【大型油气储罐变形监测理论与方法分析6500字】

VII大型油气储罐变形监测理论与方法分析目录TOC\o"1-3"\h\u24015大型油气储罐变形监测理论与方法分析 158011.1基于布里渊分布式光纤变形传感原理 11071.1.1分布式光纤监测应变传感原理 266281.1.2布里渊频移与应变的关系 4200191.1.3布里渊频移与温度的关系 4246451.2光纤分布式传感应变传递模型 5188151.2.1完全弹性应变传递分析模型 8271861.2.2弹塑性应变传递分析 97371.3分布式光纤传感器的粘贴方式 10227061.3.1分布式光纤传感器 1118161.3.2分布式光纤粘接 12322681.4小结 13常用的大型油气储罐变形监测方法是以电阻应变计和振旋式应变传感器为代表的电学测试法，具有测量精度高，结果稳定、操作简单方便，且具有成熟的配套设备等优点。但在研究某些特殊问题时，电学测试法也存在一些不足：（1）电阻应变计需要将应变片粘接在试件表面，粘贴工艺因人而异；（2）电阻应变计是点式测量方法，很难获得应变场；（3）在某些特殊环境（如高温环境等）下测量，很难保证测量的精度，甚至测量操作无法实施；（4）传感器成活率不高、抗电磁干扰性差；（5）钢弦丝长期处于张紧状态导致的蠕变现象十分严重等缺陷，难以实现长期可靠、稳定的持续监测。随着现代光学技术，光电子检测技术和图像采集设备的迅猛发展，利用光学方法实现应变监测的光纤传感技术，已经成为力学特性测试、测量和监测中的重要分支。由于光纤本身不带电、体积小、质量轻、抗电磁干扰，特别适合在易燃、易爆、空间受严格限制及电磁干扰等恶劣环境下使用，极具发展前途和市场前景。基于布里渊分布式光纤变形传感原理布里渊散射是光在不均匀介质中传播时产生的一种散射现象，它是通过产生相对于入射光频率具有布里渊的Stokes光来表现的[55]。布里渊频移和强度与温度和应变有关，通过检测后向散射光的频移或强度就可以获取光纤温度或应变信息。分布式光纤监测应变传感原理布里渊光时域分析（BOTDA）利用了受激布里渊作用的原理：当频率为v的入射光进入光纤且系谱功率超过某一阈值时，沿相反方向传播的泵浦光和斯托克斯光相遇后会通过声波进行非线性相互作用。光纤内产生的电磁伸缩效应令其沿光纤纵向产生周期性形变或弹性振动，光纤中产生频率为v的相干声波[56]。然后该声波沿其传播方向引起光纤折射率的周期性调制，从而形成一个随声波传播的折射率光栅，此折射率光栅通过布拉格衍射散射聚浦光。而满足波场相位匹配的声波场将得到极大增强，使光纤内的电致伸缩声波场和相应的散射光波场的增强量大于它们各自的损耗量，出现声波场和散射光场的相干放大，导致大部分传输光功率被转化为前向散射光，从而产生受激布里渊散射光。因此是在传感光纤两端射入脉冲激励光和直流探测光，从而令其产生受布里渊散射。通过检测散射后的探测光，便可得到含有温度和应变信息的信号，从中计算出传感量。根据量子理论，受激布里渊散射过程可以描述为一个入射光子泯灭，同时产生一个Stokes光子和一个声子。粒子受到激发后可以由高能级向低能级跃迁，也可以从低能级向高能级跃迁。前者是入射光子与介质粒子发生碰撞，产生一个频率较低的Stokes散射光子；后者产生一个频率较高的anti-Stokes散射光子。设入射光的角频率为，介质通过电致伸缩效应产生角频率为的相干弹性声波场，形成一个以声速运动的折射率光栅，与入射光场相互作用产生布里渊散射。由于光栅运动产生的多普勒效应，散射光角频率下移，产生一个角频率为的Stokes散射光。由于在散射过程中能量和动量守恒，三个波的角频率和波矢之间存在以下关系（2-1）（2-2）式中，，，分别为声子、入射光子和Stokes光子的波矢量。声波角频率和波矢满足色散关系，即（2-3）式中，为泵浦光与Stokes光之间的夹角，由于可以认为，进而得到。分析式（2-3）可知，Stokes光的频移与散射角有关，当时，，不存在布里渊频移；当时，取最大值，后向布里渊散射有最大频移，在单模光纤中，SBS主要发生在向后（）。其主要原因是：将带入式(2-3）中利用，可得后向布里渊散射有最大频移为:（2-4）式中，为光纤的折射率，对于石英光纤，取，，当时，；当时，。由式（2-4）可得，布里渊频移可表示为（2-5）式中，为真空的光速，为声速。可以表示为：（2-6）式中，为介质的杨氏模量，为泊松比，为介质密度。布里渊散射的频移和强度等特性参数主要取决于介质的弹性力学和热弹性力学等特性，当光纤的温度、应变发生变化时都会引起这些介质特性的改变，从而影响布里渊散射的频移和强度[57]。BOTDA技术主要利用温度和应变引起的布里渊频移变化实现对温度、应变的测量。根据弹性理论，光纤中的声速与光纤物理量之间的关系可以由（2-6）表示。光纤中的折射率和以上的物理量与温度和应变之间都可以用函数关系来表示，把这些物理量分别记作、、、,将这些物理量带入式（2-5）可得BFS为：(2-7)布里渊频移与应变的关系假设传感光纤的温度保持不变，当光纤上的应变改变时，弹光效应会引起光纤折射率的变化；光纤内部原子间的相互作用势会引起杨氏模量和泊松比的改变，导致光纤的折射率变化。这些都影响布里渊频移的参数。若将设置为参考温度。则式（2-7）可以写为（2-8）由于光纤的主要成分是,所以拉伸产生的应变会变小，若只考虑微应变的情况，将式（2-8）在处做泰勒展开[58]，且只保留其一阶项，可得：（2-9）室温下，若上述参数，，，均为固定值，此时BFS与光纤的应变大小成正比关系。图2-1BOTDR应变监测原理示意图BOTDR应变光纤监测原理如图2-1所示。一般来说，在恒温条件下，当波长约为1550mm的入射光入射到单模石英光纤时，光纤上的应变改变。对应的BFS约为4.5MHZ。布里渊频移与温度的关系当光纤不受任何应力的情况下，即应变，由式（2-8）可得：（2-10）当光纤温度发生变化时，由于光纤的热膨胀和热光效应，光纤密度和折射率会随着温度的变化而变化。此时，光纤的自由能随温度变化也会引起光纤的杨氏模量和泊松比等物性参数的变化。计算光纤上的温度时，首先假设传感光纤不受应变，即，当温度变化较小时，利用微元法将式（2-10）用泰勒级数，且只保留其一阶项，最终得到布里渊频移与温度的变化关系为：（2-11）综上所述，BFS的变化量与光纤温度和应变的变化量的关系，可以近似表示成线性关系：（2-12）其中的BFS变化时的温度系数，为BFS变化时的应变系数。当应变为0，温度为20℃，泵浦光波长为1550mm时，普通单模石英光纤的布里渊频移约为11GHz。光纤分布式传感应变传递模型光纤分布式传感在实际应用中，一般是将裸光纤粘贴在被测表面上，由于光纤在粘接时很难控制粘接层的质量，所以在对被测表面分布应变进行测量前，需要对粘贴性能对光纤应变解调的影响进行分析。光纤粘贴模型按照结构可以分为光纤（纤芯和包层）、粘贴层和基体。基本结构承受均匀轴向应力时，产生的轴向应变通过粘贴层传递给光纤。在光纤分布式传感中，传感光纤可以看成是多个传感单元交叠构成的传感阵列，每一个传感单元对该光纤片段所受的轴向应变进行解调。取传感单元1右侧一半，以传感单元1对称处为Z方向原点，纤芯中心为r方向原点，对传感单元受力分析。粘接结构受力模型如图2.6所示。设传感单元长度为2L，粘接层宽度为D，下标为f、a、s分别代表光纤、粘贴层和基体的物理参量，r代表各层半径，和分别代表正应力、剪应力轴向应变，代表位移，E和G分别代表弹性模量和剪切模量，代表泊松比，代表光纤和被测表面质检的胶体的厚度即粘贴层下部的厚度。假设被测基体只沿光纤轴向拉伸应变，传感光纤的纤芯和包层具有相同的力学特性，传感光纤粘贴后在受力时没有相对移动，对图(2-6)所示的传感单元进行受力分析，则有：（2-15）整理可得：（2-16）（2-17）对粘贴层微元进行受力分析，由于z方向合力为0，可以得到：（2.18）即（2-19）式中，联立式（2.16）和（2.19），得到：（2-20）由于泊松效应对光纤应变传感器影响较小，所以只考虑光纤轴向应变。代入应变和应力关系，上式可以重新写为：（2-21）由于光纤弹性模量和粘贴层弹性模量数量级相差较大，假设光纤和粘贴层的应变变化一致，则式（2-21）可以简写为：（2-22）由于光纤具有较大的长径比，所以可以忽略粘贴层的径向位移：将式(2-20)代入式（2-22）得到：（2-23）对式（2-23）对从到积分可得：（2-24）式中，。对式（2-24）的两边对z求导，得到传感单元中的轴向应变分布和传感单元粘贴区域被测表面的轴向应变关系：（2-25）式（2-25）的通解为：（2-26）式中，，为积分常数，有方程边界条件确定，在传感单元处，。所以传感光纤单元的轴向分布应变可以表示为：（2-27）则通过该粘贴结构，传感光纤中传感单元的应变传递系数为：（2-28）在光纤分布式传感中，光纤片段作为传感单元，通过测量该片段的瑞利光谱的偏移的偏移量对应变进行解调，所以传感单元输出的是该传感单元长度范围内的平均应变。从被测表面到传感单元的平均应变传递系数为：（2-29）由式（2-29）可知，被测表面产生应变后，从被测表面到传感光纤的平均应变传递系数主要取决于粘贴模型的物理参数。完全弹性应变传递分析模型弹性模型的推导是通过计算法向应变和剪切应变来完成的[58]。光纤纤芯和纤芯-意截面，有力的平衡关系可知，其法向应力和切向应力关系有：(2-30)式中，为纤芯中的法向应力；为纤芯-涂覆层界面处的剪应力；为纤芯半径；x为任意截面到中心的位置。纤芯-涂覆层界面处的剪应力为：（2-31）式中，为聚合物涂覆层的剪切应变；为聚合物涂覆层的外半径；、分别为粘合剂和聚合物涂覆层的剪切模量。光纤纤芯材料应力-应变关系可知：（2-32）式中，为纤芯材料的杨氏模量。求解式（2-32）有：（2-33）纤芯两端的应变等于基板组件中的名义应变。因此，由边界条件为和确定等式(2-33)中的积分常数和可由下式给出，（2-34）（2-35）在此求解式（2-33）关于x的微分，联立式（2-34）和（2-35），得到纤芯-涂覆层界面处的剪应力为：（2-36）式(2-3336)为一侧光纤的表达式，另一侧可由对称性得到。弹塑性应变传递分析当光纤的聚合物涂覆层受到超过其弹性极限的应变时，会进入塑性变型阶段。当光纤涂覆层某处达到临界屈服，随着应变的进一步增加，屈服区将沿光纤的长度方向扩展[60]。当受到名义分布应变时，光纤沿其长度表现出完全弹性。裂纹的形成导致光纤涂覆层的局部塑性。塑性区的长度取决于裂纹张开位移和聚合物涂覆层的力学性能。在塑性区，纤芯与涂覆层界面处的剪应力达到屈服强度。假设聚合涂覆层为理想的弹性材料。则涂覆层屈服，且纤芯-涂覆层界面处剪切应力达到屈服强度：（2-37）式中，为塑性区内的剪切应力；为纤芯-涂覆层界面塑性区长度的一半。光纤芯中的石英玻璃保持线弹性变形至裂变。在弹性范围内，聚合物涂覆层符合线弹性本构关系。因此，纤芯的轴向变形和应变如式：（2-38）和为弹性区纤芯的轴向变形和应变，为弹性区纤芯-涂覆层界面的剪切应力。分布式光纤传感器的粘贴方式本文所用的传感光纤为CorningSMF-28光纤，下面对粘贴层物理参数对平均传递速率的影响进行仿真分析，在仿真分析时认为传感光纤只承受被测表面传递的应力。传感光纤粘贴时常见的物理参数见表2-1。表2-1粘贴模型典型参数物理参数数值单位裸光纤半径62.5光纤弹性模量Pa粘贴层弹性模量Pa粘贴层泊松比0.35-粘贴层高度D5粘贴层下部的厚度0.5在光纤粘贴时，主要考虑的是胶剂的弹性模量、粘接层宽度和粘接层下部厚度。现依次改变上述参量大小，其余物理参量的数值按照表2-1选择，通过式（2.29）分析各个因素对传感光纤传感单元平均应变传递系数的影响。粘贴层弹性模量对平均应变传递系数的影响如图2-4所示。平均应变传递系数随着粘贴层弹性模量的增大而增大。因此，传感光纤粘贴时应选择能弹性模量较大的胶剂。在光纤粘贴时，通常选用的胶剂有环氧树脂胶类和UV固化类。UV胶在粘贴时操作简单，且施胶到结合处上后，在固化前基本不会流淌，容易控制粘贴厚度和宽度，但其粘贴度低，将传感光纤粘贴在金属表面时粘贴不牢固。所以选择粘贴度较大的环氧树脂胶类进行粘贴。基于布里渊分布式光纤传感器，建立损伤引起应变不连续情况下的应变传递分析模型，并评估分布式传感器的损伤检测能力。通过研究裂纹张开位移（COD）与纤芯中应变分布的关系，建立了奇异性应变传递的弹-塑性分析模，为应变测量结果的合理解释和基于分布式光纤裂纹监测提供理论基础。分布式光纤传感器光纤本身就是一种传感器，在监测中使用了空间分辨率为1m的商用BOTDR（横河AQ8603）型分布式光纤传感器，取样间隔为10cm，分布式光纤应变传递方式如图2-2所示。图2-2分布式光纤传感器实验中采用电阻应变片采集的应变数据作对比，结果显示该型号的布里渊分布式光纤有与电阻应变片相同的灵敏度和精度，但分布式光纤传感器监测能够识别到100m间隔的测点应变值，并且应变值大小与电阻应变片测量结果一致。分布式光纤传感器主要成分是二氧化硅，同时含有少量的硼、锗等元素它们构成光纤的主体部分[61]，纤芯的折射率高于包层，从而对纤芯中传输的激光起到了约束作用。为了获得较好的机械性能，本文中使用的分布式光纤传感器均使用聚酰亚胺作为涂覆层[62-65]的材料，模型如图2-3所示。图2-3分布式光纤封装示意图根据被测结构的材料特性、应变/温度等待测物理量的分布特点、边界条件以及具体测试环境等因素，分布式光纤传感器能够以表面粘接或内部埋入等方式组成传感器网络，实现对结构总体状态和局部异常实施监测的目的。分布式光纤粘接在试验过程中，将储罐薄壳壁结构固定在试验台上。在光纤粘贴时，主要考虑的是胶剂的弹性模量、粘贴层宽度和粘贴层下部厚度。为提高被测表面到传感光纤的应变传递系数，选择使用环氧树脂胶H160对传感光纤进行粘贴，该试剂粘贴强度大，蠕变性小，粘度为，剪切强度为，弹性模量较大为，适合对传感光纤在结构表面粘贴。本文考虑分布式光纤传感器的布设工艺能直接影响到其测量精度及使用寿命，尤其是当传感器需要在交变应力、高低温热循环作用及其他极端恶劣环境下进行测量时，其粘贴质量则面临更加严峻的考验。一般来说，表面粘贴分布式光纤传感器的布设工艺如下：（1）利用酒精或丙酮等溶剂，对结构表面进行清洁，必要时，使用细砂纸对结构表面的传感器布设区域进行打磨；（2）在结构表面对光纤布设路径及关键节点做标记；（3）在待测结构表面根据布设方案拉紧并放置分布式光纤传感器，光纤拐点使用少量干胶水临时固定；（4）