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，王淑玉，丁镇军，丁 洋，乔 通

（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）

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。

图1 实验对象及光纤应变传感器Fig.1 Experimental object and optical fiber strain sensor

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。

图2 实验系统的2 种加热状态Fig.2 Two heating states of the experimental system

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

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%）。

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）Fig.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。

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）Fig.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

其中，ε为应变， ε¯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

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%）。

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）Fig.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%。

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）Fig.6 Relationship between structural temperature and strain of the test piece (for heating optical fiber sensor nonmounting 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。