CN111623900B - 一种高效fbg高温传感器及其工作、制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高效FBG高温传感器及其工作、制作方法，该传感器包括：光纤，从传感器内部并行穿过，所述光纤上沿光纤轴向设有用于测温的第一增敏FBG和用于温度补偿的第二增敏FBG；保温隔热层，能较好地保护栅区，减弱高温对光栅带来的不利影响；热双金属片，其为传感器主要的感温动力源构件。本发明一种高效FBG高温传感器能够满足各种高温工况下的温度监测，并且非常小巧，制作简便，组网性能好，能较好地建立高温监测网。本发明能满足能源开采、航天航空以及土建消防等领域大部分的高温监测工况，具有较高的可靠度。
Description
技术领域
本发明涉及高温监测设备领域，具体涉及一种高效FBG高温传感器及其工作和制作方法。
背景技术
光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。自光纤传感器诞生以来，因为其抗电磁干扰、本质安全、体积小、质量轻及易于嵌入材料内部等优点，它在很多传统的传感领域广泛应用。
深空的高温以及强电磁干扰等恶劣环境在飞行器服役期间会对它造成不可估量的伤害。所以，在这种恶劣环境中对对飞行器的可靠度研究成为了一个重点。随着含航天燃料的变革，飞行器燃料箱的工作过程处于高温状态，整个结构部件是处于高温工作的过程。随着科学技术的飞速发展，航天飞行器的应用领域不断扩大，光纤传感器作为传感领域的佼佼者，为保证人身以及财产安全，对这种恶劣环境特别是高温环境的有效实时监测是十分必要的。
石油化工是能源产业的主力军，石油化工在国民经济中的众多领域都是不可替代的，石油化工产业是国民经济中非常重要一项产业。在其生产过程中，一般作业都处于高温的环境下，并且石油产品都是易燃易爆品，一旦发生火灾爆炸事故，就会造成大损失。随着石油化工行业的迅速发展，对其安全健康监测是十分重要的。
传统的FBG温度传感器工作原理是当外界温度发生变化时，布拉格光栅会发生非常灵敏的变化，从而反射回异于标定波长的光。但是在温度越高时，反射光功率变小的FBG衰退现象就会越来越明显。FBG在制作过程中，载体跃迁分布到具有不同能量的能级，能级越高时发生衰退需要的能量越高。温度越高，维持跃迁状态的载体数目越少，衰退越严重，而当温度过高超过阀值时，反射光功率变为零。
在集成度与组网方面，FBG有着很明显的优势。光纤光栅因为其体积非常小的特点，每个探点仅利用相当少的光源分量，可以让绝大部分光都透过并继续传播。一根光纤上可以最多同时使用30个光栅，传输距离超过45km，这一特点给组网带来巨大便利。同时波分复用等技术的使用，也提高了这一技术的可行性。总得来说，FBG在大范围多节点的测量中具有很大的优势。
目前已有的FBG温度传感器技术相对已经比较成熟了，但是在高温领域，它还存在灵敏度低、可靠度低、精度低等缺陷。特别是在航天等高新技术领域，传统的传感器由于功能与体型过大等非功能方面的不足，已经无法满足行业需求，所以急需要开发出一种高精度的传感器。针对航天与热井油田等领域的高温工况，FBG的先天优势让它在这种工况下具备这种高精度的传感能力。
发明内容
针对现有的FBG温度传感器的不足，本发明的目的在于提供一种高效FBG高温传感器及其工作和制作方法，该传感器能够在高温环境中具有比较高的灵敏度，并且在阀值内具有很好的线性度，能满足能源、航天等领域大部分的高温监测工况。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种高效FBG高温传感器，包括：
并列设置的第一光纤和第二光纤，其中，
所述第一光纤上沿光纤轴向设有用于测温的第一增敏FBG；
所述第二光纤上沿光纤轴向设有用于温度补偿的第二增敏FBG；
封装外壳，套设在所述第一光纤和第二光纤的外部，包括：
沿所述光纤轴向同轴设置地第一封装外壳和第二封装外壳，其中，
所述第一封装外壳的一端壳内壁上固定连接有用于对所述第一光纤和第二光纤的同一端进行限位的第一锚固结构；
所述第二封装外壳的壳内壁上固定连接有用于对所述第一光纤的另一端进行限位的第三锚固结构；
第二锚固结构，设置在所述第一封装外壳另一端壳内壁上；
保温套管，用于光纤保温隔热，包括三个，分别是第一保温套管、第二保温套管和第三保温套管，其中，
第一保温套管设置在所述第一锚固结构和第三锚固结构之间的第一光纤外部，用于对第一增敏FBG保温隔热；
第二保温套管设置在所述第二锚固结构和第三锚固结构之间的第二光纤外部，用于对第二增敏FBG保温隔热；
第三保温套管设置在所述第三锚固结构和第二光纤外壁之间，用于对第二光纤上处于第三锚固结构中的部分进行保温隔热；
热双金属片，设置在第二锚固结构与第三锚固结构之间，用于为传感器提供感温动力；
导轨基座，为“U”形槽结构，用于对传感器中心构件的非轴向限位，其中，导轨基座的U形槽内沿U形槽轴向依次布置所述第一封装外壳、热双金属片以及第二封装外壳，其中，所述第一封装外壳与所述导轨基座之间相对固定连接；
所述热双金属片和所述第二封装外壳均与所述导轨基座之间相对滑动连接；
传感器内由所述第一锚固结构、第二锚固结构、第一保温套管、第二保温套管以及第一封装外壳五者围合形成保温隔热区域；
所述保温隔热区域内填充有保温隔热材料。
所述保温隔热材料为粉末状硅灰，耐火度>1600℃，密度达到(1.6-1.7)g/cm3,细度小于1μm的占80％以上，平均粒径在0.1～0.3μm，比表面积为:20～28m2/g。
所述锚固结构采用玻璃焊料。
所述传感器的长度为10-150mm，高度为4-15mm，宽度为5-18mm。
所述封装外壳材料采用碳钢或钨钢。
所述保温套管为硅胶玻璃纤维套管。
一种基于所述高效FBG高温传感器的工作方法，
当该传感器置于高温环境中时，由于温度的变化，两个增敏FBG都会发生对应的变化，但是这种由温度引起的波长漂移不具备线性特征，由于第一增敏FBG所在的第一光纤一端被第一锚固结构限位，第一光纤另一端被第三锚固结构锚固，热双金属片受热挠曲会给第三锚固结构一个挤压力，第三锚固结构进而会给第一光纤上的所述第一增敏FBG提供一个轴向的作用力，这个作用力将引起第一增敏FBG发生非常灵敏的波长漂移，第一增敏FBG的波长漂移来自两个外界因素：温度与应力；
第二增敏FBG所在的第二光纤只有一端被第一锚固结构限位，而第二光纤的另外一端是滑动设置在第二保温套管内，所以，温度变化不会对第二增敏FBG产生影响，即，第二增敏FBG可以消除温度对第一增敏FBG带来的非线性影响，具体换算公式如下：
温度差计算公式：温度计算公式：式中：T—测点温度值(℃)，
T0—测点初始温度值(℃)，
λ测—第一增敏FBG测量的波长值(nm)，
λ0—第一增敏FBG在T0温度下的波长值(nm)，
λT测—第二增敏FBG测量的波长值(nm)，
λT0—第二增敏FBG在T0温度下的波长值(nm)，
KT1—第一增敏FBG的温度系数，
KT2—第二增敏FBG的温度系数。
一种基于所述高精度FBG高温传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1、退火：将包含两个增敏FBG的光纤放在管式炉内做退火处理，首先将光纤光栅部位置于管式炉中间部位，两端固定使其悬于炉内，两端炉口用高温棉塞住，将管式炉升温至500℃，待温度稳定后保持24h恒温，取出光纤待其冷却至室温；
S2、封装：先将封装外壳灌满保温隔热材料，然后将第一保温套管与第二保温套管通入管内，使其处于同一水平位置，并保证第一封装外壳的两端留有足够的锚固长度；将光纤依次通入第一保温套管和第二保温套管中，使光栅处于第一封装外壳中心位置，用第一锚固结构将第一封装外壳一端锚固光纤，另一端锚固第一保温套管与第二保温套管；在第一封装外壳第二锚固结构一侧穿上热双金属片；将第二增敏FBG穿入与第二封装外壳等长的第三保温套管，在紧挨着热双金属片处将第一增敏FBG所在的第一光纤锚固，并将第三保温套管锚固；将连接好的部分卡入导轨基座，采用点焊的方式将第一封装外壳与导轨基座焊接；最后，传感器两端套上铠装光纤，完成传感器的封装制作。
与现有的FBG温度传感器相比，本发明所具有的有益效果为：
光纤具有良好的拉伸性能，最大可以达到8000με，所以，依靠硅橡胶热膨胀来拉伸光纤，能显著提高传感器的高温监测阀值。同时，得益于膨胀材料良好的热效应，传感器具有较好的温度线性度。
1、传感器采用温补加测温双FBG设计，在高温环境下，温补FBG能显著消除测温FBG温度带来的波长非线性漂移；
2、传感器外形尺寸小，空间占用非常小，可以多个传感器集成实现组网高温传感系统；
3、传感器光栅处于隔热保温效果极好的材料封装下，在更高的温度场中，它具有更高的反射光功率；
4、传感器感温部分用的硅橡胶高温性能稳定，能在一个较高的温度下发挥它的线性热膨胀作用；
5、传感器适用于热井油田、航空航天等各种高温工况，使用范围广，温度测量精度高。
附图说明
图1为本发明一种高效FBG高温传感器结构示意图；
其中，101、第一增敏FBG；102、第二增敏FBG；2、第一封装外壳；3、热双金属片；4、第二封装外壳；5、导轨基座；6、第三锚固结构；7、第三保温套管；
图2为本发明一种高效FBG高温传感器A-A剖面图；
其中，101、第一增敏FBG；102、第二增敏FBG；2、第一封装外壳；3、热双金属片；4、第二封装外壳；5、导轨基座；6、第三锚固结构；8、第二锚固结构；9、保温隔热区域；10、第一锚固结构；11、第一保温套管；
图3为本发明一种高效FBG高温传感器B-B剖面图；
其中，101、第一增敏FBG；102、第二增敏FBG；2、第一封装外壳；5、导轨基座；9、保温隔热区域；12、第二保温套管；
图4为本发明热双金属片与保温套管的连接结构示意图；
图5为本发明热双金属片变形后的结构示意图；
图6为本发明一种高效FBG高温传感器传感系统示意图；
其中，100、本发明一种高效的FBG的高温传感器；200、铠装光缆；300、数据处理终端；400、FBG解调仪。
具体实施方式
根据本发明的第一个实施方案，提供一种高效FBG高温传感器。
一种高效FBG高温传感器，该传感器包括第一增敏FBG 101、第二增敏FBG 102、第一封装外壳2、热双金属片3、第二封装外壳4、导轨基座5、第三锚固结构6、第三保温套管7、第二锚固结构8、保温隔热区域9、第一锚固结构10、第一保温套管11、第二保温套管12。
光纤在第一保温套管11与第二保温套管12中穿过，保温套管外面填充保温隔热材料，保温隔热材料外是封装外壳套管。
第一增敏FBG101一端被第一锚固结构10锚固，另一端穿过第一保温套管11后被第三锚固结构6锚固；第二增敏FBG102作为温度补偿，第二增敏FBG102一端被第一锚固结构10锚固，另一端依次穿过第二保温套管12、第三保温套管7，最后被第三锚固结构6锚固。
优选的是，该传感器温度补偿端引出铠装光纤，可以直接与解调设备以及数据分析处理终端相连接。
在本发明中，在锚固结构采用玻璃焊料将光纤与封装外壳锚固。
在本发明中，第三锚固结构6相对于导轨基座5具有轴向自由度。上述结构可以保证其沿传感器纵向的阻力主要由第一增敏FBG101所在裸光纤提供。
优选的是，该传感器的热双金属片3为该传感器的高温传感能力提供了可能。
在本发明中，该高温传感器长度为10-150mm，优选20-130mm，更优选为50-120mm，例如100mm。宽度为5-18mm，优选6-15mm，例如10mm。高度为4-15mm，更优选5-10mm，例如8mm。
在本发明中，该传感器包含了用于温度补偿的第一增敏FBG和用于测温的第二增敏FBG。第一增敏FBG的温度灵敏度为10.5pm/℃，应变灵敏度为1.2pm/με，整个传感器灵敏度可达到(20-27)×1.2pm/℃。
该传感器原理如下：该传感器置于高温环境中时，由于温度的变化，两个增敏FBG都会发生对应的变化，但是这种由温度引起的波长漂移不具备线性特征，由于第一增敏FBG所在裸光纤被第三锚固结构锚固的一端具有光纤轴向自由度，所述热双金属片的受热挠曲会给第一增敏FBG提供一个轴向的作用，这个作用将引起第一增敏FBG发生非常灵敏的波长漂移，第一增敏FBG的波长漂移来自两个外界因素：温度与应力，第二增敏FBG的作用是消除温度对第一增敏FBG带来的非线性影响。
根据本发明的第二个实施方案，提供一种高效FBG高温传感器的制作方法。
一种高效FBG高温传感器的制作方法，该方法包含以下步骤：
1)退火：将包含两个增敏FBG的光纤放在管式炉内做退火处理。首先将光纤的光栅部位置于管式炉中间部位，两端固定使其悬于炉内，两端炉口用高温棉塞住，将管式炉升温至500℃，待温度稳定后保持24h恒温，取出光纤待其冷却至室温。
2)封装：先将封装外壳灌满保温隔热材料，然后将第一保温套管11与第二保温套管通入管12内，使其处于同一水平位置，并保证第一封装外壳2的两端留有足够的锚固长度；将光纤依次通入第一保温套管11和第二保温套管12中，使光栅处于第一封装外壳2中心位置，用玻璃焊料将第一封装外壳2一端锚固光纤，另一端锚固第一保温套管与第二保温套管；在第一封装外壳2第二锚固结构8一侧穿上热双金属片3；将第二增敏FBG102穿入与第二封装外壳4等长的第三保温套管7，在紧挨着热双金属片3处将第一增敏FBG101所在的裸光纤锚固，并将第三保温套管7锚固；将连接好的部分卡入导轨基座5，采用点焊的方式将第一封装外壳2与导轨基座5焊接；最后，传感器两端套上铠装光纤，完成传感器的封装制作。
在本发明中，步骤1)是将裸光纤的光栅部位置于管式炉中心位置恒温保持24h，待温度场稳定(反射波长趋于稳定)后再进行封装处理。
优选的是，管式炉的温度直接由处于光栅附近的热电偶测得，这样得到的温度更加接近实际温度。
优选的是，第一增敏FBG 101与第二增敏FBG 102距离非常近，保证他们具有相同的环境温度的退火工艺。
在本发明中，步骤2)是将退火后的裸光纤进行封装保护，FBG部位由第一保温套管11、第二保温套管12、保温隔热区域9、第一封装外壳2进行封装保护。
在本发明中，步骤2)是因为第一增敏FBG101所在的裸光纤的第三锚固结构6具有轴向自由度，热双金属片3的热挠曲会给它一个轴向作用力，第一增敏FBG101能灵敏地识别这一作用，从而引起第一增敏FBG101的波长漂移。
在本发明中，使用的热双金属没有采用特殊工艺，是目前的公知技术。
在本发明中，热双金属片的尺寸选取可以根据实际工况需求、FBG的灵敏度综合选取。
在本发明中，测温FBG101处于温度场与应变场耦合的工况，其附近的温补FBG102能较好地将温度与应变解耦。
在本发明中，由于传感器体型非常小，所以它的集成组网会变得非常具有可行性，特别适用于需要高温传感的领域。
在在本发明中，该FBG高温传感器将FBG测温阀值进一步提高，并且具有较好的可行性。。
实施例1
一种高效FBG高温传感器，该传感器包括第一增敏FBG 101、第二增敏FBG 102、第一封装外壳2、热双金属片3、第二封装外壳4、导轨基座5、第三锚固结构6、第三保温套管7、第二锚固结构8、保温隔热区域9、第一锚固结构10、第一保温套管11、第二保温套管12。
光纤在第一保温套管11与第二保温套管12中穿过，保温套管外面填充保温隔热材料，保温隔热材料外是封装外壳套管。
第一增敏FBG101一端被第一锚固结构10锚固，另一端穿过第一保温套管11后被第三锚固结构6锚固；第二增敏FBG102作为温度补偿，第二增敏FBG102一端被第一锚固结构10锚固，另一端依次穿过第二保温套管12、第三保温套管7，最后被第三锚固结构6锚固。传感器的尺寸为：长度100mm、宽度10mm、高度8mm。
实施例2
一种高效FBG高温传感器的制作方法，只是将FBG固定在管式炉内，关上管式炉，两端塞入高温棉，完成退火过程。
实施例3
重复实施例2，只是热双金属片发生热挠曲现象，从而作用于第三锚固结构6，让处于第一保温套管内的测温FBG识别到这一作用力。
实施例4
重复实施例3，重复实施例1，只是热双金属片发生热挠曲现象，位于第二保温套管内的用于温度补偿的第二增敏FBG能在高温下补偿温度带来的非线性影响。
实施例5
重复实施例4，只是该传感器还包括两端接入铠装光纤，铠装光纤包括内包层管、金属套管以及外层套管。三层套管保护光纤不受腐蚀、机械磨损、剪切等破坏。
实施例6
重复实施例5，将固定好的FBG高温传感器连接好光纤跳线，接入解调仪，将解调仪端连接计算机终端。解调仪采用的是美国Micron Optics公司生产的Si255型，它配置16通道，每通道160nm带宽，基于新一代HYPERION平台开发。计算机采用的是Windows7操作系统上的ENLIGHT传感分析、数据采集软件。将管式炉温度设定值调至500℃，开始加热，加热到500度时恒温2h。将两个FBG作高温标定，用温补FBG的数据补偿温度给测温FBG带来的非线性影响。两个FBG数据的拟合优度R2均大于0.9，达到了高温监测的标准。
Claims (6)
1.一种高效FBG高温传感器，其特征在于，包括：
并列设置的第一光纤和第二光纤，其中，
所述第一光纤上沿光纤轴向设有用于测温的第一增敏FBG；
所述第二光纤上沿光纤轴向设有用于温度补偿的第二增敏FBG；
封装外壳，套设在所述第一光纤和第二光纤的外部，包括：
沿所述光纤轴向同轴设置地第一封装外壳和第二封装外壳，其中，
所述第一封装外壳的一端壳内壁上固定连接有用于对所述第一光纤和第二光纤的同一端进行限位的第一锚固结构；
所述第二封装外壳的壳内壁上固定连接有用于对所述第一光纤的另一端进行限位的第三锚固结构；
第二锚固结构，设置在所述第一封装外壳另一端壳内壁上；
保温套管，用于光纤保温隔热，包括三个，分别是第一保温套管、第二保温套管和第三保温套管，其中，
第一保温套管设置在所述第一锚固结构和第三锚固结构之间的第一光纤外部，用于对第一增敏FBG保温隔热；
第二保温套管设置在所述第二锚固结构和第三锚固结构之间的第二光纤外部，用于对第二增敏FBG保温隔热；
第三保温套管设置在所述第三锚固结构和第二光纤外壁之间，用于对第二光纤上处于第三锚固结构中的部分进行保温隔热；
热双金属片，设置在第二锚固结构与第三锚固结构之间，用于为传感器提供感温动力；
导轨基座，为“U”形槽结构，用于对传感器中心构件的非轴向限位，其中，导轨基座的U形槽内沿U形槽轴向依次布置所述第一封装外壳、热双金属片以及第二封装外壳，其中，所述第一封装外壳与所述导轨基座之间相对固定连接；
所述热双金属片和所述第二封装外壳均与所述导轨基座之间相对滑动连接；
传感器内由所述第一锚固结构、第二锚固结构、第一保温套管、第二保温套管以及第一封装外壳五者围合形成保温隔热区域；
所述保温隔热区域内填充有保温隔热材料；
所述保温隔热材料为粉末状硅灰，耐火度>1600℃，密度达到(1.6-1.7)g/cm3,细度小于1μm的占80%以上，平均粒径在0.1～0.3μm，比表面积为:20～28m2/g；
所述锚固结构采用玻璃焊料。
2.根据权利要求1所述的一种高效FBG高温传感器，其特征在于，所述传感器的长度为10-150mm，高度为4-15mm，宽度为5-18mm。
3.根据权利要求1所述的一种高效FBG高温传感器，其特征在于：所述封装外壳的材料采用碳钢或钨钢。
4.根据权利要求1所述的一种高效FBG高温传感器，其特征在于：所述保温套管为硅胶玻璃纤维套管。
5.一种基于权利要求1~4中任一所述高效FBG高温传感器的工作方法，其特征在于，
当该传感器置于高温环境中时，由于温度的变化，两个增敏FBG都会发生对应的变化，但是这种由温度引起的波长漂移不具备线性特征，由于第一增敏FBG所在的第一光纤一端被第一锚固结构限位，第一光纤另一端被第三锚固结构锚固，热双金属片受热挠曲会给第三锚固结构一个挤压力，第三锚固结构进而会给第一光纤上的所述第一增敏FBG提供一个轴向的作用力，这个作用力将引起第一增敏FBG发生非常灵敏的波长漂移，第一增敏FBG的波长漂移来自两个外界因素：温度与应力；
第二增敏FBG所在的第二光纤只有一端被第一锚固结构限位，而第二光纤的另外一端是滑动设置在第二保温套管内，所以，温度变化不会对第二增敏FBG产生影响，即，第二增敏FBG可以消除温度对第一增敏FBG带来的非线性影响，具体换算公式如下：
温度差计算公式：，
温度计算公式：，
式中：T— 测点温度值（℃），
T0— 测点初始温度值（℃），
λ测— 第一增敏FBG测量的波长值（nm），
λ0— 第一增敏FBG在T0温度下的波长值（nm），
λT测 —第二增敏FBG测量的波长值（nm），
λT0 — 第二增敏FBG在T0温度下的波长值（nm），
K T 1—第一增敏FBG的温度系数，
KT2 — 第二增敏FBG的温度系数。
6.一种基于权利要求1~5中任一所述高效FBG高温传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、退火：将包含两个增敏FBG的光纤放在管式炉内做退火处理，首先将光纤光栅部位置于管式炉中间部位，两端固定使其悬于炉内，两端炉口用高温棉塞住，将管式炉升温至500℃，待温度稳定后保持24h恒温，取出光纤待其冷却至室温；
S2、封装：先将封装外壳灌满保温隔热材料，然后将第一保温套管与第二保温套管通入管内，使其处于同一水平位置，并保证第一封装外壳的两端留有足够的锚固长度；将光纤依次通入第一保温套管和第二保温套管中，使光栅处于第一封装外壳中心位置，用第一锚固结构将第一封装外壳一端锚固光纤，另一端锚固第一保温套管与第二保温套管；在第一封装外壳第二锚固结构一侧穿上热双金属片；将第二增敏FBG穿入与第二封装外壳等长的第三保温套管，在紧挨着热双金属片处将第一增敏FBG所在的第一光纤锚固，并将第三保温套管锚固；将连接好的部分卡入导轨基座，采用点焊的方式将第一封装外壳与导轨基座焊接；最后，传感器两端套上铠装光纤，完成传感器的封装制作。
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