摘要：压力容器的安全可靠性已成为当今社会普遍关注的重大问题。运用崭新的光纤光栅传感技术，光纤光栅应变传感具有良好的线性度、灵敏度和耐久性，在工程领域中，可以满足实际应用的需要，具有广阔的应用前景。本文详细阐述了其测试原理，进行了光纤光栅应变特性标定实验，并对压力容器的横向和轴向应力进行多点、多手段的测量和分析，把光纤Bragg光栅的应力测量的工程应用的研究推进了一步。
关键词：压力容器 FBG 应力
中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）03-0194-02
随着我国经济的快速发展，大型工程建设进入了前所未有的高潮时期。大型工程中特别是矿井、油田等的压力容器，其安全可靠性已成为当今社会普遍关注的重大问题。开展长期安全监测工作，对关键点和控制断面的应力、应变等重要物理量的测量以及动力特性等模态参数来评估容器的安全可靠性，及时发现处理问题，防范于未然。因此，对压力容器的应力，进行长期的在线监测具有十分的重要意义。本文采用光纤Bragg光栅（FBG）传感器对压力容器的横向和轴向应力进行多点、多手段的测量和分析，把FBG的应力测量在工程领域中的应用研究推进了一步。
1 测试原理
本文所监测的压力容器见图1，其外径为320mm，板厚2mm。容器的材料是16锰容器钢，该容器含碳0.16%。应力测试压力为0～3MPa。实验仪器，主要使用的是BGD-L10C型光纤光栅解调器和MYJ-8型静态数字应变仪。本实验选用均已退火处理的FBG光栅，长度为8mm，轴向波长分别为1300.18 nm、1295.42 nm、 1290.12 nm；横向波长分别为1305.48 nm、1300.96 nm、1295.5 nm、1290.1 nm、1285.44nm。采用波分复用方法，一根光纤上串联3个FBG，另一根串联5个FBG来监测压力容器的应变，探测范围△λ选用5nm。FBG通过光纤与解调器相连，光纤光栅解调器将波长信号转变为计算机可以识别的电信号，并传输给计算机，计算机对接收到的电信号进行处理，对Bragg波长编码解调，计算出对应的Bragg波长值，探测波长改变量，并将测量结果显示在计算机屏幕上，形成分布式FBG传感网络检测系统见图2。
2 光纤光栅应变特性标定实验
利用现有的实验条件，研究FBG的应变传感特性。选用研究对象为波长1300.38nm的FBG，实验仪器为FBG解调器BGD-L10C，实验组件有砝码、吊环、支架、螺丝、橡胶等。标定FBG应变特性的实验原理，主要是采用光纤光栅来承载重物，定量研究FBG的Bragg波长和应变之间的关系。
FBG应变特性测试实验在恒温25℃条件下，通过运用加吊砝码方法对FBG施加轴向应力。实验过程中，砝码从0g开始，到吊起 55.5 g，再吊92 g，然后每次增加50 g，依次测出Bragg光栅的反射波长，一直增加到334 g，此时已处于极限重量，如果再增加砝码，Bragg光栅就会因超载而出现断裂现象。实验FBG应力特性测试系统原理图如图3所示，这种采用光纤光栅承载重物来标定光纤光栅的应变物理特性的方法，比理论计算更准确更合理。
按上述试验过程，重复做三次试验后的结果呈良好的线性关系见图4，而且三次的重复性十分好。线性拟和结果为
λB=0.0111G+1301.8（nm） （1-1）
线性拟和度
R2=1 （1-2）
由线性拟和结果可以得出每克重量使布拉格波长位移了 11.1pm。
选用直径125μm的裸光纤，室温T 25℃，由光纤温度T与杨氏模量E的关系公式
E=72.2+0.0093×T （1-3）
可计算出杨氏模量E=72.4Gpa，从而可以推算出波长 1300.38nm的FBG的轴向应变的特性为1.003με/pm。
3 压力容器光纤光栅的轴向和横向应力测量
3.1 实验方案
采用8个FBG和8个电阻应变片（RFSG）进行对比试验。容器应力是在外径320毫米的容器范围内，轴向、横向各放一根光纤，轴向光纤上有3个不同波长的光栅，而横向光纤上有5个不同波长的光栅。3个FBG通过直径为3mm的光纤串联，用环氧树脂胶将光栅分别粘贴固定在如图5所示的轴向位置上；5个FBG也通过相同直径的光纤串接在一起，用环氧树脂胶将光栅分别粘贴固定在如图5所示的横向位置上。图5的上部分排列的是轴向光纤，FBG波长从左到右分别为 λA3=1300.18nm、λA2=1295.42nm、λA1=1290.12nm；图5的下部分排列的是横向光纤，FBG波长从左到右依次为λH5=1305.48nm、λH4=1300.96nm、λH3=1295.5nm、λH2=1290.1nm、λH1=1285.44nm。
对FBG我们采用了四种方法粘贴，具体情况如下：轴向从左到右分别是：A3平贴有涂层、A2平贴去涂层、A1平贴去涂层；横向从左到右分别是：FBG-H5有桥中段有涂层，两边小段去涂层（见图6）、FBG-H4平贴中间有涂层（见图7）、FBG-H3有桥去涂层、FBG-H2平贴去涂层（见图8）、FBG-H1有桥去涂层。“有桥”指的是在容器表面用砂纸去除防锈层后用环氧树脂胶粘贴细铁棍，把光栅绷紧放在这两根细铁棍上，并粘贴在容器表面。之所以采用这种架桥的方法，是由于光栅在横向时应力复杂，形变分析困难，架桥使复杂横向应力转变成纯拉应力，可以简化研究过程。
同时在每个监测光栅的附近各贴上一个电阻应变片进行对比试验，并确保FBG和RFSG连线同轴。在压力容器中注满水，用电动泵从0MPa～3Mpa施加压力载荷，每加0.5Mpa压力记录一次数据，重复几次上述过程，检查数据前后是否一致。FBG通过光纤串联后与BGD-L10C型光纤光栅解调器相连，解调器将采集的数据输入计算机进行处理，并显示波长值，然后利用FBG的应变传感特性，将波长值换算为应变值；RFSG的读数从MYJ-8型静态数字应变仪上直接读取。
3.2 实验结论
以理论值作为测量真值，FGB的轴向应变测量误差比应变片测量误差要小，精度提高了1%；FGB的横向应变实际测量值比应变片实际测量值要精确6%，由此可见FBG的轴向和横向的应变实际测量值都比RFSG的应变值实际测量值更接近理论真值。将光纤光栅传感技术和电测应变片同时用于压力容器进行应变监测，测得施加0～3MPa压力后应力变化的全过程，测试数据翔实可靠。相比于传统的RFSG电测方法，FBG具有更好的线性度、更高的耐久性以及应变值更接近于理论真值，光纤光栅传感系统十分灵活，有效地解决了校准和长期时效性的问题。FBG压力容器应变监测表现出良好的线性度、灵敏度和重复性的特点，说明了光纤Bragg光栅应用于压力容器表面应力检测的可行性和先进性。
4 结语
光纤光栅传感技术作为一种新型的、先进的传感技术，光纤光栅传感器的优点日益显现，从而决定了它在压力容器应力在线智能监测领域的广阔应用前景。光纤光栅传感实现复杂应力测量在国内是一个全新的研究领域，经过近些年的实践证明，光纤光栅实现复杂应力测量已收到了良好的效果，但还有大量的研究工作待日后完成，这需要课题组成员不断的完善。
参考文献
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