Applicability study on optical fiber sensor for transient HT strain measurement of alloy structures
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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9 848.2 με，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。Abstract: The repeatability of structural strain measurement data at high temperature (HT) is the premise and basis for judging the validity of measurement results. In this paper, the quartz lamp radiation heating technology was used to construct the transient radiation heating environment and the thin-walled flat alloy material structure was taken as the measurement object. The repeatability of strain measurement data obtained by optical fiber strain sensor in the transient heating environment was experimentally studied, so as to verify its applicability to the transient HT strain measurement of alloy materials. The test results show that the deviation between the optical fiber sensor and the K-type thermocouple is less than 1.76%. When mounting surface heated, the maximum transient temperature rising rate reaches 18 ℃/s, the maximum structural temperature reaches 850 ℃, and the maximum strain of the structural part is 9 848.2 με under this temperature. The repeatability of the three experimental measurements is better than 1.42%. When non-mounting surface heated, the difference in the mean of the measured data under the same temperature is only 0.67%. In conclusion, the optical fiber strain sensor is suitable for the strain measurement of alloy structure in the transient radiation heating environment by quartz lamp.
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0. 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600～1000 ℃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5 699.3 με，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 με，此时的应变数值最大偏差约为500 με，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
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。
1.2 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。
1.3 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Table 1. Cases for HT measurement experiment by optical fiber strain sensor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10 Hz。
2. 实验结果及讨论
2.1 光纤传感器安装面加热状态
光纤传感器安装面加热状态下，实验件上的光纤传感器与热电偶获得的温度随时间变化曲线如图3所示：光纤传感器与K型热电偶获得的实验件温度的延时响应具有相同的量级；3次实验中，实验件的热电偶测点的最高温度均达到850 ℃。第1次实验中，最大温升速率为16.8 ℃/s，光纤传感器测温结果略高于热电偶测温结果——在热电偶的温度测量值为850 ℃时刻，光纤传感器测得的温度值偏高8 ℃（+0.96%）。第2次实验中，最大温升速率为18.0 ℃/s，在室温至750 ℃范围内，光纤传感器测温结果与热电偶测温结果十分一致；在750～850 ℃范围内，光纤传感器测温结果略高于热电偶测温结果——在热电偶的温度测量值为850 ℃时刻，光纤传感器测得的温度值偏高10 ℃（+1.18%）。第3次实验中，最大温升速率为18.0 ℃/s，在室温至750 ℃范围内，光纤传感器测温结果与热电偶测温结果十分一致；在750～850 ℃范围内，光纤传感器测温结果略高于热电偶测温结果——在热电偶的温度测量值为850 ℃时刻，光纤传感器测得的温度偏高15 ℃（+1.76%）。
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图 3 实验件温度随时间变化曲线（光纤传感器安装面加热状态）Figure 3. Temperature variations of the test piece against time (for heating optical fiber sensor mounting surface)采用升温过程中光纤传感器的测量数据得到3次实验中实验件的结构温度‒应变关系以及3次数据的平均值，如图4所示：3次实验数据具有很好的一致性；在热电偶的温度测量值为850 ℃时，光纤传感器测得的结构最大应变达到9 848.2 με。
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图 4 实验件的结构温度‒应变关系（光纤传感器安装面加热状态）Figure 4. Relationship between structural temperature and strain of the test piece (for heating optical fiber sensor mounting surface)应变数据的重复性（最大分散度）为
$$ \eta = \max \left( {\left| {\frac{{\varepsilon - \bar \varepsilon }}{{\bar \varepsilon }}} \right|} \right) \text{，} $$ (1) 其中，ε为应变，
$ \bar \varepsilon $ 为多次应变测量数据均值。实验中，在结构升温至600 ℃、650 ℃、700 ℃、800 ℃和850 ℃时，光纤传感器获得的结构应变测量数据见表2，应变数据重复性优于1.42%。光纤应变测点所处位置结构的瞬态升温速率差异以及光纤传感器安装使用的陶瓷黏结剂在高温及退火后产生的性质变化可能会引起应变测量结果差异。表 2 光纤应变测量结果Table 2. Results of strain measured by optical fiber sensor结构温度/
℃结构应变测量数据/με 应变数据
重复性η/%第1次 第2次 第3次 平均值 600 6 797.9 6 901.5 6 930.1 6 876.5 1.14 650 7 370.5 7 480.3 7 474.2 7 441.6 0.96 700 7 933.3 8 004.2 8 033.7 7 990.4 0.71 800 9 088.2 9 216.5 9 106.3 9 137.0 0.87 850 9 658.2 9 848.2 9 624.5 9 710.3 1.42 2.2 光纤传感器非安装面加热状态
光纤传感器非安装面加热状态下，实验件上的光纤传感器与热电偶获得的温度随时间变化曲线如图5所示：光纤传感器与K型热电偶获得的实验件温度的延时响应具有相同的量级；前2次实验中实验件的热电偶测点的最高温度为650 ℃，第3次实验中实验件的热电偶测点的最高温度为770 ℃。第1次实验中，最大温升速率为13 ℃/s，在热电偶的温度测量值为650 ℃时刻，光纤传感器测得的温度值偏低10 ℃（-1.54%）。第2次实验中，最大温升速率为12.5 ℃/s，在热电偶的温度测量值为650 ℃时刻，光纤传感器测得的温度值偏低5 ℃（-0.77%）；第3次实验中，最大温升速率为13.6 ℃/s，在热电偶的温度测量值为770 ℃时刻，光纤传感器测得的温度值偏低10 ℃（-1.30%）。
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图 5 实验件温度随时间变化曲线（光纤传感器非安装面加热状态）Figure 5. Temperature variations of the test piece against time (for heating optical fiber sensor non-mounting surface)采用升温过程中光纤传感器的测量数据得到3次实验中实验件的结构温度‒应变关系以及前2次数据的平均值，如图6所示：3次实验数据具有很好的一致性；在热电偶的温度测量值为770 ℃时，光纤传感器测量的结构最大应变达到9 300.0 με；在热电偶的温度测量值为650 ℃时，3次实验光纤传感器测量的结构应变分别为7 514.2 με、7 420.6 με和7 540.5 με，平均值为7 491.8 με，其与安装面加热状态、相同温度下的测量平均值（7 441.6 με）的相对差异仅为0.67%。
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图 6 实验件的结构温度‒应变关系（光纤传感器非安装面加热状态）Figure 6. Relationship between structural temperature and strain of the test piece (for heating optical fiber sensor non-mounting surface)以上实验结果表明，石英灯辐射加热器产生的强光辐照、测点所处位置结构的瞬态升温速率差异不会对光纤传感器的应变测量结果产生显著影响。通过式(1)计算，3次实验测量获得结构温度650 ℃时应变数据的重复性为0.95%。
3. 结束语
本文就光纤高温应变复合传感器在瞬态辐射加热环境下对合金材料结构件应变测量的适用性进行实验研究，实验中结构件最高温度达到850 ℃，瞬态温升速率最高达到18 ℃/s。光纤应变复合传感器获得的原位温度与对比用的K型热电偶测温值偏差小于1.76%；且实验件采用的合金材料在实验温度范围内处于弹性力学区间，多次升降温不会影响实验件的弹性力学性能，因此，3次加热升温实验能够产生相同的弹性力学变化关系，即相同的温度‒应变关系。光纤应变复合传感器获得的实验数据也证实了这一点。
实验结果显示，在石英灯瞬态辐射加热下，在结构件温度为850 ℃时，测量获得的最大应变达到9 848.2 με，3次测试获得的应变数据重复性优于1.42%，满足工程应用的基本要求，表明本文中采用的光纤应变复合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。
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图 3 实验件温度随时间变化曲线（光纤传感器安装面加热状态）
Figure 3. Temperature variations of the test piece against time (for heating optical fiber sensor mounting surface)
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图 4 实验件的结构温度‒应变关系（光纤传感器安装面加热状态）
Figure 4. Relationship between structural temperature and strain of the test piece (for heating optical fiber sensor mounting surface)
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图 5 实验件温度随时间变化曲线（光纤传感器非安装面加热状态）
Figure 5. Temperature variations of the test piece against time (for heating optical fiber sensor non-mounting surface)
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图 6 实验件的结构温度‒应变关系（光纤传感器非安装面加热状态）
Figure 6. Relationship between structural temperature and strain of the test piece (for heating optical fiber sensor non-mounting surface)
表 1 光纤传感器高温测量实验工况
Table 1 Cases for HT measurement experiment by optical fiber strain sensor
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 
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表 2 光纤应变测量结果
Table 2 Results of strain measured by optical fiber sensor
结构温度/
℃结构应变测量数据/με 应变数据
重复性η/%第1次 第2次 第3次 平均值 600 6 797.9 6 901.5 6 930.1 6 876.5 1.14 650 7 370.5 7 480.3 7 474.2 7 441.6 0.96 700 7 933.3 8 004.2 8 033.7 7 990.4 0.71 800 9 088.2 9 216.5 9 106.3 9 137.0 0.87 850 9 658.2 9 848.2 9 624.5 9 710.3 1.42
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