基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法研究

王雅莉,徒 芸,涂善东,于新海,郭永宁,任利杰,陈时健

(1.华东理工大学机械与动力工程学院承压系统与安全教育部重点实验室,上海 200237;2.中核苏阀科技实业有限公司,江苏苏州 215001)

0 引言

低碳化石能源液化天然气(LNG)作为一种过渡燃料,在全球能源组合中的重要性与日俱增。同时,LNG因具有易泄漏、易挥发扩散和易燃易爆等特性,其生产、储运、接收气化及终端应用系统的安全可靠运行问题日益凸显[1]。LNG系统使用了大量阀门,其中LNG低温球阀因流阻小、操作时间短、适用范围广等优点,被广泛应用于LNG装置,其密封性能对于LNG系统的安全可靠运行至关重要[2]。据统计,LNG低温球阀的常见密封失效主要是球阀球体与阀座间密封副失效发生内漏,以及壳体连接部位密封失效和阀杆填料密封失效发生外漏[2]。尤其是当LNG流入阀体内时,局部存在温差,导致冷缩变形不一致,同时阀座处密封材料、球体在低温下变形,均易造成球体与阀座密封失效发生泄漏[3]。因此,LNG球阀在低温工况下的变形情况直接影响球阀的内密封性能。目前针对LNG球阀低温变形的研究主要集中于利用有限元进行低温工况下的稳态和瞬态分析[3-4],但实际运行工况下LNG球阀变形情况更为复杂,其应力应变分布极不均匀[3,5]。因此,有必要实时监测LNG球阀低温工况下的应变分布,这将为其设计制造提供重要基础依据。

目前最常用电阻应变片测量低温应变[6-7],但其存在易受电磁干扰、热致非线性,以及导线热干扰等缺点,测量精度和可靠性难以保障,且在监测LNG系统时存在燃爆安全隐患[7-8]。光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器因具有尺寸小、质量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、热导率低、耐腐蚀、可准分布式传感等优点,近年来被用于低温系统的结构应变测量[9-11]。目前主要采用全涂覆封装方式,用环氧树脂胶粘剂将敏感光栅直接粘贴于被测结构表面测量其低温恒温下的应变。然而,FBG作为敏感元件对温度与应变敏感,这制约了利用FBG应变传感器测量因温度变化引起的被测结构变形。

为解决FBG传感器交叉敏感的问题,国内外学者开展了广泛研究。其中,参考光栅法是最简单、最常用的温度补偿方法[12-14]。该方法通过在测量被测结构应变的光栅旁放置另一支光栅,该光栅作为参考光栅仅感知被测结构的温度变化而不受其应变影响,最后通过对测量结果的数据处理剥离温度效应。目前参考光栅温度补偿方案主要有两种:一是以与测量应变FBG传感器结构和参数完全相同的另一个FBG传感器为参考光栅,通过测量应变FBG传感器的波长变化减去参考光栅的波长变化剥离温度效应[13];二是以一个FBG温度传感器为参考光栅,通过FBG温度传感器测量温度变化,再代入FBG应变传感器在外载和温度共同作用下的表达式计算进行补偿[12]。然而,方案一得到的是被测结构的机械应变,而非温度变化引起的结构变形;方案二忽略了裸光纤热光系数影响,存在误差。

针对低温结构应变难以精确可靠测量的问题,本文开展了基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法研究。首先,针对现有基于参考光栅的FBG应变测量温度补偿法测量温度变化引起的结构变形存在误差的问题,理论推导了考虑热光系数的温度补偿算法;然后,制备了耐低温胶封装FBG应变传感器,研究了其室温至液氮温度下的应变响应特性;进而通过低温温度响应试验,分析了温度补偿算法的准确性;最后,通过监测LNG球阀球体从室温浸没液氮过程的应变变化,验证了基于胶封装FBG应变传感器和考虑热光系数的温度补偿算法监测LNG球阀低温应变的可行性。

1 考虑热光系数的温度补偿

对于均匀周期FBG,反射峰的中心波长取决于纤芯有效折射率和光栅周期,可表示为[15]

λB=2neffΛ

(1)

式中:λB为FBG的初始中心波长,nm;neff为纤芯的有效折射率;Λ为光栅周期,nm。

由式(1)全微分可得FBG的中心波长偏移量为

ΔλB=2ΔneffΛ+2neffΔΛ

(2)

式中:ΔλB为FBG的中心波长偏移量,nm;Δneff为纤芯的有效折射率变化量;ΔΛ为光栅周期变化量ΔΛ=εf·Λ,nm;εf为温度变化和外载共同作用引起的光纤轴向应变(含机械应变和热应变)。

纤芯的有效折射率与温度和光纤应变均有关,因此,温度变化和光纤变形共同作用引起的有效折射率变化量可表示为[15]

(3)

式中:T、ΔT为温度及其变化量,℃;l、Δl为光纤长度及其变化量,mm。

对于均匀周期FBG,若同时受温度和应变作用,忽略温度与应变交叉敏感系数,联立式(1)～式(3),可得到中心波长偏移量与温度和应变的关系为:

(4)

由式(4)推导可得:

(5)

式中:ξ为光纤的热光系数,ξ=∂neff/(neff∂T),℃-1;Kεf为光栅的应变灵敏度系数,Kεf=1-Pe;Pe为光纤的弹光系数,Pe=-(∂neff/neff)/εf。

封装的FBG应变传感器固定于被测结构并随之变形,二者变形协调。因被测结构的截面积与弹性模量均远大于光纤的截面积与弹性模量,则光纤的应变可近似等于与被测结构的应变。因此,根据式(5),FBG应变传感器的中心波长偏移量与温度和被测结构应变的关系可表示为:

(6)

式中:λB1、ΔλB1分别为FBG应变传感器的初始中心波长及中心波长偏移量,nm;ε为被测结构应变(含机械应变和热应变);Kε为FBG应变传感器的应变灵敏度系数。

如果在FBG应变传感器附近放置一个FBG温度传感器作为参考光栅,该FBG温度传感器不受外载且无几何约束,仅由温度变化引起的中心波长偏移量与温度的关系可表示为[11]

(7)

式中:λB2、ΔλB2分别为FBG温度传感器的初始中心波长及中心波长偏移量,nm;KT为FBG温度传感器的温度灵敏度系数,℃-1。

假设FBG应变传感器与FBG温度传感器被认为处于同一温度场,则联立式(6)及式(7),可求得被测结构的应变为

(8)

若裸FBG作为温度传感器,则由式(8)可得:

(9)

式中:λbare、Δλbare分别为裸FBG的初始中心波长及中心波长偏移量,nm;KT为裸FBG的温度灵敏度系数,KT=αf+ξ,℃-1;αf为光纤的热膨胀系数,℃-1。

研究表明,液氮温度下普通掺锗光纤热光系数是相对室温的割线热膨胀系数的3倍[16-17]。因此,为测量温度变化引起的结构变形,可将封装的FBG应变传感器固定于被测结构,同时在其附近放置一个裸FBG作为参考光栅。那么根据式(9),可求得从室温至液氮温区的温度变化引起的被测结构应变为:

(10)

2 低温FBG应变传感器制备及标定

2.1 传感器封装

选用栅长3 mm的丙烯酸酯涂覆FBG作为敏感光栅,可常温固化的DW-4聚氨酯低温胶粘剂作为封装材料。为研究胶封装FBG应变传感器低温下的应变响应特性,选择与LNG球阀同材质的316L不锈钢矩形横截面板材拉伸试样,平行长度120 mm,平行长度内的宽度为15 mm,厚度为3 mm。

经优化的胶封装工艺如下:

(1)清洗试样表面:用丙酮溶液冲洗试样,以清除表面油污,以清除试样表面的油污;

(2)冲洗光栅:用蒸馏水冲洗光纤,以去除光栅表面灰尘;

(3)配胶:将DW-4胶的A和B双组分按1.81∶1的质量比调配后搅拌均匀,随后静置10 min以尽量减少搅拌产生的气泡;

(4)涂胶:先将光栅预拉伸,然后用聚酰亚胺胶带将光栅两端粘贴固定于试样表面,再将DW-4胶均匀涂刷在光栅栅区两侧。涂刷过程应尽量保证胶层厚度均匀,胶层长×宽约为10 mm×6 mm,间距约为14 mm;

(5)固化:将DW-4胶封装FBG应变传感器在常温下静置3 d固化。

采用上述胶封装工艺在拉伸试样表面制备2个胶封装FBG应变传感器,如图1所示。2个传感器敏感光栅的初始中心波长分别约为1 530 nm和1 545 nm,因而2个传感器分别记为FBG1530、FBG1545。

图1 制备于板材试样表面的胶封装FBG应变传感器

光纤光栅的胶封装工艺会影响光谱特性,图2给出了胶封装前后FBG在室温下的反射光谱。可以看出,2根FBG的反射谱形状和反射峰幅值均无明显变化,中心波长也无明显偏移。上述结果说明,两端胶粘、室温固化的胶封装工艺沿光栅未产生明显残余应力,不改变FBG的反射光谱形状,不影响FBG的光谱特性。

图2 胶封装前后FBG在室温下的反射光谱

2.2 低温拉伸试验

利用集成了低温试验箱的CMT5504型万能试验机(见图3),测试制备于板材试样表面的胶封装FBG应变传感器的静态性能。液氮制冷的低温试验箱可将试样冷却至液氮温度,箱体内设有一铠装铂电阻(RTD),测温精度可达±0.3 ℃。板材试样与试验机夹头通过销钉连接置于试验箱内,铂电阻测温端应尽可能位于两光栅中间位置,保证光栅与铂电阻处于相同温度环境。

图3 低温单轴拉伸试验装置

在多组恒定低温下,采用载荷控制的方式对板材试样进行单轴拉伸多级阶梯式加卸载试验。试验温度分别为20 ℃(室温)、0 ℃、-40 ℃、-80 ℃、-120 ℃、-162 ℃(LNG温度)、-183 ℃(液氧温度)、-196 ℃(液氮温度,因低温箱密封性限制,实际最低温度为-194 ℃)。当冷却至每个试验温度后,保温130 min,再进行多级加卸载试验。试验以50 N/s的加载速率,以1 kN为一级,从0加载至7 kN。每一级加载完成后,保载130 s使试样变形区域稳定,再进入下一级加载,以便取多个中心波长测量值的均值。加载至最大载荷后,以相同速率、幅值和保载时间进行多级卸载。在同一试验温度下,重复2次上述加卸载试验步骤,获得3个循环的6组试验数据。整个拉伸试验过程,利用Sm125-500型光纤光栅解调仪采集胶封装FBG应变传感器的中心波长及每级载荷下的反射光谱。

2.3 低温应变响应特性分析

光栅反射光谱的稳定性是评价FBG传感器的重要性能指标之一。以最低试验温度-194 ℃为例,FBG1530、FBG1545 2个中心波长的胶封装FBG应变传感器的反射光谱随应变的演变如图4所示。板材试样的应变由试验机施加载荷、板材试样平行长度内的横截面积以及316L不锈钢在不同低温下的弹性模量[18]求得。-194 ℃下的拉伸过程中,胶封装FBG的反射光谱始终保持良好的信噪比,无明显啁啾现象,光谱带宽、反射峰值、形状等均无明显变化,足以满足大多数商业化光纤光栅解调仪探测光栅反射峰的要求。综上表明,室温固化两端胶粘工艺制备的胶封装FBG应变传感器在低至液氮温区,反射光谱的形状不受低温以及施加载荷使试样产生变形的影响,具有良好的光谱稳定性。

(a)FBG1530

(b)FBG1545图4 -194 ℃下FBG反射光谱随试样应变的演变

根据GBT18459—2001《传感器主要静态性能指标计算方法》[19],取95%置信度,包含因子为2.57,求得的FBG1530、FBG1545在不同低温下的重复性及回差如图5所示。以一个拉伸循环为例,图6给出了不同低温下FBG1530、FBG1545中心波长随应变的特性曲线以及线性拟合曲线。在常温及0 ℃时,由于低温胶的粘弹性[20]导致迟滞效应,胶封装FBG应变传感器的加卸载应变特性曲线重复性及线性度较差。随着温度降低至-40 ℃[21]以下,低温胶弹性增强,加卸载曲线回差在5%以内,重复性在10%以内,线性拟合修正确定系数分别大于0.999、0.99,说明胶封装FBG应变传感器在-194～-40 ℃低温下,对加卸载应变无明显的迟滞现象,具有良好的重复性和线性特性。

图5 低温下胶封装FBG应变传感器的重复性及回差

(a)FBG1530

(b)FBG1545图6 低温下胶封装FBG应变传感器的应变特性曲线

根据FBG1530、FBG1545每一组加卸载数据的线性拟合曲线斜率,求得不同恒温下胶封装FBG应变传感器的应变灵敏度系数均值,如图7所示。常温及0 ℃时,由于低温胶较软,剪切强度低[22],胶封装FBG应变传递效率低;随着温度的降低,低温胶剪切强度增强并趋于稳定,胶封装FBG应变灵敏度系数逐渐增大,当温度降低至-40 ℃后,基本不再随温度变化而变化。FBG1530、FBG1545在-194～-40 ℃低温下的应变灵敏度系数平均值为0.74,标准差系数在2.4%以内。因此,采用相同工艺制备的胶封装FBG在-194～-40 ℃低温下具有相同且恒定的应变灵敏度系数。裸光栅应变灵敏度系数理论值约为0.791[23],胶封装FBG的应变灵敏度系数相比裸FBG略低,应变传递效率约为94%,这是有机涂层及胶粘层造成的应变传递损耗所致。

图7 -194～-40 ℃下FBG1530、FBG1545应变灵敏度系数随温度的变化

综上所述,胶封装FBG应变传感器在-194～-40 ℃低温下对应变响应具有良好的线性、稳定性及重复性。相同胶封装工艺制备的光栅传感器,在低温下具有相似的应变传感特性,应变灵敏度系数约为0.74,基本不受温度的影响。

3 考虑热光系数温度补偿算法的准确性分析

3.1 低温温度响应试验

基于图3中低温拉伸试验装置,进行低温下板材试样的温度响应试验,用以分析考虑热光系数的温度补偿算法的准确性及可行性。

将胶封装有FBG1530和FBG1545的板材试样上端由销钉悬挂,下端销钉去除,无约束地悬挂在低温箱。同时,采用初始波长为1 550 nm的裸光栅作为参考光栅,自由悬挂在低温箱中。光栅位置尽量靠近铂电阻,确保各光栅处于同一温度场。降温过程从室温(20 ℃)以每20 ℃为一级,降至-180 ℃,最后降至-196 ℃(受限于低温箱密封性,实际最低温度为-194 ℃),每级温度保温25 min;升温过程从降温最低温度升至-180 ℃,后每20 ℃为一级,升温至室温,每级温度保温30 min,以便取波长测量值的均值。重复2组上述降温、升温过程,共进行3个循环。试验过程中3根光栅始终与Sm125-500型光纤光栅解调仪相连记录光栅中心波长。

3.2 试验结果与分析

根据GB/T18459—2001《传感器主要静态性能指标计算方法》[19]求得6组胶封装FBG应变响应曲线重复率均在0.25%以内,具有良好的重复性。基于试验获得的光栅波长偏移量,采用不同温补算法求得板材试样的低温应变,并将6组应变数据平均值与316L不锈钢的热应变理论值[24]进行对比,如图8所示。可以看出,考虑热光系数的温度补偿算法相比传统温度补偿算法,得到的试样应变更接近理论值。图9给出了不同算法得到应变与热应变理论值的相对误差。液氮温度下,该方法的相对误差(8.0%)小于现有温度补偿算法的相对误差(17.4%)。因此,考虑热光系数的温度补偿算法,有效提高了温度变化引起的应变测量精度。

(a)FBG1530

(b)FBG1545图8 从室温降至-194 ℃下板材试样应变不同解法结果对比

(a)FBG1530

(b)FBG1545图9 从室温降至-194 ℃下板材试样应变不同解法的相对误差

4 LNG球阀球体低温应变测量

4.1 试验装置与方法

以DN100 mm的LNG球阀为研究对象,通过FBG应变传感器监测球阀在通入液氮后的应变情况。FBG传感器布点位置如图10所示,除了球阀关闭时密封圈处,在关闭密封圈内偏移1 cm处同样布置了测点进行对比分析。采用2组丙烯酸酯涂覆光栅串,每组光栅串上分别刻写了初始波长不同的5根光栅,光栅栅长均为3 mm,采用优化的两端胶粘工艺,以DW-4低温胶将光栅胶封装于球阀关闭密封圈及偏移圈处。同时,将一根裸光栅一端粘贴在球阀球体上,一端自由悬挂,保证其波长偏移仅由球阀球体的温度变化引起,用以温度补偿。

图10 FBG串布点示意图

将胶粘有FBG的球阀球体从室温直接浸没在液氮中,保温约4 h后将球阀球体拿出,缓慢升温至室温,模拟液氮通入后接触LNG球阀的过程。整个试验进行了3个降-升温循环,光栅串与Si155型光纤光栅动态解调仪相连,每间隔0.1 s记录一组光栅串的中心波长。

4.2 试验结果与讨论

以第1个循环为例,根据式(10)考虑热光系数的温度补偿算法求得LNG球阀密封圈及偏移圈各点降温及升温过程中的应变结果如图11所示。降温升温过程中,密封圈及偏移圈各点的应变响应趋势相同。当整个球体没入液氮中后,各测量点收缩应变迅速增大直至稳定,此时球体整体达到最大收缩量;当球体从液氮中拿出后,温度上升,各测量点收缩应变减小,直至回归零点,此时球体恢复原状。此外,当球阀球体浸没到液氮以及从液氮分离时,胶封装FBG均测到一个瞬间载荷,这可能是由于气液固界面力所致。试验结果表明,胶封装FBG应变传感器可实现低至液氮温区的LNG球阀球体应变监测,为监测LNG球阀低温工况下的应变分布提供技术支持。

(a)密封圈

(b)偏移圈图11 LNG球阀各点应变测量结果(第1个循环)

图12给出了球阀球体浸没在液氮中密封圈及偏移圈测点的3组应变测量结果,各测点测量值的平均值、标准差系数以及对理论值的相对偏差如表1所示。由于光纤断裂,FBG#2和FBG#5未测得第3组数据;FBG1的第2、第3组测量值突变且不再恢复,FBG#3测量值远小于理论值,这可能是开胶导致应变传递效率降低所致,进行应变分析时去除上述异常点数据。当球阀在液氮中变形稳定后,测得密封圈各点应变测量结果在3 800～4 800 με,标准差系数在10%以内,相对理论值的偏差基本在30%以上,大于316L不锈钢的理论热应变[24],这是由于密封圈处存在约束应力所致。偏移圈各点测量结果在2500～3600 με,标准差系数在15%以内,相对理论值的偏差在18%以内,测量值与理论值接近。试验结果表明,基于胶封装FBG应变传感器监测LNG球阀球体低温应变具有一定可行性,从室温降温至液氮温度后,LNG球阀球体密封圈处收缩变形较大,更容易发生泄漏。

图12 LNG球阀球体密封圈、偏移圈各点应变与厚度关系

表1 LNG球阀球体室温浸没液氮中的应变测量结果

5 结束语

本文采用两端粘贴工艺制备了胶封装FBG应变传感器,并通过低温下的单轴拉伸试验评价了其线性、稳定性及重复性,标定了其应变灵敏度系数;基于光纤光栅传感原理,理论推导了考虑光纤热光系数的温度补偿算法,并通过低温下板材试样的温度响应试验分析了其准确性;最后通过LNG球阀球体的低温应变监测试验验证。通过上述研究得出以下结论:

(1)采用两端粘贴和室温固化相结合的封装工艺,可成功制备耐低温胶封装FBG应变传感器,封装工艺不改变FBG的反射光谱形状;该传感器-194～-40 ℃温度范围内的应变灵敏度系数不随温度变化,且对应变响应具有良的线性、稳定性及重复性。

(2)采用理论推导的考虑光纤热光系数的温度补偿算法,利用耐低温胶封装FBG应变传感器,测得不受外载且无几何约束下板材试样从室温降至-194 ℃的热应变,与热应变理论值相比,液氮温度下该方法的相对误差(8.0%)小于现有温度补偿算法的相对误差(17.4%),说明该算法有效提高了温度变化引起的应变测量精度。

(3)基于耐低温胶封装FBG应变传感器和考虑热光系数的温度补偿算法,结合裸光栅作为参考光栅,实现低至液氮温区的LNG球阀球体低温应变监测,发现液氮浸泡下球体密封圈处应变测量值大于理论值,为反映LNG球阀在低温工况下内密封性能提供了重要基础依据。