引用本文:
谭跃刚,崔任鑫,刘繄. 高温大应变光纤传感器性能劣化观测与失效机理分析[J]. 光通信技术,2021,45(9):15-19.
谭跃刚,崔任鑫,刘 繄*
(武汉理工大学 机电工程学院,武汉 430070)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为了进一步优化和改进光纤传感器的固定方式,设计了一种金属焊片式非本征型法布里-珀罗(F-P)光纤传感器,并对其进行了实验观测。研究分析了在1200 ℃高温环境下不同焊接固定方式的F-P光纤传感器的失效机理。对在1200 ℃高温下失效的实验样件进行了观测与分析,利用有限元分析方法对实验样件进行仿真和计算,并结合实际的光谱信号变化来研究其具体的失效过程,结果表明不同的焊接固定方式会对传感器产生不相同的力学影响,从而影响传感器的寿命。
关键词:高温;大应变;法布里-珀罗光纤传感器;失效机理分析
中图分类号:TN914 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2021)09-0015-05
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.09.004
0 引言
高温环境下的大应变测量一直是困扰航空发动机研制的一项难题。传统高温应变测量技术一般采用应变片,但是应变片是金属材料,在高温环境下极易氧化,严重影响测量精度。另外,应变片的固定也存在一定问题,常用的有机物胶结剂难以耐受500 ℃以上的高温;无机胶结剂由陶瓷材料构成,虽然可以耐受1000 ℃以上的高温,但是其热膨胀系数很小,与基底叶片容易造成热应力失配,最终导致传感器脱落,无法完成应变测量。光纤由石英材料构成,其熔点为1700 ℃,是理想的高温传感载体。目前,常用于应变测量的光纤传感器有光纤布喇格光栅(FBG)传感器和基于法布里-珀罗(F-P)干涉仪的光纤传感器。其中,FBG传感器在工作环境温度超过1200 ℃时会发生光栅退化导致传感器的正常工作时间短,而F-P光纤传感器在高温环境下进行应变测量的应用更为广泛[1]。LEE C E等人[2]在F-P光纤传感器的入射端和反射端涂覆100 nm的TiO2薄膜,再将其熔接在一起制成一段长为1.5 mm的单模光纤,这种传感器可测量的最高温度为1050 ℃。JINESH M等人[3]在单模光纤中利用金属Cr制作金属反射层,将金属反射层和光纤端部形成的F-P腔用于温度的测量并使用毛细玻璃管进行封装,实验证明该传感器能在1100 ℃的高温环境下稳定运行300 h。WANG B等人[4]利用蓝宝石光纤制造的F-P传感器可耐受温度高达1550 ℃,但蓝宝石光纤的多模传输特性会导致其反射光谱谱形复杂,易受环境的影响,解调困难。因此,单模石英光纤成为目前1200 ℃高温大应变测量的唯一可行材料。单模石英光纤应变传感器已经应用多年,但是对于1200 ℃高温环境下的大应变测量,还没有一种较为合适的F-P光纤传感器,究其原因在于传感器可靠性低、寿命短,无法满足应用需求。为解决以上问题,本文针对高温大应变测量需求,设计金属焊片固定式非本征型F-P光纤传感器。
3 结束语
本文针对在1200 ℃高温测试环境下非本征型F-P光纤传感器因其固定方式而易失效的问题展开了研究,得到了焊接固定方式与F-P光纤传感器失效之间的联系,总结了目前F-P光纤传感器的性能在高温环境下测量时受固定方式(焊片焊接)的具体影响规律。本文的研究成果可以作为优化和改进传感器固定方式的参考,以减小机械安装工艺对传感器性能的制约,对后续提高F-P光纤传感器在高温环境下的使用寿命和性能提供了理论依据。光纤传感器的固定方式还有很多,本文仅讨论了使用焊片固定传感器的这一种固定方式在高温下导致传感器失效的原因,在后续的研究中,其它固定方式(如高温粘接剂的胶结)导致光纤传感器失效的原因也值得进一步研究和探讨。