專利名稱：一種光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光纖光柵傳感技術領域，特別是涉及ー種光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)。
技術背景 光纖光柵作為ー種光學器件，是在光纖中建立起一種空間折射率周期分布，使在其中光的傳播特性得以改變的器件。光纖光柵傳感器由于其獨特的優(yōu)勢和廣泛的應用而在光纖傳感領域倍受矚目，在十多年來有了快速的發(fā)展。當寬帶光源入射到光纖布喇格光柵(以下簡稱為FBG)中時,其反射光的中心波長入B由布喇格方程給出A B = 2n A(I)其中，n為纖芯的有效折射率，A為光柵周期。當FBG所處環(huán)境的溫度和應變等物理量發(fā)生變化時會導致中心波長入B變化，且波長變化量△ Xb在一定范圍內與溫度和(或)應變均成線性關系，當環(huán)境溫度變化量為AT時,對應的波長漂移量A Xbt可以表不為A 入 BT =入 B ( a + I ) A T(2)其中a和〖分別為光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)。對于普通石英光纖,在1550nm時，波長隨溫度變化的靈敏度系數(shù)約為13pm/°C。當FBG受縱向應變?yōu)锳 e時，對應的波長漂移量A X BS可以表示為=[p12 -v(pn -P12)] l>As(3)其中，P1Jp P 12為光纖的應カ張量兀，V為泊松比。對于普通石英光纖，在1550nm時，波長隨應變變化的靈敏度系數(shù)約為115pm/ii e。根據(jù)上述線性關系，測出A入B即可以得出待測物理量的變化情況，因此，F(xiàn)BG被廣泛用于測量溫度、應變、應カ和位移等物理量，作為光纖光柵傳感器的常用傳感頭元件。光纖光柵傳感器具有一些明顯的優(yōu)勢，包括抗電磁干擾、耐高溫、體積小、靈活方便，傳感信號為波長調制，復用能力強，可實現(xiàn)準分布式測量等。然而，隨著光纖光柵傳感器應用范圍的不斷擴大，人們對其性能的要求也越來越多，エ業(yè)領域中有時需要其測量較高的溫度。例如油井中的溫度(油井溫度是確定油層的位置、厚度、含水層的深度的基本依據(jù))會隨開采深度的增加而不斷升高。而目前廣泛使用的電子式溫度傳感器(例如由鉬、銠等貴重金屬制造的熱電偶溫度計)存在可靠性低、高溫漂移大、容易引發(fā)火災等問題，因此研究新型的以反射信號光的絕對量波長為編碼的光纖光柵傳感器系統(tǒng)具有重要的意義。但是由于普通光纖光柵不能承受較高的溫度，以其直接作為傳感元件，當溫度高于200°C時將出現(xiàn)較大的誤差，測量不準確，根本原因是光柵的反射譜出現(xiàn)了變形或退化，這是一直困擾在光纖光柵溫度傳感領域的一個難題，因此在可查到的報道中，利用光纖光柵測量高溫的報道很少。根據(jù)可查到的報道，國內有關光纖光柵傳感器的研究中，最高可測溫度為200°C。
發(fā)明內容本實用新型所要解決的技術問題是提供ー種光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)光纖光柵的高溫傳感測量。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是提供ー種光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源、單模通信光纖、2X2耦合器、光纖光柵高溫傳感頭以及光譜儀，所述寬帶光源輸出的光經所述單模通信光纖進入2X2 f禹合器,2X2 I禹合器輸出的光進入光纖光柵高溫傳感頭，光譜儀測量光纖光柵高溫傳感頭反射光的波長；所述光纖光柵高溫傳感頭包括光纖布喇格光柵、金屬板、兩塊擋板和兩根金屬條；所述光纖布喇格光柵固定在兩塊擋板之間；所述兩根金屬條固定在所述金屬板上，所述金屬板將金屬條分為兩部分，其中一部分為探測區(qū)，另一部分為測試區(qū)；所述兩根金屬條的測試區(qū)的端部固定在各自對應的擋板上；所述兩根金屬條具有不同的熱膨脹系數(shù)。
0016]所述光纖布喇格光柵、擋板以及測試區(qū)處的金屬條外套有套桶；所述套桶上設有用于連接套桶內外光路的法蘭盤。所述探測區(qū)處的金屬條靠近金屬板的ー側外套有玻璃管。所述兩根金屬條的測試區(qū)的端部通過螺釘固定在各自對應的擋板上。所述光纖布喇格光柵通過環(huán)氧樹脂粘接點固定在兩塊擋板之間。有益效果由于采用了上述的技術方案，本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果(I)本實用新型實現(xiàn)的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)只需要用兩個熱膨脹系數(shù)不同、長度不同的金屬條以及一些附件即可構成高溫傳感頭，通過高溫傳感頭把溫度(的變化)轉化為兩個金屬條絕對膨脹量(的變化)，最后轉化為光柵中心波長的變化，由光譜儀解調出波長的變化，從而得知被測溫度；(2)本實用新型實現(xiàn)的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，可根據(jù)被測目標的具體狀況選用適當?shù)慕饘贄l，當被測目標明確時，可知需要測量的溫度范圍和精度要求的大致狀況，因此可確定金屬條的長度，也可確定金屬條的種類即可知金屬條線膨脹系數(shù)；(3)選擇不同的金屬條(包括金屬條的長度、長度差值、線膨脹系數(shù)改變(即金屬種類變化吋))，本實用新型光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)的測量動態(tài)范圍和測量的靈敏性不同，因此較為靈活。金屬條的更改和拆卸方便。

圖I是本實用新型的結構示意圖；圖2是本實用新型的傳感頭結構簡化圖；圖3是0-500°C測溫范圍內光柵波長漂移量與溫度的關系曲線圖；圖4是0-1000°C測溫范圍時光柵波長與溫度的關系曲線圖；圖5是采用本實用新型的實驗結果圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例，進ー步闡述本實用新型。應理解，這些實施例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍。此外應理解，在閱讀了本實用新型講授的內容之后，本領域技術人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。圖I是本實用新型光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)實施例裝置示意圖。由圖可見，光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)包括ー寬帶光源I的輸出光經連接光纖2進入2X2的耦合器3。2X2耦合器3的輸出光中的一部分經耦合器的第一個端臂進入光纖布喇格光柵14，而另一部分光經耦合器的第二個臂進入折射率匹配液4中。光纖布喇格光柵14和兩個金屬條11是本實用新型中光纖光柵高溫傳感頭的核心元件。兩個金屬條被固定到金屬板9上，如圖中所示， 金屬板右側部分(即探測區(qū)域)的金屬條被玻璃套管10保護，可防止熱量從金屬條散失。通過兩個螺釘8分別把兩個截面為正方形的擋板6固定到金屬條的左端，擋板端面為平面，通過兩個環(huán)氧樹脂粘接點13把光纖布喇格光柵14固定到兩個擋板上，整個傳感頭中金屬板9左側部分(即金屬條測試區(qū)域、光纖布喇格光柵以及擋板)被套桶5所保護，套桶可防止與外界熱交換并防止光柵受外界影響，套桶左底面的法蘭盤15可連接套桶內外的光纖光路。而光纖布喇格光柵14的反射光通過稱合器3進入光譜儀16中，通過反射光信息可推算出被測溫度。所述的布喇格光纖光柵不是直接接觸高溫物體或放入高溫溫度場中，因此在測量高溫時光纖光柵的反射譜不會因高溫而變形，從而不會帶來較大的測量誤差。所述的兩根金屬條具有不同的熱膨脹系數(shù)，通過兩個熱膨脹系數(shù)不同、長度不同的金屬條可將被測高溫轉化為光纖光柵的應變，而使光柵受到拉伸或壓縮。本實用新型的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，借助連接在一起的具有不同熱膨脹系數(shù)的兩個金屬條，把溫度(的變化)轉化為兩個金屬條絕對膨脹量(的變化)，最后轉化為光柵中心波長的變化，由光譜儀解調出波長的變化，從而得知溫度的變化或根據(jù)參考值得知具體的溫度。該系統(tǒng)既能測量較高溫度又可避免受電磁干擾，同時是航天器和船舶制造業(yè)、金屬煉制行業(yè)、石油開采行業(yè)中進行溫度控制、疲勞和健康狀態(tài)檢測的重要儀器。因此在上述各個行業(yè)中都具有重要作用。本光纖光柵高溫測量系統(tǒng)除具有抗電磁干擾的特點外，還具有測量動態(tài)范圍大，耐高溫，使用范圍廣、靈敏度可調的特點。如圖2所示，由線膨脹系數(shù)不同的兩種金屬加工而成的金屬圓桿，被熱的不良導體加工而成的陶瓷云母圓盤固定在一起,金屬桿的右端與陶瓷云母圓盤固定在一起，然后利用環(huán)氧樹脂把光柵的兩端分別粘接在另外兩個陶瓷云母方柱(兩者分別與金屬桿固定在一起)的平面上(如圖所示的A、B兩點)。當傳感頭的傳感端(金屬桿右端)接觸高溫物體或處于高溫場時，金屬桿吸收熱量并將熱量從右端向左端傳導，同時產生熱膨脹，長度和線膨脹系數(shù)的不同導致兩個金屬桿熱膨脹量(即A L1和AL2)不同，從而A、B兩點間距變化，光柵受到拉伸或壓縮的應力作用，這樣就巧妙地把待測溫度轉化為光柵的應變，避免因高溫而損壞光柵。選擇合適的波長解調系統(tǒng)，解調應カ引起的光柵波長變化即可得知待測的溫度。取高膨脹金屬長度在室溫時為L1，低膨脹金屬長度在室溫時為L2，A、B兩點間距為し設被測溫度為T時，兩金屬桿的伸縮量差為AL，則此時光纖的應變?yōu)?br> 八,’—八,， 八,LL(4)因此光柵的波長漂移為=Pe)s =Pe)~/
L(5)其中/^=---- =~viPn+Al)](6)
s n通 2這里P11和P12為光彈張量的Pockels系數(shù),v為泊松比,通常Pe為常數(shù),對普通光纖一般有Pe = 0. 22。因此,波長變化A入B主要決定于光柵縱向伸縮量A L和し而AL取決于被測溫度、兩金屬桿的長度L1和L2以及兩金屬桿的線膨脹系數(shù)a i和a 2。熱平衡時，金屬桿上不同位置的溫度不同(右端較高，左端較低)，不同溫度時金屬的線膨脹系數(shù)也不同。為計算的簡單，這里采用分段計算求和法，將每ー小段的平均溫度作為這一段的溫度，并用這一溫度對應的線膨脹系數(shù)作為這ー小段的平均線膨脹系數(shù)，求得每ー小段的膨脹量，最后求和得到金屬桿的總膨脹量，如7和8式所示
n=2ん 八ん _aiノC/ = l，2.....")
ノ=1(7)
n= 4/ " A石j O^2j(j = I，2.....n)
ノ=1(8)其中，Iij^ ATij^ a ^.(i = 1,2)分別為金屬桿上響應第j小段的長度、溫度和對應的線膨脹系數(shù)，兩者的膨脹量之差即光柵的縱向伸縮量為=AL = I A L1-A L2し我們采用壓力加工黃銅(H62)和鋼(45號)分別作為高、低膨脹金屬(同一溫度變化范圍時有a |0 (H62)> a IH45)，壓カ加工黃銅(H62)的長度為LI，鋼(45號)的長度為L2。選取這兩種金屬的不同長度組合，根據(jù)這兩個金屬桿的溫度下降規(guī)律及其線膨脹系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，和光柵的波長-應變響應特性，從理論上模擬了被測溫度為0-500°C時光柵反射中心波長(設光柵在室溫自由狀態(tài)下的原波長為1550nm)與溫度之間的關系，如圖3所示。為了解更高溫度時光柵波長的響應情況，采用同樣方法計算了在0-1000°C (H62銅的熔點為1085°C，剛45的熔點為1370°C )時，光柵波長與溫度之間的關系，如圖4所不。由圖3和圖4可知,選擇圖3中A曲線所示的金屬組合可提高傳感器的靈敏度，因為A曲線的斜率大于B曲線的斜率。值得提出的是金屬的熱膨脹系數(shù)隨溫度改變將有所變化，當達到一定的溫度吋，LI的絕對膨脹量將大于L2的絕對膨脹量，所以光柵應變將會有所減小，因此圖4中稍有彎曲。由于1550nm波段的普通光纖布拉格光柵的反射中心波長被應カ拉長6nm(某些優(yōu)質的光纖光柵的反射中心波長可被拉長IOnm以上)時可能會被拉斷，所以實驗中應保證光柵波長増量小于6nm，由圖3和圖4可知，壓カ加工黃銅(H62)和鋼(45號)的兩種組合(LI=20cm, L2 = 18cm組合與LI = 18cm, L2 = 20cm組合),均可實現(xiàn)對高達600°C的溫度進行傳感測量，并且可避免雙值問題。目前利用該系統(tǒng)在實驗中實現(xiàn)了500°C的動態(tài)范圍和TC的溫度分辨率，實驗數(shù)據(jù)如圖5所示。因受限于目前的實驗條件，只在0-500°C的范圍內做實驗，但結果與理論模擬分析圖4非常一致。因此可推論該高溫傳感系統(tǒng)可測溫度范圍為0-800°C，可實現(xiàn)的溫度分辨率 為1°C。
權利要求1.一種光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源(I)、單模通信光纖(2)、2X2耦合器(3)、光纖光柵高溫傳感頭以及光譜儀(16)，其特征在于，所述寬帶光源(I)輸出的光經所述單模通信光纖(2)進2X2耦合器(3)，2X2耦合器(3)輸出的光進入光纖光柵高溫傳感頭，光譜儀(16)測量光纖光柵高溫傳感頭反射光的波長；所述光纖光柵高溫傳感頭包括光纖布喇格光柵(14)、金屬板(9)、兩塊擋板(13)和兩根金屬條(11);所述光纖布喇格光柵(14)固定在兩塊擋板(13)之間；所述兩根金屬條(11)固定在所述金屬板(9)上，所述金屬板(9)將金屬條(11)分為兩部分，其中一部分為探測區(qū)，另一部分為測試區(qū)；所述兩根金屬條(11)的測試區(qū)的端部固定在各自對應的擋板(13)上；所述兩根金屬條(11)具有不同的熱膨脹系數(shù)且長度不同。
2.根據(jù)權利要求I所述的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖布喇格光柵(14)、擋板(13)以及測試區(qū)處的金屬條(11)外套有套桶(5);所述套桶(5)上設有用于連接套桶(5)內外光路的法蘭盤(15)。
3.根據(jù)權利要求I所述的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述探測區(qū)處的金屬條(11)靠近金屬板(9)的一側外套有玻璃管(10)。
4.根據(jù)權利要求I所述的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述兩根金屬條(9)的測試區(qū)的端部通過螺釘(8)固定在各自對應的擋板(6)上。
5.根據(jù)權利要求I所述的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖布喇格光柵(14)通過環(huán)氧樹脂粘接點(13)固定在兩塊擋板(6)之間。
專利摘要本實用新型涉及一種光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源、單模通信光纖、2×2耦合器、光纖光柵高溫傳感頭以及光譜儀，所述寬帶光源輸出的光經所述單模通信光纖進入2×2耦合器，2×2耦合器輸出的光進入光纖光柵高溫傳感頭，光譜儀測量光纖光柵高溫傳感頭反射光的光譜；所述光纖光柵高溫傳感頭包括光纖布喇格光柵、金屬板、兩塊擋板和兩根金屬條；所述光纖布喇格光柵固定在兩塊擋板之間；所述兩根金屬條固定在所述金屬板上，所述金屬板將金屬條分為兩部分，其中一部分為探測區(qū)，另一部分為測試區(qū)；所述兩根金屬條的測試區(qū)的端部固定在各自對應的擋板上；所述兩根金屬條具有不同的熱膨脹系數(shù)。本實用新型可實現(xiàn)光纖光柵的高溫傳感測量。
文檔編號G01K11/32GK202522340SQ20122012614
公開日2012年11月7日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權日2012年3月29日
發(fā)明者詹亞歌, 許毓敏 申請人:東華大學