專利名稱:用于高溫高壓環(huán)境下的光纖光柵壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種用于高溫高壓環(huán)境下的光纖光柵壓力傳感器，包括封裝殼體以及設(shè)置于所述封裝殼體內(nèi)的彈性體和光纖光柵感應(yīng)裝置，所述彈性體采用金屬基復(fù)合材料制成，所述光纖光柵感應(yīng)裝置包括壓力敏感光柵，所述壓力敏感光柵嵌入所述彈性體內(nèi)，所述壓力敏感光柵表面涂覆有金屬材料，該光纖光柵壓力傳感器能夠較大程度改善光纖光柵壓力傳感器的抗高壓耐高溫性能，具有高強(qiáng)度、高模量和測(cè)量精確度高的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】用于高溫高壓環(huán)境下的光纖光柵壓力傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及光纖壓力傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種用于高溫高壓環(huán)境下 的光纖光柵壓力傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 光纖壓力傳感技術(shù)是工程監(jiān)測(cè)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。光纖壓力傳感器利用光 學(xué)原理和光纖技術(shù)，將感知的被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為可傳輸并測(cè)量的輸出信號(hào)。在光纖壓力傳感 器結(jié)構(gòu)功能中，光纖即是傳感敏感元件也是傳輸信號(hào)介質(zhì)，作為傳感敏感元件其具有測(cè)量 靈敏度高和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)；作為傳輸信號(hào)介質(zhì)其具有不受電磁干擾和信號(hào)損失量小等特 點(diǎn)，因此，光纖壓力傳感器在工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用尤其重要及廣泛，光纖壓力傳感技術(shù)已經(jīng) 在勘測(cè)、監(jiān)控、隧道以及基坑等地下工程的施工和研宄中實(shí)現(xiàn)重要的應(yīng)用和實(shí)踐；通常，傳 感光纖直接通過電纜連接到控制監(jiān)測(cè)中心，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分布式監(jiān)測(cè)。
[0003] 光纖光柵壓力傳感器是利用在光纖纖芯中引起折射率的周期性變化而形成的。光 纖光柵中折射率分布的周期性結(jié)構(gòu)，能夠反射特定波長(zhǎng)的光波，從而形成光纖光柵的反射 譜。反射波長(zhǎng)與溫度和光柵所受應(yīng)變有關(guān)，因此光纖光柵可以用來測(cè)量應(yīng)變和溫度的變化， 以及由其它物理量導(dǎo)致的應(yīng)變和溫度變化。在光纖光柵壓力傳感器應(yīng)用時(shí)，通常將光纖光 柵嵌入在彈性體中，同時(shí)進(jìn)行保護(hù)封裝。反射光的波長(zhǎng)對(duì)溫度和應(yīng)變非常敏感，當(dāng)彈性體的 表面受到壓力時(shí)，彈性體本身就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，這個(gè)應(yīng)變?cè)儆晒饫w光柵感知應(yīng)變變化，光纖光 柵與彈性體一起發(fā)生應(yīng)變，導(dǎo)致光纖光柵反射光的峰值波長(zhǎng)漂移，通過對(duì)波長(zhǎng)漂移量的度 量來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變的感測(cè)。光纖光柵壓力傳感器的彈性體一般采用金屬材料，光柵和 金屬之間往往采用粘接或者焊接的方法，但是這種方式應(yīng)用在高溫環(huán)境下往往失效；將光 纖光柵埋入在碳纖維復(fù)合材料中能夠擴(kuò)大測(cè)量范圍，但是碳纖維復(fù)合材料的工作溫度是在 350°C以內(nèi)，不適合更高的溫度；并且，光纖的表面涂覆材料一般采用丙烯酸酯和聚酰亞胺 兩種材料，但其都不適合在300°C以上的高溫下工作。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有的光纖光柵壓力傳感器由于結(jié)構(gòu)的限制導(dǎo)致無法在高溫高 壓環(huán)境下應(yīng)用的問題，提供一種用于高溫高壓環(huán)境下的光纖光柵壓力傳感器，能夠較大程 度改善光纖光柵壓力傳感器的抗高壓耐高溫性能，具有高強(qiáng)度、高模量和測(cè)量精確度高的 優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：
[0006] 一種用于高溫高壓環(huán)境下的光纖光柵壓力傳感器，其特征在于，包括封裝殼體以 及設(shè)置于所述封裝殼體內(nèi)的彈性體和光纖光柵感應(yīng)裝置；所述彈性體采用金屬基復(fù)合材料 制成，所述光纖光柵感應(yīng)裝置包括壓力敏感光柵，所述壓力敏感光柵嵌入所述彈性體內(nèi)，所 述壓力敏感光柵表面涂覆有金屬材料。
[0007] 所述光纖光柵感應(yīng)裝置還包括溫度補(bǔ)償光柵，所述溫度補(bǔ)償光柵通過隔離器件與 所述壓力敏感光柵相連接并且封裝在所述封裝殼體內(nèi)，所述溫度補(bǔ)償光柵表面涂覆有金屬 材料。
[0008] 所述封裝殼體采用不銹鋼材料。
[0009] 所述壓力敏感光柵表面涂覆有兩層鎳金屬材料以均勻產(chǎn)生壓力應(yīng)變。
[0010] 所述金屬基復(fù)合材料包括致密化的金屬基體材料和增強(qiáng)材料，所述增強(qiáng)材料包括 碳纖維，所述彈性體包括金屬基體材料制成的金屬基體和增強(qiáng)材料制成的增強(qiáng)體。
[0011] 所述金屬基體選取不同的金屬材料以適應(yīng)不同的環(huán)境溫度。
[0012] 所述增強(qiáng)材料為碳纖維，所述碳纖維表面涂覆有鎳金屬材料。
[0013] 本實(shí)用新型的技術(shù)效果如下：
[0014] 本實(shí)用新型涉及的一種用于高溫高壓環(huán)境下的光纖光柵壓力傳感器，包括封裝殼 體以及設(shè)置于所述封裝殼體內(nèi)的彈性體和光纖光柵感應(yīng)裝置；所述彈性體采用金屬基復(fù)合 材料制成，所述光纖光柵感應(yīng)裝置包括壓力敏感光柵，所述壓力敏感光柵嵌入所述彈性體 內(nèi)，所述壓力敏感光柵表面涂覆有金屬材料，這種結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光纖光柵壓力傳感器能夠利 用光致折變效應(yīng)，在光纖的局部形成折射率周期性分布的光纖布拉格光柵反射特定波長(zhǎng)的 光波，用來測(cè)量應(yīng)變和溫度的變化，以及由其它物理量導(dǎo)致的應(yīng)變和溫度變化。光纖光柵 壓力傳感器具有不受電磁干擾、光傳輸損耗低、適于長(zhǎng)距離等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，光纖光柵壓力傳 感器還利用金屬基復(fù)合材料的彈性體感知外界的壓強(qiáng)變化，壓強(qiáng)變化使得金屬基復(fù)合材料 產(chǎn)生應(yīng)變，這個(gè)應(yīng)變作用在壓力敏感光柵上，使光纖光柵反射峰波長(zhǎng)發(fā)生變化以供測(cè)量，這 種結(jié)構(gòu)的光纖光柵壓力傳感器適合應(yīng)用在高溫高壓環(huán)境下工作，避免了現(xiàn)有技術(shù)采用金屬 材料的彈性體由于光柵和金屬之間的粘結(jié)或焊接導(dǎo)致在高溫環(huán)境下失效的問題，也避免了 現(xiàn)有技術(shù)將光纖光柵埋入在碳纖維復(fù)合材料中工作溫度僅能在350°c以內(nèi)無法適應(yīng)更高溫 度的問題，金屬基復(fù)合材料可以工作在350- 1200°C的高溫環(huán)境下，并且保持高強(qiáng)度和高模 量。此外，光纖光柵壓力傳感器還利用在壓力敏感光柵表面涂覆金屬材料使其能夠承受更 高的工作溫度，能夠耐受高溫的光纖光柵作為感受和傳輸?shù)慕橘|(zhì)可進(jìn)一步提高光纖光柵壓 力傳感器抗高溫高壓的工作能力，避免了現(xiàn)有技術(shù)在光纖的表面涂覆丙烯酸酯和聚酰亞胺 兩種材料導(dǎo)致無法在300°C以上的高溫下工作的問題。將涂覆金屬材料形成的金屬化的光 纖光柵埋入金屬基復(fù)合材料的彈性體，形成能夠用于高溫高壓環(huán)境下的光纖光柵壓力傳感 器，可以長(zhǎng)時(shí)間工作在400°C的高溫且能達(dá)到數(shù)十兆帕的高壓環(huán)境下。這種光纖光柵壓力傳 感器適合于精確測(cè)量石油井下、發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試等應(yīng)用。
[0015] 進(jìn)一步，為了抵消溫度變化對(duì)光纖光柵反射波長(zhǎng)產(chǎn)生的影響，壓力敏感光柵通過 隔離器件連接一個(gè)溫度補(bǔ)償光柵，即光纖光柵壓力傳感器的光纖光柵感應(yīng)裝置包括壓力敏 感光柵和溫度補(bǔ)償光柵，壓力敏感光柵對(duì)壓強(qiáng)變化和溫度敏感；溫度補(bǔ)償光柵只對(duì)溫度變 化敏感，對(duì)壓強(qiáng)變化不敏感，這樣該光纖光柵感應(yīng)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變和溫度雙重敏感。并 且，該壓力敏感光柵表面涂覆兩層鎳金屬材料以均勻產(chǎn)生壓力應(yīng)變，并可以在高溫范圍下 穩(wěn)定工作；同時(shí)，該光纖光柵壓力傳感器的金屬基復(fù)合材料的彈性體包括金屬基體材料制 成的金屬基體和增強(qiáng)材料制成的增強(qiáng)體，并且根據(jù)金屬基復(fù)合材料彈性體的金屬材料的不 同，可以在不同高溫范圍下穩(wěn)定工作，同時(shí)具有高強(qiáng)度、高模量。

【附圖說明】

[0016] 圖1為本實(shí)用新型用于高溫高壓環(huán)境下的光纖光柵壓力傳感器優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2a為本實(shí)用新型公開的光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖；圖2b為本實(shí)用新型公開的光纖 光柵折射率周期變化示意圖。
[0018] 圖3a、圖3b和圖3c分別為本實(shí)用新型涉及的光纖光柵的入射、投射和反射波長(zhǎng)示 意圖。
[0019] 圖4為本實(shí)用新型金屬基復(fù)合材料的彈性體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖中各標(biāo)號(hào)列示如下：
[0021] 1 一封裝殼體；2 -彈性體；3 -壓力敏感光柵；4 一溫度補(bǔ)償光柵；5 -光纖；6 - 纖芯；7 -布拉格光柵；8 -金屬基體；9 一碳纖維；10 -鎳金屬化壓力敏感光柵；11 一隔尚 器件。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行說明。
[0023] 本實(shí)用新型公開了一種用于高溫高壓環(huán)境下的光纖光柵壓力傳感器，其優(yōu)選結(jié)構(gòu) 示意圖如圖1所示。該光纖光柵壓力傳感器包括封裝殼體1以及設(shè)置于所述封裝殼體1內(nèi) 的彈性體2和光纖光柵感應(yīng)裝置，該光纖光柵感應(yīng)裝置包括通過隔離器件11相互連接的壓 力敏感光柵3和溫度補(bǔ)償光柵4,其中壓力敏感光柵3嵌入彈性體2內(nèi)，溫度補(bǔ)償光柵4在 彈性體2外部且封裝在封裝殼體1內(nèi)。其中，封裝殼體1可以采用不銹鋼材料或其它剛性材 料，彈性體2采用金屬基復(fù)合材料制成，光纖光柵感應(yīng)裝置也可以僅包括壓力敏感光柵3， 溫度補(bǔ)償光柵4為優(yōu)選部件，壓力敏感光柵3和溫度補(bǔ)償光柵4表面均涂覆有金屬材料。
[0024] 本實(shí)用新型涉及的光纖光柵壓力傳感器，利用紫外波段激光器和相位掩膜板，在 單模光纖的局部形成如圖1所示的周期性折射率分布的光柵，即布拉格光柵，同時(shí)為了抵 消溫度變化對(duì)光纖光柵反射波長(zhǎng)產(chǎn)生的影響，在壓力敏感光柵3的后端通過隔離器件11 加入一個(gè)溫度補(bǔ)償光柵4,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變和溫度雙重敏感，溫度補(bǔ)償光柵只對(duì)溫度變化 敏感，對(duì)壓強(qiáng)變化不敏感，并且隔離器件11可以起到阻隔壓力傳輸?shù)淖饔?；該光纖光柵壓 力傳感器利用金屬基復(fù)合材料的彈性體2感知外界的壓強(qiáng)變化，壓強(qiáng)變化使得金屬基復(fù)合 材料產(chǎn)生應(yīng)變，這個(gè)應(yīng)變作用在壓力敏感光柵3上，使光纖光柵反射峰波長(zhǎng)發(fā)生變化，并且 金屬基復(fù)合材料視金屬材料的不同，可以在350-1200°C下穩(wěn)定工作，同時(shí)具有高強(qiáng)度、高 模量；光纖光柵壓力傳感器可以利用在壓力敏感光柵3和溫度補(bǔ)償光柵4表面涂覆金屬材 料，進(jìn)一步提高光纖光柵壓力傳感器抗高溫高壓的工作能力。采用金屬作為涂覆的光纖光 柵都能夠承受較高工作溫度，以銅為材料涂覆的光纖光柵為例，表面涂覆了銅金屬的壓力 敏感光柵3和溫度補(bǔ)償光柵4可以長(zhǎng)時(shí)間耐受400°C的高溫，短時(shí)間耐受600°C的高溫；以 鎳金屬材料為例進(jìn)行說明，表面涂覆了鎳金屬的壓力敏感光柵3和溫度補(bǔ)償光柵4可以在 400-600°C下長(zhǎng)時(shí)間工作。本實(shí)用新型涉及的如圖1所示的光纖光柵壓力傳感器，優(yōu)選在壓 力敏感光柵3表面涂覆兩層鎳金屬材料以均勻產(chǎn)生壓力應(yīng)變，將表面涂覆鎳金屬的壓力敏 感光柵3嵌入金屬基復(fù)合材料的彈性體2中，形成能夠用于高溫高壓環(huán)境下的光纖光柵壓 力傳感器，可以長(zhǎng)時(shí)間工作在400°C的高溫且能達(dá)到數(shù)十兆帕的高壓環(huán)境下，這種結(jié)構(gòu)的光 纖光柵壓力傳感器適合于精確測(cè)量石油井下或發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試等應(yīng)用環(huán)境。
[0025] 光纖光柵壓力傳感器利用光致折變效應(yīng)，如圖2a所示，在光纖5的纖芯6的局部 形成折射率周期性分布的布拉格光柵7,其相應(yīng)的周期性分布的折射率如圖2b所示。光纖 布拉格光柵能夠反射特定波長(zhǎng)的光波，反射波長(zhǎng)與溫度和光柵所受應(yīng)變有關(guān)，其入射、投射 和反射波長(zhǎng)示意圖如圖3a、圖3b和圖3c所示，因此光纖光柵可以用來測(cè)量應(yīng)變和溫度的變 化，以及由其它物理量導(dǎo)致的應(yīng)變和溫度變化。光纖光柵的反射波長(zhǎng)1,可以用公式表示 為：
[0026] λ B= 2n e A
[0027] 其中，ne為光纖纖芯的等效折射率；Λ為光柵周期。應(yīng)變和溫度直接影響光纖纖 芯的折射率，可以用下面的線性公式說明：
[0028]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于高溫高壓環(huán)境下的光纖光柵壓力傳感器，其特征在于，包括封裝殼體以及 設(shè)置于所述封裝殼體內(nèi)的彈性體和光纖光柵感應(yīng)裝置；所述彈性體采用金屬基復(fù)合材料制 成，所述光纖光柵感應(yīng)裝置包括壓力敏感光柵，所述壓力敏感光柵嵌入所述彈性體內(nèi)，所述 壓力敏感光柵表面涂覆有金屬材料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵壓力傳感器，其特征在于，所述光纖光柵感應(yīng)裝置 還包括溫度補(bǔ)償光柵，所述溫度補(bǔ)償光柵通過隔離器件與所述壓力敏感光柵相連接并且封 裝在所述封裝殼體內(nèi)，所述溫度補(bǔ)償光柵表面涂覆有金屬材料。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖光柵壓力傳感器，其特征在于，所述封裝殼體采用不銹 鋼材料。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖光柵壓力傳感器，其特征在于，所述壓力敏感光柵表面 涂覆有兩層鎳金屬材料以均勻產(chǎn)生壓力應(yīng)變。
【文檔編號(hào)】G01K11-32GK204269265SQ201420487807
【發(fā)明者】楊天博, 王璐 [申請(qǐng)人]基康儀器股份有限公司