基于光纤光栅的高温结构应变测试方法研究

作     者：梁文国 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：解维华

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 082504[工学-人机与环境工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：化学组分光纤光栅 连接方法 高温应变 稳定性 精度 

摘      要：目前,随着各类高速飞行器的飞行速度越来越快,恶劣的气动热环境引发的防热问题已经成为制约高速飞行器发展的难题之一。防热材料在高温环境下的响应特性是飞行器热防护设计的基础,但高温传感技术还不能准确获知材料在高温环境下的热力响应。本文针对石英基化学组分光纤光栅传感器在超高温陶瓷及氮化硅陶瓷上开展高温粘接方法及传感特性的试验研究。基于裸光栅的应变波长响应和温度波长响应特性,确定了测试区域温度对应变灵敏系数和温度灵敏系数的影响规律。采用温度补偿方法对应变波长信号及温度波长信号进行解耦。采用基体-胶层-裸光纤的理论模型,分析了胶层的厚度、长度及宽度对应变传递的影响。针对不同厚度的胶层,采用数值模拟的方式分析了胶层与结构界面处的应力分布,通过对胶层边缘细化处理进一步降低了胶层界面处的应力集中,根据胶层截面形状设计并制备了定形连接模具。开展了胶体固化方案研究,通过观察胶体固化后的形貌及胶体与结构之间的粘接效果,给出了最优的高温光栅连接方法。设计了光纤光栅的高温传感测试方案,分别对超高温陶瓷及氮化硅陶瓷进行了高温响应试验,分析了光纤光栅应变测试的稳定性及精度。在超高温陶瓷结构上光纤光栅的最高测试温度达到1094.1℃,应变波长相对增量的变异系数不大于6.0%。光纤光栅在超高温陶瓷上的应变测试相对误差不超过10.7%,应变传递系数介于0.893～0.984之间。在氮化硅陶瓷结构上光纤光栅的最高测试温度达到1087.2℃,应变波长相对增量变异系数不大于9.5%,且随着温度的升高变异系数呈减小趋势。光纤光栅在氮化硅陶瓷上的应变测试相对误差不超过18.5%,应变传递系数介于0.815～0.969之间。