CN114509016B - 一种高温efpi型光纤应变传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温EFPI型光纤应变传感器及其制备方法，包括光纤、纤维套管、保护管、光纤跳线、金属管、氧化铝陶瓷插芯、陶瓷棒和应变拉伸弹片组件。本发明的原理是利用光纤端面和陶瓷棒端面反射形成FP干涉，该干涉信号与两端面之间的间距L有着固定的对应关系，在此基础上，传感器配合光源和解调仪组成应变监测系统，光源的光进入传感器形成干涉信号，解调仪实时解算传感器腔长L，在完成L与应变值对应关系的标定测试后，即可通过解调仪中L的值计算得到外界环境的应变值，从而实现高温环境下应变的实时监测。本发明可以实时监测金属及非金属结构体的应变，调试方法简单，测试结果准确。
Description
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种高温EFPI型光纤应变传感器及其制备方法。
背景技术
光纤EFPI传感器被广泛应用于应变、压力、振动、温度等参数监测，是光纤传感技术的典型代表产品，在航天、航空、海洋、地质、医疗健康等领域发挥着重要作用。随着光纤EFPI传感器应用领域的拓展，工作环境逐为严苛，高温应变测量逐渐成为该类传感器应用的瓶颈，该瓶颈主要是归结于普通光纤的涂覆层能力不足，另一方面，整个传感器的零件材料也必须耐高温，这种对材料选择的局限性限制了光纤EFPI传感器在高温工作环境的应用。
发明内容
本发明是为了解决光纤EFPI传感器在高温工作环境的应用问题，提供一种高温EFPI型光纤应变传感器及其制备方法，包括应变拉伸弹片和固定在弹片上的陶瓷棒和陶瓷插芯，中间有一定的间隔距离，通过反复调节陶瓷棒和插芯之间的角度和腔长，使光线在陶瓷棒端面反射后沿光纤中心原路返回，达到实现F-P干涉的目的。本发明可实现光纤传感器在高温工作环境中的应变信息传递，具有普适性，对于高温和低温工作环境中的所有样品均可应用此传感器测试应变信息。
本发明提供一种高温EFPI型光纤应变传感器，包括光纤，设置在光纤外部的纤维套管，依次设置在纤维套管一端的保护管、光纤跳线，依次设置在纤维套管另一端的金属管、氧化铝陶瓷插芯，设置在氧化铝陶瓷插芯一侧的陶瓷棒和设置在金属管、氧化铝陶瓷插芯、陶瓷棒下部的应变拉伸弹片组件；
光纤一端与光纤跳线连接、另一端依次穿过金属管、氧化铝陶瓷插芯并露出光纤端面，陶瓷棒的端面与光纤端面平行相对、距离为L，L为EFPI型光纤应变传感器腔长；
保护管用于保护光纤与光纤跳线的连接处，金属管用于保护光纤与氧化铝陶瓷插芯的连接处；
应变拉伸弹片组件包括用于固定光纤、金属管和氧化铝陶瓷插芯的第一应变拉伸弹片，用于固定陶瓷棒的第二应变拉伸弹片和连接第一应变拉伸弹片、第二应变拉伸弹片的矩形弹簧结构，光纤端面和陶瓷棒的端面均设置在矩形弹簧结构上，第一应变拉伸弹片和第二应变拉伸弹片均为平面结构。
本发明所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器，作为优选方式，光纤为镀金光纤，应变拉伸弹片组件的材质为GH4169或GH3600。
本发明所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器，作为优选方式，矩形弹簧结构与第一应变拉伸弹片、第二应变拉伸弹片的连接处设置半圆槽。
本发明所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器，作为优选方式，应变拉伸弹片组件还包括设置在第一应变拉伸弹片和第二应变拉伸弹片的底部的倒三角结构。
本发明所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器，作为优选方式，EFPI型光纤应变传感器的工作温度为0～700℃。
本发明所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器，作为优选方式，光纤与光纤跳线熔接。
本发明提供一种高温EFPI型光纤应变传感器制备方法，包括以下步骤：
S1、组装：将光纤一端与光纤跳线熔接、另一端去除表面涂覆层并切割至光纤端面平整后依次插入金属管、氧化铝陶瓷插芯露出光纤端面，使用陶瓷胶将光纤与金属管、氧化铝陶瓷插芯固定；
S2、调整腔长：将固定后的光纤、金属管和氧化铝陶瓷插芯放置在第一应变拉伸弹片上，将陶瓷棒放置在第二应变拉伸弹片，调节L，达到设定值后向矩形弹簧结构的半圆槽中填入陶瓷胶固定光纤和陶瓷棒的位置；
S3、退火：将组装后的应变拉伸弹片组件放入马弗炉进行退火，退火后取出；
S4、测试：将退火后的EFPI型光纤应变传感器进行测试，测试合格后制备完成。
本发明所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器制备方法，作为优选方式，步骤S3中退火的温度制度包括：升温阶段、恒温阶段、炉内退火阶段和自然降温阶段。
本发明所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器制备方法，作为优选方式，升温阶段的温度制度为：从室温升温至750℃、升温速率为10℃/min；
恒温阶段的温度为750℃、保持时间60min；
炉内退火阶段的时间为60min。
本发明所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器制备方法，作为优选方式，步骤S4的测试方法包括温度系数测试和应变系数测试；
温度系数测试方法为：将EFPI型光纤应变传感器与解调仪和电脑连接，并将组装后的应变拉伸弹片放入马弗炉，使用解调程序进行温度系数测试得到温度系数；
应变系数测试方法为：将应变拉伸弹片粘接在拉伸片后安装在拉伸机上，再在应变拉伸弹片一侧粘贴电阻应变片，拉伸机施加应力后读取电阻应变片的应变值得到应变系数。
本发明所实现耐高温的光纤EFPI应变传感器包括应变拉伸弹片和固定在弹片上的陶瓷棒和陶瓷插芯，中间有一定的间隔距离。通过反复调节陶瓷棒和插芯之间的角度和腔长，使光线在陶瓷棒端面反射后沿光纤中心原路返回，达到实现F-P干涉的目的。该调试和制作过程相对复杂，如果陶瓷棒和插芯没有完全平行，则光谱仪收集到的光强信号较弱，如果在光纤与插芯的固定过程中，光纤粘有过多陶瓷胶，则在后期高温退火过程中光纤会断掉，可能会导致光纤EFPI应变传感器无法正常使用。
一种高温EFPI型光纤应变传感器，包括光纤、应变拉伸弹片、纤维套管、保护管、光纤跳线、氧化铝陶瓷插芯和氧化铝陶瓷棒，光线经光纤传输至端面，金属管保护光纤与插芯的连接处。经与光纤端面平行的陶瓷棒反射回光纤，形成F-P干涉，陶瓷棒与光纤端面构成谐振腔；光纤的另一端熔接光纤跳线，并在熔点处安装保护管，便于与其它仪器连接，观察光纤传感器的质量系数。
光纤包括但不限于镀金光纤，应变拉伸弹片的材质包括但不限于GH4169、GH3600，应变拉伸弹片在固定陶瓷棒和插芯的两端有半圆形沟壑，中间由矩形弹簧结构连接，底部有倒三角结构支撑，便于传感器的焊接，与光纤构成谐振腔的陶瓷棒端面应为反射良好的光滑平面，且与光纤端面平行，光纤跳线与镀金光纤的纤芯对准熔接，传感器的反射光信号可以传输至光纤跳线的另一端，光纤传感器适用于0～700℃的工作环境。
耐高温EFPI型应变光纤传感器及测试方法，其特征在于步骤如下：
1)将制作好的传感器放入可以引线的高温炉中，保护管以后的部分置于高温炉外；
2)启动高温炉，开始对光纤传感器高温退火；
3)按照指定条件进行退火，退火完成后，切断高温炉电源，待炉内温度降低后对传感器进行如下测试；
4)设定马弗炉的测试程序，从100℃开始设定恒温，每150℃恒温一次，升温阶段设定速率为10℃/min；恒温阶段每个温度点设定30min，炉体内温度充分稳定后采集传感器信号输出；
5)测试完成后，切断马弗炉电源，待炉内温度降低；
6)处理数据，计算出各传感器的温度系数。
本发明的原理是利用两次端面反射形成FP干涉，该干涉信号与两端面之间的间距L(同时也是干涉腔的腔长)有着固定的对应关系。在此基础上，传感器配合光源和解调仪组成应变监测系统，光源的光进入传感器形成干涉信号，解调仪实时解算传感器腔长L。在完成L与应变值对应关系的标定测试后，即可通过解调仪中L的值计算得到外界环境的应变值，从而实现高温环境下应变的实时监测。
本发明具有以下优点：
(1)本发明采用镀金光纤依次经过粘接好的金属管和陶瓷插芯，在应变拉伸弹片上与陶瓷棒端面相对平行放置，形成F-P干涉腔，通过调节腔长控制传感器参数，进而可以利用光纤可识别范围大、传递信息速度快以及应变拉伸弹片结构紧凑稳定的优势，实现在高温工作环境下对样品应变信息的告诉传感，拓展了光纤EFPI传感技术应用领域。
2)本发明具有普适性，对于高温和低温工作环境中的所有样品均可应用此传感器测试应变信息。
附图说明
图1为一种高温EFPI型光纤应变传感器结构示意图；
图2为一种高温EFPI型光纤应变传感器应变拉伸弹片组件结构示意图；
图3为一种高温EFPI型光纤应变传感器倒三角结构结构示意图；
图4为一种高温EFPI型光纤应变传感器制备方法流程图；
图5为一种高温EFPI型光纤应变传感器制备方法温退火条件示意图；
图6为一种高温EFPI型光纤应变传感器制备方法温度系数测试条件示意图；
图7为一种高温EFPI型光纤应变传感器制备方法应变系数测试条件示意图。
附图标记：
1、光纤；2、纤维套管；3、保护管；4、光纤跳线；5、金属管；6、氧化铝陶瓷插芯；7、陶瓷棒；8、应变拉伸弹片组件；81、第一应变拉伸弹片；82、第二应变拉伸弹片；83、矩形弹簧结构；84、倒三角结构。
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。
实施例1
如图1所示，一种高温EFPI型光纤应变传感器，包括光纤1，设置在光纤1外部的纤维套管2，依次设置在纤维套管2一端的保护管3、光纤跳线4，依次设置在纤维套管2另一端的金属管5、氧化铝陶瓷插芯6，设置在氧化铝陶瓷插芯6一侧的陶瓷棒7和设置在金属管5、氧化铝陶瓷插芯6、陶瓷棒7下部的应变拉伸弹片组件8；
光纤1一端与光纤跳线4连接、另一端依次穿过金属管5、氧化铝陶瓷插芯6并露出光纤端面，陶瓷棒7的端面与光纤端面平行相对、距离为L，L为EFPI型光纤应变传感器腔长；
保护管3用于保护光纤1与光纤跳线4的连接处，金属管5用于保护光纤1与氧化铝陶瓷插芯6的连接处；
如图2-3所示，应变拉伸弹片组件8包括用于固定光纤1、金属管5和氧化铝陶瓷插芯6的第一应变拉伸弹片81，用于固定陶瓷棒7的第二应变拉伸弹片82和连接第一应变拉伸弹片81、第二应变拉伸弹片82的矩形弹簧结构83，光纤端面和陶瓷棒7的端面均设置在矩形弹簧结构83上，第一应变拉伸弹片81和第二应变拉伸弹片82均为平面结构；
光纤1为镀金光纤，应变拉伸弹片组件8的材质为GH4169或GH3600；
矩形弹簧结构83与第一应变拉伸弹片81、第二应变拉伸弹片82的连接处设置半圆槽；
应变拉伸弹片组件8还包括设置在第一应变拉伸弹片81和第二应变拉伸弹片82的底部的倒三角结构84；
EFPI型光纤应变传感器的工作温度为0～700℃；
光纤1与光纤跳线4熔接。
实施例2
如图4所示，一种高温EFPI型光纤应变传感器制备方法，包括以下步骤：
S1、组装：将光纤1一端与光纤跳线4熔接、另一端去除表面涂覆层并切割至光纤端面平整后依次插入金属管5、氧化铝陶瓷插芯6露出光纤端面，使用陶瓷胶将光纤1与金属管5、氧化铝陶瓷插芯6固定；
S2、调整腔长：将固定后的光纤1、金属管5和氧化铝陶瓷插芯6放置在第一应变拉伸弹片81上，将陶瓷棒7放置在第二应变拉伸弹片82，调节L，达到设定值后向矩形弹簧结构83的半圆槽中填入陶瓷胶固定光纤1和陶瓷棒7的位置；
S3、退火：将组装后的应变拉伸弹片组件8放入马弗炉进行退火，退火后取出；
如图5所示，退火的温度制度包括：升温阶段、恒温阶段、炉内退火阶段和自然降温阶段；
升温阶段的温度制度为：从室温升温至750℃、升温速率为10℃/min；
恒温阶段的温度为750℃、保持时间60min；
炉内退火阶段的时间为60min；
S4、测试：将退火后的EFPI型光纤应变传感器进行测试，测试合格后制备完成；
测试方法包括温度系数测试和应变系数测试；
温度系数测试方法为：将EFPI型光纤应变传感器与解调仪和电脑连接，并将组装后的应变拉伸弹片8放入马弗炉，使用解调程序进行温度系数测试得到温度系数，如图6所示；
应变系数测试方法为：将应变拉伸弹片8粘接在拉伸片后安装在拉伸机上，再在应变拉伸弹片8一侧粘贴电阻应变片，拉伸机施加应力后读取电阻应变片的应变值得到应变系数，如图7所示。
实施例3
如图4所示，一种EFPI型光纤应变传感器的制作过程主要在于以下步骤：将镀金光纤1的一端与光纤跳线4相熔接，在熔接点处固定保护套管3，光纤跳线4连接光谱仪，时刻观察制作过程中光纤1的情况；将金属管5从光纤1的另一端套入；镀金光纤1的另一端用刀片剥除表面涂覆层，切割至光纤1端面平整后，插入插芯6中并用少量陶瓷胶固定，保证光纤1端面可以完整露出；使用陶瓷胶粘接陶瓷插芯6与金属管5；将陶瓷插芯6和陶瓷棒7分别放在应变拉伸弹片8的两端，通过调节其相对距离来调控干涉腔长；得到所需数据后，在应变拉伸弹片8的半圆形沟壑中填入陶瓷胶进行固定，待陶瓷胶风干后，EFPI型光纤应变传感器制作完成。
针对一种EFPI型光纤应变传感器在高温工作环境下正常运行的问题，对其开展高温退火工作。采用管式炉或者可引线的马弗炉对传感器进行退火，本实施例应用高温马弗炉，考虑到光纤传感器的光纤跳线4无法耐高温，因此将应变拉伸弹片8一端通过炉后的引线孔放入马弗炉中。将光纤传感器在炉内摆放整齐后，启动马弗炉，按照退火条件设定退火程序，如图5所示，升温阶段，从室温升温至750℃，升温速率设置为10℃/min；恒温阶段，温度保持在750℃设定60min，其中光纤传感器在炉内退火时间为60min。待退火完成，切断高温炉电源，自然降温。
将退火后传感器的光纤1胶套管连接解调仪，如有多个传感器需记住接口序号。之后连接解调仪和电脑，打开电脑上相对应的解调程序，在软件届面观察传感器的信号强弱以及周期多少，若曲线呈现较好的强度和规律完整的周期，则说明该光纤传感器具有高质量的特点，在高温环境下可以正常工作。接着打开电脑上数据处理程序，设定测试数据保存地址，开始测试。最后启动马弗炉，按照测试条件设定测试程序，如图6所示，从100℃开始设定恒温，每150℃恒温一次，升温阶段设定速率为10℃/min，恒温阶段每个温度点设定30min，炉体内温度充分稳定后采集传感器信号输出。待测试完成，切断高温炉电源，自然降温。测试完成后处理数据，计算出各传感器的温度系数，每个传感器的温度系数是单独的。若测试过程中传感器出现故障，可修复，则修复后重新进行温度系数测试，不可修复则剔除。
同一批次抽选一个传感器进行应变系数测试，将光纤传感器的应变拉伸弹片8一端粘接在拉伸片上，紧挨传感器的地方粘贴一个电阻应变片，再将拉伸片安装在拉伸机上，通过拉伸机的移动对拉伸片施加应力，读取电阻应变片对应的应变值。光纤传感器的光纤跳线4一端连接解调仪端口，解调仪再与电脑相连接，同样打开电脑的解调软件和数据处理程序，设定测试数据保存地址，开始测试。通过拉伸机转轮的移动对拉伸片施加应力，如图7所示，读取电阻应变片对应的应变值，从应变值为100με时开始记录传感器F-P腔长，每100με记录一次腔长大小，并绘制成图像，得到应变值与腔长的对应关系，其正比例曲线系数即为该光纤传感器的应变线性度，重复测试2-3次。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高温EFPI型光纤应变传感器，其特征在于：包括光纤(1)，设置在所述光纤(1)外部的纤维套管(2)，依次设置在所述纤维套管(2)一端的保护管(3)、光纤跳线(4)，依次设置在所述纤维套管(2)另一端的金属管(5)、氧化铝陶瓷插芯(6)，设置在所述氧化铝陶瓷插芯(6)一侧的陶瓷棒(7)和设置在所述金属管(5)、所述氧化铝陶瓷插芯(6)、所述陶瓷棒(7)下部的应变拉伸弹片组件(8)；
所述光纤(1)一端与所述光纤跳线(4)连接、另一端依次穿过所述金属管(5)、所述氧化铝陶瓷插芯(6)并露出光纤端面，陶瓷棒(7)的端面与所述光纤端面平行相对、距离为L，L为EFPI型光纤应变传感器腔长；
所述保护管(3)用于保护所述光纤(1)与所述光纤跳线(4)的连接处，所述金属管(5)用于保护所述光纤(1)与所述氧化铝陶瓷插芯(6)的连接处；
所述应变拉伸弹片组件(8)包括用于固定所述光纤(1)、所述金属管(5)和所述氧化铝陶瓷插芯(6)的第一应变拉伸弹片(81)，用于固定所述陶瓷棒(7)的第二应变拉伸弹片(82)和连接所述第一应变拉伸弹片(81)、所述第二应变拉伸弹片(82)的矩形弹簧结构(83)，所述光纤端面和所述陶瓷棒(7)的端面均设置在所述矩形弹簧结构(83)上，所述第一应变拉伸弹片(81)和所述第二应变拉伸弹片(82)均为平面结构。
2.根据权利要求1所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器，其特征在于：所述光纤(1)为镀金光纤，所述应变拉伸弹片组件(8)的材质为GH4169或GH3600。
3.根据权利要求1所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器，其特征在于：所述矩形弹簧结构(83)与所述第一应变拉伸弹片(81)、所述第二应变拉伸弹片(82)的连接处设置半圆槽。
4.根据权利要求1所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器，其特征在于：所述应变拉伸弹片组件(8)还包括设置在所述第一应变拉伸弹片(81)和所述第二应变拉伸弹片(82)的底部的倒三角结构(84)。
5.根据权利要求1所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器，其特征在于：所述EFPI型光纤应变传感器的工作温度为0～700℃。
6.根据权利要求1所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器，其特征在于：所述光纤(1)与所述光纤跳线(4)熔接。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、组装：将光纤(1)一端与光纤跳线(4)熔接、另一端去除表面涂覆层并切割至光纤端面平整后依次插入金属管(5)、氧化铝陶瓷插芯(6)露出所述光纤端面，使用陶瓷胶将所述光纤(1)与所述金属管(5)、所述氧化铝陶瓷插芯(6)固定；
S2、调整腔长：将固定后的所述光纤(1)、所述金属管(5)和所述氧化铝陶瓷插芯(6)放置在第一应变拉伸弹片(81)上，将陶瓷棒(7)放置在第二应变拉伸弹片(82)，调节L，达到设定值后向矩形弹簧结构(83)的半圆槽中填入陶瓷胶固定所述光纤(1)和所述陶瓷棒(7)的位置；
S3、退火：将组装后的应变拉伸弹片组件(8)放入马弗炉进行退火，退火后取出；
S4、测试：将退火后的EFPI型光纤应变传感器进行测试，测试合格后制备完成。
8.根据权利要求7所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器制备方法，其特征在于：步骤S3中退火的温度制度包括：升温阶段、恒温阶段、炉内退火阶段和自然降温阶段。
9.根据权利要求8所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器制备方法，其特征在于：所述升温阶段的温度制度为：从室温升温至750℃、升温速率为10℃/min；
所述恒温阶段的温度为750℃、保持时间60min；
所述炉内退火阶段的时间为60min。
10.根据权利要求7所述的一种高温EFPI型光纤应变传感器制备方法，其特征在于：步骤S4的测试方法包括温度系数测试和应变系数测试；
所述温度系数测试方法为：将所述EFPI型光纤应变传感器与解调仪和电脑连接，并将组装后的所述应变拉伸弹片组件(8)放入马弗炉，使用解调程序进行温度系数测试得到温度系数；
所述应变系数测试方法为：将所述应变拉伸弹片组件(8)粘接在拉伸片后安装在拉伸机上，再在所述应变拉伸弹片组件(8)一侧粘贴电阻应变片，所述拉伸机施加应力后读取所述电阻应变片的应变值得到应变系数。
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