光纤传感器对合金结构瞬态高温应变测量的适用性研究_王则力.pdf

光纤传感器对合金结构瞬态高温光纤传感器对合金结构瞬态高温应变测量的适用性研究应变测量的适用性研究王则力1，王淑玉2，丁镇军1，丁洋1，乔通1（1.北京强度环境研究所；2.中国运载火箭技术研究院空间物理重点实验室：北京100076）摘要：高温下结构应变测量数据的重复性是判断测量结果有效性的前提和基础。文章采用石英灯辐射加热技术构建瞬态辐射加热环境，以薄壁平板型合金材料结构为测量对象，对光纤应变传感器在瞬态加热环境下应变测量数据的重复性进行实验研究，以确定其对合金材料瞬态高温下应变测量的适用性。结果表明：光纤传感器与 K 型热电偶的测温偏离量小于 1.76%；在安装面加热状态，瞬态加热温升速率最高达到 18/s，结构最高温度达到 850，此温度下测得的结构件最大应变为 9848.2，3 次实验测量数据的重复性优于 1.42%；非安装面加热状态、结构温度 650 下的 3 次测量数据重复性为 0.95%，且与安装面加热状态、相同温度下的测量数据平均值的相对差异仅为 0.67%。综上说明，所采用的光纤应变传感器适用于石英灯瞬态辐射加热环境下合金结构件的应变测量。关键词：合金材料结构；高温应变；光纤应变传感器；瞬态辐射加热；实验研究中图分类号：V411.4文献标志码：A文章编号：1673-1379(2023)01-0043-06DOI:10.12126/see.2022099Applicability study on optical fiber sensor fortransient HT strain measurement of alloy structuresWANGZeli1,WANGShuyu2,DINGZhenjun1,DINGYang1,QIAOTong1(1.BeijingInstituteofStructureandEnvironmentEngineering;2.ScienceandTechnologyonSpacePhysicsLaboratory,ChinaAcademyofLaunchVehicleTechnology,Beijing100076,China)Abstract:Therepeatabilityofstructuralstrainmeasurementdataathightemperature(HT)isthepremiseand basis for judging the validity of measurement results.In this paper,the quartz lamp radiation heatingtechnology was used to construct the transient radiation heating environment and the thin-walled flat alloymaterialstructurewastakenasthemeasurementobject.Therepeatabilityofstrainmeasurementdataobtainedbyopticalfiberstrainsensorinthetransientheatingenvironmentwasexperimentallystudied,soastoverifyitsapplicabilitytothetransientHTstrainmeasurementofalloymaterials.ThetestresultsshowthatthedeviationbetweentheopticalfibersensorandtheK-typethermocoupleislessthan1.76%.Whenmountingsurfaceheated,themaximumtransienttemperaturerisingratereaches18/s,themaximumstructuraltemperaturereaches850,andthemaximumstrainofthestructuralpartis9848.2 underthistemperature.Therepeatabilityofthethreeexperimentalmeasurementsisbetterthan1.42%.Whennon-mountingsurfaceheated,thedifferenceinthemeanofthemeasureddataunderthesametemperatureisonly0.67%.Inconclusion,theopticalfiberstrainsensorissuitableforthestrainmeasurementofalloystructureinthetransientradiationheatingenvironmentbyquartzlamp.Keywords:alloy material structure;HT strain;optical fiber strain sensor;transient radiation heating;experimentalstudy收稿日期：2022-09-19；修回日期：2023-01-27基金项目：国家自然科学基金联合基金项目（编号：U20B2002）；可靠性与环境工程技术重点实验室基金项目（编号：6142905193210）引用格式：王则力,王淑玉,丁镇军,等.光纤传感器对合金结构瞬态高温应变测量的适用性研究J.航天器环境工程,2023,40(1):43-48WANG Z L,WANG S Y,DING Z J,et al.Applicability study on optical fiber sensor for transient HT strain measurement of alloystructuresJ.Spacecraft Environment Engineering,2023,40(1):43-48第40卷第1期航天器环境工程Vol.40,No.12023年2月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING43http:/E-mail:Tel:(010)68116407,68116408,68116544 0 引言引言结构在高温环境下的力学性能与常温环境下有显著差异。在我国航空、航天、核工业、电力、化工等多个行业中，高温下结构的安全性、可靠性以及使用寿命得到研究人员的广泛关注1-5，尤其是在航空、航天领域，航空发动机、高超声速飞行器对结构高温应变测量有着更为迫切的需求。对于结构高温应变测量，美国 NASA 的研究指出，焊接式电阻应变计可以应用于 600 以下的结构应变测量，绕线式电阻应变计和石英光纤应变计可以用于 6001000 环境下，且电阻应变计常用于合金材料结构，石英光纤应变计常用于复合材料结构6。巨亚堂等7探讨了目前国内外光纤法布里珀罗高温应变传感器技术的发展状态，指出基于石英光纤的法布里珀罗干涉型光纤应变传感器理论上能够应用于 1000 以下的结构高温应变测量。王则力等8采用光纤高温应变复合传感器对碳基复合材料结构样件在常温至 810 范围内的高温应变测试特性进行研究，验证了该类传感器对碳基复合材料结构高温拉伸应变测量的精度和重复性。乔通等9采用光纤高温应变复合传感器对改性 C/C材料结构在 4 点弯挠度加载状态下进行最高 800条件下的应变测试，研究该技术测量弯曲应变时的精度和重复性。李丽霞等10研究了 Vishay 公司生产的高温应变片对高温合金梁在 550 稳态温度场条件下的高温应变，结果 4 个应变片 3 次重复实验获得的热输出应变最大值为5699.3，数据重复性优于 0.84%。王成亮等11研究了 Vishay 公司生产的高温应变片对复合材料结构在红外石英灯辐射加热至 500 状态下应变测量的重复性，6 次实验测试的应变最大值约为 3000，此时的应变数值最大偏差约为 500，数据重复性为 8.3%。航空发动机涡轮高温燃气流冲刷、航天飞行器气动热等特殊的极端环境会使结构温度呈现出瞬态快速变化的特点12-15，而传统应用于高温条件的电阻应变片在经受缓慢温度变化和瞬态快速温度变化时的热输出应变特性完全不同12-13，这一特点给准确获取结构在瞬态高温下的应变参数带来全新挑战。近几年发展起来的光纤高温应变传感技术已经在稳态热环境下结构应变参数测量中展现出重复性好、精度高的特点，故而有必要进行光纤高温应变传感技术对于瞬态热环境下结构应变测量的适用性研究。本文采用航空、航天领域热模拟试验中常用的石英灯辐射加热技术构建瞬态辐射加热环境，以合金材料结构为测量对象，通过自主研制的光纤应变传感器8-9获取并分析合金材料结构件在高温应变测试中数据的重复性，以研判其对于瞬态高温环境下结构应变测量的适用性。1 实验对象及系统实验对象及系统1.1实验对象如图 1 所示：实验对象为薄壁平板型合金材料构件；采用陶瓷胶黏结安装的方式，在实验对象（实验件）一侧平面上安装能够实现结构应变、温度双参数原位同时测量的光纤高温应变传感器，并在该传感器附近采用焊接的方式安装 K 型热电偶对结构的温度进行测量，以便与光纤传感器获得的原位温度进行对比分析。光纤高温应变传感器采用光纤非本征法布里珀罗干涉（EFPI）获取结构应变、采用光纤布拉格光栅（FBG）获取结构温度8-9，利用宽带连续扫描激光相位解调方法以及光纤波分解耦方法实现 1 个光纤传感器上这 2 种微结构光信号的同时解调，获得结构的应变、温度双参数。(a)结构示意(b)实物薄壁平板型合金材料构件光纤应变传感器热电偶光纤EFPI/FBG复合微结构陶瓷胶陶瓷胶合金材料结构K型热电偶光纤引出线图1实验对象及光纤应变传感器Fig.1Experimentalobjectandopticalfiberstrainsensor1.2实验系统为获取光纤高温应变传感器对合金材料结构的高温应变测试数据，构建瞬态辐射加热实验系44航天器环境工程第40卷统，包含石英灯瞬态辐射加热器、实验件以及安装在实验件表面用于应变温度测量的光纤传感器。如图 2 所示，实验系统有 2 种加热状态加热器对实验件上光纤传感器的安装面和非安装面进行加热，前者光纤传感器暴露在石英灯辐射加热的光照之中，后者光纤传感器不会被石英灯辐射光照直接加热。(a)对光纤传感器安装面加热(b)对光纤传感器非安装面加热石英灯瞬态辐射加热器合金实验件光纤传感器石英灯瞬态辐射加热器合金实验件光纤传感器图2实验系统的 2 种加热状态Fig.2Twoheatingstatesoftheexperimentalsystem1.3实验工况实验工况如表 1 所示：在光纤传感器安装面加热状态下，采用一件全新合金实验件进行 3 次实验，3 次实验的测点处最高温度均为 850；在光纤传感器非安装面加热状态下，采用另一件全新合金实验件进行 3 次实验，前 2 次实验的测点处最高温度为 650，第 3 次实验的测点处最高温度为770。2 种加热状态下所使用的合金实验件具有相同的外形尺寸和材质。表1光纤传感器高温测量实验工况Table1CasesforHTmeasurementexperimentbyopticalfiberstrainsensor辐射加热状态K型热电偶测点处最高温度/光纤传感器安装面加热第1次实验850第2次实验850第3次实验850光纤传感器非安装面加热第1次实验650第2次实验650第3次实验770实验中，石英灯辐射加热系统均采用人工干预功率驱动开环控制加热方案16，可避免因加热控制传感器失效引起系统故障；但在人工干预下，每次实验中被加热结构以及传感器所经历的温度历程会存在一定的差异。在本文研究中，以 K 型热电偶温度值为基准，当其满足实验工况状态要求时停止辐射加热。光纤传感器数据和 K 型热电偶温度数据在加热开始时同步采集，两者的采样率均为 1