一种基于准分布式光纤传感技术的真空容器真空检漏方法

技术领域

本发明属于装备结构健康监测和故障诊断方法研发领域，涉及到的是一种准分布式光纤传感技术测量真空容器结构变形及诊断其失真空的检漏方法。

背景技术

航空航天领域对于真空条件要求较高，因此，作为关键构件的真空装备(如真空容器)承担着保持恒定真空环境的重要任务。真空容器是真空设备的主要部件之一，包括舱门、舱体、冷却水套和法兰等。为更好地实现功能设计，真空容器可以有圆筒形、方形、球形和其他结构形状等。受限于真空容器的金属材质和拼接制造工艺，通过焊接形成真空容器结构在焊缝处易出现微缺陷，导致真空容器漏气。其次，在法兰和各接头的密封部位、应力集中部分、受高低温冲击部分、受气液腐蚀部分等，均可能使真空容器发生泄露，导致真空装备失真空。对于航空航天真空装备，真空容器失真空可能带来巨大的经济损失，同时也可能危害宇航员的生命安全及空间工作站的稳定。因此，检测航空航天真空装备结构中真空容器是否泄露具有极其重要的工程意义。

当前，针对真空容器泄漏的检测方法主要有氦质谱检漏技术、四极质谱计检漏法、真空规检漏法、热释电红外成像法，气体追踪法，超声波检测法等，需要根据具体的真空容器结构和泄漏检测要求选择合适的方法。对于复杂的使用场合特殊的真空装备结构，可能需要结合多种方法进行综合检测。但以上各方法均有一些缺陷，如质谱检漏法过程繁琐，且可能对真空容器造成污染；热释电红外成像法，无法直接定位泄漏点，只能检测到泄漏引起的热量分布异常。对于微小泄漏可能不够敏感。

光纤传感技术是近年来一项新传感技术，其原理为受环境、温度或机械作用使光纤中的光波物理特征参量(如强度、波长、频率、相位和偏振态等)发生变化，通过解调这些特征参量可以对外界环境变化进行识别。光纤传感元件有着灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、耐腐蚀、几何形状多方适应性、绝对测量、防火防爆、电绝缘、抗电磁干扰、可设计性、易集成组网等优点。因此，可以考虑用光纤传感技术检测真空容器结构的泄漏和失真空度，相比其他泄漏检测方法具有分布式监测、实时性好和抗干扰能力强等优势。

因此，本文提出了一种基于准分布式光纤传感技术的真空容器结构真空泄漏检测方法，其核心是通过由特定形态的准分布式光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)传感网络感知真空容器结构在真空泄漏过程中的应变变化状态，从而基于相关结构应变场分析算法定位和识别真空容器结构的泄漏位置和泄漏率。通过分析外置在容器结构外表面的FBG传感网络感知的轴向、周向及径向应变值演化历程，获取容器结构的内力分布；根据传感网络的实时和长期连续测试数据，结合弹性力学的薄壳理论，诊断真空罐体内部是否保持真空状态。

发明内容

本发明目的是提供一种基于准分布式光纤传感技术(以FBG串为感知元件)的真空容器真空泄漏检测方法，解决真空装备结构使用过程中真空容器出现微缺陷引发真空泄漏，难以实现在线、实时和连续泄漏检测的技术难题。

本发明的技术方案是：

一种利用准分布式FBG平面传感器监测真空装备中真空容器结构泄漏的方法，其实现步骤：根据真空容器可能的真空泄漏状态确定真空容器结构受承受的内外压力变化范围，然后结合容器结构的几何尺寸和材料特征及弹性力学中厚壁圆筒结构受内外压力作用的解析方程近似计算出真空容器结构的径向、周向和轴向应力分布变化规律；在此基础上，结合封装FBG传感元件的灵敏程度设计外贴式多探头串联的准分布式FBG平面传感器的布设位置和稀疏分布程度，即确定准分布式FBG平面传感器的周向和轴向间距，FBG平面传感器由柔性硅橡胶弹性薄层封装的两个相互垂直的FBG测点组成；然后将准分布式FBG平面传感器以预设的布置粘贴在真空容器结构表面感知结构变形。其中，准分布式FBG平面传感器与真空容器粘结接触部分只有内嵌两个垂直FBG测点的柔性硅橡胶弹性薄层，相邻柔性硅橡胶弹性薄层之间的内嵌光纤的Teflon塑料套管自由放置在真空容器表面，且呈弯曲状态。该种布置方式是为了避免真空容器结构局部变形过程中，柔性硅橡胶弹性薄层封装的单个FBG平面传感器测量信号不受相邻FBG平面传感器变形的影响，仅感知真空容器结构局部的实际变形。当真空容器结构局部发生泄漏时，泄漏区域附近容器结构的应力分布会发生变化，通过粘贴在附近的FBG平面传感器的应变数据变化特征(如多测点应变缓慢减少)，可以诊断真空容器结构发生真空泄漏及泄漏位置和程度。

所述的FBG平面传感器是指将FBG串中相邻两个FBG相互垂直放置后浇筑在方型柔性硅橡胶弹性薄层中，分别测试周向和轴向应变，如附图1。弹性薄层材料由道康宁SYLGARD184液态硅橡胶组成。该材料具有无腐蚀性、高弹性、环保性高、低吸水性、耐辐射性、耐温性和抗解聚等出色的性能，固化过程中收缩量较小、在固化后呈透明状态，可以直观确定浇筑两个相互垂直的FBG侧点位置是否标准及引线弯曲角度是否合适。因此，在FBG平面传感器研制过程中，能较好控制两个FBG测点垂直方向布置的质量。

所述的道康宁SYLGARD184液态硅橡胶是由SYLGARD 184Silicone ElastomerBase和SYLGARD 184Silicone Elastomer CuringAgent按10:1混合形成SYLGARD 184SiliconeElastomer混合液后固化的硅胶弹性体。由于道康宁SYLGARD184液态硅橡胶的卓越性能，采用这种材料封装的FBG平面传感器可应用于真空装备结构在高温、高压、强腐蚀和辐射等极端条件下的测量。

所述的准分布式FBG平面传感器是指将FBG串中相邻两个FBG布置为相互垂直状态封装到方型柔性硅橡胶弹性薄层中，相邻的FBG平面传感器通过外套Teflon塑料套管的光纤相连，形成多探头串联的准分布式FBG平面传感器，如附图2。其中，串联的光纤引线用耐高温Teflon塑料套管封装。考虑温度补偿效应，在串联的FBG平面传感器端部，预留出一个自由不受力FBG，内嵌在一端自由的Teflon塑料套管中仅感知真空容器结构温度。

所述的解析方程是指根据弹性力学中拉梅公式构建真空容器结构在真空与失真空状态转变时不同壁厚与应变之间的定量关系，从而为多探头串联的FBG平面传感器布置方式提供理论依据。

本发明的效果和益处是：为真空装备结构中真空容器泄漏检测提供了一种以准分布式光纤传感技术为基础的高灵敏度和快速在线检测方法及器件；解决了真空容器结构泄漏检测步骤繁琐、操作复杂、实时在线检测难度大等技术难题；实现了真空装备结构容器真空状态的实时连续跟踪监测，为真空装备结构绿色低碳运营管理和安全稳定状态诊断提供有效可靠的技术和数据支持。

附图说明

附图1是柔性硅橡胶弹性薄层封装的单个FBG平面传感器探头构造。

附图2是真空容器结构分布式应变测量的多探头串联的准分布式FBG平面传感器构造。

附图3是粘贴在真空容器结构表面的准分布式FBG平面传感器布置方法示意图。

图中：1FBG；2光纤；3柔性硅橡胶弹性薄层；4Teflon塑料套管；5一端自由的Teflon塑料套管；6自由不受力的FBG；7真空容器。

具体实施方式

以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。

一种基于准分布式光纤传感技术的真空容器真空检漏方法，柔性硅橡胶薄层封装的FBG平面传感器探头构造如附图1，多探头串联的准分布式FBG平面传感器构造如附图2，准分布式FBG平面传感器检测真空容器真空泄漏的布置如附图3。

一种基于准分布式光纤传感技术的真空容器真空检漏方法，其实施方式如下：

首先，根据真空容器(7)的几何构型和材料特征及可能的泄漏极限程度，利用弹性力学中厚壁圆筒结构受内外压力作用的解析方程近似计算出真空容器(7)结构的径向、周向和轴向应力分布变化规律，从而确定多根准分布式FBG(1)平面传感器探头的布设位置和间距；然后，根据真空容器荷载变化引起的局部应力应变分布规律变化，确定单根准分布式FBG(1)平面传感器中柔性硅橡胶弹性薄层(3)封装的相邻FBG(1)平面传感器的间距、FBG(1)的数量和排列位置及弯曲光纤(2)的长度；其次，将设计的FBG(1)串按附图2所示进行排列，在有相互垂直的两个FBG(1)位置处设计方型模具用于柔性硅橡胶弹性薄层(3)的浇筑，并将模具与模具之间的自由光纤(2)套上Teflon塑料套管(4)，准分布式FBG平面传感器一个端部的自由不受力FBG(6)也套上一端自由的Teflon塑料套管(5)，如附图2；最后，开始浇筑SYLGARD 184Silicone Elastomer混合液，待其固化成型后并进行脱模处理可获得如附图2所示的多探头串联的准分布式FBG(1)平面传感器成品。进一步，将研发的传感器成品按设计粘贴在真空容器(7)结构外表面，相邻柔性硅橡胶薄层之间的光纤(2)保持弯曲状态，且外漏的Teflon塑料套管(4)保持自由状态，不粘贴在真空容器结构表面。多根准分布式FBG平面传感器在真空容器结构表面形成覆盖整体尺度测量的传感网络，将该网络的光纤(2)引出线连接到解调系统解调真空容器(7)结构在服役过程中的波长信号变化规律，结合理论分析可判断是否存在真空泄漏问题，进一步比较连续观测数据可以诊断出泄漏发生位置、发生时间和发生程度，从而构建了真空泄漏检测的实时监测系统。