基于光纤光栅的真空环境不锈钢小平台多参数检测

发布时间：2020-07-22 04:55

【摘要】：不锈钢结构因具有耐腐蚀、高强度、耐高温等优点广泛应用在建筑工程、航空航天、能源设施等领域,其使用过程中会受到热、力复合载荷作用,采用合适的传感器能够及时发现结构存在的风险。本文以托卡马克装置真空室内部支撑结构为原型设计的304不锈钢小平台为研究对象,研究其在真空环境受到热、力作用下的热传递规律、温度分布以及应变和位移检测。光纤光栅传感器具有体积小、抗电磁干扰、易复用成网络、测量精度高等优点,能够满足托卡马克装置及类似极端工况条件下的不锈钢结构参数检测要求。本文研究内容主要包括:1、首先介绍了光纤光栅传感技术的发展情况和应用现状,从热力学和力学两方面介绍了国内外不锈钢结构参数检测及变化规律的研究概况。2、简要分析了光纤光栅的温度、应变传感原理和滤波法解调信号,详细介绍了热传导、热对流和热辐射三种热量传递方式以及材料内部应力应变和位移理论。3、利用ANSYS Workbench软件获得304不锈钢小平台真空和常压环境下的稳态传热仿真以及垂直和水平力载荷下的静力学仿真结果,确定了不锈钢小平台的测点位置。仿真结果表明在真空和常压环境下不锈钢小平台的4个测点温度依次降低,由于常压环境下热对流产生散热,同一测点处真空环境下温度值高于常压环境下对应值。施加垂直力载荷时,ε_1为拉应变,ε_2、ε_3、ε_4为压应变,力载荷方向为水平时,ε_1、ε_2为拉应变,ε_3、ε_4为压应变,并且受到水平力载荷时测点位移大于垂直力载荷时对应值。4、搭建了基于光纤光栅的真空环境不锈钢小平台多参数测试系统。首先对不锈钢小平台常压和真空环境下温度分布进行检测,真空环境下各测点温度高于常压环境下对应值,这是因为常压环境热量以热对流方式损耗至空气中;真空环境无热对流,通过支撑部分热传导至底座的热流量为34.99W,加热板对底座的直接净辐射热流量为1.74W,因此热传导效率明显高于热辐射。其次在实验室环境下测量了不锈钢小平台受到垂直和水平力载荷(77.6kg)时应变和位移,并获得了在真空环境下垂直力载荷为62kg的实验结果,绘制了应变和位移时程,分析了所测结果误差。本文验证了真空环境下利用光纤光栅获取结构热量传递和应变位移变化信息的可靠性,为复杂工况条件下的结构参数检测提供了一种可行性方法。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.15
【图文】：

均匀分布,工作原理图,多参数

第二章光纤光栅用于不锈钢小平台多参数检测的理论基础第二章光纤光栅用于不锈钢小平台多参数检测的理论基础2.1 光纤光栅传感原理FBG 利用掺锗光纤纤芯紫外曝光制作而成，纤芯折射率呈空间周期性分布，栅格沿纤芯轴向均匀分布。FBG 的工作原理如图 2.1 所示，FBG 能够将入射的宽带光源中满足布拉格条件的光波“反射”回来，其他波长的光继续传播。

原理图,信号解调,滤波法,可调

合肥工业大学硕士学位论文应运而生。文所采用的 FBG 传感主机体积小，采样频率高，波长分辨率高，能感器在实际工程中的应用。该传感主机基于可调法布里—玻罗(Fabr波法[87]，工作原理如图 2.2，虚线框内即为传感主机的内部结构，宽宽带光经过 3dB 耦合器分光后传输到 FBG 传感器，外界物理量作用时导致其中心波长发生漂移，FBG 传感器将宽带光中满足中心波长回去，其余光波继续向前传播，发射回去的光波再次经过 3dB 耦合-P 滤波器，可调 F-P 滤波器由锯齿波信号控制透射波长，当发射波长一致时，光波继续传播并由光电探测器转化为电信号，再经整形放据采集卡。该传感主机可通过 LAN 线与计算机组成局域网进行数据算机上相关软件进行所需参数设置，便可直接显示 FBG 传感器中心、应变、压力值随时间变化曲线。

示意图,无限大平板,热传导,示意图

2.3 无限大平板热传导示意 Thermal conduction of infin板(如图 2.3)，建立笛卡板右侧表面温度，由于传递至右侧，上述条件1 2ΔT TkAx k 为平板材料的导热系侧表面温度 T1、T2单位为)。公式(2.17)也可表示1 2 Δ T T Tq k kA x W/m2，物理意义为单位笛卡尔坐标系，则三个方一个热流密度矢量，表

【参考文献】