專利名稱：用于惡劣環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)的封裝光纖傳感器的制作方法
用于惡劣環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)的封裝光纖傳感器對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)涉及與本申請(qǐng)同時(shí)提交的名稱為“Optical Sensors, Systems, and Methods of Making”、案號(hào)為230172-1、序列號(hào)為12/413，648的共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)， 該申請(qǐng)?zhí)卮送ㄟ^引用被結(jié)合。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及光纖傳感系統(tǒng)和方法，并且更具體地說，涉及用于惡劣環(huán)境的光纖傳感系統(tǒng)和方法。在包括諸如渦輪機(jī)、燃燒池及發(fā)電廠等極端惡劣環(huán)境的各種工業(yè)應(yīng)用中，要求穩(wěn)定和瞬間的溫度測(cè)量。惡劣環(huán)境的非限制性示例包括煤氣化器和輻射合成氣冷卻器容器，其中的瞬間溫度一般范圍從1000 0F到3000 0F (537. 7 °C到1648. 8 °C )，壓力大于 500psi (3. 45MPa)。由于封裝、滲透和諸如高溫、高壓、存在高度腐蝕劑(H2S、SO2、H2O)和電磁干擾等這些環(huán)境中可存在的因素，諸如熱電偶和高溫計(jì)等常規(guī)傳感器經(jīng)常難以在此類惡劣環(huán)境中使用。光纖布拉格光柵(FBG)是在光纖中構(gòu)建的高質(zhì)量反射器，其反射光的特定波長(zhǎng)和透射其它波長(zhǎng)。這通常通過對(duì)纖芯的折射率添加周期性或準(zhǔn)周期性變化來實(shí)現(xiàn)。光纖能夠是藍(lán)寶石、石英或硅光纖材料。藍(lán)寶石光纖傳感器一般由于熔點(diǎn)高達(dá) 3700 T (2037. 7。C ) 而具有卓越的熱生存性，而四面體光纖傳感器一般可耐受高達(dá) 2100T (1148. 8°C)。無論是基于藍(lán)寶石光纖的布拉格光柵傳感器還是四面體光纖布拉格光柵傳感器，F(xiàn)BG由于其在低質(zhì)量、低比熱、復(fù)用、多點(diǎn)分布和電磁干擾免疫性方面的優(yōu)點(diǎn)而對(duì)多點(diǎn)溫度剖面測(cè)量是非常理想的。具體而言，這些波長(zhǎng)編碼光纖傳感器的復(fù)用能力使得能夠通過一個(gè)光纖傳感器線纜對(duì)熱剖面映射進(jìn)行多點(diǎn)分布傳感，其中，多個(gè)布拉格光柵元件級(jí)聯(lián)在一起，空間分辨率從幾毫米到幾厘米，波長(zhǎng)分辨率從1納米到幾納米。然而，在以高溫度、壓力、渦流和腐蝕為特征的氣化器環(huán)境內(nèi)的操作不但能夠影響光纖傳感器的性能，而且可縮短其服務(wù)壽命。由于一般光纖材料的0. 125到0. 25mm的小直徑，高溫FBG傳感器在安裝或嵌入惡劣環(huán)境結(jié)構(gòu)之前必須要封裝。傳感器的封裝可能能夠保護(hù)傳感器，防止由于危險(xiǎn)環(huán)境造成的損害，并提高在安裝和服務(wù)壽命期間傳感器的生存率。對(duì)于封裝的高溫FBG傳感器，高溫FBG傳感器的耐久性和壽命不但取決于傳感器本身， 而且取決于封裝材料、封裝方法及現(xiàn)場(chǎng)安裝。此外，光纜用于將數(shù)據(jù)從傳感器運(yùn)送到數(shù)據(jù)采集和分析測(cè)量?jī)x器。在惡劣環(huán)境中， 此類測(cè)量?jī)x器的位置一般離測(cè)量環(huán)境很遠(yuǎn)。光纖傳感器或光纜中的透射損耗能夠使得采集測(cè)量?jī)x器接收低質(zhì)量的傳感器數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。在當(dāng)前已知的光纖中，覆層一般用于降低透射損耗。但由于覆層材料和纖芯的熱膨脹系數(shù)(CTE)不同，覆層材料一般在高溫時(shí)脫層。因此，需要為惡劣環(huán)境應(yīng)用提供低損耗、現(xiàn)場(chǎng)可部署的封裝的光纖傳感線纜和傳感系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是光纖傳感器封裝。該光纖傳感器封裝包括至少部分布置在管道內(nèi)、形成管道內(nèi)互連的第一光纖和第二光纖和繞第一和第二光纖的圓周表面的至少一部分跨互連的邊緣而布置的接合材料。本發(fā)明的另一實(shí)施例是形成傳感線纜封裝的方法。該方法包括使第一光纖和第二光纖接觸以形成光學(xué)鏈接(interlink)，并且提供帶有孔徑的管道以環(huán)繞該鏈接和至少一定長(zhǎng)度的第一和第二光纖；通過孔徑引入接合材料以繞光學(xué)鏈接跨第一和第二光纖的圓周表面的至少一部分而延伸；以及設(shè)定接合材料以形成剛性互連。本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例是氣化系統(tǒng)。該氣化系統(tǒng)包括氣化器單元和輻射合成氣冷卻器及至少部分布置在氣化系統(tǒng)內(nèi)的傳感器線纜封裝。傳感器線纜封裝包括藍(lán)寶石光纖、 硅光纖及藍(lán)寶石光纖與硅光纖之間的鄰接部分。藍(lán)寶石光纖包括芯，具有折射率Ill和至少一個(gè)布拉格光柵結(jié)構(gòu)；以及沿光纖的圓周表面的納米孔覆層，包括填充有媒質(zhì)的納米孔。 藍(lán)寶石和硅光纖形成互連并且至少部分布置在基于金屬或陶瓷的管道內(nèi)。接合材料布置成繞第一和第二光纖的圓周表面的至少一部分跨鄰接部分的邊緣而延伸。環(huán)繞互連的管道是密封封住的，并且所述至少一個(gè)布拉格光柵結(jié)構(gòu)布置在光纖傳感線纜內(nèi)。


參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，附圖中類似的字符在圖形各處表示類似的部分，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的用于檢測(cè)環(huán)境和/或元件的多個(gè)參數(shù)的光纖傳感系統(tǒng)的圖示。圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的帶有光纖的光纖傳感線纜的圖示，該光纖具有芯和帶納米孔覆層的圓周表面。圖3是根據(jù)本文中公開的一實(shí)施例的方法的圖示，其提供帶有芯的光纖和在至少一部分圓周表面中形成納米孔覆層孔。圖4是根據(jù)本文中公開的一實(shí)施例的藍(lán)寶石片上基于橢圓計(jì)的分光研究，用于評(píng)估有關(guān)藍(lán)寶石材料表面光學(xué)屬性的高能光子輻射效應(yīng)。圖5是根據(jù)本文中公開的一實(shí)施例的在溫度T = 2426 T (1330°C )測(cè)量的藍(lán)寶石光纖布拉格光柵諧振波長(zhǎng)譜的圖示。圖6是根據(jù)本文中公開的一實(shí)施例的對(duì)于T < 1800 T (982. 2 V )的藍(lán)寶石光纖布拉格光柵傳感器隨溫度的線性波長(zhǎng)變化的圖示。圖7是根據(jù)本文中公開的一實(shí)施例的對(duì)于T > 1600 T (871. 1°C )的藍(lán)寶石光纖布拉格光柵傳感器的隨溫度的非線性波長(zhǎng)變化的圖示。圖8是根據(jù)本文中公開的一實(shí)施例的在1950 T (1065. 5°C )的等溫退火條件所測(cè)量的藍(lán)寶石光纖布拉格光柵傳感器隨時(shí)間的波長(zhǎng)穩(wěn)定性的圖示。圖9是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的用于檢測(cè)環(huán)境和/或元件的多個(gè)參數(shù)的多模式光纖傳感系統(tǒng)的圖示。圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的光纖傳感器封裝的圖示，其帶有將兩個(gè)光纖的互連固定到位的接合材料和管道。圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的方法的圖示，其提供帶有將兩個(gè)光纖的互連固定到位的接合材料和管道的光纖傳感器封裝。圖12是本文中公開的另一個(gè)實(shí)施例中煤氣化輻射合成氣冷卻器(RSC)容器和氣化系統(tǒng)中部署的光纖傳感器線纜的圖示。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例包括具有降低的透射損耗的光纖傳感器和制作方法以及用于惡劣環(huán)境應(yīng)用的封裝的光纖傳感線纜系統(tǒng)。在下面的說明書和隨附的權(quán)利要求中，單數(shù)形式“一 (a/an) ”和“該(the) ”包括復(fù)數(shù)個(gè)所指對(duì)象，除非上下文明確另有指明。現(xiàn)在參照?qǐng)D形，圖1示出用于檢測(cè)環(huán)境或?qū)ο?2的參數(shù)的示范光纖傳感系統(tǒng)10。 雖然本討論集中于傳感裝置和系統(tǒng)上，但本技術(shù)不限于從氣化器和煤氣化的溫度傳感，而是也適用于諸如應(yīng)變等其它模態(tài)及包括燃?xì)鉁u輪、燃燒室、飛機(jī)引擎等的動(dòng)態(tài)傳感。相應(yīng)地，隨附權(quán)利要求不應(yīng)限于以下討論的示范實(shí)施例或受其限制。光纖傳感系統(tǒng)10包括光纖傳感裝置14，該裝置又包括光纖傳感線纜16。如圖所示，線纜16布置在元件12內(nèi)，使元件 12中的變化轉(zhuǎn)換到光纖傳感線纜16。線纜16包括具有布拉格光柵結(jié)構(gòu)20的芯18。此外，光纖傳感系統(tǒng)10包括配置成照射光纖傳感線纜16的芯的光源22。此照射有利于生成對(duì)應(yīng)于光纖傳感線纜16的光柵周期的反射信號(hào)。系統(tǒng)10還包括光耦合器M 以管理來自光源22的進(jìn)入光以及來自光纖傳感線纜16的反射信號(hào)。光耦合器對(duì)將適當(dāng)?shù)姆瓷湫盘?hào)引導(dǎo)到檢測(cè)器系統(tǒng)26。雖然所示實(shí)施例描述傳感器系統(tǒng)的反射模式配置，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，傳感系統(tǒng)也能夠在透射模式中操作。檢測(cè)器系統(tǒng)沈接收來自光纖傳感線纜16的反射光信號(hào)，并且與各種硬件和軟件組件協(xié)作，分析光信號(hào)內(nèi)嵌入的信息。例如，檢測(cè)器系統(tǒng)沈配置成基于從光纖傳感裝置14 的光纖傳感線纜16的多個(gè)光柵元件所生成的衍射峰，估計(jì)對(duì)象12的參數(shù)或條件。在某些實(shí)施例中，檢測(cè)器系統(tǒng)沈采用光譜分析器來分析來自光纖傳感裝置14的信號(hào)。根據(jù)期望的應(yīng)用，檢測(cè)器系統(tǒng)沈可配置成測(cè)量環(huán)境12中的各種參數(shù)。除其它之外，此類參數(shù)的示例包括溫度、氣體的存在、應(yīng)變和壓力。檢測(cè)器系統(tǒng)26形成的信息可傳遞到輸出28，如顯示器或無線通信裝置或遠(yuǎn)程站，以便進(jìn)行信息的分析。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，圖1的系統(tǒng) 10的光纖傳感線纜16是一部分其圓周表面或子表面(sub-surface)帶有修改的折射率的傳感光纜。在本文中及在說明書的剩余部分各處使用時(shí)，術(shù)語“表面”和“子表面”可交換使用，并且用于表示在圓周表面或其附近光纜的薄部分或體積。雖然使用了詞語圓周，但這不表示光纖的特定幾何形狀，實(shí)際上，可想象許多不同的幾何形狀。圖2示出一個(gè)此類示范光纖傳感線纜30，該線纜包括折射率為Ii1的芯32，其具有布拉格光柵結(jié)構(gòu)34和圓周表面36。該光纖傳感線纜的圓周表面36提供有納米孔38以形成帶有與芯32的折射率Ii1不同的折射率n2的納米孔覆層。子表面中存在的納米孔38有助于改變圓周表面36的折射率。在一個(gè)實(shí)施例中，具有納米孔覆層的圓周表面36的折射率 低于纖芯32的折射率ηι。在另一實(shí)施例中，折射率Ii1具有從大約1. 75到大約1. 78的范圍中的值，并且折射率n2具有H1-S的值，其中，S在從大約10_2到大約10_4的范圍中。此更低的折射率112有助于纖芯32中光的內(nèi)部反射，并且又降低了光纖的透射損耗。在一個(gè)實(shí)施例中，納米孔覆層的納米孔38被構(gòu)建為開孔。在一些實(shí)施例中，納米孔38至少部分是開孔。在各種實(shí)施例中，納米孔38至少部分填充有主要用于光學(xué)屬性修改的媒質(zhì)。在又一實(shí)施例中，納米孔38至少部分填充有空氣。在其它實(shí)施例中，納米孔38至少部分填充有基于石英材料的納米顆粒。在一個(gè)實(shí)施例中，薄層或膜環(huán)繞納米孔覆層。在一示范實(shí)施例中， 基于鋁的膜布置在納米孔覆層上方。預(yù)期在藍(lán)寶石光纖的圓周表面上納米孔覆層的上方布置基于鋁的膜將有助于適應(yīng)藍(lán)寶石纖芯與膜層之間任何溫度誘發(fā)的差別。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光纖傳感器線纜、并且具體而言線纜的芯的材料是藍(lán)寶石光纖材料。藍(lán)寶石是高溫熔點(diǎn)材料( 3700 T )，其與相比較而言更低熔點(diǎn)材料相比， 具有許多優(yōu)點(diǎn)，特別是對(duì)于高溫應(yīng)用。例如，雖然通常使用的基于硅的FBG傳感器能夠在一些溫度范圍有效地使用，但它們?cè)谥T如大于1800T (982. 2°C)的溫度等升高的溫度展現(xiàn)了不合需要的熱不穩(wěn)定性。這是因?yàn)樵跍囟雀哂?200下(648°C)時(shí)，光纖材料遇到從非晶玻璃網(wǎng)絡(luò)到微晶結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)形態(tài)變換。此類結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變將大大修改光纖中存在的布拉格光柵 (折射率調(diào)制的結(jié)構(gòu))。由于藍(lán)寶石材料在結(jié)構(gòu)上是結(jié)晶的，并且直到熔點(diǎn)不具有任何結(jié)構(gòu)相位轉(zhuǎn)變，因此，這可能能夠?qū)崿F(xiàn)在更高溫度的光纖傳感性能而無材料結(jié)構(gòu)變化。因此，具有其高熔點(diǎn)且結(jié)晶結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石光纖材料使得藍(lán)寶石光纖在用于極高溫傳感的惡劣環(huán)境中可靠地操作。因此，基于藍(lán)寶石的光纖基于布拉格光柵的傳感器適用于熱動(dòng)態(tài)范圍從大約1800 0F (982. 2V )到大約3000 0F (1648°C )的高溫傳感，并且可能能夠生存于高溫和高壓條件。下面在表1中列出了一些典型的藍(lán)寶石光纖材料屬性(例如對(duì)于來自Photran LLC的藍(lán)寶石光纖)。表1藍(lán)寶石光纖材料屬性
纖芯直徑( )150， 250, 325’ 425數(shù)值孔徑0.12透射每米80%彎曲半徑(mm)20， 30’ 60, 80長(zhǎng)度(m) 2最大長(zhǎng)度(m)4圖3示意表示提供帶有芯32 (圖2)的光纖和形成由納米孔38組成的納米孔覆層 (圖幻的方法40。在步驟42 (圖幻中提供具有折射率Ii1的光纖，并且在步驟44中在光纖芯32(圖幻上形成配置成在相位中反射光的波長(zhǎng)的布拉格光柵。在步驟46(圖3)中， 在至少一部分圓周表面36上形成納米孔38 (圖2)以創(chuàng)建環(huán)繞芯并具有折射率n2的納米孔覆層(其中Ii2Cn1)。在備選實(shí)施例中，可在納米孔覆層的形成之后形成布拉格光柵。在一些實(shí)施例中，納米孔可在步驟46 (圖幻中在傳感光纖的圓周表面上通過各種方式來形成，例如通過提供有孔的覆層，并且將該覆層與芯集成，以及在芯表面上刻劃納米孔。在一個(gè)實(shí)施例中，納米孔的形成基于化學(xué)蝕刻工藝以形成相比芯帶有更低的折射率的子表面結(jié)構(gòu)。在某些其它實(shí)施例中，納米孔在步驟46(圖3)中通過高能輻射撞擊在傳感光纖的圓周表面上而形成。在一個(gè)示例中，通過使傳感光纖形成直徑小于IOcm的環(huán)，能夠同時(shí)在高能輻射室中形成2-4米長(zhǎng)的傳感光纖覆層。在一個(gè)實(shí)施例中，使用的高能輻射是質(zhì)子輻射。在一個(gè)實(shí)施例中，使用輻射的能量在大約0.5MeV到大約5MeV的范圍中。在另一實(shí)施例中，輻射的能量在大約IMeV到大約3MeV的范圍中。在仍有的另一實(shí)施例中，使用的輻射的能量是大約2MeV。除例如但不限于撞擊距離、溫度和周圍環(huán)境等其它可能因素外，形成的納米孔覆層的深度取決于光纖材料和入射輻射的能量。在一個(gè)實(shí)施例中，包括納米孔的納米孔覆層的深度在從大約1微米到大約1. 5微米的范圍中。在另一實(shí)施例中，納米孔覆層的深度在介于大約1.5微米到大約5微米之間的范圍中。在還有的另一實(shí)施例中，納米孔覆層的深度是大約1.5微米。圖4是在子表面修改之前和之后藍(lán)寶石材料的光學(xué)屬性的比較圖。為了更便于從輻射的樣本進(jìn)行分析，為光學(xué)屬性研究使用了薄藍(lán)寶石片。大約2MeV的高能質(zhì)子輻射撞擊在藍(lán)寶石片上。從高能質(zhì)子撞擊所獲得的納米孔覆層的深度是大約1.5 μ m。線圖50 示出復(fù)折射率的實(shí)部η(左Y軸5 與復(fù)折射率的虛部k(右Y軸中的測(cè)量變化和波長(zhǎng)(X軸56)。圖形清晰地示出子表面修改后藍(lán)寶石材料的屬性的修改。曲線擬合的分光橢圓計(jì)數(shù)據(jù)顯示，不管來自三層模型(空氣/納米孔覆層結(jié)構(gòu)/藍(lán)寶石材料)的可能擬合誤差，納米孔覆層結(jié)構(gòu)中折射率的變化能夠高達(dá)大約8%。表面層光學(xué)折射率的降低與納米孔覆層結(jié)構(gòu)的形成相關(guān)聯(lián)。子表面附近的折射率有效地按照藍(lán)寶石材料和高缺陷密度 (high-defect-density)表面結(jié)構(gòu)的平均值被降低。這顯示具有納米孔覆層的藍(lán)寶石光纖能夠減輕更長(zhǎng)長(zhǎng)度光纖傳感裝置的透射或反射損耗。此外，在覆層具有與基礎(chǔ)材料相同的材料時(shí)，防止了在高溫時(shí)由于CTE中差別而造成的脫層。另外，諸如空氣或石英材料的納米顆粒等媒質(zhì)可用于填充納米孔，并且?guī)椭薷母矊拥恼凵渎?。布拉格光柵結(jié)構(gòu)能夠通過不同技術(shù)來形成。非限制性的示例包括微加工工藝，如金剛石鋸切割或諸如摻雜等化學(xué)工藝，或者通過暴露于UY激光束等。在一個(gè)實(shí)施例中，布拉格光柵結(jié)構(gòu)通過借助于高功率飛秒激光而誘發(fā)微晶結(jié)構(gòu)、之后進(jìn)行后熱處理工藝來刻劃。此方法構(gòu)建微空(micro-void)填充的結(jié)晶光柵結(jié)構(gòu)和結(jié)晶光柵結(jié)構(gòu)的周期序列。在一個(gè)示例中，使用高功率脈沖飛秒近紅外激光和相位掩模技術(shù)，刻劃藍(lán)寶石光纖中的光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)。這將構(gòu)建由微空填充的結(jié)晶藍(lán)寶石和結(jié)晶藍(lán)寶石的區(qū)域所形成的周期調(diào)制的光柵結(jié)構(gòu)。藍(lán)寶石布拉格光柵的諧振波長(zhǎng)由以下所示的來確定λ i 2 · na · Λ[1]禾口λ 2 2 · nc · Λ[2]其中，na和η。對(duì)應(yīng)于藍(lán)寶石光纖的c軸和a_b平面中的各向異性折射率，并且Λ 是光柵調(diào)制的周期性。兩個(gè)折射率之間的小差別將誘發(fā)帶有寬剖面或離散多峰剖面的布拉格諧振峰。在一些條件下，此類雙反射波能夠相互干擾以疊加緩慢變化的干擾背景。圖5是藍(lán)寶石光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)相對(duì)于波長(zhǎng)(X軸74)的峰值功率(Y軸72)的變化的圖示70，示出了帶有較寬的峰剖面的譜。圖6和7是探測(cè)在不同溫度和一段時(shí)期上在某個(gè)溫度藍(lán)寶石光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)的響應(yīng)度的可行性研究。藍(lán)寶石光纖傳感器長(zhǎng)度從 300mm到2000mm，光柵位置距離遠(yuǎn)端50_。圖6的圖形80示出溫底低于1800 0F (982. 2V ) 時(shí)相對(duì)于溫度84的布拉格光柵諧振波長(zhǎng)偏移82，并且圖7的圖形90示出溫度大于 1600 T (871. I0C )時(shí)相對(duì)于溫度94的布拉格光柵諧振波長(zhǎng)偏移92。可行性研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在溫度低于1800T (982. 2°C)時(shí)，光纖傳感器對(duì)溫度的響應(yīng)能夠線性地被描述，具有斜率11. 2pm/下。然而，如從圖7的圖形90的對(duì)數(shù)據(jù)的非線性擬合能夠看到的，對(duì)于更大的升高的溫度范圍，此類關(guān)系變得非線性。在溫度大于大約1600 T (871.ΓΟ時(shí)，波長(zhǎng)偏移與溫度的傳遞函數(shù)能夠描述為Δ λ (nm) = 306. 894-0. 483 · Δ Τ+2. 4575 · Δ Τ2_3· 877 X 1(Γ8 · Δ T3 [3]通過相對(duì)于在1950 °F (1065. 5°C )對(duì)于大約6. 5小時(shí)的等溫退火104測(cè)量布拉格
諧振波長(zhǎng)偏移102，圖8進(jìn)一步示出藍(lán)寶石光纖傳感器的熱穩(wěn)定性圖100。圖8的圖形100 清晰地示出本發(fā)明的藍(lán)寶石光纖布拉格光柵實(shí)施例隨時(shí)間過去是熱穩(wěn)定的。本發(fā)明的實(shí)施例包括單模式和多模式傳感器系統(tǒng)。這些傳感器系統(tǒng)可操作地配置成傳感溫度、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變或其組合的變化的至少之一。在一些實(shí)施例中，可封裝傳感器系統(tǒng)的傳感器線纜以便在惡劣環(huán)境中操作。在一非限制性示例中，可在基于鉬-錸的殼體內(nèi)密封地封裝傳感器線纜。在一個(gè)實(shí)施例中，多模式溫度傳感器系統(tǒng)110包括如圖9所示的寬帶或可調(diào)諧的探詢?cè)?12。此類系統(tǒng)能夠探詢具有高信噪比的多模式光纖傳感器信號(hào)，并且還提供可能用于溫度、應(yīng)變和振動(dòng)同時(shí)檢測(cè)的多點(diǎn)傳感測(cè)量?jī)x器。探詢?cè)?12為基于多模式的光纖傳感器基于波分復(fù)用的溫度測(cè)量來生成多模式探詢信號(hào)。該探詢信號(hào)使用分路器114來分路， 并經(jīng)多模式光纖被運(yùn)送到光耦合器116，這些光耦合器將探詢信號(hào)耦合到包括TOG 120的光纖傳感線纜118中。在通過探詢信號(hào)探詢光纖傳感線纜時(shí)，布拉格光柵結(jié)構(gòu)120生成例如溫度的傳感參數(shù)的響應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)特性，該傳感的參數(shù)隨后通過一個(gè)或多個(gè)Fabry-Perot 干擾儀122過濾，并且入射在光電檢測(cè)器陣列IM上，以及響應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)隨后由數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)1 來采集以估計(jì)傳感的信號(hào)。由于藍(lán)寶石光纜的大直徑，多模式光纖中的傳播模式通過下式來確定|4其中，λ表示光的波長(zhǎng)，加表示纖芯的芯直徑，以及Ii1和 分別表示纖芯和覆層的折射率?？偰Ｊ綌?shù)由V2/2給出。為了降低透射或反射損耗，多模式光纖連接器和光耦合器/分路器及其它部分應(yīng)具有匹配的V數(shù)(V-number)。在一非限制性示例中，傳感器系統(tǒng)中使用的所有光學(xué)裝置的直徑是大約140 μ m，并帶有FC/FC (光纜)連接，以及設(shè)計(jì)的譜范圍是大約80nm譜范圍和 30dB動(dòng)態(tài)范圍。在一個(gè)實(shí)施例中，藍(lán)寶石FBG布置在高溫封裝內(nèi)。封裝材料和封裝設(shè)計(jì)有助于最小化與高溫誘發(fā)的低拉力的和低彎曲的強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)，并由此提出用于將布拉格諧振波長(zhǎng)偏移與溫度相關(guān)的可行校準(zhǔn)方法。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是如圖10所示的光纖傳感器封裝130。光纖傳感器封裝130 包括含有FBG 134的第一光纖132、第二光纖136和第一光纖與第二光纖之間的互連138。 在本文中及說明書各處使用時(shí)，術(shù)語“互連”和“光學(xué)鏈接”可交換使用，并且用于表示第一和第二光纖的鄰接部分，可操作地定位以能夠?qū)崿F(xiàn)光纖之間光信號(hào)的轉(zhuǎn)移。第一光纖用于傳感，并且第二光纖一般用于信號(hào)透射和反射。第一光纖132和第二光纖136至少部分地布置在管道140內(nèi)，而互連138完全存在于管道內(nèi)。接合材料142布置成繞第一和第二光纖的一般為圓周的外表面的至少一部分跨互連138的邊緣144而延伸。在一個(gè)實(shí)施例中， 光纖傳感器線纜封裝可在諸如例如煤氣化器和輻射合成氣冷卻器的氣氛中的惡劣環(huán)境中操作，以用于在大于1800 0F (982. 20C )的溫度進(jìn)行徑向溫度(radial temperature)剖面映射。本文中使用的接合材料142能夠?qū)⒌谝还饫w132和第二光纖136相互接觸地接合到位。接合材料142在一些實(shí)施例中是高溫材料。接合材料的接合強(qiáng)度在傳感線纜的操作溫度不會(huì)降級(jí)。在一些實(shí)施例中，光纖傳感器封裝的接合材料142在互連138處在第一與第二光纖之間不存在，而是至少部分在互連處在第一光纖132和第二光纖136的圓周表面周圍和在互連的附近存在。因此，避免了由于接合材料存在于第一光纖132與第二光纖136 之間而引起的光學(xué)鏈接處信號(hào)的任何損耗(由于光學(xué)鏈接處的反射)。在一個(gè)實(shí)施例中，接合材料142是陶瓷材料，并且在另一個(gè)實(shí)施例中，接合材料142是陶瓷材料和金屬粉材料的混合物。在仍有的另一個(gè)實(shí)施例中，接合材料142是陶瓷金屬合成物。當(dāng)接合材料142是陶瓷和金屬材料的混合物時(shí)，在一個(gè)實(shí)施例中，金屬材料以膩?zhàn)有问揭牖旌衔镏小Ｔ诜窍拗菩允纠?，接合材料具有如?所示的屬性。表2接合材料屬性
權(quán)利要求
1.一種光纖傳感器封裝，包括互連，在第一光纖與第二光纖之間，布置在管道內(nèi)，其中所述第一和第二光纖至少部分地布置在所述管道內(nèi)；以及接合材料，跨所述互連的圓周邊緣的至少一部分并且沿所述第一和第二光纖的圓周表面的至少一部分延伸，其中所述第一光纖包括至少一個(gè)光纖布拉格光柵。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器封裝，其中所述接合材料在所述互連處在所述第一與第二光纖之間不存在。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器封裝，其中所述第一光纖包括具有折射率Ill的芯和具有折射率112的納米孔覆層，所述覆層繞所述光纖的圓周表面的至少一部分而存在。
4.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器封裝，其中跨所述互連的信號(hào)透射損耗小于大約3dB。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器封裝，其中所述第一光纖是藍(lán)寶石光纖，并且所述第二光纖是硅光纖。
6.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器封裝，其中所述接合材料是高溫陶瓷材料。
7.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器封裝，其中所述接合材料是陶瓷材料和金屬材料的混合物。
8.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器封裝，其中所述接合材料是陶瓷金屬合成物，具有的顆粒大小范圍從大約0. 1微米到大約2微米。
9.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器封裝，其中所述管道包括金屬。
10.如權(quán)利要求9所述的光纖傳感器封裝，其中所述管道包括一種或多種貴金屬。
11.如權(quán)利要求10所述的光纖傳感器封裝，其中所述管道包括含有鉬和錸的合金。
12.如權(quán)利要求10所述的光纖傳感器封裝，其中所述管道包括含有錸和銥的合金。
13.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器封裝，其中所述管道包括一種或多種陶瓷材料。
14.如權(quán)利要求13所述的光纖傳感器封裝，其中所述管道包括石英玻璃、礬土、藍(lán)寶石 Zirconia、Hexoloy 或其組合物。
15.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器封裝，其中所述管道是密封封住的。
16.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器封裝，其中所述管道填充有從由空氣、氮、氬及其組合物而組成的組所選擇的氣體媒質(zhì)。
17.一種煤氣化系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求1所述的傳感線纜封裝。
18.一種輻射合成氣冷卻器系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求1所述的光纖傳感線纜封裝。
19.一種形成傳感線纜封裝的方法，包括 使第一光纖和第二光纖接觸以形成互連；提供帶有孔徑的管道，其中所述管道圓周地環(huán)繞所述互連以及所述第一和第二光纖的至少一定長(zhǎng)度；通過所述孔徑來布置接合材料以沿所述互連跨所述第一和第二光纖的圓周表面的至少部分而延伸；以及設(shè)定所述接合材料以形成剛性互連。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述管道被引入以在包括至少一個(gè)FBG的末端進(jìn)一步環(huán)繞所述第一光纖。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述接合材料在大于大約3000下(1648.8°C)的溫度被引入。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述接合材料以膩?zhàn)有问皆谒龉艿纼?nèi)被引入， 之后進(jìn)行熱固化工藝。
23.一種氣化系統(tǒng)，包括氣化器單元和RSC;以及傳感器線纜封裝，至少部分布置在所述氣化系統(tǒng)內(nèi)，包括藍(lán)寶石光纖傳感線纜，包括具有折射率H1的芯，其中所述芯包括至少一個(gè)布拉格光柵結(jié)構(gòu)；以及沿所述光纖的圓周表面的包括填充有媒質(zhì)的納米孔的納米孔覆層；以及硅光纖，鄰接所述藍(lán)寶石光纖，其中所述藍(lán)寶石和硅光纖的鄰接部分布置在管道內(nèi)，其中接合材料布置成繞所述第一和第二光纖的圓周表面的至少一部分跨所述鄰接部分而延伸，其中所述管道是密封封住的，并且所述至少一個(gè)布拉格光柵結(jié)構(gòu)布置在所述管道內(nèi)。
24.如權(quán)利要求23所述的氣化系統(tǒng)，可在2200F(1204.4°C)或更大溫度以及 700psi (4. 82MPa)或更大壓力來操作。
全文摘要
本文公開了一種光纖傳感器(130)封裝。該光纖傳感器封裝包括管道(140)內(nèi)第一光纖(132)與第二光纖(136)之間的互連(138)，使得第一和第二光纖至少部分布置在該管道內(nèi)。粘接材料(142)繞第一和第二光纖的圓周表面的至少一部分跨互連的邊緣而布置，剛性固定第一和第二光纖的互連。第一光纖可以是藍(lán)寶石光纖。該傳感器可用于煤氣化器中的高溫測(cè)量。
文檔編號(hào)C10J3/46GK102378932SQ201080015823
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者A·J·阿瓦利亞諾, A·庫(kù)馬, C·詹, J·M·斯托里, K·T·麥卡錫, 吳俊濤, 夏華 申請(qǐng)人:通用電氣公司