CN110579288B - 一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器 - Google Patents

一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器。所述光纤传感器包括：单模光纤、第一热再生光纤光栅、第二热再生光纤光栅、第一毛细玻璃管和第二毛细玻璃管；第一毛细玻璃管和第二毛细玻璃管均套设在单模光纤的外部，第一毛细玻璃管的一端通过第一高温胶固定于单模光纤上；第二毛细玻璃管的一端通过第二高温胶固定于单模光纤上；第一毛细玻璃管和第二毛细玻璃管之间有预设间距；第一热再生光纤光栅刻写在第一毛细玻璃管和第二毛细玻璃管之间的单模光纤的纤芯上；第二热再生光纤光栅刻写在第二毛细玻璃管内部的单模光纤的纤芯上。本发明提高了第一热再生光纤光栅的应变灵敏度，从而提高了光纤传感器对应变的响应特性，并能实现温度和应变的精确测量。

Description

一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器。
背景技术
应变测量是监测结构安全状况的重要手段，不同应用场合和不同材料结构所需的应变分辨率和应变量程不同。对于临近空间高超声速飞行器飞行时的蒙皮受力状况的实时在线监测，需要在高温下实现应变的精确测量，并且应变灵敏度可直接反应并影响应变测量的准确度。
热再生光纤光栅(RegeneratedFiberBragg Grating，简称RFBG)是指通过高温烘烤使种子光栅擦除后重新生长的光纤光栅，是一种新型耐超高温光纤光栅，耐温高达1200℃以上，RFBG在世界范围内得到了广泛的关注。然而，现有技术中RFBG传感器的应变灵敏度在1.0pm/με左右，且对温度的依赖性比较大，无法实现应变的精确测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器，能够提高第一热再生光纤光栅的应变灵敏度，从而提高了光纤传感器对应变的响应特性，并能实现温度和应变的精确测量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感器包括：单模光纤、第一热再生光纤光栅、第二热再生光纤光栅、第一毛细玻璃管和第二毛细玻璃管；
所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管均套设在所述单模光纤上；所述第一热再生光纤光栅刻写在所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管之间的单模光纤的纤芯上；所述第一毛细玻璃管距离所述第一热再生光纤光栅较近的一端通过第一高温胶固定于所述单模光纤上；所述第二毛细玻璃管距离所述第一热再生光纤光栅较近的一端通过第二高温胶固定于所述单模光纤上；所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管之间有预设间距；
所述第二热再生光纤光栅刻写在所述第二毛细玻璃管内部的单模光纤的纤芯上。
优选地，所述第一热再生光纤光栅是刻写在所述单模光纤上的第一种子光栅经过热重生得到的光栅，所述第二热再生光纤光栅是刻写在所述单模光纤上的第二种子光栅经过热重生得到的光栅。
优选地，所述第一种子光栅的栅区长度与所述第二种子光栅的栅区长度相同；所述第一种子光栅的中心波长大于所述第二种子光栅的中心波长。
优选地，所述第一种子光栅和所述第二种子光栅使用同一种刻写方式刻写在所述单模光纤的纤芯上。
优选地，所述第一高温胶和所述第二高温胶均为高温陶瓷胶。
优选地，所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管之间的预设间距为10～30mm。
优选地，所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管的内径均大于250μm，外径均小于500μm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明将第一热再生光纤光栅刻写在第一毛细玻璃管和第二毛细玻璃管之间的单模光纤上，由于第一毛细玻璃管、第二毛细玻璃管均与第一毛细玻璃管和第二毛细玻璃管之间的单模光纤存在直径差异，在第一毛细玻璃管和第二毛细玻璃管上施加应力时，第一热再生光纤光栅会受到应力集中效应的影响，使第一热再生光纤光栅的应变灵敏度显著提高，进而提高了光纤传感器对应变的响应特性；
此外，本发明通过第二毛细玻璃管封装第二热再生光纤光栅，使第二热再生光纤光栅只响应温度，而第一热再生光纤光栅同时响应温度和应变，根据第二热再生光纤光栅的温度响应特性，可以实现温度的精确测量；根据第一热再生光纤光栅的应变响应特性，可以实现应变的精确测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器在900℃的应变响应图；
图3为本发明实施例一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器的温度响应图；
图4为本发明实施例一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器的第一热再生光纤光栅的中心波长在900℃的精确应变响应图；
图5为本发明实施例一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器在900℃的拉力计验证光纤传感器应变测量精度的示意图；
附图标记说明：
图1中：1-单模光纤，2-第一毛细玻璃管，3-第一高温胶，4-第一热再生光纤光栅，5-第二高温胶，6-第二热再生光纤光栅，7-第二毛细玻璃管。
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。
本发明的目的是提供一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器，第一热再生光纤光栅的应变灵敏度，从而提高了光纤传感器对应变的响应特性，并能实现温度和应变的精确测量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器的结构示意图，如图1所示，本发明提供的光纤传感器包括：单模光纤1、第一热再生光纤光栅4、第二热再生光纤光栅6、第一毛细玻璃管2和第二毛细玻璃管7；
第一毛细玻璃管2和第二毛细玻璃管7均套设在单模光纤1上；第一热再生光纤光栅4刻写在第一毛细玻璃管2和第二毛细玻璃管7之间的单模光纤1的纤芯上；第一毛细玻璃管2距离第一热再生光纤光栅4较近的一端通过第一高温胶3固定于单模光纤1上；第二毛细玻璃管7距离第一热再生光纤光栅4较近的一端通过第二高温胶5固定于单模光纤1上；第一毛细玻璃管2和第二毛细玻璃管7之间有预设间距，预设间距为30mm；
第二热再生光纤光栅6刻写在第二毛细玻璃管7内部的单模光纤1的纤芯上。
单模光纤1的型号为SMF-28，单模光纤1的纤芯直径为8.2μm，单模光纤1的包层直径为125μm。
刻写在单模光纤1上的第一种子光栅经过热重生得到第一热再生光纤光栅4，第一种子光栅的栅区长度为10mm，第一种子光栅的中心波长为1553nm；刻写在单模光纤1上的第二种子光栅经过热重生得到第二热再生光纤光栅6，第二种子光栅的栅区长度为10mm，第二种子光栅的中心波长为1550nm；第一种子光栅和第二种子光栅之间的间距为30mm；第一种子光栅和第二种子光栅使用同一种刻写方式刻写在单模光纤1的纤芯上，刻写方式包括飞秒激光器刻写、紫外激光器刻写。
第一毛细玻璃管2和第二毛细玻璃管7的内径均为318μm，外径均为449μm；第一高温胶3和第二高温胶6均为高温陶瓷胶，耐受温度高达1200℃。
本发明实施例提供的一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器获得应变灵敏度的具体测试方法如下：
将基于双毛细玻璃管封光纤传感器放置于玻璃管式炉的中心位置，以确保光纤传感器受热均匀，玻璃管式炉的加热区域长度为200mm，玻璃管式炉固定于加热器中，光纤传感器的单模光纤1的左端与波长分辨率为1pm的sm125光学解调仪的一端连接，sm125光学解调仪的另一端通过USB数据线与电脑连接，第一毛细玻璃管2的左端通过环氧树脂胶固定于位移台上，第二毛细玻璃管7的右端通过环氧树脂胶固定于应变计上，应变计固定于第一固定平台上，位移台固定于第二固定平台上，应变计与位移台保持同一高度，确保光纤传感器在一个平面内移动。
加热器进行加热，当加热器的温度加热到900℃时，保持10分钟以确保玻璃管式炉中温度均匀分布。使用应变计调整好光纤传感器的应变初始状态，使初始应变为0，控制位移台使光纤传感器的位移以每步100με的大小从0με增加到550με，然后再以每步100με的大小减少到0με，则可获得第一热再生光纤光栅4在900℃时的第一热再生光纤光栅4的应变响应谱线，如图2所示。
将图2中第一热再生光纤光栅4的应变响应曲线进行线性拟合，可得线性拟合公式为y＝1565.17112+0.00349x，线性度大于0.99，第一热再生光纤光栅4的应变灵敏度为3.49pm/με，第一热再生光纤光栅4的应变灵敏度用Kε表示，即Kε＝3.49pm/με；第一热再生光纤光栅4的应变灵敏度为裸热再生光纤光栅的应变灵敏度的3倍多，显著提高了光纤传感器的应变灵敏度。
如图2所示，第一热再生光纤光栅4的中心波长随应变的增大而增大，呈现上升的趋势，而第二热再生光纤光栅6的中心波长没有发生变化，由于第一热再生光纤光栅4和第二热再生光纤光栅6具有相同的温度扰动，即第一热再生光纤光栅4和第二热再生光纤光栅6受同一温度影响的波长变化量相同，所以第一热再生光纤光栅4受温度和应变影响的第一中心波长变化量剔除第二热再生光纤光栅6受温度影响的第二中心波长变化量，则可以精确推导出光纤传感器的应变；根据第二热再生光纤光栅6受温度扰动的第二中心波长变化量，则可以精确推导出光纤传感器所在的环境的温度。
本发明实施例一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器精确测量温度和应变的具体测试方法如下：
精确测量温度和应变的测试装置与应变灵敏度的测试装置相同。
将安装有玻璃管式炉的加热器的温度以100℃为单位从室温增加到1000℃，每一个温度点保持10分钟以确保玻璃管式炉中温度均匀分布，光谱稳定后每100℃记录一次数据，则可获得温度响应谱线，如图3所示；
当加热器的温度加热到500℃时，以100℃为单位从500℃增加到900℃，每一个温度点对光纤传感器进行一次应变测试，施加应变之前，每一个温度点保持10分钟以确保玻璃管式炉中温度均匀分布。使用应变计调整好光纤传感器的应变初始状态，使初始应变ε0为0，在每一恒定温度下，控制位移台使光纤传感器的位移以每步100με的大小从0με增加到550με，然后再以每步100με的大小减少到0με，则可获得第一热再生光纤光栅4在每一个温度点的应变响应谱线；温度在900℃时的第一热再生光纤光栅4的应变响应谱线如图2所示。
如图3所示，根据第二热再生光纤光栅6的线性拟合可得线性拟合公式为y＝1546.59713+0.01836x，线性度大于0.99，第二热再生光纤光栅6的温度灵敏度为18.36pm/℃，第二热再生光纤光栅6的温度灵敏度用KT表示，即KT＝18.36pm/℃；假设室温T0为0，当x＝0时，第二热再生光纤光栅6在室温下的中心波长为1546.59713nm；
在图3中，第一热再生光纤光栅4的线性拟合公式为y＝1548.15759+0.01896x，线性度大于0.99，第一热再生光纤光栅4的温度灵敏度为18.96pm/℃；假设室温T0为0，当x＝0时，第一热再生光纤光栅4在室温下的中心波长为1548.15759nm；
当温度x＝900℃时，从图3的纵坐标可直接读出第二热再生光纤光栅6在900℃的中心波长，用第二热再生光纤光栅6在900℃的中心波长减去第二热再生光纤光栅6在室温下的中心波长得到第二热再生光纤光栅6的第二中心波长变化量，第二中心波长变化量用Δλ2表示，结合公式
Figure BDA0002202324750000071
可精确推导出光纤传感器所在的环境的温度。
如图2所示，温度为900℃且应变为图2横坐标上任意一值时，可从图2的纵坐标上直接读出第一热再生光纤光栅4变化后的中心波长，用第一热再生光纤光栅4变化后的中心波长减去第一热再生光纤光栅4室温下的中心波长得到第一热再生光纤光栅4的第一中心波长变化量，第一中心波长变化量用Δλ1表示，结合公式
Figure BDA0002202324750000072
计算获得光纤传感器的应变，从而获得光纤传感器测量的物体的应变。
图4为第一热再生光纤光栅4的中心波长减去第二热再生光纤光栅6的第二中心波长变化量后的波长在900℃的精确应变响应图，线性拟合公式为y＝1565.1718+0.00349x，线性度大于0.99。
如图5所示，第一热再生光纤光栅4的中心波长随应变的变化趋势与第一热再生光纤光栅4的中心波长随拉力的变化趋势保持一致，验证了本发明实施例一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器可以精确测量应变响应。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于双毛细玻璃管封装光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感器包括：单模光纤、第一热再生光纤光栅、第二热再生光纤光栅、第一毛细玻璃管和第二毛细玻璃管；
所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管均套设在所述单模光纤上；所述第一热再生光纤光栅刻写在所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管之间的单模光纤的纤芯上；所述第一毛细玻璃管距离所述第一热再生光纤光栅较近的一端通过第一高温胶固定于所述单模光纤上；所述第二毛细玻璃管距离所述第一热再生光纤光栅较近的一端通过第二高温胶固定于所述单模光纤上；所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管之间有预设间距；
所述第二热再生光纤光栅刻写在所述第二毛细玻璃管内部的单模光纤的纤芯上；
所述第一热再生光纤光栅的栅区长度与所述第二热再生光纤光栅的栅区长度相同。
2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一热再生光纤光栅是刻写在所述单模光纤上的第一种子光栅经过热重生得到的光栅，所述第二热再生光纤光栅是刻写在所述单模光纤上的第二种子光栅经过热重生得到的光栅。
3.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一种子光栅的栅区长度与所述第二种子光栅的栅区长度相同；所述第一种子光栅的中心波长大于所述第二种子光栅的中心波长。
4.根据权利要求3所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一种子光栅和所述第二种子光栅使用同一种刻写方式刻写在所述单模光纤的纤芯上。
5.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一高温胶和所述第二高温胶均为高温陶瓷胶。
6.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管之间的预设间距为10～30mm。
7.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一毛细玻璃管和所述第二毛细玻璃管的内径均大于250μm，外径均小于500μm。
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