CN103033200B - 一种光纤法-珀传感器和一种法-珀腔的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤法-珀传感器以及一种法-珀腔的形成方法，所述光纤法-珀传感器包括两根光纤(1)和两端具有开口的毛细玻璃管(2)，所述两根光纤(1)各自的一部分分别通过毛细玻璃管(2)的两端开口插入到所述毛细玻璃管(2)的腔体中，两根光纤(1)插入到所述腔体中的两端面相对且不接触，其中，所述毛细玻璃管(2)内壁与光纤(1)外壁之间的缝隙内还包括粘结所述毛细玻璃管(2)和光纤(1)的固化的低温玻璃(3)。本发明提供的光纤法-珀传感器几乎不存在热失配问题和机械稳定的问题、对光纤的损伤较小、精度较高、寿命较长。

Description

一种光纤法-珀传感器和一种法-珀腔的形成方法

技术领域

本发明涉及一种光纤法-珀传感器和一种法-珀腔的形成方法。

背景技术

迄今为止，光纤技术在很多领域都得到了应用，这是因为相对于以前电子元器件的使用来说，光纤在信号传输、接收质量、传输距离以及传输速度等指标上有着很大的提高。光纤传感器在油田的应用中以耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰、使用安全不打火、体积小等优势已经得到广泛认可。随着油田开采技术的发展，光纤传感器在石油领域的运用将成为一种趋势。目前，从事光纤传感器开发的公司有美国的Weatherford公司、Sabeus公司和Baker-Hughs公司，加拿大的FISO公司，巴西的Gavea公司，英国的Sensornet公司，法国的Schlumberger公司等。前五个公司主要发展方向为单点温度压力传感器，后两个公司主要发展方向为分布式温度传感器。

目前使用最广泛的光纤应变传感器主要基于光纤布拉格光栅技术和基于光纤法-珀干涉技术。利用光纤法-珀传感器的腔长对外界物理量敏感的特点，光纤法-珀传感器已经在工业、军事等诸多领域被广泛应用于应变、压力、温度和折射率等参数的传感。光纤法-珀传感器分为本征型法-珀传感器和非本征型法-珀传感器。非本征型法-珀传感器是指以光纤端面和空气界面为反射面构成法-珀腔，具有对某一物理或化学参数敏感的传感特性。目前，非本征型法-珀传感器主要通过在两段单模光纤之间熔接一段空心光纤、空心毛细管或空心光子晶体光纤，或直接利用空心毛细管将两段单模光纤对准并固定。所述熔接通常为焊接或通过粘结剂固化连接。但是，因为熔接处所用的材料与光纤和毛细管的膨胀系数不同，所以，温度的改变容易对法-珀腔的腔长产生串扰，从而导致其容易发生形变、精确度下降、存在热失配问题和机械稳定的问题、对光纤的损伤较大并且寿命缩短。此外，通过粘结剂固化粘结得到的光纤法-珀传感器还存在不耐高温、高温下存在蠕变、机械强度和热稳定性差的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服采用现有的方法得到的法-珀腔受温度串扰较大、精度较低、存在严重的热失配问题和机械稳定的问题、对光纤的损伤较大并且寿命较短的缺陷，而提供一种几乎不受温度串扰、精度较高、几乎不存在热失配问题和机械稳定的问题、对光纤的损伤较小并且寿命较长的光纤法-珀传感器以及一种法-珀腔的形成方法。

本发明提供了一种光纤法-珀传感器，该传感器包括两根光纤1和两端具有开口的毛细玻璃管2，所述两根光纤1各自的一部分分别通过毛细玻璃管2的两端开口插入到所述毛细玻璃管2的腔体中，两根光纤1插入到所述腔体中的两端面相对且不接触，其中，所述毛细玻璃管2内壁与光纤1外壁之间的缝隙内还包括粘结所述毛细玻璃管2和光纤1的固化的低温玻璃3。

此外，本发明还提供了一种法-珀腔的形成方法，该方法包括将两根光纤1各自的一部分分别通过毛细玻璃管2的两端开口插入到所述毛细玻璃管2的腔体中，两根光纤1插入到所述腔体中的两端面相对且不接触，其中，该方法还包括将低温玻璃固定在毛细玻璃管2的两端面处，加热使低温玻璃熔化并使其填充在毛细玻璃管2与光纤1之间的缝隙内，冷却使低温玻璃固化以粘结所述毛细玻璃管2和光纤1。

本发明的发明人发现，熔化后的低温玻璃可以很容易地填充在毛细玻璃管2与光纤1之间的缝隙内，并且冷却后能够将所述毛细玻璃管2和光纤1牢固地粘结在一起，熔接效果非常好。更为重要的是，低温玻璃、光纤、毛细玻璃管的主要成分均为二氧化硅，热膨胀系数相当，因此，相对于使用金属焊接或粘结剂固化连接，低温玻璃固化后在光纤上产生的表面应力要小很多，不仅对光纤的损伤较小，并且所得的法-珀腔几乎不受温度的串扰、且几乎不存在热失配问题和机械稳定的问题、精度较高、寿命较长。根据本发明的一个优选实施方式，当所述毛细玻璃管2的两端面还包括粘结所述毛细玻璃管2和光纤1的固化的低温玻璃时，所述光纤1与毛细玻璃管2的熔接效果更好，能够提高所得的法-珀腔的机械稳定性。根据本发明的另一个优选实施方式，在形成法-珀腔时，将低温玻璃固化时的冷却速率控制为5-50℃/min，优选为35-40℃/min，得到的法-珀腔几乎不存在残余应力，性能更为优异。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明提供的光纤法-珀传感器的截面示意图。

附图标记说明

1-光纤；2-毛细玻璃管；3-固化的低温玻璃。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供的光纤法-珀传感器包括两根光纤1和两端具有开口的毛细玻璃管2，所述两根光纤1各自的一部分分别通过毛细玻璃管2的两端开口插入到所述毛细玻璃管2的腔体中，两根光纤1插入到所述腔体中的两端面相对且不接触，其中，所述毛细玻璃管2内壁与光纤1外壁之间的缝隙内还包括粘结所述毛细玻璃管2和光纤1的固化的低温玻璃3。

光纤是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而制成的光传导工具。在日常生活中，由于光在光纤中的传导损耗比电在电线中的传导损耗低得多，因此，光纤通常被用作长距离的信息传递。按传输模式分，所述光纤包括单模光纤和多模光纤。所述单模光纤的中心玻璃芯很细(芯径一般为9-10微米)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯。所述多模光纤容许不同模式的光于一根光纤上传输，多模光纤的芯径较大，一般为50-100微米。

通常来说，低温玻璃不仅可以用作激光器及光电器件材料低温玻封粘连封接材料，还可以粘连封接玻璃、陶瓷和金属材料，粘连效果好、气密性高，是理想的封接材料。

根据本发明，所述低温玻璃3、光纤1和毛细玻璃管2的主要成分均为二氧化硅。而低温玻璃中通常还添加有氧化硼、氧化铅和氧化钒，因此，与光纤1和毛细玻璃管2相比，所述低温玻璃具有较低的软化温度或熔化温度，从而能够实现在将固态的低温玻璃熔化为液态的低温玻璃时，所述光纤1和毛细玻璃管2不被熔化或熔融。所述低温玻璃的熔化温度可以在较大范围内变动，只要满足低于光纤1和毛细玻璃管2的熔化温度即可，例如，所述低温玻璃的熔化温度通常不超过1200℃，优选地，所述低温玻璃的熔化温度为350-500℃。

根据本发明，优选情况下，如图1所示，当所述毛细玻璃管2的两端面处还包括粘结所述毛细玻璃管2和光纤1的固化的低温玻璃3时，所述光纤法-珀传感器更为牢固，机械性能更为优异。

本发明的主旨在于对光纤法-珀传感器的毛细玻璃管2与光纤1的固定方式的改进，即，采用固化的低温玻璃3将毛细玻璃管2与光纤1粘结，因此，对毛细玻璃管2与光纤1的尺寸、位置关系等都没有特别限定，可以与现有技术相同。例如，以所述光纤1的直径D为基准，所述毛细玻璃管2的内径通常可以为1.01D-1.5D，优选为1.03D-1.1D。此外，两根光纤1插入到所述腔体中的两端面之间的距离可以在较宽的范围内进行变动。通常来说，所述两端面直接的距离只要满足相对且不接触，被气隙隔开后形成一个空腔，光束通过传感光纤入射到腔内，能够通过两个光纤断面的多次反射而形成多光束干涉即可，例如，所述距离可以为10-500微米，优选为100-250微米。

本发明提供的法-珀腔的形成方法包括将两根光纤1各自的一部分分别通过毛细玻璃管2的两端开口插入到所述毛细玻璃管2的腔体中，两根光纤1插入到所述腔体中的两端面相对且不接触，其中，该方法还包括将低温玻璃固定在毛细玻璃管2的两端面处，加热使低温玻璃熔化并使其至少填充在毛细玻璃管2内壁与光纤1外壁之间的缝隙内，冷却使低温玻璃固化以粘结所述毛细玻璃管2和光纤1。

根据本发明，为了形成更为牢固的法-珀腔，优选情况下，所述法-珀腔的形成方法还包括加热使低温玻璃熔化并使其附着在所述毛细玻璃管2的两端面上，冷却使低温玻璃固化以粘结所述毛细玻璃管2和光纤1。

根据本发明，所述低温玻璃固定在毛细玻璃管2的两端面处的方式可以为各种固定方法，只要能够使得加热熔化后能够至少填充在毛细玻璃管2内壁与光纤1外壁之间的缝隙内，起到粘结所述毛细玻璃管2和光纤1的作用即可，例如，可以将低温玻璃填充在靠近毛细玻璃管2的端面处的毛细玻璃管2内壁与光纤1外壁之间的缝隙内，也可以将低温玻璃通过外界作用固定在毛细玻璃管2的两端面处。优选情况下，所述低温玻璃为环状的低温玻璃；所述将低温玻璃固定在毛细玻璃管2的两端面处的方式为将环状的低温玻璃套在光纤1上并紧贴毛细玻璃管2的端面。这样便可以很好地保证熔化后的低温玻璃不仅能够填充在所述毛细玻璃管2内壁与光纤1外壁之间的缝隙内，还能够分布于毛细玻璃管2的两端面处，从而更有利于所述毛细玻璃管2与光纤1之间的固定。

本发明对所述冷却的速率没有特别地限制，只要能够将融化后的液态的低温玻璃固化，从而将所述光纤1和毛细玻璃管2粘结在一起即可。但是，为了能够降低或几乎消除残余应力，避免出现应力集中，优选情况下，所述冷却的方式为逐步将温度降低至常温(25℃)，所述冷却的速率为5-50℃/min，更优选为35-40℃/min。

如上所述，本发明的主旨在于对法-珀腔的毛细玻璃管2与光纤1的固定方式的改进，对毛细玻璃管2与光纤1的尺寸、位置关系等都没有特别限定，可以与现有技术相同。因此，本发明对所述光纤1、毛细玻璃管2以及环状的低温玻璃的直径大小没有限制，只要使得光纤1与毛细玻璃管2能够匹配从而形成法-珀腔，并且环状的低温玻璃经熔融后可以很好地填充在所述毛细玻璃管2内壁与光纤1外壁之间的缝隙内，并优选还能够填充在所述毛细玻璃管2的两端面处即可，例如，以所述光纤1的直径D为基准，所述毛细玻璃管2的内径可以为1.01D-1.5D，优选为1.03D-1.1D，所述环状的低温玻璃的内径为1.01D-1.5D，优选为1.03D-1.1D。通常情况下，两根光纤1插入到所述腔体中的两端面之间的距离可以为10-500微米，优选为100-250微米。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

以下通过实施例进一步详细描述本发明，但这些实施例不应认为是对本发明范围的限制。

测试例和对比测试例中，所述法-珀腔传感器的腔长用光谱探测仪来进行测定(购自AXSUN公司，型号为OM3-DCR)；压力测试床购自HIP公司，型号为PS-90。

实施例1

该实施例用于说明本发明提供的法-珀腔的形成。

将直径均为125微米的两根光纤1的各自一部分分别通过内径为126微米的毛细玻璃管2的两端开口插入到所述毛细玻璃管2的腔体中，两根光纤1插入到所述腔体中的两端面的距离为100微米。将直径为150微米的环状的低温玻璃套在光纤1上并紧贴毛细玻璃管2的端面，将温度加热至350℃使低温玻璃熔化并填充在毛细玻璃管2内壁与光纤1外壁之间的缝隙内以及毛细玻璃管2的两端面处后，将温度以35℃/min的速率逐渐冷却至室温(25℃)。

实施例2

该实施例用于说明本发明提供的法-珀腔的形成。

将直径均为125微米的两根光纤1的各自一部分分别通过内径为135微米的毛细玻璃管2的两端开口插入到所述毛细玻璃管2的腔体中，两根光纤1插入到所述腔体中的两端面的距离为140微米。将直径为160微米的环状的低温玻璃套在光纤1上并紧贴毛细玻璃管2的端面，将温度加热至400℃使低温玻璃熔化并填充在毛细玻璃管2内壁与光纤1外壁之间的缝隙内以及毛细玻璃管2的两端面处后，将温度以40℃/min的速率逐渐冷却至室温(25℃)。

实施例3

该实施例用于说明本发明提供的法-珀腔的形成。

将直径均为125微米的两根光纤1的各自一部分分别通过内径为160微米的毛细玻璃管2的两端开口插入到所述毛细玻璃管2的腔体中，两根光纤1插入到所述腔体中的两端面的距离为180微米。将直径为180微米的环状的低温玻璃套在光纤1上并紧贴毛细玻璃管2的端面，将温度加热至500℃使低温玻璃熔化并填充在毛细玻璃管2内壁与光纤1外壁之间的缝隙内以及毛细玻璃管2的两端面处后，将温度以38℃/min的速率逐渐冷却至室温(25℃)。

实施例4

该实施例用于说明本发明提供的法-珀腔的形成。

按照实施例3的方法形成法-珀腔，不同的是，将低温玻璃熔化并填充在毛细玻璃管2内壁与光纤1外壁之间的缝隙内后，以50℃/min的速率逐渐降温冷却至室温(25℃)。

实施例5

该实施例用于说明本发明提供的法-珀腔的形成。

按照实施例4的方法形成法-珀腔，不同的是，将温度加热至700℃使低温玻璃熔化并填充在毛细玻璃管2内壁与光纤1外壁之间的缝隙内以及毛细玻璃管2的两端面处。

对比例1

该对比例用于说明现有的法-珀腔的形成。

按照实施例5的方式形成法-珀腔，不同的是，所述光纤1和毛细玻璃管2的固定方式为通过聚乙烯醇缩甲醛(购自武汉远城科技发展有限公司)固化粘结固定，具体为：

将直径均为125微米的两根光纤1的各自一部分的表面上涂覆上聚乙烯醇缩甲醛，并将涂覆上聚乙烯醇缩甲醛的部分分别通过内径为160微米的毛细玻璃管2的两端开口插入到所述毛细玻璃管2的腔体中，两根光纤1插入到所述腔体中的两端面的距离为180微米。加热使聚乙烯醇缩甲醛固化。

对比例2

该对比例用于说明现有的法-珀腔的形成。

按照实施例5的方式形成法-珀腔，不同的是，所述光纤1和毛细玻璃管2的固定方式为通过将焊料(锡铅合金)焊接固定，具体为：

将直径均为125微米的两根光纤1的各自一部分分别通过内径为160微米的毛细玻璃管2的两端开口插入到所述毛细玻璃管2的腔体中，两根光纤1插入到所述腔体中的两端面的距离为180微米。通过焊接将所述光纤1与毛细玻璃管2固定。

测试例1-5

测试例1-5用于说明由实施例1-5形成的法-珀腔的热稳定性能以及熔接效果的测试。

(1)热稳定性测试：

在常温(25℃)下，分别测定由实施例1-5形成的法-珀腔的腔长，并将温度从常温(25℃)升高到100℃后，所述法-珀腔的腔长分别增加了0.112纳米、0.114纳米、0.113纳米、0.115纳米和0.117纳米，当温度再次降到常温(25℃)时，所述法-珀腔的腔长又回到了起始值，与升温前的一致。

(2)熔接效果测试：

分别将由实施例1-5形成的法-珀腔安装到压力测试床上，用手压泵对法-珀腔进行加压，从安装在管线中的高精度数字压力表上可以看出压力值是否稳定，如果出现压力降低的现象则说明熔接处未达到预期效果。试验结果表明，手压泵加压到120MPa，持续30分钟，管线中的压力值未见降低，说明用低温玻璃熔接形成法-珀腔的效果非常好。

对比测试例1-2

对比测试例1-2用于说明对比例1-2形成的法-珀腔的热稳定性能以及熔接效果的测试。

(1)热稳定性测试：

按照测试例1-5的方法对由对比例1-2形成的法-珀腔的热稳定性能进行测试。

试验结果表明，将温度从常温(25℃)升高到100℃后，所述法-珀腔的腔长分别增加了2.163纳米和4.037纳米，当温度再次降到常温(25℃)时，所述法-珀腔的腔长未回到起始值，与起始值相比，分别增加了0.761纳米和0.856纳米。

(2)熔接效果测试：

按照测试例1-5的方法对由对比例1-2形成的法-珀腔的熔接效果进行测试。

试验结果表明，手压泵加压到17MPa，持续30分钟，管线中的压力值均出现明显降低，说明采用聚乙烯醇缩甲醛和锡铅合金熔接完成后形成的法-珀腔传感器承压效果要远远低于采用低温玻璃熔接形成的法-珀腔，熔接效果不佳。

从以上结果可以看出，固化后的低温玻璃3能够将所述光纤1和毛细玻璃管2进行很好地熔接，即采用本发明的方法制备得到的法-珀腔的具有良好的机械稳定性；且所述法-珀腔具有优异的热稳定性，因此，精度较高。此外，由于光纤1、毛细玻璃管2以及固化后的低温玻璃3的膨胀系数相当，采用本发明的方法制备得到的法-珀腔不容易发生形变；并且固化后的低温玻璃3在光纤1上产生的表面应力相对较小，因此，对光纤1的损伤也相对较小，可延长其使用寿命。

Claims (10)

1.一种光纤法-珀传感器，该传感器包括两根光纤(1)和两端具有开口的毛细玻璃管(2)，所述两根光纤(1)各自的一部分分别通过毛细玻璃管(2)的两端开口插入到所述毛细玻璃管(2)的腔体中，两根光纤(1)插入到所述腔体中的两端面相对且不接触，其特征在于，所述毛细玻璃管(2)内壁与光纤(1)外壁之间的缝隙内还包括粘结所述毛细玻璃管(2)和光纤(1)的固化的低温玻璃(3)。

2.根据权利要求1所述的光纤法-珀传感器，其中，所述毛细玻璃管(2)的两端面还包括粘结所述毛细玻璃管(2)和光纤(1)的固化的低温玻璃(3)。

3.一种法-珀腔的形成方法，该方法包括将两根光纤(1)各自的一部分分别通过毛细玻璃管(2)的两端开口插入到所述毛细玻璃管(2)的腔体中，两根光纤(1)插入到所述腔体中的两端面相对且不接触，其特征在于，该方法还包括将低温玻璃固定在毛细玻璃管(2)的两端面处，加热使低温玻璃熔化并使其至少填充在毛细玻璃管(2)内壁与光纤(1)外壁之间的缝隙内，冷却使低温玻璃固化以粘结所述毛细玻璃管(2)和光纤(1)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，该方法还包括加热使低温玻璃熔化并使其附着在所述毛细玻璃管(2)的两端面上，冷却使低温玻璃固化以粘结所述毛细玻璃管(2)和光纤(1)。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述低温玻璃为环状；所述将低温玻璃固定在毛细玻璃管(2)的两端面处的方式为分别将环状的低温玻璃套在光纤(1)上并紧贴毛细玻璃管(2)的端面。

6.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述低温玻璃的熔化温度不超过1200℃。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述低温玻璃的熔化温度为350-500℃。

8.根据权利要求3所述的方法，其中，所述冷却的速率为5-50℃/min。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，以所述光纤(1)的直径D为基准，所述毛细玻璃管(2)的内径为1.01D-1.5D；所述环状的低温玻璃的内径为1.01D-1.5D。

10.根据权利要求3所述的方法，其中，两根光纤(1)插入到所述腔体中的两端面之间的距离为10-500微米。