一种耐高温分布式光纤应变传感器的试验研究

黄 俊，陈 骋，孙中元，张 禹，王 辉

（1.中国国电集团公司谏壁发电厂，江苏 镇江 212000；2.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215000）

引言

高温压力管道长期承受动力荷载，可能会出现疲劳损伤，引起管道的结构安全性降低，甚至出现爆管现象[1-2]。为了及时了解管道的受力状况，需要对管道的应力应变进行监测，实现对管道爆管事故的预警。目前，对管道应变监测的传感器主要是电阻式应变片和光纤传感器[3-4]。由于光纤传感器具有高灵敏度、高精度、良好的抗电磁干扰特性及更强的环境适应能力，受到了国内外学者和工程师的广泛关注[5-7]。此外，相较于电阻式应变片，光纤传感器可实现分布式测量且线路集成较方便，更适用于长距离管道监测。

光纤传感器虽然在管道监测领域具有很强的优势，但将其运用于高温压力管道也存在着关键性的技术问题。即对于普通的光纤传感器，在250 ℃会产生较强的光波反射衰减，从而导致光纤传感器测量的失真或失效[8]。目前虽然已经有一些耐高温应变传感器被提出，但它们的结构形式基本都是点式的，无法实现管道的长距离监测[9-10]。

为了使光纤传感器能承受超过250 ℃的高温且实现管道结构表面应变的长距离监测，本研究基于聚酰亚胺光纤设计了一种耐高温分布式光纤应变传感器，通过试验对其耐高温性能、传感性能及安装工艺进行了研究。

1 耐高温分布式光纤应变传感器的设计

如图1 所示，该耐高温分布式光纤应变传感器由聚酰亚胺光纤和镍片组成。聚酰亚胺光纤通过聚酰亚胺胶固定在镍片上并作为该传感器的传感部分；镍片为该传感器的基础部分，其通过采取开孔的方式，降低自身的刚度，从而增加与结构物的协同变形能力。

图1 耐高温分布式光纤应变传感器结构示意

2 耐高温分布式光纤应变传感器的性能测试

2.1 试验平台的搭建

高温性能测试装置见图2(a)。该装置由拉伸台、加热台、温度燮制器、万分表和OSI-S 分布式光纤传感仪（简称OFDR）组成。拉伸台用来调整拉伸的位移；加热台用来对耐高温分布式光纤应变传感器加热；温度燮制器用来调整加热台的温度；万分表用来测量实际拉伸的位移；OFDR 用来测试聚酰亚胺光纤的应变。鉴于封装完成的耐高温分布式光纤应变传感器在纯拉伸时，镍基片会产生不均匀的变形，因此选取了1 m仅完成固定端封装的样品用于测试，见图2(b)。为测试耐高温分布式光纤应变传感器的传感性能，设计的试验装置见图3。该试验装置由等强度梁、砝码、裸线、耐高温分布式光纤应变传感器、砝码、万分表和OFDR组成。裸线与耐高温分布式光纤应变传感器沿等强度梁轴向对称布置并通过引线串联，其中耐高温分布式光纤应变传感器被分为三段，它们分别是点焊+环氧树脂段、分隔段与点焊段，分隔段未采取任何固定；砝码用来对等强度梁施加荷载；万分表用来测量等强度梁的挠度。

图2 耐高温分布式光纤应变传感器耐高温性能试验装置示意

图3 耐高温分布式光纤应变传感器传感性能及安装工艺装置示意

2.2 计算原理

对于拉伸台拉伸试验，拉伸应变的理论值可通过公式（1）计算。

式中：△L 为拉伸台位移量；L 为测试样品的原始长度。

对于等强度梁试验，其计算原理见图4。

图4 等强度梁计算原理

基于等强度梁的特性，即等强度梁上下表面任意点，由荷载P 作用产生的应变均相等。则任意一点的应变ε(x)可表示为：

于是，可通过万分表测量等强度梁的挠度y(x)，从而得到等强度梁的理论计算值。

2.3 试验结果分析

图5 展示了耐高温分布式光纤应变传感器在300 ℃高温下加热不同时长的应变位移曲线。图中显示，耐高温分布式光纤应变传感器加热8 h 后的应变位移曲线与加热0 h 相比无明显差异，均有较高的线性度。将耐高温分布式光纤应变传感器不同位移下的平均应变记录见表1，其中理论值可通过公式（1）计算。表中显示，耐高温分布式高温应变传感器加热0 h与加热8 h 的测试值与理论值的最大误差分别为-0.82%和-0.42%。这一现象说明，耐高温分布式光纤应变传感器加热8 h 后未产生滑移，依然可以保持良好的应变传递性能，即其可以承受300 ℃的高温。

表1 耐高温分布式光纤应变传感器在不同位移下测试值

图5 300 ℃下加热前后的应变位移曲线

图6 展示了耐高温分布式光纤应变传感器与裸纤的荷载应变曲线。图中显示，与裸纤的应变测试曲线相比，耐高温分布式光纤应变传感器两种固定方式的应变测试曲线无明显差异，均比较光滑且波动较小。这一现象说明，点焊与点焊+环氧树脂的固定方式均可以使耐高温分布式光纤应变传感器达到较好的传感性能。将裸纤与耐高温分布式光纤应变传感器的测试结果的均值记录见表2。从表中可以得出，耐高温分布式光纤应变传感器与理论计算值的最大误差为1.66%。这一结果说明，耐高温分布式光纤应变传感器具有良好的传感性能。

表2 不同荷载下应变均值

图6 荷载应变曲线

3 结论

本研究提出了一种采用变刚度设计的耐高温分布式光纤应变传感器，通过试验研究了该传感器的耐高温性能和传感性能。试验结果表明，该传感器可以承受300 ℃的高温，并具有良好的传感性能，与理论计算值的误差最大仅为1.66%，可实现高温高压管道的长距离应变监测。此外对耐高温分布式光纤应变传感器的现场安装工艺进行了试验研究，发现点焊与点焊+环氧树脂的方式均可以实现较好的传感性能。