CN109445018A - 再生弱光栅阵列的制备方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种再生弱光栅阵列的制备方法及系统，其中方法包括以下步骤：将弱光栅阵列光纤在一定的压力环境下载氢，直到氢分子的完全渗入弱光栅阵列光纤中；所述弱光栅阵列光纤为反射率1％～2％的弱光栅阵列光纤；将高温炉升至光栅再生温度900℃～1000℃，并保持稳定；将载氢后的弱光栅阵列光纤快速插入高温炉的高温恒温区；观测光栅的反射谱，当出现稳定的反射峰时，得到再生光纤。本发明获得的高温传感阵列光栅高温性能良好，能实现低温至1000℃的超大范围温度测量，反射率一致性较高，易于解调系统检测，整个传感阵列无任何焊点，损耗低，制备过程全自动化，大大提高了制备的效率。

Description

再生弱光栅阵列的制备方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤光栅领域，尤其涉及一种再生弱光栅阵列的制备方法及系统。

背景技术

光纤传感器因具有灵敏度高、测量速度快、信息容量大、适应性强等优点，已经逐渐成为传感领域研究的热点。在所有的光纤传感技术中，光纤光栅传感技术是一个具有典型的代表，并且在很多方面已经得到广泛的应用，测量温度、湿度、应变、振动等技术日趋成熟。随着光纤传感技术的不断完善，光纤光栅阵列正朝着大规模、多单元的方向发展。武汉理工大学设计的基于全同弱光栅阵列的光纤传感系统，可实现传感阵列的全光纤化、细线径、远距离和高灵敏度的检测，大大简化了结构，减少了耦合器和熔接点数目，为实现大规模、多要素测量提供了实验条件，但普通光纤弱光栅在200-300℃时开始退化，在500℃时持续工作不到一小时，寿命极短，这极大地限制了光栅阵列的使用环境。适合高温环境的光纤光栅传感器主要有Ⅱ型光栅、蓝宝石光栅、再生光栅等。其中，Ⅱ型光栅、蓝宝石光栅等无论是在制作要求上还是在性能上均很难满足大规模传感阵列的工作条件，再生光栅可通过对普通光纤布拉格光栅进行高温热处理获得，所得的再生光栅最高能耐受1000℃以上的高温，且再生光栅反射谱与种子光栅反射谱具有一致性，符合高温光栅阵列所需要的基本条件。

从理论上分析，光栅再生机理目前并未有统一的结论，强光栅的再生工艺已十分成熟而弱光栅再生研究基本上是空白，且从未有反射率为1％～3％之间的弱光栅再生文献发表。通过实验发现，弱光栅阵列在制作再生弱光栅阵列的过程中，存在以下难题：一是弱光栅反射率低，在高温中衰减很快，掌握不好，光栅很容易消失或者再生性能光栅的信噪比特别差，再生失败的可能性特别大，不同掺杂成分的再生温度不一致，并且传统再生方法耗时超过两小时，工作效率较低；二是需要人工操作，高温危险性较高，很难实现自动化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：利用在线制备出反射率在1％～3％之间的耐高温金属涂敷的掺锗或硼锗共掺的弱光栅阵列，在高温环境下克服弱光栅逐渐退化消失的特点，使弱光栅阵列在高温环境下快速再生，从而降低再生时间，提高生产效率实现自动化再生，制备出耐高温，低反射率的弱光栅阵列光纤。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种再生弱光栅阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将弱光栅阵列光纤在一定的压力环境下载氢，直到氢分子的完全渗入弱光栅阵列光纤中；所述弱光栅阵列光纤为反射率1％～2％的弱光栅阵列光纤；

将高温炉升至光栅再生温度900℃～1000℃，并保持稳定，将载氢后的弱光栅阵列光纤快速插入马弗炉炉膛高温恒温区，并观测光栅的反射谱，当出现稳定的反射峰时，得到再生光纤。

接上述技术方案，所述弱光栅阵列光纤为使用掺锗或硼锗共掺的高敏光纤在线单脉冲制备而成的反射率为1％～3％的弱光栅阵列。

接上述技术方案，在弱光栅阵列光纤上打有光栅的标记点。

本发明还提供了一种再生弱光栅阵列的制备系统，包括DSP控制器、解调仪、高温炉、收纤盘、放纤盘、打标识别传感器；

高温炉预先加热至光栅再生温度900℃～1000℃，并保持稳定；

解调仪与DSP控制器连接；

放纤盘、收纤盘均与DSP控制器连接，且置于高温炉两侧，弱光栅阵列光纤绕设在放纤盘和收纤盘上，并经过高温炉的加热高温区和打标传感器；且弱光栅阵列光纤上设有光栅的标记点；

打标识别传感器置于高温炉的两侧顶部，并均与DSP控制器连接，两打标识别传感器之间的距离为光纤上两个标记点之间的距离；

放纤盘、收纤盘在DSP控制器的控制下工作，当打标识别传感器同时识别到光纤上的标记点时，将信号发送到DSP控制器，DSP控制器向放纤盘和收纤盘发送停止信号，光栅被放置在高温炉恒温区进行再生；

解调仪实时监测光栅信息，并将采集到的数据发送到DSP控制器，DSP控制器处理光栅再生时中心波长处的反射谱信息，当反射谱达到所需强度并在设定时间内波动符合设置误差时，则光栅完成再生，DSP控制器向放纤盘和收纤盘发送控制信号，继续下一光栅再生。

接上述技术方案，弱光栅阵列光纤上设有反射率为1％～3％的弱光栅阵列。

接上述技术方案，高温炉为马弗炉。

本发明产生的有益效果是：本发明的弱光栅快速再生法为快速热处理光纤弱光栅提供了依据，本发明先升高高温炉到光栅的再生温度区间，突然插入光纤，使光纤突然加热，光栅从消失到再生现象迅速完成，从而完成快速再生，大幅降低了光栅再生的时间，再生弱光栅能够耐受1000℃高温。

本发明采用DSP系统控制整个弱光栅阵列的再生，实现自动化投料，自动化收盘，提高了生产效率。整个传感阵列无任何焊点，避免采用常规方法再生之后进行焊接导致端面反射对传感系统的影响。再生系统的设计在结构上有以下创造性：一是引入打标识别系统，可以准确地将光栅放置于炉膛恒温区，比手工放置更精确，因为光栅放置于变温区很容易出现啁啾现象，这样就大大降低了出现“残次”再生光栅的概率；二是自动收盘放盘系统，相对手工放置夹具，可以保证光纤所受应力一致，再生光栅阵列反射谱一致性更好；三是DSP控制系统的使用，实现了光栅阵列再生的自动化控制，更安全高效。

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是本发明实施例再生弱光栅阵列的制备方法的流程图；

图2(a)是本发明实施例弱光栅快速再生过程的反射光谱图；

图2(b)是本发明实施例弱光栅再生后的高温测量反射光谱图；

图3是本发明实施例再生弱光栅阵列的制备系统流程图。

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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的再生弱光栅阵列的制备方法，包括以下步骤：

S1、将弱光栅阵列光纤在一定的压力环境下载氢，直到氢分子的完全渗入弱光栅阵列光纤中；所述弱光栅阵列光纤为反射率1％～2％的弱光栅阵列光纤；

S2、将高温炉升至光栅再生温度900℃～1000℃，并保持稳定；

S3、将载氢后的弱光栅阵列光纤快速插入高温炉的高温恒温区；

S4、观测光栅的反射谱，当出现稳定的反射峰时，得到再生光纤。

步骤S1中的弱光栅阵列光纤为使用掺锗或硼锗共掺的高敏光纤在线单脉冲制备而成的反射率为1％～2％的弱光栅阵列。

不同于常规的再生工艺，本发明是先升高高温炉到光栅的再生温度区间，突然插入光纤，使光纤突然加热，光栅从消失到再生现象迅速完成，从而完成快速再生。

为了可对弱光栅阵列进行精准加热，可在弱光栅阵列光纤上打上光栅的标记点。

利用上述方法制备再生弱光栅阵列过程中，如图2(a)所示，反射率约为1％～3％的种子光栅在插入预热之后的高温炉5分钟后消失，并在10分钟时完成再生。再生光栅反射谱峰值约为-73dB。由图2(b)可知，在室温至1000℃范围内，该再生光栅具有良好的稳定性，反射谱峰值波动约为0.51dB。

如图3所示，再生弱光栅阵列的制备系统包括DSP控制器、解调仪2、高温炉3、收纤盘4、放纤盘5和打标识别传感器7。

高温炉3预先加热至光栅再生温度900℃～1000℃，并保持稳定；

解调仪2与DSP控制器1连接；

放纤盘5、收纤盘4均与DSP控制器1连接，且置于高温炉3两侧，弱光栅阵列光纤6绕设在放纤盘5和收纤盘4上，并经过高温炉3的加热高温区和打标识别传感器7；且弱光栅阵列光纤6上设有光栅的标记点；

打标识别传感器7置于高温炉的两侧顶部，并均与DSP控制器1连接，两打标识别传感器7之间的距离为光纤上两个标记点之间的距离；

放纤盘5、收纤盘4在DSP控制器1的控制下工作，当打标识别传感器7同时识别到光纤上的标记点时，将信号发送到DSP控制器1，DSP控制器1向放纤盘5和收纤盘4发送停止信号，光栅被放置在高温炉恒温区进行再生；

解调仪2实时监测光栅信息，并将采集到的数据发送到DSP控制器1，DSP控制器1处理光栅再生时中心波长处的反射谱信息，当反射谱达到所需强度并在设定时间内波动符合设置误差时，则光栅完成再生，DSP控制器1向放纤盘5和收纤盘4发送控制信号，继续下一光栅再生。

上述弱光栅阵列光纤6上设有反射率为1％～2％的弱光栅阵列。高温炉可选用马弗炉。

本发明利用快速再生的方法大大缩短了再生时间，也就是先升高炉温达到光栅的再生温度，把弱光栅突然移动到高温区，仅仅需要几分钟，就可以完成弱光栅的再生，大大提高了再生效率。针对弱光栅阵列的设计是基于快速再生，设计了可以自动填料，自动再生，自动收盘的再生弱光栅阵列的制备系统，实现制备过程全自动化，大大提高了制备的效率。

本发明通过掺锗或硼锗工程的光敏光纤在线刻写的弱光栅阵列光纤，将光纤载氢后，使用快速再生法对种子光栅进行热处理，缩短了再生时间，通过DSP控制系统控制光纤的收放，监测再生光栅强度，得到再生后的弱光栅传感阵列。本发明获得的高温传感阵列光栅高温性能良好，能实现低温至1000℃的超大范围温度测量，反射率一致性较高，易于解调系统检测，整个传感阵列无任何焊点，损耗低。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种再生弱光栅阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将弱光栅阵列光纤在一定的压力环境下载氢，直到氢分子的完全渗入弱光栅阵列光纤中；

将高温炉升至光栅再生温度900℃~1000℃，并保持稳定；

将载氢后的弱光栅阵列光纤快速插入高温炉的高温恒温区；

观测光栅的反射谱，当出现稳定的反射峰时，得到再生光纤。

2.根据权利要求1所述的再生弱光栅阵列的制备方法，其特征在于，所述弱光栅阵列光纤为使用掺锗或硼锗共掺的高敏光纤在线单脉冲制备而成的反射率为1%~2%的弱光栅阵列。

3.根据权利要求1所述的再生弱光栅阵列的制备方法，其特征在于，在弱光栅阵列光纤上打有光栅的标记点。

4.一种再生弱光栅阵列的制备系统，其特征在于，包括DSP控制器、解调仪、高温炉、收纤盘、放纤盘、打标识别传感器；

高温炉预先加热至光栅再生温度900℃~1000℃，并保持稳定；

解调仪与DSP控制器连接；

放纤盘、收纤盘均与DSP控制器连接，且置于高温炉两侧，弱光栅阵列光纤绕设在放纤盘和收纤盘上，并经过高温炉的加热高温区和打标传感器；且弱光栅阵列光纤上设有光栅的标记点；

打标识别传感器置于高温炉的两侧顶部，并均与DSP控制器连接，两打标识别传感器之间的距离为光纤上两个标记点之间的距离；

放纤盘、收纤盘在DSP控制器的控制下工作，当打标识别传感器同时识别到光纤上的标记点时，将信号发送到DSP控制器，DSP控制器向放纤盘和收纤盘发送停止信号，光栅被放置在高温炉恒温区进行再生；

解调仪实时监测光栅信息，并将采集到的数据发送到DSP控制器，DSP控制器处理光栅再生时中心波长处的反射谱信息，当反射谱达到所需强度并在设定时间内波动符合设置误差时，则光栅完成再生，DSP控制器向放纤盘和收纤盘发送控制信号，继续下一光栅再生。

5.根据权利要求4所述的再生弱光栅阵列的制备系统，其特征在于，弱光栅阵列光纤上设有反射率为1%~2%的弱光栅阵列。

6.根据权利要求4所述的再生弱光栅阵列的制备系统，其特征在于，高温炉为马弗炉。