CN104820261A - 一种高温光纤光栅传感探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温光纤光栅传感探头，由金涂覆光纤、高温光纤光栅及不锈钢管封装外壳组成。高温光纤光栅是由紫外或红外飞秒激光刻写原始光栅通过热处理后制成，其工艺参数根据模型优化获得，能实现低温到1000℃的超大范围温度测量。采用激光加热物理形变方式将不锈钢管与高温光纤光栅金涂覆尾纤固定封装，起到保护、增敏及固定光栅状态的作用。该高温光纤光栅传感探头为无胶无焊料封装，尾纤全金属化，能够真正实现高温传感，而且体积小，精度高。

Description

一种高温光纤光栅传感探头
技术领域
本发明属于高温传感测量领域，涉及一种高温光纤光栅传感探头。
背景技术
目前，核电、石油化工和航空航天等领域对适用于电磁辐射、高温高压极端环境的500～1000℃高温传感器有着迫切的需求。高温传感器的传感部分要能耐受高温，其次，其他支撑传感器的部分也要耐受高温。光纤传感器具有尺寸小、重量轻、抗电磁干扰等优点，适用于极端环境下的温度传感。光纤高温传感方案主要有黑体辐射法、特种光纤光栅法、超快激光制备光纤光栅法及高温热处理光纤光栅法等等。黑体辐射法是通过高温透镜及传输光纤收集高温下物体辐射不同波长的光进行解调实现传感，传感温度范围及精度受到限制。普通光纤布拉格光栅在200～300℃时开始退化，在700℃左右被完全擦除，温度传感范围通常在500℃以内且高温使用寿命短。蓝宝石光纤光栅以其晶体材料特性能够耐受1745℃的高温，但是成本高，不利于推广应用。因此，如何制作高温光纤光栅是目前高温传感领域的难题。
光纤光栅传感器需要经过封装才能实际传感使用，高温封装是有待解决的问题。目前，封装方式一般为环氧树脂胶或玻璃焊料将光栅粘于金属件方式、光纤表面金属电镀并采用焊锡于金属件焊接方式等等。胶容易出现老化现象，且不耐高温；光纤表明金属化及焊锡焊接封装方式具有较好的可靠性，但焊锡材料无法承受500℃以上的高温，限制了传感器的使用温度范围。激光焊接方式一般利用焊接材料高温熔融实现连接，但焊料熔点较低，也无法满足高温(～1000℃)传感和测量。
光纤光栅的尾纤虽然不是直接传感部位，但是承担着传输信号的作用，也需要高温封装。现有镀金属的封装方案只对栅区进行保护，尾纤部分的封装未能真正实现耐受高温。因此，不是真正的高温传感器。
本发明给出了光纤光栅热处理模型，并依据这个模型对光栅进行热处理，获得了高温光纤光栅；采用耐高温的金涂覆尾纤保证了整个传感头的高温耐受能力；采用激光加热冲击使不锈钢封装外壳形变，进而挤压金涂覆的方式实现光栅与外壳的固化，保证无胶、无焊料封装，实现了真正的高温光纤光栅传感器。该传感探头结构简单，尺寸小，测量范围宽，精度高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服制作高温光纤光栅传感器光栅封装及尾纤部分不耐高温等问题，提出了一种高温光纤光栅传感探头，采用金涂覆光纤，保证尾纤部分耐高温，结合耐高温光纤光栅的制作工艺参数优化模型在金涂覆光纤制作耐高温光纤光栅，并采用不绣钢管和激光加热物理形变方式封装光纤光栅。该传感探头能真正耐受1000℃以上的高温，结构简单，尺寸小，测量范围宽，精度高。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
本发明提供一种高温光纤光栅传感探头，由金涂覆光纤、耐高温光纤光栅及不锈钢管封装组成；其中，所述的金涂覆光纤是涂覆层为金的高温光纤，高温光纤光栅在金涂覆光纤纤芯上，高温光纤光栅是由紫外或红外飞秒激光刻写光栅通过热处理制成，其工艺参数根据模型优化获得，能实现低温到1000℃的大范围温度测量；高温光纤光栅区域采用不锈钢管封装保护，采用激光加热方式使不锈钢管的两端发生物理形变，固定金涂覆光纤。
进一步的，所述是由紫外或红外飞秒激光刻写原始光栅通过热处理后制成，恒温热处理温度T与处理时间t的关系模型为：
t = A · e - T - T th B
其中，Tth为原始光纤光栅能产生高温光纤光栅阈值温度，A为恒温加热温度处于阈值温度Tth时，原始光纤光栅形成高温光纤光栅的时间，B为系数；
进一步的，所述的模型系数可以通过不同温度恒温热处理原始光纤光栅，得到不同温度下的原始光纤光栅形成高温光纤光栅的时间，进行拟合获得；同一类型的原始光纤光栅的模型系数相同，模型系数只需要进行一次标定，不同类型的原始光纤光栅需要重新标定模型系数。
进一步的，所述的热处理温度大于或等于阈值温度Tth。
进一步的，所述的金涂覆光纤涂覆层厚度为但不仅限于30μm，不锈钢管内径为但不仅限于0.3μm，不锈钢管内壁与金涂覆光纤之间有间隙。
进一步的，所述的激光加热封装方式为多个方向的激光同时聚焦在不锈钢管上，多次加热调节不锈钢管形变量，使不锈钢管受热产生多点物理形变填补间隙，将金涂覆光纤固定在不锈钢管内。
进一步的，所述的耐高温的光纤光栅传感探头为无胶无焊料封装，尾纤为金涂覆光纤，可真正耐受1000℃以上的高温，实现大范围、高温极端环境的温度传感。
进一步的，所述的一种高温光纤光栅传感探头，封装后，传感头尺寸小于Φ2mm×10mm(即直径2mm，长度10mm)。
本发明的原理在于：
一种高温光纤光栅传感探头，采用刀片或化学试剂除去金涂覆光纤的一小段涂覆层，并用紫外或红外飞秒激光在纤芯中刻写原始光栅。
进一步的，原始光栅进行热处理，会出现光栅退化至最小再恢复至最大的现象，当光栅恢复至最大时，形成高温光纤光栅。
进一步的，选取温度点800℃、900℃、1000℃三个温度点；将原始光栅样品12’置于高温炉21中，高温炉21的两个端口放置高温棉22，起到保温及保护光纤的作用；光栅样品11的两端用胶带粘在光纤垫高块23上，保持光栅样品12’始终水平松弛状态放置；光栅样品12’一端与光栅解调仪24连接，观察反射谱变化；将高温炉温度设置为800℃，温度从室温缓慢升至800℃，到达800℃时恒温保持，观察并记录形成高温光纤光栅的时间；更换光栅样品，改变高温炉的温度，重复上述过程，得到900℃及1000℃下原始光栅样品形成高温光纤光栅的时间；根据制作模型公式进行拟合，获得制作模型参数，不同类型的原始光栅制作工艺模型为：
进一步的，高温光纤光栅的制作工艺模型，Tth阈值温度与光纤和原始光栅类型有关，载氢光纤的温度阈值低于非载氢光纤，紫外激光制备的原始光栅阈值温度低于红外飞秒激光刻写的光栅。
一种高温光纤光栅传感探头，高温光纤光栅能耐受1000℃以上高温；尾纤为金涂覆光纤，金的熔点为1063℃；采用无胶、无焊料的激光加热不锈钢管形变的方式封装，耐受温度为不锈钢的熔点温度，大于1400℃；因此，传感探头整体能耐受1000℃以上高温。
进一步的，不锈钢管内壁与金涂覆光纤之间有间隙，多向激光同时加热不锈钢管产生形变量填补间隙，进而挤压固定金涂覆光纤；激光能量需要优选，例如可以通过小功率多次激光加热方式调节不锈钢管形变量，使形变量能填补间隙，挤压固定金涂覆光纤，又不至于破坏光纤。
本发明一种高温光纤光栅传感探头的有益效果是：
(1)、本发明采用金涂覆光纤，保证尾纤部分能够耐受高温。
(2)、本发明的制作模型为热处理光纤光栅提供依据，适用于不同类型的原始光纤光栅，能够提高高温光纤光栅的制作效率，高温光纤光栅能够耐受>1000℃的高温。
(3)、本发明采用多向激光加热不锈钢管外壳产生物理形变的方式封装光纤光栅，固定光栅状态，实现无胶、无焊料化封装，使传感探头真正耐受1000℃以上的高温，结构简单，尺寸小，测量范围宽，精度高。
附图说明
图1为一种高温光纤光栅传感探头结构示意图。图1中，11是金涂覆光纤，12是高温光纤光栅，13是不锈钢管封装外壳，14是激光焊接形变区域。
图2为高温光纤光栅热处理装置示意图。图2中，12’是原始光纤光栅，21是高温炉，22是高温棉，23是光纤垫高块，24是光栅解调仪。
图3为紫外载氢光纤光栅、红外飞秒载氢光纤光栅、红外飞秒非载氢光纤光栅的高温热处理数据及制作模型拟合曲线。
图4为高温光纤光栅在室温至1100℃范围内的升降温曲线。
图5为激光加热方式封装示意图，激光头个数不仅限于图中所示3个。图5中，11是金涂覆光纤，13是不锈钢管封装外壳，31是激光加热焊接装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明内容作进一步详细说明。
参考图3所示，紫外或红外飞秒激光刻写的原始光栅经不同温度热处理，原始光栅形成高温光纤光栅的时间t与温度T呈指数下降曲线关系。
下面结合附图1、附图2、附图4、附图5，具体介绍一种高温光纤光栅传感探头的制作过程。
1)在金涂覆光纤上制备红外飞秒原始光栅。
2)根据制作模型及可接受的热处理时间120min，计算得到热处理温度为957℃。
3)将原始光纤光栅12’置于高温炉21中，957℃恒温处理光栅120min，然后关闭高温炉21，使温度自然冷却或将光栅直接抽出高温炉21，可获得高温光纤光栅12；参考附图4所示，高温光纤光栅12在室温至1100℃的温度范围内，升降温曲线均为线性曲线，重复性良好。
4)参考附图1及附图5所示，将高温光纤光栅12穿过不锈钢管13，使光栅区域位于不锈钢管13内；用光纤夹具固定光纤位置，并用夹具固定不锈钢管13位置；将激光头31移至不锈钢管13一端，激光头31与不锈钢管距离一致，调节激光功率，调节激光对焦位置，多向激光同时加热不锈钢管，多次加热使其产生物理形变与金涂覆光纤固接，然后移至不锈钢管13另一端，采用相同方法再次焊接，即可获得高温光纤光栅传感探头。
本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种高温光纤光栅传感探头，其特征在于，所述的传感探头由金涂覆光纤(11)、高温光纤光栅(12)及不锈钢管封装外壳(13)组成；其中，所述的金涂覆光纤(11)是涂覆层为金的高温光纤，高温光纤光栅(12)在金涂覆光纤纤芯上，高温光纤光栅是由紫外或红外飞秒激光刻写光栅通过热处理后制成，其工艺参数根据研究获得的模型优化获得，能实现低温到1000℃的大范围温度测量；高温光纤光栅区域采用不锈钢管(13)封装保护，采用激光加热方式使不锈钢管(13)的两端发生物理形变，固定金涂覆光纤(11)。
2.根据权利要求1所述的一种高温光纤光栅传感探头，其特征在于，所述高温光纤光栅是由紫外或红外飞秒激光刻写原始光栅通过热处理后制成，恒温热处理温度T与处理时间t的关系模型为：
t = A · e T - T th B
其中，Tth为原始光纤光栅能产生高温光纤光栅阈值温度，A为恒温加热温度处于阈值温度Tth时，原始光纤光栅形成高温光纤光栅的时间，B为系数；
模型系数可以通过不同温度恒温热处理原始光纤光栅，得到不同温度下的原始光纤光栅形成高温光纤光栅的时间，进行拟合获得；同一类型的原始光纤光栅的模型系数相同，模型系数只需要进行一次标定，不同类型的原始光纤光栅需要重新标定模型系数。
3.根据权利要求1所述的一种高温光纤光栅传感探头，其特征在于，所述的热处理温度应大于或等于阈值温度Tth。
4.根据权利要求1所述的一种高温光纤光栅传感探头，其特征在于，所述的金涂覆光纤涂覆层厚度为但不仅限于30μm，不锈钢管内径为但不仅限于0.3μm，不锈钢管内壁与金涂覆光纤之间有间隙。
5.根据权利要求1所述的一种高温光纤光栅传感探头，其特征在于，所述的激光加热封装方式为多个方向的激光同时聚焦在不锈钢管(13)上，多次加热调节不锈钢管形变量，使不锈钢管(13)受热产生多点物理形变填补间隙，将金涂覆光纤(11)固定在不锈钢管(13)内。
6.根据权利要求1所述的一种高温光纤光栅传感探头，其特征在于，所述的高温的光纤光栅传感探头为无胶无焊料封装，尾纤为金涂覆光纤，可真正耐受1000℃以上的高温，实现大范围、高温极端环境的温度传感。
7.根据权利要求1所述的一种高温光纤光栅传感探头，其特征在于，封装后，传感头尺寸小于Φ2mm×10mm。
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