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专利名称：圆筒结构热扩散率的光纤光栅测量系统及方法
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、夕卜壁热电偶、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；步骤4、将上述步骤3中光纤光栅解调仪采集的中心波长数据与时间进行数据拟合处理，分别得到结构内壁光纤光栅中心波长与时间函数关系表达式f I (t)，结构外壁光纤光栅中心波长与时间函数关系表达式f2 (t)；加热过程中，圆筒结构两端处于绝热状态时，热量只能沿径向传递，对于内径为r的圆筒结构，沿径向的热传递满足一维非稳态导热，根据傅里叶第二定律，得到如下一维传导方程:
r n olI (71\— = a(~- +--)
Cl dr r Pr其中r为径向距离，t为时间，T为温度与时间、径向距离的函数，简称为温度分布函数，a为材料的热扩散率；从热力学角度来看，如果知道了所考察介质在边界上的温度状况(或热量交换状况)和介质在初始时刻的温度，就可以确定介质在以后各时刻的温度。这样热传导方程最基本的一个定解问题就是在已给初始条件和边界条件下求问题的解；如果结构的初始温度分布均匀，设初始条件与边界条件分别为:初始条件:t=0，T=T0
边界条件:
权利要求
1.一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，其特征在于: 该测量系统包括加热水箱(I)、水泵(2)、待测圆筒(5)、控制阀(10)、内壁热电偶(3)、外壁热电偶(4)、内壁光纤光栅传感器(7)、外壁光纤光栅传感器(8)； 上述待测圆筒(5)的一端通过第一热绝缘密封材料(6-1)密封、另一端通过第二热绝缘密封材料(6-2)密封；上述加热水箱(I)的出口与水泵(2)的进口相连，水泵(2)的出口分成两路，一路穿过第一热绝缘密封材料(6-1)与待测圆筒(5)内部相连通，另一路经过泄流阀(9)连接水槽；加热水箱(I)的进口处的管路经过控制阀(10)后穿过第二热绝缘密封材料(6-2)与待测圆筒(5)内部相连通； 上述内壁光纤光栅(7)和外壁光纤光栅(8)位置相对应分别固定在待测圆筒(5)的内壁和外壁；上述内壁热电偶(3)和外壁热电偶(4)位置相对应分别位于待测圆筒(5)的内壁和外壁；上述内壁光纤光栅(7)、外壁光纤光栅(8)的光栅部分，内壁热电偶(3)和外壁热电偶(4)的探头部分均位于待测圆筒(5)轴向长度1/2处； 上述内壁光纤光栅(7 )、和外壁光纤光栅(8 )的弓I线与光纤光栅解调仪相连。
2.利用权利要求1所述圆筒结构热扩散率的光纤光栅测量系统的测量方法，其特征在于包括以下过程: 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(10)处于开放状态，打开水泵，使待测圆筒(5)中注满水； 观测内壁热电偶(3)、外壁热电偶(4)的温度数值，记录作为初始温度； 将内壁光纤光栅(7)、外壁光纤光栅(8)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(2)处于工作状态，光纤光栅解调仪保持数据采集状态，打开水箱(I)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(I)、水泵(2)、水管(9)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(7)感受结构内部热应变，夕卜壁光纤光栅(8)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； 步骤4、水箱加热至设定温度后即进入恒温状态，待内壁热电偶(3)、外壁热电偶(4)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； 步骤5、将上述步骤3中光纤光栅解调仪采集的中心波长数据与时间进行数据拟合处理，分别得到结构内壁光纤光栅中心波长与时间函数关系表达式f\(t)，结构外壁光纤光栅中心波长与时间函数关系表达式f2(t)； 步骤6、加热过程中，圆筒结构两端处于绝热状态时，热量只能沿径向传递，对于内径为r的圆筒结构，沿径向的热传递满足一维非稳态导热，根据傅里叶第二定律，得到如下一维传导方程: Cl C1T I cl\ —=a(~- +--) Bt dr~ r Br 其中r为径向距离，t为时间，T为温度与时间、径向距离的函数，简称为温度分布函数，a为材料的热扩散率； 从热力学角度来看，如果知道了所考察介质在边界上的温度状况(或热量交换状况)和介质在初始时刻的温度，就可以确定介质在以后各时刻的温度。这样热传导方程最基本的一个定解问题就是在已给初始条件和边界条件下求问题的解。
如果结构的初始温度分布均匀，设初始条件与边界条件分别为: 初始条件:t=0，T=T0边界条件:
全文摘要
本发明涉及的是一种圆筒结构热扩散率的光纤光栅测量系统及方法，属于测量技术领域。该系统由该测量系统包括加热水箱(1)、水泵(2)、待测圆筒(5)、控制阀(10)、内壁热电偶(3)、外壁热电偶(4)、内壁光纤光栅传感器(7)、外壁光纤光栅传感器(8)。该测量方法需要首先测量粘贴在结构表面的光纤光栅中心波长随温度的变化情况，计算得到温度与光栅中心波长函数关系；其次是用流动的热水加热圆筒结构，测量光纤光栅中心波长随时间变化情况，得到时间与光纤光栅中心波长函数关系；然后根据傅里叶第二定律和边界条件，求解得到温度时间函数，最后根据傅里叶一维热传导方程，计算材料的热扩散率。
文档编号G01N25/20GK103217454SQ20131009394
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者曾捷, 周雅斌, 张倩昀, 周鹏, 章晓燕, 李继峰 申请人:南京航空航天大学