光纤布拉格光栅基于应变传感器在管道涡激振动测量中的应用外文翻译资料

 2022-09-06 10:47:12

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光纤布拉格光栅基于应变传感器在管道涡激振动测量中的应用

REN Liang1, JIA ZiGuang1*, HO Michael Siu Chun2, YI TingHua1 amp; LI HongNan1

摘要：在很多不同的科学工程领域中涡激振动是一个重要的研究课题。虽然涡激振动可以在某些情况下收益，但通常它是一个危险且不受欢迎的现象。尤其是近海管道，涡激振动导致管结构的疲劳，如果不加以控制会导致灾难性的后果。许多不同的方法已经被应用到涡激振动的测量,特别是对细长,薄圆柱结构。最近几年光纤布拉格光栅(fbgs)的使用已经得到普及，由于其独特的性质。然而,当光纤布拉格光栅放置在没有保护的恶劣的环境下时，脆性很大,容易受到故障的影响。在本文中，封装在不锈钢管中的56光纤布拉格光栅在控制和不被控制的两种条件下，被应用于测量28米模型管道的涡激振动。测试表明,封装的传感器具有良好的敏感性以及疲劳寿命(gt; 80000周期)。结果表明，光纤光栅的测量在两种条件下足够用于管道涡激振动频域分析。作者得出的结论是,封装的光纤光栅在管道结构的涡激振动研究上是一个可行的工具。

关键词：涡激振动，光纤布拉格光栅，疲劳测试，油管实验，震动控制设备

介绍（引言）

结构震动在工程领域一直是一个金典而重要的课题，结构的振动并不总是有害的,但是在适当的外部干扰下是极其危险的。由于结构与移动液体之间的相互作用造成的振动频率与结构固有频率接近是延长结构主要关心的问题，如桥梁、输电线路、近海管道和立管。需要特别注意的是在海上石油和天然气工业中，在海洋环境下从潜水领域过渡到深水生产需要使用长而灵活的管道和电缆。海洋中恒定电流的存在会导致弹性元件涡旋脱落和发生涡激振动 [2]. 持续的涡激会造成长期循环应力，并容易引起结构的疲劳。通常情况下,多个记录器将沿着结构的长度安装，来测量应力和加速度，从数据实现模态分析，并预测结构的疲劳阶段。[3–7] 。在近几十年里，很多研究已经表现出对涡激振动的彻底分析和缓和涡激振动的方法。大量的传感方式被应用于涡激振动的测量，包括导电传感器，压力传感器，电子应力计量器。供研究使用的加速计和激光振动计在文献中也被提到。

基于光纤技术的发展程度，光纤传感器已经被允许应用于涡激振动的研究领域中。光纤布拉格光栅就是这类被广泛应用的光纤传感器。

光纤光栅是一种内在的，波长基于光纤的传感器，它主要对应力，温度和压力敏感。布拉格光纤光栅的有点包括它的小尺寸，对电磁干扰的免疫力和多路复用能力，布拉格光纤光栅已经被高效而广泛地应用，其中包括对涡激振动的研究。早期被Jin等报道的布拉格光栅应用于涡激振动的研究，热线和激光振动计的测量证明了表面安装的布拉格光栅光纤被用来获得横向弯曲和涡脱落频率[14].程等人在试验中提到[15]，光纤光栅被用于多传感器方案的一部分，用来为致动器提供闭环控制反馈来减轻涡激振动。张[16]等人提出了类似的题目设置，布拉格传感器在涡激振动下为结构控制提供一部分反馈信号。周等人[17]描述了使用光纤光栅传感器结合使用激光多普勒风速计研究包括涡激振动的交叉流。回到海洋应用的主题上，de王尔德和Huijsmans[18]报道了10光纤光栅使沿模型升流管装备后测量涡激振动反应的应用，包括横向流和串联动作,模态响应等。威廉姆斯[19]描述光时域反射计(OTDR))和监测涡激振动的光栅光纤和弯曲应变的小直径spoolable管道的应用。光时域反射计和光纤光栅传感器都被描述为可以与表面管道直接结合。

然而,光纤光栅的使用,或光纤传感器在一般情况下,都有其缺陷。传感器的体积小,适用于不影响结构动力学的情况,但会使传感器脆性变大。此外,光感器的直接结合会导致主结构出现应力传输和光纤光栅的问题，通常是不受欢迎的感应应变梯度多峰现象[20]。因此,对于许多民用应用,光纤光栅在调度前通常封装在保护箱内[21-25]。封装可能会影响到光纤光栅的传感特性,如测量长度,或应变传递损失[26]。为了克服这些问题,新开发的光纤光栅应变传感器和两个特别设计的夹管被应用于研究管道的涡激振动。

本文总结如下：首先,光纤光栅应变传感器的设计原理是对封装的光纤光栅传感器进行详细的校准测试和疲劳测试；其次,56光纤光栅传感器安装在硬质聚氯乙烯管道模型表面下去监控涡激振动下的应力变化，分别在一个裸露的和一个装有振动控制系统的管道。第三,涡激振动测量获得的数据从时域和频域方面分析,最后我们得出了一个关于传感器在管道涡激振动检测方面的可行性。本文的主要目的是开发一个压力传感器校正系统（PTCS）的实验平台,并评估压力传感器校正系统的性能。此外,一些影响ptc性能的关键参数,如太阳辐射通量,热载体的流量,热损失也在调查范围内。取得了令人振奋的结果,光纤光栅传感器在中国可以为抛物槽太阳能热力发电厂的发展提供基本数据。

2.光纤光栅传感原理和传感器的设计

2.1传感原理

光纤光栅是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅周期长度的变化将导致反射波长的变化。光纤光栅的反应方程如下：

式中 B 代表中央布拉格波长，ɛ表示应力，T代表温度，P是压力，T, 和P分别是温度，应变和压力的系数。在本文描述的应用中，波长变化主要来自于压力。光纤光栅在环境或主机结构中的应力传输取决于很多变量，包括光纤光栅和环境之间的粘胶层的质量和机械性能。一般来说，在一个赤裸的石英玻璃光纤光栅中央波1550nm附近,应变灵敏度约1.2pm/.

2.2 传感器设计

这项研究中使用的光纤光栅传感器被封装在不锈钢钢瓶。光纤光栅的两端通过环氧树脂的粘合与夹管链接，它充当安装支撑的角色（图1）。因此,管之间的相对位移将导致光纤光栅的应变[14]。

图1.封装的光纤光栅应变传感器的示意图

纤维长度与爪Lf之间的比值,夹管与L之间的距离,决定了压力传感器的灵敏度。波长位移和应变敏感性之间的关系在接下来的实验中提到,为了研究管道涡激振动，光纤光栅应变传感器(25毫米长,直径1毫米)如图2所示安装到不加增塑剂的模型聚氯乙烯(uPVC)管道。

图2图2(颜色在线)封装光纤光栅应变传感器的钳子。

2.3校正和疲劳测试

光纤光栅应变传感器用于管道模型之前,校正传感器,以确保准确的测量。在校准过程中,一个封装好的光纤光栅应变计和一个裸露的光纤光栅被安装在相反方向的钢片上,如图3所示。氰基丙烯酸盐粘合剂镶嵌在裸露的光纤光栅上的同时，环氧树脂用于应变计上。使用sm130询问机记录两个传感器的应变测量，并比较封装传感器的校正灵敏度。如图4所示,封装传感器及光传感器被高度线性化(R2 gt; 0.9998)，并有着相同的灵敏度(1.2pm/uε)。

图3.标准试验万能材料测试机

图4.光纤光栅应变传感器波长变化与应变之间的关系

完成标准测试后，检测循环载荷对于封装的光纤光栅传感器的影响。一般情况下，这种疲劳测试对于涡激振动和振动的研究室非常重要的，,高频振动可以快速应用传感器的多个加载周期,从而有可能引起传感器构造或成键条件的损坏。为了进行疲劳测试,封装的传感器安装在钢片上,钢片安装在MTS 810 材料测试机上(图5)。机器在3KN(张力在0.1和6.1 kN之间）的振幅下产生了5-Hz正弦式荷重。钢片相应的应变是700 mɛ。这种类型的加载被设计成类似于模型管道的情况下,预计5HZ的自然频率和表面应变的变化小于1000 mɛ。疲劳对于封装的光纤光栅传感器性能的潜在影响，被传感器的一系列应变测量所量化。因此，每3000个加载周期，传感器的应力范围被测量一次。超过8000个加载周期后就被应用于传感器的疲劳试验。如图6所示,在整个测试的应变范围内保持相对稳定,从而表明疲劳损伤既不受环氧树脂也不受光纤光栅传感器的影响。在长时间的测试中由于温度的变化导致疲劳测试中应变变化的轻微波动。温度对光纤光栅应变传感器的影响被温度传感器所补偿。然而，由温度变化引起的样品变形对于不能够被直接补偿的波长变化来说是一个决定性因素。在实际测试中预期加载周期的数量远低于80000周期，涡激振动的测试数据将不会被涡激振动引发的疲劳所影响。

图5.使用MTS 810 材料测试机进行疲劳测试

图6.光纤光栅应力传感器的疲劳测试结果

  1. 试验装置

3.1模型管道

物理模型用于以光纤光栅为基础的涡激振动研究由固定在车桥上的28米长的uPVC管道组成,如图7所示。汽车桥由一个可横跨桁架结构宽度水箱和一个能调整长度的水箱组成。管道被车桥两端固定和拉紧。因此，随着车桥穿过水箱移动，水会穿过模型管道作相对移动，从而产生涡激振动。不同牵引速度允许不同严重程度的涡激振动调整。提到整个测试是在每个水温保持稳定的短期(小于3分钟)测试中被引导,因此温度变化对光纤光栅传感器的影响可以被忽略。

图7.车桥和模型管道示意图

3.2光纤光栅传感器的安装

用于研究的管道外径为16mm,壁厚0.85mm。为了测量管道在涡激振动中的应变，56光纤光栅被安装在一个纵向长度的管道上,如图8(a）所示。传感器等分为四个分支(每部分14个传感器)均匀分布在管道的周围(图8(b))。小凹槽蚀刻到传感器的管道的位置,进一步提高粘接强度和变管与传感器之间应变的传输。最初用强力胶把初光纤光栅粘附在模型管道的表面，后来用环氧树脂覆盖住传感器，以确保传感器与结构的一体性（图8（c））。每七个传感器被复用在一个通道上，形成八通道。在250Hz下使用微米光学sm130询问机来测量，光开关是用来增强询问机的能力。

图8.传感器在模型管道上的为止和安装示意图

3.3振动控制系统

做了另外一个测试来研究控制棒对减小涡激振动的影响。在一定长度的有关上安装四个聚氨酯（PU）管道，在管道与油管之间都有相同数量的间隙。PU管的功能是妨碍涡旋脱落对油管结构的影响和在控制管道与油管之间不同距离带来不同的干扰效应。固定设备(图9(a))被用来调整管间的间隙,支撑设备用来维持贯穿整个油管的管道之间的间隙(图9(b))。在本实验中，安装了11个修复设备和20个支撑设备，在本文中分别研究了2,6,11mm的空隙。

图9.模型管道上的振动控制系统图

4.数据及其分析

在所有的情况下(有或没有振动控制系统),桥的拖曳速度越快,光纤光栅应变变化越大。在接下来

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