为提高能量转化和生产效率，现代过程工业向高温高压的趋势发展。高温下材料劣化会导致构件失效，从而危及装置的服役安全。由于服役条件的多变性，在设计阶段一般无法预见操作工况的实际变化，因此常规设计不足以保障装置的安全运行。为此，结构完整性监测成为确保装置安全运行的一种重要手段。鉴于高温下材料/构件主要的失效机理是蠕变损伤，蠕变损伤又是蠕变累积的结果，因而应变测量是高温环境中结构完整性监测最可靠的方法。然而，由于缺乏高温下可靠的传感装置，高温环境的应变测量是长期以来所面临的严峻挑战。
本研究基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感理论，应用磁控溅射和电镀工艺，研制一种新型耐高温金属封装再生光纤布拉格光栅(Regenerated Fiber Bragg grating, RFBG)应变传感器，并研究其应变响应特性。
研究中，基于自行设计的应变传感器封装结构，建立了三维有限元模型求解埋入金属基体光纤的应变状态；给出了金属封装RFBG应变传感器的制备工艺；利用单轴拉伸试验标定了传感器的应变灵敏度，并评价了传感器的稳定性和重复性。主要结论如下：
(1) 成功制备了金属封装RFBG应变传感器，金属封装过程不会对RFBG反射谱型产生明显地影响，且光纤/Ti膜、Ni镀层/P91钢基体之间界面，以及各金属层之间界面，无明显的不连续。
(2) 金属封装RFBG应变传感器工作温度最高可达400 °C；在室温至400 °C范围内恒温条件下，具有良好的线性、稳定性和重复性；由于易受温度波动干扰，为提高传感器的精确度，有必要进行温度补偿。。
(3) 通过对比分析金属封装RFBG应变传感器和裸RFBG的应变响应特性，发现经过金属封装后的RFBG比裸RFBG具有更高的应变灵敏度，这是由于设计的柔性结构基体起到了应变增敏作用。
(4) 比较金属封装RFBG应变传感器应变灵敏度的数值结果与试验结果，发现在试验温度范围内两者具有很好的一致性。因此，可以基于有限元分析方法，预测传感器的应变灵敏度。
本研究成果有望用于压水堆(PWR)型核电站高温构件的结构完整性监测。
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论文信息：Yun Tu, Shantung Tu. Fabrication and characterization of a metal-packaged regenerated fiber Bragg grating strain sensor for structural integrity monitoring of high-temperature components. Smart Materials and Structures, 23 (2014) 035001.
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