CN114353840A - 一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器及其制作方法 - Google Patents
一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器及其制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114353840A CN114353840A CN202111458206.5A CN202111458206A CN114353840A CN 114353840 A CN114353840 A CN 114353840A CN 202111458206 A CN202111458206 A CN 202111458206A CN 114353840 A CN114353840 A CN 114353840A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fiber grating
- composite material
- hot
- carbon
- grating sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，公开了一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器及其制作方法。本发明采用经高温退火处理得到的再生光纤光栅作为敏感元件，采用涂碳工艺制作涂碳光纤光栅，将涂碳光纤光栅置于热压模具内，并加入金属‑石墨复合材料进行热压，待热压结束后脱模得到一种嵌入金属‑石墨复合材料内部的涂碳光纤光栅传感器。本发明提供的光纤光栅传感器能够适应隧道内高温、高湿或者浸水环境，响应灵敏度更高，亦能更好抵御外界环境的侵蚀。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器及其制作方法。
背景技术
光纤光栅作为一种光纤无源器件，近三十年来发展迅速。光纤光栅传感器具有无源无电、抗电磁干扰、易于实现大规模分布式网络测量等优点，在航空航天、大型土木工程、石油化工等场合和强电磁场环境中得到广泛应用。然而，在土木隧道工程实际应用中还存在很多问题需要深入研究，主要不足有以下几点：
(1)对于普通光纤光栅，在超过200℃时光纤光栅反射率开始衰减，随着温度上升，光栅反射信号会逐渐变弱直至消失，即光栅被擦除，所以普通光纤光栅传感器仅能在200℃以下使用。应用于隧道环境中时，隧道内部如果遇到火情，温度肯定超过200℃，此时可能会出现传感器信号太弱导致警报耽误的情况。
(2)在制备光纤光栅传感器时，通常会剥除光纤表面的有机涂覆层使用，裸露的光纤如果处在一个高湿度环境中容易断裂，且容易受到机械损伤导致光纤表面产生裂纹，这样就会大大降低光纤强度，因此光栅的密封封装保护很有必要。现有的光纤光栅传感器大多使用有机高分子胶水封装，有机高分子胶水在高温或者高湿度环境下易老化和蠕变，易老化就限制了传感器的使用环境，蠕变则会影响测量数据的真实性和响应度。
鉴于以上几点不足，为了实现在隧道这种较高温度或者高湿度环境下传感器的长期有效监测，如何改善上述不足之处是非常必要的。
发明内容
本发明通过提供一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器及其制作方法，解决现有技术中光纤光栅传感器无法在隧道这种高温或高湿环境下进行长期有效监测的问题。
本发明提供一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、对布拉格光纤光栅进行退火处理，得到再生光纤光栅；
步骤2、在所述再生光纤光栅的表面涂碳，得到涂碳光纤光栅；
步骤3、将所述涂碳光纤光栅放入热压模具内，并对其位置进行固定；
步骤4、在所述热压模具内加入金属-石墨复合材料，将所述热压模具放入热压炉内进行热压；待热压结束后脱模得到一体化成型隧道用光纤光栅传感器。
优选的，所述步骤1中，退火温度为850-900℃，退火时间为30-60min。
优选的，所述步骤2中，利用化学气相沉积工艺在所述再生光纤光栅的表面涂碳。
优选的，所述步骤3中，所述热压模具的两侧设有光纤引出保护装置；所述热压模具的材料为耐高温铁基合金。
优选的，所述步骤4中，所述金属-石墨复合材料采用铝-石墨复合材料。
优选的，所述铝-石墨复合材料中，石墨的掺杂质量分数在1％-5％之间；所述铝-石墨复合材料的热导系数为200～400W/m.K。
优选的，所述步骤4中，首先将所述热压炉抽真空，抽真空度为5～100Pa；然后以5～20℃/min的升温速率升温至600～750℃；所述热压炉保温20～120min之后，对所述金属-石墨复合材料进行烧结；待经过烧结的所述金属-石墨复合材料自然冷却后取出。
另一方面，本发明提供一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器，采用上述的一体化成型隧道用光纤光栅传感器的制作方法制作得到；所述一体化成型隧道用光纤光栅传感器中，涂碳光纤光栅嵌入金属-石墨复合材料内部。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，采用经高温退火处理得到的再生光纤光栅作为敏感元件，采用涂碳工艺制作涂碳光纤光栅，将涂碳光纤光栅置于热压模具内，在热压模具内加入金属-石墨复合材料进行热压，待热压结束后可以脱模得到一种嵌入金属-石墨复合材料内部的涂碳光纤光栅传感器。本发明提供的光纤光栅传感器能够适应高温、高湿或者浸水环境，因为是高导热复合材料一体成型，其响应灵敏度更高，亦能更好抵御外界环境的侵蚀。本发明能够改善现有的高温或高湿环境下传感器的使用寿命、测试精度以及响应度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器的制作方法对应的工艺流程图。
图2为涂碳光纤光栅的结构示意图。
图3为将涂碳光纤光栅固定在带有夹具的热压模具中的示意图。
图4为热压烧结的示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
实施例1提供一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器的制作方法，参见图1，包括以下步骤：
步骤1、对布拉格光纤光栅进行退火处理，得到再生光纤光栅。
其中，退火温度为850-900℃，退火时间为30-60min。普通的布拉格光纤光栅经过升温降温的退火处理，形成高温下不会被擦除的再生光纤光栅。即为了防止光纤光栅在高温下被擦除，对光纤布拉格光栅进行退火处理，以产生可以耐高温的光纤光栅，退火之后的光纤光栅可以承受温度达1000℃。
步骤2、在所述再生光纤光栅的表面涂碳，得到涂碳光纤光栅。
所述涂碳光纤光栅为先裸纤写入光栅后再进行涂碳工艺得到的光纤光栅。具体的，利用化学气相沉积工艺在所述再生光纤光栅的表面涂碳，涂碳后的光纤光栅结构如图2所示，包括裸光纤21、碳涂层22和光栅区域23。
步骤3、将所述涂碳光纤光栅放入热压模具内，并对其位置进行固定。
其中，所述热压模具的两侧设有光纤引出保护装置；所述热压模具的材料为耐高温铁基合金。所述热压模具的大小可根据实际需求设计，但是尺寸长度不可小于2cm。
参见图3，将涂碳光纤光栅31固定在带有夹具的热压模具34中，并将涂碳光纤光栅31尽量绷直后夹紧在夹具(包括第一夹具32和第二夹具37)上。所述热压模具34还包括引出保护套管(包括第一引出保护套管33和第二引出保护套管36)和粉体放置区域35。
步骤4、在所述热压模具内加入金属-石墨复合材料，将所述热压模具放入热压炉内进行热压；待热压结束后脱模得到一体化成型隧道用光纤光栅传感器。
其中，所述金属-石墨复合材料可采用铝-石墨复合材料。铝-石墨复合材料相比其他金属-石墨的组合具有以下优点：(1)质量轻、(2)原材料成本较低。
所述铝-石墨复合材料的配比组分是在前期大量铝-石墨复合材料烧结实验中已经确定好的稳定配比。具体的，所述铝-石墨复合材料中，石墨的掺杂质量分数在1％-5％之间；所述铝-石墨复合材料的热导系数为200～400W/m.K。
具体的，可将已经混合均匀的铝-石墨粉体加入模具中，并用石墨纸包裹以便于脱模。
参见图4，热压烧结中，光纤及其固定夹具43的两侧分别设置有热压模具42和底座44，热压上压头41位于所述热压模具的上方，通过液压施加压力。
热压烧结步骤为：首先将所述热压炉抽真空，抽真空度为5～100Pa；然后以5～20℃/min的升温速率升温至600～750℃；所述热压炉保温20～120min之后，对所述金属-石墨复合材料进行烧结；待经过烧结的所述金属-石墨复合材料自然冷却后取出。
通过上述步骤，可以得到一种嵌入金属-石墨复合材料内部的涂碳光纤光栅传感器，涂碳的光纤光栅和金属-石墨复合材料融合为一体，能够很好的抵御外界环境侵蚀，延长使用寿命并能有效提升光纤光栅传感器的响应度和灵敏度，作为隧道内使用的一种无源传感器，性能优越且可靠。
实施例2：
实施例2提供一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器，采用实施例1提供的方法制备得到，所述一体化成型隧道用光纤光栅传感器中，涂碳光纤光栅嵌入金属-石墨复合材料内部。
本发明提供的一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器及其制作方法中，创造性的将再生光纤光栅进行涂碳工艺后与金属-石墨复合材料进行热压，因为将光纤光栅涂碳后，其表面与金属-石墨复合材料热压时，界面结合性能更好，这样能够有效提升光纤光栅传感器的响应度和灵敏度。另外，本工艺方法制作的光纤光栅传感器使用热压成型，外观形状可以根据需要进行一定程度上的设计更改，这样既可以保证光纤光栅传感器的使用寿命，也可以拓宽其使用范围。其中，光纤光栅传感器使用温度可以超过300℃，并在450℃以下可长时间使用。其温度灵敏度约35pm/℃，相比普通光纤光栅温度传感器灵敏度11pm/℃而言，提高三倍，对于温度测量精度更高，响应度更快。另外，在隧道这种高温或者高湿度的环境下，一体成型的金属-石墨复合材料传感器其使用寿命可以得到有效的保障，同时一体化的金属-石墨复合材料可以明显提高温度响应速度。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对布拉格光纤光栅进行退火处理，得到再生光纤光栅；
步骤2、在所述再生光纤光栅的表面涂碳，得到涂碳光纤光栅；
步骤3、将所述涂碳光纤光栅放入热压模具内，并对其位置进行固定；
步骤4、在所述热压模具内加入金属-石墨复合材料，将所述热压模具放入热压炉内进行热压；待热压结束后脱模得到一体化成型隧道用光纤光栅传感器。
2.根据权利要求1所述的一体化成型隧道用光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤1中，退火温度为850-900℃，退火时间为30-60min。
3.根据权利要求1所述的一体化成型隧道用光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤2中，利用化学气相沉积工艺在所述再生光纤光栅的表面涂碳。
4.根据权利要求1所述的一体化成型隧道用光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤3中，所述热压模具的两侧设有光纤引出保护装置；所述热压模具的材料为耐高温铁基合金。
5.根据权利要求1所述的一体化成型隧道用光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤4中，所述金属-石墨复合材料采用铝-石墨复合材料。
6.根据权利要求5所述的一体化成型隧道用光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述铝-石墨复合材料中，石墨的掺杂质量分数在1％-5％之间；所述铝-石墨复合材料的热导系数为200～400W/m.K。
7.根据权利要求1所述的一体化成型隧道用光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤4中，首先将所述热压炉抽真空，抽真空度为5～100Pa；然后以5～20℃/min的升温速率升温至600～750℃；所述热压炉保温20～120min之后，对所述金属-石墨复合材料进行烧结；待经过烧结的所述金属-石墨复合材料自然冷却后取出。
8.一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的一体化成型隧道用光纤光栅传感器的制作方法制作得到；所述一体化成型隧道用光纤光栅传感器中，涂碳光纤光栅嵌入金属-石墨复合材料内部。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111458206.5A CN114353840B (zh) | 2021-12-02 | 2021-12-02 | 一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111458206.5A CN114353840B (zh) | 2021-12-02 | 2021-12-02 | 一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器及其制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114353840A true CN114353840A (zh) | 2022-04-15 |
| CN114353840B CN114353840B (zh) | 2023-08-22 |
Family
ID=81096913
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111458206.5A Active CN114353840B (zh) | 2021-12-02 | 2021-12-02 | 一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114353840B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040234221A1 (en) * | 2001-06-11 | 2004-11-25 | Kringlebotn Jon Thomas | Method for preparing an optical fibre, optical fibre and use of such |
| CN101570065B (zh) * | 2009-06-10 | 2011-08-10 | 沈阳航空工业学院 | 一种用于结构纵向应变监测的智能复合材料层板制作方法 |
| CN102788603A (zh) * | 2012-07-27 | 2012-11-21 | 华东理工大学 | 全金属封装的耐高温光纤光栅传感器及其制造方法 |
| CN104198096A (zh) * | 2014-08-27 | 2014-12-10 | 基康仪器股份有限公司 | 用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器及制作方法 |
| CN112629696A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-04-09 | 长飞光纤光缆股份有限公司 | 一种高温快速响应光纤光栅温度传感器及其制备方法 |
-
2021
- 2021-12-02 CN CN202111458206.5A patent/CN114353840B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040234221A1 (en) * | 2001-06-11 | 2004-11-25 | Kringlebotn Jon Thomas | Method for preparing an optical fibre, optical fibre and use of such |
| CN101570065B (zh) * | 2009-06-10 | 2011-08-10 | 沈阳航空工业学院 | 一种用于结构纵向应变监测的智能复合材料层板制作方法 |
| CN102788603A (zh) * | 2012-07-27 | 2012-11-21 | 华东理工大学 | 全金属封装的耐高温光纤光栅传感器及其制造方法 |
| CN104198096A (zh) * | 2014-08-27 | 2014-12-10 | 基康仪器股份有限公司 | 用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器及制作方法 |
| CN112629696A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-04-09 | 长飞光纤光缆股份有限公司 | 一种高温快速响应光纤光栅温度传感器及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114353840B (zh) | 2023-08-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108332878B (zh) | 一种光纤光栅温度传感器及制备方法 | |
| CN102288320A (zh) | 基于金属片的ntc热敏电阻温度传感器及其制作方法 | |
| CN106568519B (zh) | 耐热型陶瓷铠装高温热电偶及其制造方法 | |
| CN112525237B (zh) | 基于环氧树脂封装的efpi-fbg复合压力温度传感器及测量方法 | |
| CN114353840A (zh) | 一种一体化成型隧道用光纤光栅传感器及其制作方法 | |
| CN202024834U (zh) | 一种引线低温固化连接的ntc热敏电阻温度传感器 | |
| Sun et al. | Highly stretchable and sensitive strain sensor based on Ionogel/Ag synergistic conductive network | |
| CN204010867U (zh) | 一种耐高温防潮ntc热敏电阻器 | |
| Xie et al. | A study of the temperature sensitivity of fiber Bragg gratings after metallization | |
| CN110501086B (zh) | 一种柔性温度传感器及其制备方法 | |
| CN106568520A (zh) | 高温度敏感陶瓷铠装高温热电偶及其制造方法 | |
| CN208223670U (zh) | 一种插针式温度传感器 | |
| CN211783947U (zh) | 一种温度传感器及具有其的电磁炉 | |
| CN114184301A (zh) | 一种超耐高温光纤光栅温度传感器及信号解调方法 | |
| CN209445986U (zh) | 一种高分子材料封装的贴片式光纤光栅应变传感器 | |
| CN112344843A (zh) | 一种耐高低温聚酰亚胺应变计及其制造方法 | |
| CN2932906Y (zh) | 一种带温度检测装置的电磁炉线圈盘 | |
| CN101814349B (zh) | 一种热敏电阻的成型模具及热敏电阻的制造方法 | |
| Du et al. | The connection technology based on high temperature silica fiber optic sensor | |
| KR20210112756A (ko) | 절연성 및 보호성이 향상된 센서기구 | |
| CN108613752A (zh) | 一种插针式温度传感器及其制备方法 | |
| CN215969947U (zh) | 一种注塑机加热保护装置 | |
| CN203758638U (zh) | 一种用于电饭煲的高可靠性温度传感器 | |
| CN115452021A (zh) | 一种井下高温复合材料光纤光栅传感器及其制作方法 | |
| EP0494239B1 (en) | Resin moulding apparatus and methods |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |