CN108151665A - 一种基于fbg的耐超高温应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FBG的耐超高温应变传感器，包括碳‑碳复合材料基底座，所述碳‑碳复合材料基底座顶部的中部固定连接有耐高温陶瓷胶块，并且耐高温陶瓷胶块的内部贯穿有不锈钢保护套，所述不锈钢保护套的外表面且与耐高温陶瓷胶块相对应的位置固定连接有耐高温金属膜，所述不锈钢保护套的内壁且与耐高温陶瓷胶块和耐高温金属膜相对应的位置固定连接有Ⅱ型光纤光栅，涉及光纤传感技术领域。该基于FBG的耐超高温应变传感器，可以更好的满足在高温的环境下长期的使用，防止了导致在使用的过程中造成元器件的损害，增强了相应的应变性能，更加的提高了其灵敏程度更低，保证了可以在超高温条件下物体表面的应变测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体为一种基于FBG的耐超高温应变传感器。
背景技术
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
光纤光栅作为一种新型的光纤无源器件，因其具有抗干扰性强、耐腐蚀、体积小、重量轻、寿命长、无连接损耗、可实现多点分布式测量等优良特性，在光纤传感领域具有广阔的应用前景，目前，传统的光纤光栅传感器在工作时所能承受的温度相对较低，不能满足在高温的环境下长期的使用，导致在使用的过程中造成元器件的损害，并且对相应的应变性能也相对的较差，灵敏程度更低。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于FBG的耐超高温应变传感器，解决了目前传统的光纤光栅传感器在工作时所能承受的温度相对较低，不能满足在高温的环境下长期的使用，导致在使用的过程中造成元器件的损害，并且对相应的应变性能也相对的较差，灵敏程度更低的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于FBG的耐超高温应变传感器，包括碳-碳复合材料基底座，所述碳-碳复合材料基底座顶部的中部固定连接有耐高温陶瓷胶块，并且耐高温陶瓷胶块的内部贯穿有不锈钢保护套，所述不锈钢保护套的外表面且与耐高温陶瓷胶块相对应的位置固定连接有耐高温金属膜，所述不锈钢保护套的内壁且与耐高温陶瓷胶块和耐高温金属膜相对应的位置固定连接有Ⅱ型光纤光栅，所述不锈钢保护套的内部贯穿有光纤，并且光纤位于不锈钢保护套外部的一端固定连接有APC光纤接头。
优选的，所述耐高温金属膜的材料采用镍-铬-钼合金，并且耐高温金属膜的熔点高达1290℃。
优选的，所述耐高温陶瓷胶块的型号为890，并且耐高温陶瓷胶块的热膨胀系数为-4.4×10-6/℃，所述耐高温陶瓷胶块的熔点可达1650℃。
优选的，所述不锈钢保护套的型号采用304，并且不锈钢保护套的热膨胀系数为-17×10-6/℃。
本发明还公开了一种基于FBG的耐超高温应变传感器的工作方法，具体包括以下步骤：
S1、先将不锈钢保护套表面的中部粘合上耐高温金属膜，并且通过耐高温陶瓷胶块与耐高温金属膜相对应的位置将不锈钢保护套固定在碳-碳复合材料基底座的顶部；
S2、再将光纤的一端贯穿至不锈钢保护套内部，并光纤同时贯穿Ⅱ型光纤光栅；
S3、光纤位于不锈钢保护套外部的一端与APC光纤接头固定连接；
S4、光纤光栅传感以其反射波长随外界参量的变化而改变为基础，当宽带光源在Ⅱ型光纤光栅中传输时，产生模式耦合，根据光纤耦合模理论，对其进行检测分析处理。
优选的，在S4中，当宽带光源在Ⅱ型光纤光栅中传输时，产生模式耦合，根据光纤耦合模理论，满足布拉格条件的光波λB被反射，其余波长的光波被透射，有：
λB＝2neffΛ (1)
式中：Λ为光栅的周期；neff为光栅的有效折射率，当温度、应力等参量发生变化时，将会导致Λ和neff的变化，从而导致λB的变化有：
ΔλB＝2ΔneffΛ+2neffΔΛ (2)
所提出的FBG超高温度应变传感器的工作原理是测量布拉格波长的改变，这种改变是通过在高温条件下(温度已知)由应变引起的；
布拉格波长λB的相对变化ΔλB为
ΔλB＝λB(1-pe)Δε (3)
式中：Pe是Ⅱ型光纤光栅的弹光系数；
当传感器感受到被测物体的温度影响后，传感元件导致FBG产生轴向应变：
(三)有益效果
本发明提供了一种基于FBG的耐超高温应变传感器。具备以下有益效果：该基于FBG的耐超高温应变传感器，通过碳-碳复合材料基底座顶部的中部通过耐高温陶瓷胶块固定连接有不锈钢保护套，不锈钢保护套的外表面且与耐高温陶瓷胶块相对应的位置固定连接有耐高温金属膜，不锈钢保护套的内部固定连接有Ⅱ型光纤光栅且贯穿有光纤，光纤位于不锈钢保护套外部的一端固定连接有APC光纤接头，解决了目前传统的光纤光栅传感器在工作时所能承受的温度相对较低的情况，可以更好的满足在高温的环境下长期的使用，防止了导致在使用的过程中造成元器件的损害，增强了相应的应变性能，更加的提高了其灵敏程度更低，保证了可以在超高温条件下物体表面的应变测量。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中，1碳-碳复合材料基底座、2耐高温陶瓷胶块、3不锈钢保护套、4耐高温金属膜、5Ⅱ型光纤光栅、6光纤、7 APC光纤接头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种基于FBG的耐超高温应变传感器，如图1所示，包括碳-碳复合材料基底座1，碳-碳复合材料基底座1顶部的中部固定连接有耐高温陶瓷胶块2，耐高温陶瓷胶块2的型号为890，并且耐高温陶瓷胶块2的热膨胀系数为-4.4×10-6/℃，耐高温陶瓷胶块2的熔点可达1650℃，并且耐高温陶瓷胶块2的内部贯穿有不锈钢保护套3，不锈钢保护套3的型号采用304，并且不锈钢保护套3的热膨胀系数为-17×10-6/℃，不锈钢保护套3的外表面且与耐高温陶瓷胶块2相对应的位置固定连接有耐高温金属膜4，耐高温金属膜4的材料采用镍-铬-钼合金，并且耐高温金属膜4的熔点高达1290℃，不锈钢保护套3的内壁且与耐高温陶瓷胶块2和耐高温金属膜4相对应的位置固定连接有Ⅱ型光纤光栅5，不锈钢保护套3的内部贯穿有光纤6，并且光纤6位于不锈钢保护套3外部的一端固定连接有APC光纤接头7。
本发明还公开了一种基于FBG的耐超高温应变传感器的工作方法，具体包括以下步骤：
S1、先将不锈钢保护套3表面的中部粘合上耐高温金属膜4，并且通过耐高温陶瓷胶块2与耐高温金属膜4相对应的位置将不锈钢保护套3固定在碳-碳复合材料基底座1的顶部；
S2、再将光纤6的一端贯穿至不锈钢保护套3内部，并光纤6同时贯穿Ⅱ型光纤光栅5；
S3、光纤6位于不锈钢保护套3外部的一端与APC光纤接头7固定连接；
S4、光纤光栅传感以其反射波长随外界参量的变化而改变为基础，当宽带光源在Ⅱ型光纤光栅5中传输时，产生模式耦合，根据光纤耦合模理论，对其进行检测分析处理。
本发明，在S4中，当宽带光源在Ⅱ型光纤光栅5中传输时，产生模式耦合，根据光纤耦合模理论，满足布拉格条件的光波λB被反射，其余波长的光波被透射，有：
λB＝2neffΛ (1)
式中：Λ为光栅的周期；neff为光栅的有效折射率，当温度、应力等参量发生变化时，将会导致Λ和neff的变化，从而导致λB的变化有：
ΔλB＝2ΔneffΛ+2neffΔΛ (2)
所提出的FBG超高温度应变传感器的工作原理是测量布拉格波长的改变，这种改变是通过在高温条件下(温度已知)由应变引起的；
布拉格波长λB的相对变化ΔλB为
ΔλB＝λB(1-pe)Δε (3)
式中：Pe是Ⅱ型光纤光栅5的弹光系数；
当传感器感受到被测物体的温度影响后，传感元件导致FBG产生轴向应变：
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种基于FBG的耐超高温应变传感器，包括碳-碳复合材料基底座(1)，其特征在于：所述碳-碳复合材料基底座(1)顶部的中部固定连接有耐高温陶瓷胶块(2)，并且耐高温陶瓷胶块(2)的内部贯穿有不锈钢保护套(3)，所述不锈钢保护套(3)的外表面且与耐高温陶瓷胶块(2)相对应的位置固定连接有耐高温金属膜(4)，所述不锈钢保护套(3)的内壁且与耐高温陶瓷胶块(2)和耐高温金属膜(4)相对应的位置固定连接有Ⅱ型光纤光栅(5)，所述不锈钢保护套(3)的内部贯穿有光纤(6)，并且光纤(6)位于不锈钢保护套(3)外部的一端固定连接有APC光纤接头(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于FBG的耐超高温应变传感器，其特征在于：所述耐高温金属膜(4)的材料采用镍-铬-钼合金，并且耐高温金属膜(4)的熔点高达1290℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于FBG的耐超高温应变传感器，其特征在于：所述耐高温陶瓷胶块(2)的型号为890，并且耐高温陶瓷胶块(2)的热膨胀系数为-4.4×10-6/℃，所述耐高温陶瓷胶块(2)的熔点可达1650℃。
4.根据权利要求1所述的一种基于FBG的耐超高温应变传感器，其特征在于：所述不锈钢保护套(3)的型号采用304，并且不锈钢保护套(3)的热膨胀系数为-17×10-6/℃。
5.一种基于FBG的耐超高温应变传感器的工作方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、先将不锈钢保护套(3)表面的中部粘合上耐高温金属膜(4)，并且通过耐高温陶瓷胶块(2)与耐高温金属膜(4)相对应的位置将不锈钢保护套(3)固定在碳-碳复合材料基底座(1)的顶部；
S2、再将光纤(6)的一端贯穿至不锈钢保护套(3)内部，并光纤(6)同时贯穿Ⅱ型光纤光栅(5)；
S3、光纤(6)位于不锈钢保护套(3)外部的一端与APC光纤接头(7)固定连接；
S4、光纤光栅传感以其反射波长随外界参量的变化而改变为基础，当宽带光源在Ⅱ型光纤光栅(5)中传输时，产生模式耦合，根据光纤耦合模理论，对其进行检测分析处理。
6.根据权利要求5所述的一种基于FBG的耐超高温应变传感器的工作方法，其特征在于：在S4中，当宽带光源在Ⅱ型光纤光栅(5)中传输时，产生模式耦合，根据光纤耦合模理论，满足布拉格条件的光波λB被反射，其余波长的光波被透射，有：
λB＝2neffΛ (1)
式中：Λ为光栅的周期；neff为光栅的有效折射率，当温度、应力等参量发生变化时，将会导致Λ和neff的变化，从而导致λB的变化有：
ΔλB＝2ΔneffΛ+2neffΔΛ (2)
所提出的FBG超高温度应变传感器的工作原理是测量布拉格波长的改变，这种改变是通过在高温条件下(温度已知)由应变引起的；
布拉格波长λB的相对变化ΔλB为
ΔλB＝λB(1-pe)Δε (3)
式中：Pe是Ⅱ型光纤光栅(5)的弹光系数；
当传感器感受到被测物体的温度影响后，传感元件导致FBG产生轴向应变：
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| CN (1) | CN108151665A (zh) |
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