CN108332878A - 一种光纤光栅温度传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅温度传感器，包括光纤、石英管、陶瓷帽。其中再生光纤光栅通过对普通光纤光栅进行1000℃高温退火制备，在退火前首先对光纤光栅进行高温管式封装，封装结构内层为石英管，外层为一陶瓷帽，光纤光栅置于封装结构的顶端，另一端采用高温胶进行粘接固定。本发明公开的一种高可靠高稳定的高温光纤光栅温度传感器，成功实现了光纤光栅温度传感在1000℃高温环境的应用，具有良好的测量精度和高温稳定性，适用于航空航天、石油电力、化工冶炼等高温领域中的温度测量。

Description

一种光纤光栅温度传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅温度传感器及制备方法，属于温度传感器领域。

背景技术

温度与人类生产生活密切相关，温度检测是至关重要的。传统的电类传感器易受电磁干扰，且智能化难度大，不便于网络化，光纤温度传感器可以有效解决这些问题，因此近年来发展迅速。光纤光栅传感器是一种基于波长解调的光纤传感器，它具有重量轻、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、本质安全等特点，适合用于易燃易爆、腐蚀性强的极端环境，目前已广泛应用于电力监测、结构监测、石油化工、医疗诊断和国防等领域温度或应变的传感监测。

然而普通光纤光栅由于热衰退效应，难以应用于高温环境的温度传感。目前解决光纤光栅高温应用的方案主要有II型光纤光栅、IIA型光纤光栅、特殊掺杂离子的光纤光栅和再生光纤光栅，其中再生光纤光栅具有成本低廉、制作简单和光谱特性良好等特点，可用于高温光纤光栅传感器的制作。

再生光纤光栅通过对I型光纤光栅进行特定退火处理得到，在退火过程中，光栅反射峰会先消失而后再生出一个新的反射峰，而这个新的再生反射峰可以在高温下不衰退。再生光纤光栅具有与I型光纤光栅相似的光谱形状，通常能够承受1000℃以上的高温。但是，光纤光栅经过高温退火处理后，有机涂覆层无法存在，光纤变得脆弱易断，难以应用于高温测量中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光纤光栅温度传感器及制备方法；解决了普通光纤光栅传感器难以应用于高温环境的问题，以及光纤高温退火后脆弱易断的问题，给出一种可靠的高温封装方式。该光纤光栅传感器能够在1000℃的高温下保持反射光谱不衰退，并且具有与普通光纤光栅相似的传感性能。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种光纤光栅温度传感器，包括石英管、陶瓷帽、光纤；

所述光纤的一端设有再生光纤光栅；所述再生光纤光栅通过对普通光纤光栅进行高温退火制备；所述石英管套装在光纤上，覆盖再生光纤光栅；所述陶瓷帽套装在石英管上，包覆整个石英管；所述石英管远离再生光纤光栅的一端通过高温胶与光纤连接；所述陶瓷帽远离再生光纤光栅的一端通过高温胶与石英管连接。

上述光纤光栅温度传感器，所述再生光纤光栅通过对普通光纤光栅进行1000℃～1100℃高温退火制备。

上述光纤光栅温度传感器，所述石英管采用二氧化硅材料。

上述光纤光栅温度传感器，所述陶瓷帽采用AL99刚玉材料。

上述光纤光栅温度传感器，所述石英管与光纤的包层材料体系相同。

上述光纤光栅温度传感器，所述光纤光栅温度传感器采用等间隔温度对应中心波长的方式标定，利用二次多项式进行温度—中心波长拟合，具体的拟合方程为：

λ_B＝1539+0.01046T+1.552×10^-6T²

式中，λ_B为中心波长，T为温度。

上述光纤光栅温度传感器，所述光纤光栅温度传感器在室温至1000℃温度范围内的平均温度灵敏度为12pm/℃。

上述光纤光栅温度传感器，所述再生光纤光栅的高温退火制备方法为：

步骤一、将普通光纤光栅置于退火炉内，将退火炉的温度从室温升温至900℃；升温速率为每分钟30℃～50℃；

步骤二、将退火炉的温度从900℃升温至1000℃；升温速率为每分钟3℃～8℃；

步骤三、在退火炉的温度保持1000℃条件下，使普通光纤光栅出现再生现象并保持稳定。

一种光纤光栅温度传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、在光纤的一端刻写光纤光栅；

步骤二、将石英管套装在光纤上，覆盖步骤一中的光纤光栅；石英管远离上述光纤光栅的一端通过高温胶与光纤连接；

步骤三、陶瓷帽套装在石英管上，包覆整个石英管；陶瓷帽远离上述光纤光栅的一端通过高温胶与石英管连接；

步骤四、将步骤三中石英管、陶瓷帽和光纤)作为一个整体置于退火炉内，将退火炉的温度从室温升温至900℃，升温速率为每分钟30～50℃；然后将退火炉的温度从900℃升温至1000℃，升温速率为每分钟3℃～8℃；在退火炉的温度保持1000℃条件下，使上述光纤光栅出现再生现象并保持稳定。

上述光纤光栅温度传感器的制备方法，所述石英管采用二氧化硅材料。

上述光纤光栅温度传感器的制备方法，所述陶瓷帽采用AL99刚玉材料。

上述光纤光栅温度传感器的制备方法，所述石英管与光纤的包层材料体系相同。

上述光纤光栅温度传感器的制备方法，所述制备的光纤光栅温度传感器采用等间隔温度对应中心波长的方式标定，利用二次多项式进行温度—中心波长拟合，具体的拟合方程为：

λ_B＝1539+0.01046T+1.552×10^-6T²

式中，λ_B为中心波长，T为温度。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明制作的高温光纤光栅温度传感器能够应用于800℃～1000℃的高温环境，具有良好的温度灵敏度和高温稳定性；

(2)本发明制作的高温光纤光栅温度传感器，给出一种高温光纤光栅温度传感器的封装结构，在退火前对光纤光栅进行封装，避免了光纤退火后极易断裂的问题；

(3)本发明制作的高温光纤光栅温度传感器，采用与光纤包层材料体系相同的SiO₂石英管封装结构的内层与光纤贴合使用，基于两种材料相同的热膨胀系数，避免了摩擦应力对光纤光栅的影响；

(4)本发明一种光纤光栅温度传感器的制备方法，通过对普通光纤光栅进行处理即可实现对高温环境的测量，制作成本低廉，制作方法易于实现。

附图说明

图1为光纤光栅温度传感器结构示意图；

图2为光纤光栅温度传感器制备方法步骤流程图；

图3为再生光纤光栅的反射光谱；

图4为光纤光栅温度传感器标定及拟合曲线图。

附图标记说明

1 再生光纤光栅

2 石英管

3 陶瓷管

4 高温胶

5 光纤

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

图1为本发明的一种光纤光栅温度传感器结构示意图。光纤光栅温度传感器包括包括石英管2、陶瓷帽3、光纤5；光纤5的一端设有再生光纤光栅1；再生光纤光栅1通过对普通光纤光栅进行1000℃～1100℃高温退火制备，本实施例中再生光纤光栅1通过对普通光纤光栅进行1000℃高温退火制备；所述石英管2套装在光纤5上，覆盖再生光纤光栅1；陶瓷帽3套装在石英管2上，包覆整个石英管2；石英管2远离再生光纤光栅1的一端通过高温胶4与光纤5连接；陶瓷帽3远离再生光纤光栅1的一端通过高温胶4与石英管2连接。本发明的光纤光栅温度传感器，成功实现了在800℃～1000℃高温环境的应用，具有良好的测量精度和高温稳定性，适用于航空航天、石油电力、化工冶炼等高温领域中的温度测量。

本发明的一种光纤光栅温度传感器的制备方法，为了避免光纤5退火后出现极易断裂的问题，在对再生光纤光栅1进行退火再生前先对光纤光栅温度传感器进行封装。封装材料选用石英和陶瓷，其中内层结构为石英管2，石英管2为纯二氧化硅材料，具有1730℃的熔点，该材料与光纤5的包层材料体系相同，避免高温下石英管2对光纤5结构的影响以及摩擦应力的影响；同时高温下不会由于分子间相互扩散造成光纤5结构的破坏，影响光纤5传光性能，可与光纤5贴合使用，石英管2的主要作用是使再生光纤光栅1保持竖直，对裸光纤起到保护作用。外层结构为陶瓷帽3，陶瓷帽3为AL99刚玉管，具有1650℃的熔点，主要作用是对再生光纤光栅1进行保护和密封。封装时将光纤5刻有光纤光栅的一端放置于石英管2的顶端，然后将光纤5和石英管2的组合体一并放置于陶瓷帽3的底端；在远离光纤光栅的一端采用高温胶4将光纤、石英管和陶瓷管进行粘接。由于本发明的光纤光栅温度传感器采用单端封装的方式，再生光纤光栅1处于自由升缩状态，不受外界应力的影响，使光纤的中心波长仅受温度的影响，能够有效提高环境温度适应性，保证光纤光栅温度传感器的测量精度。

本发明的一种光纤光栅温度传感器的制备方法，其方法流程如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤101、在光纤5的一端刻写光纤光栅；

步骤102、将石英管2套装在光纤5上，覆盖步骤101中的光纤光栅；石英管2远离上述光纤光栅的一端通过高温胶4与光纤5连接；

步骤103、陶瓷帽3套装在石英管2上，包覆整个石英管2；陶瓷帽3远离上述光纤光栅的一端通过高温胶4与石英管2连接；

步骤104、将步骤103中石英管2、陶瓷帽3和光纤5作为一个整体置于退火炉内，将退火炉的温度从室温升温至900℃，升温速率为每分钟30℃～50℃，本实施例中的升温速率为每分钟35℃；然后将退火炉的温度从900℃升温至1000℃，升温速率为每分钟3℃～8℃，本实施例中的升温速率为每分钟5℃；在退火炉的温度保持1000℃条件下，使上述光纤光栅出现再生现象并保持稳定。退火过程中，实时监测并记录光纤5的光纤光栅的反射谱。通过上述步骤，即可完成光纤光栅温度传感器的制备。

石英管2采用二氧化硅材料；陶瓷帽3采用AL99刚玉材料；石英管2石英管2与光纤5的包层材料体系相同。

本发明的一种光纤光栅温度传感器，再生光纤光栅1反射光谱如图3所示，它与普通光纤光栅的反射光谱形状基本一致，反射率约为10％，光谱带宽约为0.12nm。

本发明的光纤光栅温度传感器采用等间隔温度对应中心波长的方式标定，利用二次多项式进行温度—中心波长拟合，如图4所示，具体的拟合方程为：

λ_B＝1539+0.01046T+1.552×10^-6T²

式中，λ_B为中心波长，T为温度。

光纤光栅温度传感器在室温至1000℃温度范围内的平均温度灵敏度为12pm/℃，其中高温下温度灵敏度系数高于低温下温度灵敏度系数。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (13)

1.一种光纤光栅温度传感器，其特征在于：包括石英管(2)、陶瓷帽(3)、光纤(5)；

所述光纤(5)的一端设有再生光纤光栅(1)；所述再生光纤光栅(1)通过对普通光纤光栅进行高温退火制备；所述石英管(2)套装在光纤(5)上，覆盖再生光纤光栅(1)；所述陶瓷帽(3)套装在石英管(2)上，包覆整个石英管(2)；所述石英管(2)远离再生光纤光栅(1)的一端通过高温胶(4)与光纤(5)连接；所述陶瓷帽(3)远离再生光纤光栅(1)的一端通过高温胶(4)与石英管(2)连接。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述再生光纤光栅(1)通过对普通光纤光栅进行1000℃～1100℃高温退火制备。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述石英管(2)采用二氧化硅材料。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述陶瓷帽(3)采用AL99刚玉材料。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述石英管(2)与光纤(5)的包层材料体系相同。

6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述光纤光栅温度传感器采用等间隔温度对应中心波长的方式标定，利用二次多项式进行温度—中心波长拟合，具体的拟合方程为：

λ_B＝1539+0.01046T+1.552×10^-6T²

式中，λ_B为中心波长，T为温度。

7.根据权利要求1所述的一种光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述光纤光栅温度传感器在室温至1000℃温度范围内的平均温度灵敏度为12pm/℃。

8.根据权利要求1或2所述的一种光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述再生光纤光栅(1)的高温退火制备方法为：

步骤一、将普通光纤光栅置于退火炉内，将退火炉的温度从室温升温至900℃；升温速率为每分钟30℃～50℃；

步骤二、将退火炉的温度从900℃升温至1000℃；升温速率为每分钟3℃～8℃；

步骤三、在退火炉的温度保持1000℃条件下，使普通光纤光栅出现再生现象并保持稳定。

9.一种光纤光栅温度传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、在光纤(5)的一端刻写光纤光栅；

步骤二、将石英管(2)套装在光纤(5)上，覆盖步骤一中的光纤光栅；石英管(2)远离上述光纤光栅的一端通过高温胶(4)与光纤(5)连接；

步骤三、陶瓷帽(3)套装在石英管(2)上，包覆整个石英管(2)；陶瓷帽(3)远离上述光纤光栅的一端通过高温胶(4)与石英管(2)连接；

步骤四、将步骤三中石英管(2)、陶瓷帽(3)和光纤(5)作为一个整体置于退火炉内，将退火炉的温度从室温升温至900℃，升温速率为每分钟30～50℃；然后将退火炉的温度从900℃升温至1000℃，升温速率为每分钟3℃～8℃；在退火炉的温度保持1000℃条件下，使上述光纤光栅出现再生现象并保持稳定。

10.根据权利要求9所述的一种光纤光栅温度传感器的制备方法，其特征在于：所述石英管(2)采用二氧化硅材料。

11.根据权利要求9所述的一种光纤光栅温度传感器的制备方法，其特征在于：所述陶瓷帽(3)采用AL99刚玉材料。

12.根据权利要求9所述的一种光纤光栅温度传感器的制备方法，其特征在于：所述石英管(2)与光纤(5)的包层材料体系相同。

13.根据权利要求9所述的一种光纤光栅温度传感器的制备方法，其特征在于：所述制备的光纤光栅温度传感器采用等间隔温度对应中心波长的方式标定，利用二次多项式进行温度—中心波长拟合，具体的拟合方程为：

λ_B＝1539+0.01046T+1.552×10^-6T²

式中，λ_B为中心波长，T为温度。