[发明专利]圆筒结构热扩散率的光纤光栅测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料热物理参数测量技术领域，包括一种圆筒结构热扩散率的光纤光栅测量系统及方法，特别是涉及一种利用光纤光栅测量圆筒结构热扩散率。

背景技术

传热是一种最常见的自然现象，几乎所有工程领域都会遇到一些在特定条件下的传热问题，现在科学技术突飞猛进，核动力的大型化、空间技术的深入发展等，要求传热分析细致化和传热计算精准化。

圆筒结构具有较高的比强度，比刚度和低膨胀特性，因此被广泛地应用于高性能、低重量要求的结构中，这些应用主要包括可移动桥梁结构，直升飞机的支撑构件和推拉杆及其他类似的飞行器结构构件。在结构受热升温（降温）的非稳态导热过程中，进入物体的热量沿途不断地被吸收而使局部温度升高，在此过程持续到物体内部各点温度全部趋于均衡和稳定。热传导这种特定方式的传热依靠物体内部的温度梯度从高温区域向低温区域传递能量，通常用热扩散率用于表征材料传递热量的快慢程度。在现代工程设计中，经常遇到有关加热、冷却、蒸发、凝结、熔化、凝固、隔热保温等各种各样的实际问题，因此材料热扩散率的高低对于结构的热稳定性和高温环境下的热力学性能具有重要计算意义。

在已建立的各种测试方法中，根据其传热特点大致可归纳为两大类：稳态法和非稳态法。

稳态法是基于傅里叶第一定律。当传热达到稳定时，同时测量加热介质的热量和被加热介质的温度变化，通过能量平衡求得被测材料的热物理参数。通常的测试方法有：线性热流式测试方法和热丝测试方法。稳态法的测定需要在恒定的温度下将被测物体长时间预热，每获一个实验数据约需数小时。为弥补测试过程的热损失，系统做得比较复杂，但测试精度较高，可以对材料的导热系数进行直接测量。

非稳态法是基于傅里叶第二定律。利用在非稳态的传热过程中被测物料的温度随时间的变化关系，测定其热物理参数。非稳态法常采用表面热流密度的瞬态测试技术；对于这种技术已开发的两种基本实施方法是：薄膜式表面测温法和厚膜式测热法。

现有的研究结果显示，无论是稳态法还是非稳态法，都具有一定的复杂性，需要特殊的实验系统，对实验环境和条件要求很高；而且鲜见有将光纤光栅用于热扩散率测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单可行、可重复性好、准确度高、抗干扰性强的圆筒结构热扩散率的光纤光栅测量系统及方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括测量系统和测量方法两部分。

一种圆筒结构热扩散率的光纤光栅测量系统，用于测量轴向长度大于5倍外径的圆筒结构的热扩散率，该测量系统包括加热水箱、水泵、待测圆筒、控制阀、内壁热电偶、外壁热电偶、内壁光纤光栅传感器、外壁光纤光栅传感器；

上述待测圆筒的一端通过第一热绝缘密封材料密封、另一端通过第二热绝缘密封材料密封；上述加热水箱的出口与水泵的进口相连，水泵的出口分成两路，一路穿过第一热绝缘密封材料与待测圆筒内部相连通，另一路经过泄流阀连接水槽；加热水箱的进口处的管路经过控制阀后穿过第二热绝缘密封材料与待测圆筒内部相连通；

上述内壁光纤光栅和外壁光纤光栅位置相对应分别固定在待测圆筒的内壁和外壁;上述内壁热电偶和外壁热电偶位置相对应分别位于待测圆筒的内壁和外壁；上述内壁光纤光栅、外壁光纤光栅的光栅部分，内壁热电偶和外壁热电偶的探头部分均位于待测圆筒轴向长度1/2处；

上述内壁光纤光栅、和外壁光纤光栅的引线与光纤光栅解调仪相连。

圆筒结构热扩散率的光纤光栅测量系统的测量方法，主要包括中心波长与温度拟合函数计算，初始状态监测，工作过程监测，计算机数据处理四个环节；

步骤1、标定光纤光栅粘贴在圆筒结构表面后温度与中心波长的函数关系，得到光纤光栅的温度特性函数；

步骤2、使控制阀处于开放状态，打开水泵，使待测圆筒中注满水；

观测内壁热电偶、外壁热电偶的温度数值，记录作为初始温度；

将内壁光纤光栅、外壁光纤光栅接入光纤光栅解调仪，采集其中心波长信号作为初始波长；

步骤3、保持水泵处于工作状态，光纤光栅解调仪保持数据采集状态，打开加热水箱加热开关，设定加热最高温度，以恒定的速度加热；

在加热过程中，加热水箱、水泵、水管使得待测材料内部处于动态的充盈状态，内部热水温度逐渐升高，热量由内至外传播，内壁光纤光栅感受结构内部热应变，外壁光纤光栅监测结构外壁热受热情况，光纤光栅中心波长数据即时传输并储存至计算机；

水箱加热至设定温度后即进入恒温状态，待内壁热电偶、外壁热电偶温度显示一致时，光纤光栅解调仪停止采集数据，关闭加热开关和水泵；