，并去除设计锚固区范围内的光纤树脂保护层；
第三步，给光纤光栅施加张拉应变，在锚固区内灌注耐高温胶，然后加热固化。
本发明还提供了上述耐高温长标距柔性应变传感器应用在压力容器裂纹测量的技术方案。
该应用为：将若干耐高温长标距柔性应变传感器的封装护套通过耐高温胶黏贴在压力容器外表面的焊缝附近位置，当某个耐高温长标距柔性应变传感器监测的应变/应力发生显著变化，即可判断该耐高温长标距柔性应变传感器附件有裂纹出现。
附图说明
图1为本发明的耐高温长标距柔性应变传感器结构示意图；
图2为本发明的耐高温长标距柔性应变传感器在非锚固区的横截面(图1中A-A截面)结构示意图；
图3为本发明的光纤光栅非光栅区的横截面结构示意图；
图中标号说明：1、光纤光栅，2、封装护套，3、锚固区，4、树脂保护层，5、石英玻璃层。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
如图1至图3所示，一种耐高温长标距柔性应变传感器，包括封装护套2及收容在封装护套内部的光纤光栅1。所述的光纤光栅1通过两端的锚固区3固定在封装护套2内，其中光纤光栅1的光栅区位于两个锚固区3之间，因此使得两个锚固区3之间的光纤(含光栅区)上每点的应变相同，从而光栅区监测的应变可直接反映两个锚固区3之间长度范围内的平均应变。同时，本发明采用钢弹簧作为封装材料，环向具有一定的刚度，纵向可弯曲具有显著的柔性，方便在曲面的高温压力容器表面安装。因此，将传感器布设在高温设施上，可实现结构大范围应变的长期监测。
优选的，封装护套2采用不锈钢钢片制成的钢弹簧。
优选的，光纤光栅1在锚固区3范围内去除树脂保护层5，并采用耐高温胶将石英玻璃层4与锚固区3范围的封装护套2粘结一起，其中耐高温胶耐温不低于600℃。
优选的，锚固区3的长度l一般不小于5cm，而传感器标距的长度L可达到2m。
传感器的具体制备方法包括以下步骤：
第一步，在编织机器上制备封装护套(2)；
第二步，将光纤光栅(1)布设在封装护套(2)内，并去除设计锚固区范围内的光纤树脂保护层；
第三步，给光纤光栅(1)施加一定的张拉应变，在锚固区(3)内灌注耐高温胶，然后加热固化。
以压力容器为例，本发明的耐高温柔性传感器应用包括以下：1、安装位置选择，焊缝附近是压力容器应力易集中的区域，因此，传感器一般选择安装沿焊缝方向的附近位置；2、传感器安装数量，可根据前期检测的结果，尽量将已有损伤区域全面覆盖；3、传感器的安装，采用耐高温胶将传感器全面黏贴在容器钢罐的外表面，黏贴前需对钢板表面实施打磨、清洗；4、应力测试，传感器直接测量的是结构一段区域的应变，通过材料力学的知识可直接转化成应力；5、裂纹判断，在内部压力作用下，相同高度横断面的应变/应力理论上应该是相同的，当某个传感器监测的应变/应力发生显著变化，即可判断裂纹的出现。压力容器是典型的高温环境，因此，传感器的温度补偿需要采用同样封装的温度传感器进行温度测量并进行补偿。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种耐高温长标距柔性应变传感器，其特征在于：包括封装护套(2)及收容在封装护套(2)内部的光纤光栅(1)，所述封装护套(2)的两端为锚固区(3)，光纤光栅(1)通过两端的锚固区(3)固定在封装护套(2)内，其中光纤光栅(1)的光栅区位于两个锚固区(3)之间。
2.根据权利要求1所述的耐高温长标距柔性应变传感器，其特征在于，所述的封装护套(2)采用不锈钢钢片制成的钢弹簧。
3.根据权利要求1所述的耐高温长标距柔性应变传感器，其特征在于，锚固区内灌注耐高温胶。
4.根据权利要求1所述的耐高温长标距柔性应变传感器，其特征在于，每个锚固区(3)的长度l不小于5cm。
5.根据权利要求1所述的耐高温长标距柔性应变传感器，其特征在于，封装护套(2)的总长度L为2m。
6.一种制造如权利要求1至5中任一项所述的耐高温长标距柔性应变传感器的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，在编织机器上制备封装护套(2)；
第二步，将光纤光栅(1)布设在封装护套(2)内，并去除设计锚固区范围内的光纤树脂保护层；
第三步，给光纤光栅(1)施加张拉应变，在锚固区(3)内灌注耐高温胶，然后加热固化。
7.一种如权利要求1至5中任一项所述的耐高温长标距柔性应变传感器的应用，其特征在于：将若干耐高温长标距柔性应变传感器的封装护套(2)通过耐高温胶黏贴在压力容器外表面的焊缝附近位置，当某个耐高温长标距柔性应变传感器监测的应变/应力发生显著变化，即可判断该耐高温长标距柔性应变传感器附件有裂纹出现。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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