CN108759704B - 一种光纤f-p复合腔型高温应变传感器 - Google Patents

一种光纤f-p复合腔型高温应变传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤F‑P复合腔型高温应变传感器，包括第一单模光纤、第二单模光纤、多模光纤以及两端具有开口的毛细玻璃管，光纤本身的材质选用熔融SiO2；第一单模光纤其中一个平整端面上镀有固定反射率的介质反射膜，第一单模光纤的镀膜端面与第二单模光纤未镀膜平整端面进行熔接；多模光纤的未镀膜平整端面和第一单模光纤未镀膜平整端面分别通过毛细玻璃管的两端开口插入到毛细玻璃管腔体中，多模光纤和第一单模光纤插入到腔体中的两端面平行对准且不接触，多模光纤和第一单模光纤与毛细玻璃管通过胶粘方式连接，多模光纤的另一端面经过激光开孔处理。本发明可以实现超高温环境下温度和大量程应变的同时监测。

Description

一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地说，涉及一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器。
背景技术
随着光纤制备技术和激光技术等光电子技术的发展，以光纤作为信息传输介质的光通信技术及光纤传感技术得到迅猛发展，并在航天、石油化工、安防监测等诸多领域得到广泛应用。在光纤传感技术中，光纤既可以作为传输光信息的介质，同时通过特殊的结构设计、工艺加工和材料掺杂等手段也可以作为探测外界物理量变化的敏感探测单元，即同时作为传输介质和传感单元。光纤F-P传感器作为光纤传感器的重要分支，其具有光纤传感器的所有优点，同时也具有其独特优势，包括结构简单、测量精度高、测量动态范围大等，因此一直是光纤传感器的重要研究方向。
目前国内外主要研究的是温度或应力单值测量的高温光纤传感器，对于能在高温环境下同时进行温度和应力测量的复合光纤传感器研究较少。光纤传感器尽管有很多优点，但是在应变测量过程中，应力改变引起的参量变化与温度变化导致的参量改变很难得到区分。这一交叉敏感现象很大程度上阻碍了光纤传感行业的发展，限制了其在实际工程中的应用，甚至成为光纤传感领域的一个技术瓶颈。目前很多研究采用外部补偿方式，即光纤F-P传感器安装位置附近同时安装一个用于测量温度的光纤布拉格光栅(FBG)传感器。但光纤布拉格光栅(FBG)传感器对环境温度的测量速率慢于环境温度或传感器所安装的基底温度的变化速率，故这种方式测量实际应力的误差较大，且普通光纤布拉格光栅(FBG)传感器只能够短期的耐受200℃的温度环境，限制了其在超高温环境下的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器，其第一单模光纤、第二单模光纤、多模光纤本身的材质选用熔融SiO2，其本身具有耐高温性能，经过一定的封装增加其机械强度，就能长期在1000℃高温环境下使用，能满足高温恶劣环境下的应变、温度同时监测，测量灵敏度高、精度高。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：设计一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器，包括第一单模光纤、第二单模光纤、多模光纤以及两端具有开口的毛细玻璃管，所述第一单模光纤、第二单模光纤、多模光纤本身的材质选用熔融SiO2；所述第一单模光纤其中一个平整端面上镀有固定反射率的介质反射膜，所述第一单模光纤的镀膜端面与第二单模光纤未镀膜平整端面进行熔接；所述多模光纤的未镀膜平整端面和第一单模光纤未镀膜平整端面分别通过毛细玻璃管的两端开口插入到毛细玻璃管腔体中，所述多模光纤和第一单模光纤插入到腔体中的两端面平行对准且不接触，所述多模光纤和第一单模光纤与毛细玻璃管通过胶粘方式连接，所述多模光纤的另一端面经过激光开孔处理。
优选地，所述第一单模光纤其中一个平整端面上镀有固定反射率的介质反射膜，介质反射膜的材料为TiO2或TiO2/SiO2复合物。
优选地，在所述毛细玻璃管腔体中通过多模光纤、第一单模光纤与毛细玻璃管的内径相匹配来实现多模光纤的未镀膜平整端面和第一单模光纤未镀膜平整端面保持平行及对准。
进一步地，所述多模光纤的纤芯直径为50微米，包层外径为125微米；所述第一单模光纤和第二单模光纤的纤芯直径均为9微米，包层外径均为125微米。
再进一步地，所述毛细玻璃管的内径为130～135微米；所述毛细玻璃管是所述光纤F-P复合腔型高温应变传感器的敏感部位，通过改变其长度来调整所述光纤F-P复合腔型高温应变传感器的灵敏度。
优选地，所述多模光纤和第一单模光纤与毛细玻璃管通过无机耐高温胶胶粘方式连接。
优选地，所述多模光纤、第一单模光纤以及第二单模光纤均已除去光纤涂覆层，所述多模光纤与第一单模光纤自毛细玻璃管胶粘处至裸露于外部环境中的包层外围涂覆有Al2O3涂层。
优选地，所述多模光纤的另一端面经过激光开孔处理，孔径小于4微米。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中第一单模光纤的未镀膜平整端面与多模光纤的未镀膜平整端面之间的空气腔形成非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪结构，可对大量程范围应变进行实时监测；将一端已镀膜的第一单模光纤和第二单模光纤熔接在一起，形成本征型光纤法布里-珀罗干涉仪结构，可实现从室温到1000℃的大范围温度测量。本发明提出的一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器能满足高温恶劣环境下的应力、温度同时监测，测量灵敏度高、精度高，并具有温度自补偿的功能。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器的结构示意图。
图中：第一单模光纤1、第二单模光纤2、多模光纤3、毛细玻璃管4。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明实施例中，提供一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器，包括第一单模光纤1、第二单模光纤2、多模光纤3以及两端具有开口的毛细玻璃管4，第一单模光纤1的长度为100～150微米，。第一单模光纤1、第二单模光纤2、多模光纤3本身的材质选用熔融SiO2。第一单模光纤1其中一个平整端面上镀有固定反射率的介质反射膜，介质反射膜的材料为TiO2或TiO2/SiO2复合物，用来提高第一单模光纤1的端面反射率。第一单模光纤1的镀膜端面与第二单模光纤2未镀膜平整端面进行熔接。多模光纤3的未镀膜平整端面和第一单模光纤1未镀膜平整端面分别通过毛细玻璃管4的两端开口插入到毛细玻璃管4腔体中，多模光纤3和第一单模光纤1插入到腔体中的两端面平行对准且不接触，两端面间距为150～200微米。在本实施例中，在毛细玻璃管4腔体中通过多模光纤3、第一单模光纤1与毛细玻璃管4的内径相匹配来实现多模光纤3的未镀膜平整端面和第一单模光纤1未镀膜平整端面保持平行及对准。因此，多模光纤3的纤芯直径为50微米，包层外径为125微米；第一单模光纤1和第二单模光纤2截取自同一光纤，纤芯直径均为9微米，包层外径均为125微米，使两者在熔接时更容易，降低工艺难度，并且在批量生产时节约工艺成本；毛细玻璃管4的内径为130～135微米。
多模光纤3和第一单模光纤1与毛细玻璃管4采用无机耐高温胶胶粘方式连接。在对多模光纤3另一端面进行平整切割前，其另一端面经过激光开孔处理，孔径小于4微米。
毛细玻璃管4是光纤F-P复合腔型高温应变传感器的敏感部位，通过改变其长度来调整光纤F-P复合腔型高温应变传感器的灵敏度。在本实施例中，毛细玻璃管4的长度约为15cm。
多模光纤3、第一单模光纤1以及第二单模光纤2的未镀膜平整端面都除去光纤涂覆层，多模光纤3与第一单模光纤1自毛细玻璃管4胶粘处至裸露于外部环境中的包层外围涂覆有Al2O3涂层。
附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器，包括第一单模光纤(1)、第二单模光纤(2)、多模光纤(3)以及两端具有开口的毛细玻璃管(4)，其特征在于，所述第一单模光纤(1)、第二单模光纤(2)、多模光纤(3)本身的材质选用熔融SiO2；所述第一单模光纤(1)其中一个平整端面上镀有固定反射率的介质反射膜，所述第一单模光纤(1)的镀膜端面与第二单模光纤(2)未镀膜平整端面进行熔接；所述多模光纤(3)的未镀膜平整端面和第一单模光纤(1)未镀膜平整端面分别通过毛细玻璃管(4)的两端开口插入到毛细玻璃管(4)腔体中，所述多模光纤(3)和第一单模光纤(1)插入到腔体中的两端面平行对准且不接触，所述多模光纤(3)和第一单模光纤(1)与毛细玻璃管(4)通过胶粘方式连接；所述多模光纤(3)的另一端面经过激光开孔处理。
2.根据权利要求1所述的一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器，其特征在于，所述第一单模光纤(1)其中一个平整端面上镀有固定反射率的介质反射膜，介质反射膜的材料为TiO2或TiO2/SiO2复合物。
3.根据权利要求1所述的一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器，其特征在于，在所述毛细玻璃管(4)腔体中通过多模光纤(3)、第一单模光纤(1)与毛细玻璃管(4)的内径相匹配来实现多模光纤(3)的未镀膜平整端面和第一单模光纤(1)未镀膜平整端面保持平行及对准。
4.根据权利要求3所述的一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器，其特征在于，所述多模光纤(3)的纤芯直径为50微米，包层外径为125微米；所述第一单模光纤(1)和第二单模光纤(2)的纤芯直径均为9微米，包层外径均为125微米。
5.根据权利要求4所述的一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器，其特征在于，所述毛细玻璃管(4)的内径为130～135微米；所述毛细玻璃管(4)是所述光纤F-P复合腔型高温应变传感器的敏感部位，通过改变其长度来调整所述光纤F-P复合腔型高温应变传感器的灵敏度。
6.根据权利要求1所述的一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器，其特征在于，所述多模光纤(3)和第一单模光纤(1)与毛细玻璃管(4)通过无机耐高温胶胶粘方式连接。
7.根据权利要求1所述的一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器，其特征在于，所述多模光纤(3)、第一单模光纤(1)以及第二单模光纤(2)的未镀膜平整端面都除去光纤涂覆层，所述多模光纤(3)与第一单模光纤(1)自毛细玻璃管(4)胶粘处至裸露于外部环境中的包层外围涂覆有Al2O3涂层。
8.根据权利要求1所述的一种光纤F-P复合腔型高温应变传感器，其特征在于，所述多模光纤(3)的另一端面经过激光开孔处理，孔径小于4微米。
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