一种高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器及检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器及检测系统，所述的应变检测器包括有敏感膜板和高温光纤布拉格光栅传感器，其中高温光纤布拉格光栅传感器包含有安装方向彼此垂直的、两端固定安装在敏感膜板表面上的高温光纤布拉格光栅横向应变传感器和高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器；且还包含有非两端固定方式安装在敏感膜板表面上的高温光纤布拉格光栅温度传感器。本实用新型的高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器能够实时检测高温环境下管道的二维应变情况，并在传感系统内部解决温度补偿的问题；该光纤布拉格光栅式管道应变检测器具有抗电磁干扰、精度高、动态响应快、体积小、重量轻、成本相对低廉等特点。
【专利说明】一种高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器及检测系统

【技术领域】
[0001]本实用新型属于光纤传感设备【技术领域】，具体涉及一种高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器及检测系统。

【背景技术】
[0002]随着能源开采规模的不断扩大，高温管道已广泛应用于石油化工、航空航天、钢铁能源、环境保护、制药等与国家经济命脉紧密联系的行业。而每年都会有高温管道爆炸和泄漏事故发生，防止爆管发生成为关注焦点。大量事故统计显示，造成高温管道泄漏和爆炸的主要原因是管壁腐蚀减薄和高温蠕变。而且高温管道的外壁失效应变是一个非线性过程，即管道越接近失效爆裂，其外壁的应变量越大。因此如果能够获取高温管道的动态、实时、在线的应变检测数据，就可以预判管道的蠕变和爆裂的可能性，从而确保压力管道安全运行，避免爆管伤人事故的发生。因此建立一套高温管道外壁应变的实时检测系统具有重要意义。
[0003]我国对超期服役高温管道的失效检测通常采用在停机年检时对管道的蠕变程度进行人工千分尺测量；或者从高温管道上割取一段压力管道进行高温蠕变测试试验，从而对管道的安全运行状况进行测试。但这两种方法存在缺点:首先，上述两种方法均需要停机才可以进行检测；其次，两种方法均需要人工长时间对管道的性能进行测量并记录数据，这样不但工作量大、代价高、精度不高、试验周期长；最为重要的是，两种方法均不能对运行中的管道进行测试。
[0004]对高温管道进行实时检测的方法目前主要采用电学传感器检测方法、红外热成像检测方法和超声波检测方法。
[0005]利用高温电容式传感器可以进行压力管道的应变检测，但是一般电容传感器无法在高温下长期工作，而且使用的高温电容传感器或者高温应变片都价格昂贵，抗电磁干扰性能差，但在化工企业和石油企业高温管道内部通常为易燃易爆的危险品，任何微弱的电磁信号、电火花都会引发燃爆，因而无法使用；采用红外热成像方法检测高温压力管道内部缺陷，建立一个大型管道试验装置，对不同壁厚的不锈钢和碳钢管道壁厚减薄缺陷进行了加温或降温过程的红外热成像检测试验，该方法缺陷在于成像质量受太阳光及背景反射、管道表面状态等因素的影响；采用超声波检测高温压力管道的应变，主要研究材料的高温检测，如热钢板、高温锻件的超声波检测，所做的工作主要是高温状态下的壁厚测试。而不同的温度下，材料中超声波的声速、声压发生变化，随着温度的升高，超声波的速度降低，声波幅度衰减显著变大，对超声波探测影响很大。
[0006]综上所述，目前所用的实时检测方法都不能满足高温管道的实时检测，高温管道应变实时检测急需开发更加合适的技术装置。


【发明内容】

[0007]本实用新型的目的是提供一种高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器及检测系统，即一种安装方便、结构简单、灵敏度高，能对高温管道外壁二维应变状态同时进行准确有效实时检测，且在传感系统内部进行温度补偿的基于光纤布拉格光栅的管道应变检测器，以及应用该检测器的检测系统及使用方法。
[0008]本实用新型首先提供一种高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器，包括有敏感膜板和固定在敏感膜板上的高温光纤布拉格光栅传感器，其中所述的高温光纤布拉格光栅传感器包含有安装方向彼此垂直的、两端固定安装在敏感膜板表面上的高温光纤布拉格光栅横向应变传感器和高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器；且还包含有非两端固定方式安装在敏感膜板表面上的高温光纤布拉格光栅温度传感器。
[0009]上述的高温光纤布拉格光栅横向应变传感器的两端平行固定在横向应变敏感膜板的长轴方向中轴线的中心位置上，高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器的两端平行固定在轴向应变敏感膜板的中轴线的中心位置上，且粘贴方向与高温光纤布拉格光栅横向应变传感器垂直；高温光纤布拉格光栅温度传感器以非两端固定方式安装在温度敏感膜板的长轴方向中轴线的中心位置上；
[0010]上述的高温光纤布拉格光栅横向应变传感器、高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器和高温光纤布拉格光栅温度传感器通过光纤串行连接。
[0011]所述的敏感膜板的一种优选尺寸如下:横向长度为40cm，纵向长度为40cm，其中，横向应变敏感膜板的横向长度为10cm，纵向长度为40cm ;温度敏感膜板的横向长度为10cm，纵向长度为40cm ;轴向应变敏感膜板的横向长度为20cm，纵向长度为20cm。
[0012]本实用新型还提供一种检测高温管道应变的系统，包括有宽带光源、光纤环形器、光开关、光纤布拉格光栅式管道应变检测器、计算机和光纤光栅解调仪；宽带光源发出的光经光纤环形器后进入光开关输入端，光开关输出端连接光纤布拉格光栅式管道应变检测器；光纤光栅解调仪与光纤环行器的输出端口以及计算机连接，光开关连接计算机，计算机控制光纤布拉格光栅解调仪和光开关通断时间；
[0013]上述光纤布拉格光栅式管道应变检测器数目为一个或以上；
[0014]上述系统的使用方法，包括有如下的步骤:
[0015]步骤1:将光纤布拉格光栅式管道应变检测器的敏感膜板通过第一焊接点、第二焊接点、第三焊接点固定于待测高温管道外壁上，且第一焊接点与第二焊接点6所成直线与高温管道的轴线垂直；
[0016]步骤2:宽带光源发出的光通过a端口进入光纤环行器，后从b端口出射进入光开关的输入端，经光开关后入射到高温光纤布拉格光栅横向应变传感器、高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器和高温光纤布拉格光栅温度传感器串行连接后的其中一端；宽带光源发出的光经过光纤布拉格光栅会发生反射，产生的反射波由光纤环行器的b端口进入,后从c端口输出，进入光纤光栅解调仪；
[0017]步骤3:使高温管道发生微小形变，即将待测应变Λ ε施加于光纤布拉格光栅式管道应变检测器上，其中，Λ ε包括施加于轴向上的应变Λ ε L和施加于横向上的应变Δ ε B ；
[0018]步骤4:利用光纤光栅解调仪测量三个高温光纤布拉格光栅传感器的反射波中心波长漂移量，并得到高温光纤布拉格光栅横向应变传感器与高温光纤布拉格光栅温度传感器的中心波长漂移量的差值Δ λ 1、高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器与高温光纤布拉格光栅温度传感器的中心波长漂移量的差值Λ λ2 ;
[0019]步骤5:
[0020]若== 则待测应变Λ ε = 0，即高温管道无应变；
[0021]若Λ λ I乒O, Δ λ 2 = O,则Δ ε L = O,待测应变Δε = Δ ε Β关O,即高温管道无轴向应变，仅有横向应变，且应变值Λ ε = Λ A1ZA1(1-Pe)；
[0022]若Δ λ I = O, Δ λ 2关O,则Δ ε B = O,待测应变Δε = Δ ε L ^ O,即高温管道无横向应变，仅有轴向应变，且应变值Λ ε = Λ λ 2/A2(1-Pe)；
[0023]若Δλ2# O,则待测应变Δε = Δ ε L+Δ ε Β ^ O,即高温管道既有横向应变，又有轴向应变，且横向应变值Λ εΒ = Λ λ ^X1(1-Pe),轴向应变值Λ 4 = Λ λ2/λ 2 (1-Pe)；
[0024]其中，λ工为高温光纤布拉格光栅横向应变传感器的中心波长，λ 2为高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器的中心波长，Pe为光纤的有效弹光系数。
[0025]本实用新型的一种高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器、检测系统及使用方法，能够实时检测高温环境下管道的二维应变情况，并在传感系统内部解决温度补偿的问题；该光纤布拉格光栅式管道应变检测器具有抗电磁干扰、精度高、动态响应快、体积小、重量轻、成本相对低廉等特点，更具可靠性、稳定性和简易性；同时，多个该应变检测器排布使用，可对高温管道进行多点分布式组网检测。

【专利附图】

【附图说明】
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[0026]图1:本实用新型一种高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器的结构示意图；
[0027]图2:本实用新型采用光纤布拉格光栅式管道应变检测器检测管道应变的检测系统图；
[0028]图3:本实用新型具体实施例3采用η个光纤布拉格光栅式管道应变检测器检测管道应变的结构示意图；
[0029]其中:1、敏感膜板；1-1、横向应变敏感膜板；1-2、温度敏感膜板；1-3、轴向应变敏感膜板；2、高温光纤布拉格光栅横向应变传感器；3、高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器；4、高温光纤布拉格光栅温度传感器；5、第一焊接点；6、第二焊接点；7、第三焊接点。

【具体实施方式】
[0030]下面结合实施例和附图对本实用新型的一种高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器及应用该检测器的系统作进一步描述:
[0031]实施例1:
[0032]图1为本实用新型实施例1、实施例2、实施例3中使用到的的一种高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器，其中包括敏感膜板1、横向应变敏感膜板1-1、温度敏感膜板1-2、轴向应变敏感膜板1-3、高温光纤布拉格光栅横向应变传感器2、高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器3、高温光纤布拉格光栅温度传感器4、第一焊接点5、第二焊接点6、第三焊接点7。敏感膜板I通过第一焊接点5、第二焊接点6、第三焊接点7固定于待测高温管道上，且第一焊接点5与第二焊接点6所成直线与高温管道的轴线垂直。其中高温光纤布拉格光栅横向应变传感器2的两端平行固定在横向应变敏感膜板1-1的长轴方向中轴线的中心位置上，高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器3的两端平行固定在轴向应变敏感膜板1-3的中轴线的中心位置上，且粘贴方向与高温光纤布拉格光栅横向应变传感器2垂直；高温光纤布拉格光栅温度传感器4以非两端固定方式安装在温度敏感膜板1-2的长轴方向中轴线的中心位置上，且高温光纤布拉格光栅横向应变传感器2、高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器3和高温光纤布拉格光栅温度传感器4通过光纤串行连接。
[0033]其中高温光纤布拉格光栅横向应变传感器2、高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器3和高温光纤布拉格光栅温度传感器4与敏感膜板I之间采用熔点为耐高温胶水粘接。
[0034]敏感膜板I的横向长度为40cm，纵向长度为40cm，其中，横向应变敏感膜板1_1的横向长度为10cm，纵向长度为40cm ;温度敏感膜板1_2的横向长度为10cm，纵向长度为40cm ;轴向应变敏感膜板1-3的横向长度为20cm，纵向长度为20cm。
[0035]将该高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器连入检测高温管道应变的系统中，其中敏感膜板I通过第一焊接点5、第二焊接点6、第三焊接点7固定于待测高温管道上，且第一焊接点5与第二焊接点6所成直线与高温管道的轴线垂直。给上述光纤布拉格光栅式管道应变检测器施加轴向力时，由敏感膜板I的结构可知，轴向应变敏感膜板1-3发生形变，而与施加力方向垂直的横向应变敏感膜板1-1侧向刚度大，不发生形变，只考察轴向应变敏感膜板1-3上粘贴的高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器3中心波长的变化；给上述光纤布拉格光栅式高温管道应变实时检测器施加横向力时，由敏感膜板的结构可知，横向应变敏感膜板1-1发生形变，而与施加力方向垂直的轴向应变敏感膜板1-3侧向刚度大，不发生形变，只考察横向应变敏感膜板1-1上粘贴的高温光纤布拉格光栅横向应变传感器2中心波长的变化。所述高温光纤布拉格光栅温度传感器4的两端自由地固定在高温管道上，其只感受管道的温度变化，对管道应变无响应，由于敏感膜板I为金属结构且不大，可以看成是等温度体，高温光纤布拉格光栅温度传感器4感受到的温度是与高温光纤布拉格光栅横向应变传感器2和高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器3感受到的温度是相同的，可作为温度补偿传感器。
[0036]这样高温光纤布拉格光栅横向应变传感器2的输出信号反映管道横向应变及温度变化，高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器3的输出信号反映管道轴向应变及温度变化，高温光纤布拉格光栅温度传感器4的输出信号反映管道的温度变化。
[0037]本实施例使用的高温光纤布拉格光栅横向应变传感器2、高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器3和高温光纤布拉格光栅温度传感器4均为材料、结构和尺寸相同的高温光纤布拉格光栅传感器，三者均由Polyimide耐高温光纤布拉格光栅制备而成,长度均为8cm，光栅直径均为125um，带宽为2nm左右，波谷光谱宽度均为30nm，但三者特征中心波长不同，分别为\ 2 = 1531nm, λ 3 = 1565nm, λ 4 = 1593nm。光纤布拉格光栅传感器为反射式波长编码传感器件，对温度和应变有相应的特征波长漂移，利用光纤布拉格光栅解调仪探测反射光波并进行温度补偿数据处理可将波长漂移量转化为相应的高温管道应变值。
[0038]而该高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器检测高温管道应变的系统，如图2所示，包含有宽带光源(BBS，1550SLD台式光源)、光纤环形器、光开关、光纤布拉格光栅式管道应变检测器、计算机和光纤光栅解调仪(SM-130，采样频率1000Hz);其中宽带光源发出的光经光纤环形器后进入光开关输入端，光开关输出端连接光纤布拉格光栅式管道应变检测器；光纤光栅解调仪与光纤环行器的输出端口以及计算机连接，光开关连接计算机，计算机控制光纤光栅解调仪和光开关通断时间；
[0039]宽带光源发出的光通过a端口进入光纤环行器，后从b端口出射进入光开关的输入端，经光开关后入射到高温光纤布拉格光栅横向应变传感器2、高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器3和高温光纤布拉格光栅温度传感器4串行连接后的其中一端；宽带光源发出的光经过光纤布拉格光栅会发生反射，产生的反射波由光纤环行器的b端口进入,后从c端口输出，进入光纤光栅解调仪；
[0040]使高温管道发生微小形变，即将待测应变Δ ε施加于光纤布拉格光栅式管道应变检测器上，其中，Λ ε包括施加于轴向上的应变Λ ε ^和施加于横向上的应变Λ εΒ;
[0041]利用光纤光栅解调仪测量三个高温光纤布拉格光栅传感器的反射波中心波长漂移量，并得到高温光纤布拉格光栅横向应变传感器2与高温光纤布拉格光栅温度传感器4的中心波长漂移量的差值Δ λ工、高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器3与高温光纤布拉格光栅温度传感器4的中心波长漂移量的差值Λ λ2 ;
[0042]若== 则待测应变Λ ε = 0，即高温管道无应变；
[0043]若Δ λ I关O, Δ λ 2 = O,则Δ ε L = O,待测应变Δε = Δ ε Β关O,即高温管道无轴向应变，仅有横向应变，且应变值Λ ε = Λ A1ZA1(1-Pe)；
[0044]若Δ λ I = O, Δ λ 2关O,则Δ ε B = O,待测应变Δε = Δ ε L ^ O,即高温管道无横向应变，仅有轴向应变，且应变值Λ ε = Λ λ 2/A2(1-Pe)；
[0045]若Δλ2# O,则待测应变Δε = Δ ε L+Δ ε Β ^ O,即高温管道既有横向应变，又有轴向应变，且横向应变值Λ εΒ = Λ λ ^X1(1-Pe),轴向应变值Λ 4 = Λ λ2/λ 2 (1-Pe)；
[0046]其中，λ工为高温光纤布拉格光栅横向应变传感器2的中心波长，λ 2为高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器3的中心波长，Pe为光纤的有效弹光系数。
[0047]实施例2:
[0048]如图3所示，与实施例1的不同之处在于，在实施例1的基础上，将η (η≥2)个敏感膜板并行排布在高温管道上，其目的在于对高温管道进行多点分布式组网检测。
[0049]当宽带光源的出射光波经过光纤环行器后在光开关的控制下进入上述η组光纤布拉格光栅式高温管道应变实时检测器串行连接后的一端。
[0050]给上述η个光纤布拉格光栅式管道应变检测器施加应变△ ε ,光纤布拉格光栅反射回来的光通过光纤环行器进入光纤光栅解调仪，通过与解调仪连接的计算机来监测每组传感器上的高温光纤布拉格光栅的中心波长漂移量。
[0051]对于每一个光纤布拉格光栅式管道应变检测器而言，其应变测量方法同实施例1，若某高温管道应变检测传感器无中心波长漂移量差值，说明该高温管道应变检测传感器所在位置的高温管道无应变；若某高温管道应变检测传感器有中心波长漂移量差值，说明该高温管道应变检测传感器所在位置的高温管道有应变。
【权利要求】
1.一种高温环境下的光纤布拉格光栅式管道应变检测器，其特征在于，所述的检测器包括有敏感膜板(I)和固定在敏感膜板(I)上的高温光纤布拉格光栅传感器，其中所述的高温光纤布拉格光栅传感器包含有安装方向彼此垂直的、两端固定安装在敏感膜板(I)表面上的高温光纤布拉格光栅横向应变传感器(2)和高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器(3);且还包含有非两端固定方式安装在敏感膜板(I)表面上的高温光纤布拉格光栅温度传感器⑷。
2.如权利要求1所述的管道应变检测器，其特征在于所述的高温光纤布拉格光栅横向应变传感器(2)的两端平行固定在横向应变敏感膜板(1-1)的长轴方向中轴线的中心位置上，高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器(3)的两端平行固定在轴向应变敏感膜板(1-3)的中轴线的中心位置上，且粘贴方向与高温光纤布拉格光栅横向应变传感器(2)垂直；高温光纤布拉格光栅温度传感器(4)以非两端固定方式安装在温度敏感膜板(1-2)的长轴方向中轴线的中心位置上。
3.如权利要求1或2所述的管道应变检测器，其特征在于所述的高温光纤布拉格光栅横向应变传感器(2)、高温光纤布拉格光栅轴向应变传感器(3)和高温光纤布拉格光栅温度传感器(4)通过光纤串行连接。
4.如权利要求2所述的管道应变检测器，其特征在于所述的敏感膜板(I)的横向长度为40cm，纵向长度为40cm;其中，横向应变敏感膜板(1_1)的横向长度为10cm，纵向长度为40cm ;温度敏感膜板(1-2)的横向长度为10cm，纵向长度为40cm ;轴向应变敏感膜板(1_3)的横向长度为20cm，纵向长度为20cm。
5.一种检测系统，其特征在于，所述的检测系统为检测高温管道应变的系统，包括有宽带光源、光纤环形器、光开关、权利要求1所述的光纤布拉格光栅式管道应变检测器、计算机和光纤光栅解调仪；其中宽带光源发出的光经光纤环形器后进入光开关输入端，光开关输出端连接光纤布拉格光栅式管道应变检测器；光纤光栅解调仪与光纤环行器的输出端口以及计算机连接，光开关连接计算机，计算机控制光纤布拉格光栅解调仪和光开关通断时间。
6.如权利要求5所述的系统,其特征在于所述的光纤布拉格光栅式管道应变检测器的数目为一个或以上。
【文档编号】G01B11/16GK203857938SQ201420218864
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】田维坚, 张铭 申请人:青岛市光电工程技术研究院