CN104198096A - 用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，包括封装壳体以及设置于所述封装壳体内的弹性体和光纤光栅感应装置，所述弹性体采用金属基复合材料制成，所述光纤光栅感应装置包括压力敏感光栅，所述压力敏感光栅嵌入所述弹性体内，所述压力敏感光栅表面涂覆有金属材料，该光纤光栅压力传感器能够较大程度改善光纤光栅压力传感器的抗高压耐高温性能，具有高强度、高模量和测量精确度高的优点。本发明还涉及一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器制作方法。

Description

用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器及制作方法

技术领域

本发明涉及光纤压力传感器技术领域，特别是涉及一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器及制作方法。

背景技术

光纤压力传感技术是工程监测技术中的关键技术之一。光纤压力传感器利用光学原理和光纤技术，将感知的被测信号转换为可传输并测量的输出信号。在光纤压力传感器结构功能中，光纤即是传感敏感元件也是传输信号介质，作为传感敏感元件其具有测量灵敏度高和性能稳定等特点；作为传输信号介质其具有不受电磁干扰和信号损失量小等特点，因此，光纤压力传感器在工程监测领域的应用尤其重要及广泛，光纤压力传感技术已经在勘测、监控、隧道以及基坑等地下工程的施工和研究中实现重要的应用和实践；通常，传感光纤直接通过电缆连接到控制监测中心，以实现远程分布式监测。

光纤光栅压力传感器是利用在光纤纤芯中引起折射率的周期性变化而形成的。光纤光栅中折射率分布的周期性结构，能够反射特定波长的光波，从而形成光纤光栅的反射谱。反射波长与温度和光栅所受应变有关，因此光纤光栅可以用来测量应变和温度的变化，以及由其它物理量导致的应变和温度变化。在光纤光栅压力传感器应用时，通常将光纤光栅嵌入在弹性体中，同时进行保护封装。反射光的波长对温度和应变非常敏感，当弹性体的表面受到压力时，弹性体本身就会产生应变，这个应变再由光纤光栅感知应变变化，光纤光栅与弹性体一起发生应变，导致光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度量来实现对温度和应变的感测。光纤光栅压力传感器的弹性体一般采用金属材料，光栅和金属之间往往采用粘接或者焊接的方法，但是这种方式应用在高温环境下往往失效；将光纤光栅埋入在碳纤维复合材料中能够扩大测量范围，但是碳纤维复合材料的工作温度是在350℃以内，不适合更高的温度；并且，光纤的表面涂覆材料一般采用丙烯酸酯和聚酰亚胺两种材料，但其都不适合在300℃以上的高温下工作。

发明内容

本发明针对现有的光纤光栅压力传感器由于结构的限制导致无法在高温高压环境下应用的问题，提供一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，能够较大程度改善光纤光栅压力传感器的抗高压耐高温性能，具有高强度、高模量和测量精确度高的优点。本发明还涉及一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器制作方法。

本发明的技术方案如下：

一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括封装壳体以及设置于所述封装壳体内的弹性体和光纤光栅感应装置；所述弹性体采用金属基复合材料制成，所述光纤光栅感应装置包括压力敏感光栅，所述压力敏感光栅嵌入所述弹性体内，所述压力敏感光栅表面涂覆有金属材料。

所述光纤光栅感应装置还包括温度补偿光栅，所述温度补偿光栅通过隔离器件与所述压力敏感光栅相连接并且封装在所述封装壳体内，所述温度补偿光栅表面涂覆有金属材料。

所述封装壳体采用不锈钢材料。

所述压力敏感光栅表面涂覆有两层镍金属材料以均匀产生压力应变。

所述金属基复合材料包括致密化的金属基体材料和增强材料，所述增强材料包括碳纤维，所述弹性体包括金属基体材料制成的金属基体和增强材料制成的增强体。

所述金属基体选取不同的金属材料以适应不同的环境温度。

所述增强材料为碳纤维，所述碳纤维表面涂覆有镍金属材料。

一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：首先在光纤局部去除包覆层并作载氢处理，接着利用紫外波段激光器和相位掩膜板在所述光纤局部刻制压力敏感光栅并作热处理，然后在去除包覆层的所述光纤局部涂覆金属材料，并将涂覆金属材料的压力敏感光栅嵌入采用金属基复合材料制成的弹性体中，再将所述弹性体封装在外部封装壳体中。

利用紫外波段激光器和相位掩膜板在所述光纤局部刻制压力敏感光栅时还刻制温度补偿光栅并作热处理，将弹性体和温度补偿光栅均封装在外部封装壳体中。

所述将涂覆金属材料的压力敏感光栅嵌入采用金属基复合材料制成的弹性体中步骤，具体为，所述弹性体包括金属基体材料制成的金属基体和增强材料制成的增强体，所述增强材料为碳纤维，在所述碳纤维表面涂覆镍金属材料，并将所述涂覆镍金属材料的压力敏感光栅表面再次涂覆镍金属材料，形成镍金属化压力敏感光栅，采用粉末冶金工艺在所述金属基熔点以下将所述金属基体和所述碳纤维致密化处理，并采用真空热压工艺将所述镍金属化压力敏感光栅和镍金属材料涂覆的碳纤维固化在一起。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及的一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，包括封装壳体以及设置于所述封装壳体内的弹性体和光纤光栅感应装置；所述弹性体采用金属基复合材料制成，所述光纤光栅感应装置包括压力敏感光栅，所述压力敏感光栅嵌入所述弹性体内，所述压力敏感光栅表面涂覆有金属材料，这种结构构成的光纤光栅压力传感器能够利用光致折变效应，在光纤的局部形成折射率周期性分布的光纤布拉格光栅反射特定波长的光波，用来测量应变和温度的变化，以及由其它物理量导致的应变和温度变化。光纤光栅压力传感器具有不受电磁干扰、光传输损耗低、适于长距离等优点；同时，光纤光栅压力传感器还利用金属基复合材料的弹性体感知外界的压强变化，压强变化使得金属基复合材料产生应变，这个应变作用在压力敏感光栅上，使光纤光栅反射峰波长发生变化以供测量，这种结构的光纤光栅压力传感器适合应用在高温高压环境下工作，避免了现有技术采用金属材料的弹性体由于光栅和金属之间的粘结或焊接导致在高温环境下失效的问题，也避免了现有技术将光纤光栅埋入在碳纤维复合材料中工作温度仅能在350℃以内无法适应更高温度的问题，金属基复合材料可以工作在350—1200℃的高温环境下，并且保持高强度和高模量。此外，光纤光栅压力传感器还利用在压力敏感光栅表面涂覆金属材料使其能够承受更高的工作温度，能够耐受高温的光纤光栅作为感受和传输的介质可进一步提高光纤光栅压力传感器抗高温高压的工作能力，避免了现有技术在光纤的表面涂覆丙烯酸酯和聚酰亚胺两种材料导致无法在300℃以上的高温下工作的问题。将涂覆金属材料形成的金属化的光纤光栅埋入金属基复合材料的弹性体，形成能够用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，可以长时间工作在400℃的高温且能达到数十兆帕的高压环境下。这种光纤光栅压力传感器适合于精确测量石油井下、发动机测试等应用。

进一步，为了抵消温度变化对光纤光栅反射波长产生的影响，压力敏感光栅通过隔离器件连接一个温度补偿光栅，即光纤光栅压力传感器的光纤光栅感应装置包括压力敏感光栅和温度补偿光栅，压力敏感光栅对压强变化和温度敏感；温度补偿光栅只对温度变化敏感，对压强变化不敏感，这样该光纤光栅感应装置可以实现对应变和温度双重敏感。并且，该压力敏感光栅表面涂覆两层镍金属材料以均匀产生压力应变，并可以在高温范围下稳定工作；同时，该光纤光栅压力传感器的金属基复合材料的弹性体包括金属基体材料制成的金属基体和增强材料制成的增强体，并且根据金属基复合材料弹性体的金属材料的不同，可以在不同高温范围下稳定工作，同时具有高强度、高模量。

本发明涉及的一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器制作方法，首先在光纤局部去除包覆层并作载氢处理，接着利用紫外波段激光器和相位掩膜板在所述光纤局部刻制压力敏感光栅(和进一步刻制温度补偿光栅)并作热处理，然后在去除包覆层的所述光纤局部涂覆金属材料，并将涂覆金属材料的压力敏感光栅嵌入采用金属基复合材料制成的弹性体中，最后将所述弹性体和温度补偿光栅封装在外部封装壳体中，这种方法制作的光纤光栅压力传感器，能够在所有需要的如在400℃的高温且能达到数十兆帕的高温高压环境下长时间稳定的工作。

进一步，该光纤光栅压力传感器的金属基复合材料的弹性体包括金属基体材料制成的金属基体和增强材料制成的增强体，在制作时选择增强材料为碳纤维并在碳纤维表面涂覆镍金属材料，并将所述涂覆镍金属材料的压力敏感光栅表面再次涂覆镍金属材料，形成镍金属化压力敏感光栅，采用粉末冶金工艺在所述金属基熔点以下将所述金属基体和所述碳纤维致密化处理，并采用真空热压工艺将所述镍金属化压力敏感光栅和镍金属材料涂覆的碳纤维固化在一起，这种工艺方法处理进一步提高光纤光栅压力传感器抗高温高压的工作能力。

附图说明

图1为本发明用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器优选结构示意图。

图2a为本发明公开的光纤光栅结构示意图；图2b为本发明公开的光纤光栅折射率周期变化示意图。

图3a、图3b和图3c分别为本发明涉及的光纤光栅的入射、投射和反射波长示意图。

图4为本发明金属基复合材料的弹性体的结构示意图。

图中各标号列示如下：

1－封装壳体；2－弹性体；3－压力敏感光栅；4－温度补偿光栅；5－光纤；6－纤芯；7－布拉格光栅；8－金属基体；9－碳纤维；10－镍金属化压力敏感光栅；11－隔离器件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明公开了一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，其优选结构示意图如图1所示。该光纤光栅压力传感器包括封装壳体1以及设置于所述封装壳体1内的弹性体2和光纤光栅感应装置，该光纤光栅感应装置包括通过隔离器件11相互连接的压力敏感光栅3和温度补偿光栅4，其中压力敏感光栅3嵌入弹性体2内，温度补偿光栅4在弹性体2外部且封装在封装壳体1内。其中，封装壳体1可以采用不锈钢材料或其它刚性材料，弹性体2采用金属基复合材料制成，光纤光栅感应装置也可以仅包括压力敏感光栅3，温度补偿光栅4为优选部件，压力敏感光栅3和温度补偿光栅4表面均涂覆有金属材料。

本发明涉及的光纤光栅压力传感器，利用紫外波段激光器和相位掩膜板，在单模光纤的局部形成如图1所示的周期性折射率分布的光栅，即布拉格光栅，同时为了抵消温度变化对光纤光栅反射波长产生的影响，在压力敏感光栅3的后端通过隔离器件11加入一个温度补偿光栅4，可以实现对应变和温度双重敏感，温度补偿光栅只对温度变化敏感，对压强变化不敏感，并且隔离器件11可以起到阻隔压力传输的作用；该光纤光栅压力传感器利用金属基复合材料的弹性体2感知外界的压强变化，压强变化使得金属基复合材料产生应变，这个应变作用在压力敏感光栅3上，使光纤光栅反射峰波长发生变化，并且金属基复合材料视金属材料的不同，可以在350-1200℃下稳定工作，同时具有高强度、高模量；光纤光栅压力传感器可以利用在压力敏感光栅3和温度补偿光栅4表面涂覆金属材料，进一步提高光纤光栅压力传感器抗高温高压的工作能力。采用金属作为涂覆的光纤光栅都能够承受较高工作温度，以铜为材料涂覆的光纤光栅为例，表面涂覆了铜金属的压力敏感光栅3和温度补偿光栅4可以长时间耐受400℃的高温，短时间耐受600℃的高温；以镍金属材料为例进行说明，表面涂覆了镍金属的压力敏感光栅3和温度补偿光栅4可以在400-600℃下长时间工作。本发明涉及的如图1所示的光纤光栅压力传感器，优选在压力敏感光栅3表面涂覆两层镍金属材料以均匀产生压力应变，将表面涂覆镍金属的压力敏感光栅3嵌入金属基复合材料的弹性体2中，形成能够用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，可以长时间工作在400℃的高温且能达到数十兆帕的高压环境下，这种结构的光纤光栅压力传感器适合于精确测量石油井下或发动机测试等应用环境。

光纤光栅压力传感器利用光致折变效应，如图2a所示，在光纤5的纤芯6的局部形成折射率周期性分布的布拉格光栅7，其相应的周期性分布的折射率如图2b所示。光纤布拉格光栅能够反射特定波长的光波，反射波长与温度和光栅所受应变有关，其入射、投射和反射波长示意图如图3a、图3b和图3c所示，因此光纤光栅可以用来测量应变和温度的变化，以及由其它物理量导致的应变和温度变化。光纤光栅的反射波长λ_B可以用公式表示为：

λ_B＝2n_eΛ

其中，n_e为光纤纤芯的等效折射率；Λ为光栅周期。应变和温度直接影响光纤纤芯的折射率，可以用下面的线性公式说明：

${\∂n}_e=\frac{{\∂n}_e}{\∂T}\mathrm{\ΔT}+\frac{{\∂n}_e}{\∂\mathrm{\σ}}\mathrm{\Δ\σ}$

其中，表示折射率变化；和表示折射率随温度和轴向应力的变化系数；和表示温度和应力的变化。

用光纤光栅测量其它物理量时，需要将相应的物理量转化为应变的变化，例如，将压力敏感光栅3嵌入金属基复合材料的弹性体2中，弹性体的表面在承受压力时，弹性体本身就会产生应变，这个应变再由光纤光栅感知应变变化，转换成反射光的波长变化。

当利用上述高温高压光纤光栅压力传感器进行测试时，光谱范围能够达到数十纳米的宽带光源的光入射到传感器后，特定波长的光会被压力敏感光栅3和温度补偿光栅4分别反射至传感器解调仪，压力敏感光栅3和温度补偿光栅4的反射波长相差数纳米，在全部工作范围内两者的反射波不会重叠在一起。压力敏感光栅3感受应变和温度的变化，温度补偿光栅4感受温度的变化，将温度变化从压力敏感光栅3的测量结果中减除，得到的就是外界的压强变化。传感器测量到的压强与光栅反射光波长的关系如下：

P＝G_p[(λ₁-λ₀)-K(λ_T1-λ_T0)]

其中，P为压强；G_p为传感器线性系数；K为温度修正系数；λ₁、λ_T1为压力敏感光栅3和温度补偿光栅4的当前波长值(nm)；λ₀、λ_T0为压力敏感光栅3和温度补偿光栅4初始的波长值(nm)。

图4是本发明的金属基复合材料弹性体结构示意图，如图所示，金属基复合材料弹性体2包括金属基体材料制成的金属基体8和增强材料制成的增强体，该增强材料为碳纤维9，碳纤维9表面涂覆有镍金属材料。金属基体8和碳纤维9通过致密化工艺挤压压制等连为一体形成金属基复合材料弹性体2，涂覆有镍金属材料的压力敏感光栅即镍金属化压力敏感光栅10嵌入金属基复合材料形成的弹性体2中。光纤光栅压力传感器利用金属基复合材料的弹性体2感知外界的压强变化，压强变化使得金属基复合材料产生应变，这个应变作用在压力敏感光栅3上，使光纤光栅反射峰波长发生变化，并且金属基复合材料视金属材料的不同，可以在350-1200℃下稳定工作，即金属基体8选取不同的金属材料以适应不同的环境温度；同时选择碳纤维9作为增强材料，使得这种结构的光纤光栅压力传感器具有高强度和高模量。

本发明还涉及一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器制作方法，所述方法包括以下步骤：首先在光纤局部去除包覆层并作载氢处理，该包覆层通常为丙烯酸酯材料，或聚酰亚胺材料，或铜、铝或镍等金属材料，接着利用紫外波段激光器和相位掩膜板在所述光纤局部刻制压力敏感光栅3并作热处理，然后在去除包覆层的所述光纤局部涂覆镍金属材料(即在去除包覆层刻制压力敏感光栅3的光纤上涂覆镍金属材料)，并将涂覆镍金属材料的压力敏感光栅3嵌入采用金属基复合材料制成的弹性体2中，最后将所述弹性体2封装在外部封装壳体1中，就制成一个完整的高温高压环境下的光纤光栅压力传感器。

本发明用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器的优选制作方法是，利用紫外波段激光器和相位掩膜板在所述光纤局部刻制压力敏感光栅时还刻制温度补偿光栅并作热处理，也就是说，在光纤局部去除包覆层并作载氢处理，接着利用紫外波段激光器和相位掩膜板在所述光纤局部刻制压力敏感光栅3和温度补偿光栅4并作热处理，然后在去除包覆层的所述光纤局部涂覆镍金属材料(即在去除包覆层刻制压力敏感光栅3和温度补偿光栅4的光纤上涂覆镍金属材料)，并将涂覆镍金属材料的压力敏感光栅3嵌入采用金属基复合材料制成的弹性体2中，最后将所述弹性体2和温度补偿光栅4封装在外部封装壳体1中。

其中，所述金属基复合材料的弹性体2包括金属基体材料制成的金属基体8和增强材料制成的增强体，所述增强材料为碳纤维9，在制作金属基复合材料的弹性体2时，为防止碳纤维9与金属基体材料发生化学反应，将所述碳纤维表面涂覆镍金属材料，并将所述涂覆镍金属材料的压力敏感光栅3表面再次涂覆镍金属材料，形成镍金属化压力敏感光栅10，采用粉末冶金工艺在所述金属基熔点以下将所述金属基体8和所述碳纤维9致密化处理，并采用真空热压工艺将所述镍金属化压力敏感光栅10和镍金属材料涂覆的碳纤维9固化在一起。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括封装壳体以及设置于所述封装壳体内的弹性体和光纤光栅感应装置；所述弹性体采用金属基复合材料制成，所述光纤光栅感应装置包括压力敏感光栅，所述压力敏感光栅嵌入所述弹性体内，所述压力敏感光栅表面涂覆有金属材料。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述光纤光栅感应装置还包括温度补偿光栅，所述温度补偿光栅通过隔离器件与所述压力敏感光栅相连接并且封装在所述封装壳体内，所述温度补偿光栅表面涂覆有金属材料。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述封装壳体采用不锈钢材料。

4.根据权利要求2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述压力敏感光栅表面涂覆有两层镍金属材料以均匀产生压力应变。

5.根据权利要求4所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述金属基复合材料包括致密化的金属基体材料和增强材料，所述增强材料包括碳纤维，所述弹性体包括金属基体材料制成的金属基体和增强材料制成的增强体。

6.根据权利要求5所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述金属基体选取不同的金属材料以适应不同的环境温度。

7.根据权利要求5所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述增强材料为碳纤维，所述碳纤维表面涂覆有镍金属材料。

8.一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：首先在光纤局部去除包覆层并作载氢处理，接着利用紫外波段激光器和相位掩膜板在所述光纤局部刻制压力敏感光栅并作热处理，然后在去除包覆层的所述光纤局部涂覆金属材料，并将涂覆金属材料的压力敏感光栅嵌入采用金属基复合材料制成的弹性体中，再将所述弹性体封装在外部封装壳体中。

9.根据权利要求8所述的光纤光栅压力传感器制作方法，其特征在于，利用紫外波段激光器和相位掩膜板在所述光纤局部刻制压力敏感光栅时还刻制温度补偿光栅并作热处理，将弹性体和温度补偿光栅均封装在外部封装壳体中。

10.根据权利要求8或9所述的光纤光栅压力传感器制作方法，其特征在于，所述将涂覆金属材料的压力敏感光栅嵌入采用金属基复合材料制成的弹性体中步骤，具体为，所述弹性体包括金属基体材料制成的金属基体和增强材料制成的增强体，所述增强材料为碳纤维，在所述碳纤维表面涂覆镍金属材料，并将所述涂覆镍金属材料的压力敏感光栅表面再次涂覆镍金属材料，形成镍金属化压力敏感光栅，采用粉末冶金工艺在所述金属基熔点以下将所述金属基体和所述碳纤维致密化处理，并采用真空热压工艺将所述镍金属化压力敏感光栅和镍金属材料涂覆的碳纤维固化在一起。