CN114777836B - 一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器及其制备方法，属于光纤传感领域，包括单模光纤和钇铝石榴石晶体衍生光纤；单模光纤上设有光纤布拉格光栅；钇铝石榴石晶体衍生光纤与两根单模光纤相熔接，两个熔接面作为两个反射面与钇铝石榴石晶体衍生光纤共同组成光纤法布里‑珀罗干涉仪。本发明通过法布里‑珀罗干涉仪和光纤布拉格光栅级联构成光纤高温应力传感器，光纤布拉格光栅和光纤法布里‑珀罗干涉仪对温度和应力的灵敏度各有差异，通过解光纤布拉格光栅和光纤法布里‑珀罗干涉仪的灵敏度矩阵的方法解决交叉干扰问题实现温度和应力的双参数测量。本发明具有体积小、耐高温、制备工艺简单和制备成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器及其制备方法。
背景技术
在航空航天、冶金和能源工业等领域，温度和应力是重要的参数，它对于环境的检测尤其重要。但对于苛刻环境下的检测，高温高压和一些腐蚀性气体使得传统的电子传感器很难持续稳定的测量，这对传感器的设计提出了巨大的挑战。光纤传感器凭借其体积小、重量轻、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、可实现分布式传感等优点得到人们广泛的关注。
目前光纤高温应力传感器应用的方案主要有光纤布拉格光栅型和法布里-珀罗干涉仪型。但是光纤布拉格光栅高温应力传感器和法布里-珀罗干涉仪高温应力传感器对温度和应力同时敏感，当需要测量其中单一参量时会受到另一参量的影响产生交叉干扰问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是：提供一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器及其制备方法，该传感器是将光纤布拉格光栅和光纤法布里-珀罗干涉仪级联制备。其中光纤布拉格光栅和光纤法布里-珀罗干涉仪对温度和应力同时敏感，但是光纤布拉格光栅和光纤法布里-珀罗干涉仪对温度和应力的灵敏度各有差异，可通过解光纤布拉格光栅和光纤法布里-珀罗干涉仪的灵敏度矩阵的方法来解决交叉干扰问题实现温度和应力的双参数测量。另外使用钇铝石榴石晶体衍生光纤作为光纤法布里-珀罗干涉仪的干涉腔，该特种光纤具有超高的熔点、稳定的化学性能和机械强度，可用于高温环境下的应力测试。
本发明通过以下技术方案实现:
一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器，包括第一单模光纤1、第二单模光纤2和钇铝石榴石晶体衍生光纤3；所述第一单模光纤1上设有光纤布拉格光栅6；所述钇铝石榴石晶体衍生光纤3的两端分别与第一单模光纤1、第二单模光纤2相熔接，熔接面分别为第一熔接面4和第二熔接面5，第一熔接面4和第二熔接面5作为两个反射面与钇铝石榴石晶体衍生光纤3共同组成光纤法布里-珀罗干涉仪。
优选地，所述钇铝石榴石晶体衍生光纤3与第一单模光纤1、第二单模光纤2均通过光纤熔接机熔接。
优选地，所述光纤光栅6为在第一单模光纤1上距离第一熔接面4的3mm-10mm处使用波长为515nm的飞秒激光逐点刻写的光纤布拉格光栅。
优选地，所述光纤布拉格光栅的初始波长和法布里-珀罗干涉仪的初始波长相差10nm-30nm。
一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器的制备方法，具体步骤如下：
(1)钇铝石榴石晶体衍生光纤的制备；
具体步骤为：首先利用管棒法制作光纤预制棒，套管为一端收实的纯石英空心管，芯棒为钇铝石榴石晶体。然后利用光纤拉丝塔在高温下进行拉丝制成，拉制过程中纤芯的钇铝石榴石晶体材料由固态变为液态,与软化的玻璃包层发生扩散,并随着光纤的快速退火而凝固形成新的钇铝硅酸盐玻璃纤芯。
(2)光纤法布里-珀罗干涉仪的制备：包括两个法布里-珀罗干涉仪反射面制备；
具体步骤为：首先取第一单模光纤1将其一端剥去涂覆且用光纤切割刀切平后放置于熔接机的一个夹具中；然后取一段钇铝石榴石晶体衍生光纤3，将其用光纤切割刀切平后放置于熔接机的另一个夹具中；利用光纤熔接机对已经对准的两根光纤进行放电熔接，第一熔接面4作为法布里-珀罗干涉仪的第一个反射面；利用光纤熔接机，再将上述结构切平后的钇铝石榴石晶体衍生光纤的另一端与第二单模光纤2熔接，第二熔接面5作为法布里-珀罗干涉仪的第二个反射面，完成光纤法布里-珀罗干涉仪的制备。
(3)光纤布拉格光栅的制备；
具体步骤为：使用波长为515nm的飞秒激光器，设置其脉冲宽度为200-300fs，重频为400Hz，单脉冲能量为60-90nJ在第一单模光纤1上距离钇铝石榴石晶体衍生光纤和单模光纤的第一熔接面4的3mm-10mm的位置逐点刻写长度为1mm-10mm的光纤布拉格光栅6。
进一步地，所述钇铝石榴石晶体衍生光纤3的长度为100μm-1000μm。
与现有的高温应力传感器相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明具有体积小、耐高温、制备工艺简单和制备成本低等优点，在实际中具有广泛的应用前景。
(2)本发明通过光纤布拉格光栅和光纤法布里-珀罗干涉仪级联制备。其中光纤布拉格光栅和光纤法布里-珀罗干涉仪对温度和应力的灵敏度各有差异，可通过解光纤布拉格光栅和光纤法布里-珀罗干涉仪的灵敏度矩阵的方法解决交叉干扰问题实现温度和应力的双参数测量。
(3)本发明使用钇铝石榴石晶体衍生光纤作为光纤法布里-珀罗干涉仪的干涉腔，该特种光纤具有超高的熔点、稳定的化学性能和机械强度，可在高温环境下进行传感测试。
附图说明
图1是本发明的一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器的结构示意图；
图中，1-第一单模光纤，2-第二单模光纤，3-钇铝石榴石晶体衍生光纤，4-第一熔接面，5-第二熔接面，6-光纤布拉格光栅。
图2是本发明的一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温压力传感器的反射光谱波形；
图3是本发明的一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温压力传感器的光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪的温度响应曲线；
图4是本发明的一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温压力传感器的光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪在常温下的应力响应曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
本发明公开了一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器，包括第一单模光纤1、第二单模光纤2、钇铝石榴石晶体衍生光纤3、第一熔接面4，第二熔接面5和光纤布拉格光栅6；在本实施例中，第一单模光纤1上设有光纤布拉格光栅，钇铝石榴石晶体衍生光纤3的两端与第一单模光纤1、第二单模光纤2相熔接，熔接面分别为第一熔接面4和第二熔接面5，第一熔接面4和第二熔接面5作为两个反射面和钇铝石榴石晶体衍生光纤3共同组成光纤法布里-珀罗干涉仪。
一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器的制备方法，具体步骤如下：
(1)钇铝石榴石晶体衍生光纤的制备；
具体步骤为：首先利用管棒法制作光纤预制棒，套管为一端收实的纯石英空心管，芯棒为钇铝石榴石晶体。然后利用光纤拉丝塔在高温下进行拉丝制成，拉制过程中纤芯的钇铝石榴石晶体材料由固态变为液态,与软化的玻璃包层发生扩散,并随着光纤的快速退火而凝固形成新的钇铝硅酸盐玻璃纤芯。
(2)光纤法布里-珀罗干涉仪的制备：包括两个法布里-珀罗干涉仪反射面制备；
具体步骤为：首先取第一单模光纤1将其一端剥去涂覆且用光纤切割刀切平后放置于熔接机的一个夹具中；然后取一段钇铝石榴石晶体衍生光纤3，将其用光纤切割刀切平后放置于熔接机的另一个夹具中；利用光纤熔接机对已经对准的两根光纤进行放电熔接，第一熔接面4作为法布里-珀罗干涉仪的第一个反射面；使用长度为100μm的钇铝石榴石晶体衍生光纤3作为法布里-珀罗干涉仪的干涉腔，用光纤切割刀切除余下的钇铝石榴石晶体衍生光纤；利用光纤熔接机，再将上述结构切平后的钇铝石榴石晶体衍生光纤的另一端与第二单模光纤2熔接，第二熔接面5作为法布里-珀罗干涉仪的第二个反射面，完成光纤法布里-珀罗干涉仪的制备。
(3)光纤布拉格光栅的制备；
具体步骤为：使用波长为515nm的飞秒激光器，设置其脉冲宽度为200fs，重频为400Hz，单脉冲能量为60nJ在第一单模光纤1上距离第一熔接面4的3mm的位置逐点刻写1mm的光纤布拉格光栅6。
为了避免解调时光纤布拉格光栅和光纤法布里-珀罗干涉仪相互干扰的问题，选取光纤布拉格光栅的初始波长和法布里-珀罗干涉仪的初始波长相差10nm，其反射光谱如图2所示，该光谱由光纤法布里-珀罗干涉仪的反射光谱和光纤布拉格光栅的反射光谱叠加形成，说明在该高温应力传感器中具有光纤法布里-珀罗干涉仪和光纤布拉格光栅两种光纤传感器。
光纤布拉格光栅和光纤法布里-珀罗干涉仪对温度和应力同时敏感，但是光纤布拉格光栅和光纤法布里-珀罗干涉仪对温度和应力的灵敏度各有差异，可通过解如下灵敏度矩阵的方法来解决交叉干扰问题实现温度和应力的双参数测量，其灵敏度矩阵如下：
其中ΔλFPI和ΔλFBG分别为光纤法布里-珀罗干涉仪和光纤布拉格光栅对应的波长的变化量，ΔF为对传感器施加的应力的变化量，ΔT为传感环境的温度变化量，KFPIT和KFPIF分别为光纤法布里-珀罗干涉仪的温度灵敏度和应力灵敏度，KFBGT和KFBGF为光纤布拉格光栅的温度灵敏度和应力灵敏度。对灵敏度矩阵(1)进行变形可得：
其中，M为灵敏度矩阵变化产生的系数，可由式M＝KFPIFKFBGT-KFPITKFBGF计算。
实施例2
本实施例提供了一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器的温度响应测试，包括以下步骤：
(1)将高温应力传感器的单模光纤1和光纤耦合器相连，光纤耦合器另外两端连接宽带光源(丹麦NKTPhotonics公司，Superk Compact)和光谱分析仪(日本Yokogawa公司，AQ6370B)。其中宽带光源输出超连续光，光谱分析仪用于监测反射光谱，并设置其波长分辨率为20pm，波长扫描范围为1430-1480nm。
(2)将高温应力传感器放在西尼特管式炉(CINITE，QSK-5-17)中进行加热，西尼特管式炉温度分辨率为±0.1℃。温度特性在室温至900℃之间以100℃的温度间隔进行了演示，在每个步骤中管式炉的温度保持恒定30分钟，以保证温度的准确性。
图3是本发明的基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器中布拉格光纤光栅和法布里-珀罗干涉仪的温度响应曲线，布拉格光纤光栅的中心波长和法布里-珀罗干涉仪的干涉波长均随温度升高而发生红移，温度灵敏度分别为13.15pm/℃为14.47pm/℃，波长漂移和温度变化具有良好的线性关系。
实施例3
本实施例提供了一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器常温下的应力响应测试，包括以下步骤：
(1)将高温应力传感器的单模光纤1一端固定，对另一端单模光纤2施加轴向拉力，应力测量仪可以对施加在传感器上的应力进行实时监控。
(2)将高温应力传感器的单模光纤1和光纤耦合器相连，光纤耦合器另外两端连接宽带光源(丹麦NKTPhotonics公司，Superk Compact)和光谱分析仪(日本Yokogawa公司，AQ6370B)。其中宽带光源输出超连续光，光谱分析仪用于监测反射光谱，并设置其波长分辨率为20pm，波长扫描范围为1430-1480nm。
(3)对高温应力传感器施加轴向应力。应力传感特性在0-2N之间以0.2N的应力间隔进行了演示，在每个步骤中轴向应力保持恒定10分钟，以保证应力的准确性。
图4是本发明的一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器的光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪应力响应曲线，光纤布拉格光栅的中心波长和法布里-珀罗干涉仪的干涉波长随应力的增加而发生红移，应力灵敏度分别为1.15nm/N和1.20nm/N，波长漂移和应力变化具有良好的线性关系。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (3)
1.一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器，其特征在于，包括第一单模光纤(1)，第二单模光纤(2)，钇铝石榴石晶体衍生光纤(3)；所述第一单模光纤(1)上设有光纤布拉格光栅(6)；所述钇铝石榴石晶体衍生光纤(3)与第一单模光纤(1)、第二单模光纤(2)相熔接，熔接面分别为第一熔接面(4)和第二熔接面(5)作为两个反射面和钇铝石榴石晶体衍生光纤3共同组成光纤法布里-珀罗干涉仪；
所述的钇铝石榴石晶体衍生光纤(3)与第一单模光纤(1)、第二单模光纤(2)均通过光纤熔接机熔接；
所述光纤布拉格光栅(6)为在第一单模光纤(1)上距离第一熔接面(4)的3mm-10mm处使用波长为515nm飞秒激光逐点刻写的光纤布拉格光栅；
所述光纤布拉格光栅的初始波长和法布里-珀罗干涉仪的初始波长相差10nm-30nm。
2.如权利要求1所述的一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)钇铝石榴石晶体衍生光纤的制备；
具体步骤为：首先利用管棒法制作光纤预制棒，套管为一端收实的纯石英空心管，芯棒为钇铝石榴石晶体；然后利用光纤拉丝塔在高温下进行拉丝制成，拉制过程中纤芯的钇铝石榴石晶体材料由固态变为液态,与软化的玻璃包层发生扩散,并随着光纤的快速退火而凝固形成新的钇铝硅酸盐玻璃纤芯；
(2)光纤法布里-珀罗干涉仪的制备：包括两个法布里-珀罗干涉仪反射面制备；
具体步骤为：首先取第一单模光纤1将其一端剥去涂覆且用光纤切割刀切平后放置于熔接机的一个夹具中；然后取一段钇铝石榴石晶体衍生光纤3，将其用光纤切割刀切平后放置于熔接机的另一个夹具中；利用光纤熔接机对已经对准的两根光纤进行放电熔接，第一熔接面4作为法布里-珀罗干涉仪的第一个反射面；利用光纤熔接机，再将上述结构切平后的钇铝石榴石晶体衍生光纤的另一端与第二单模光纤2熔接，第二熔接面5作为法布里-珀罗干涉仪的第二个反射面，完成光纤法布里-珀罗干涉仪的制备；
(3)光纤布拉格光栅的制备；
具体步骤为：使用波长为515nm的飞秒激光器，设置其脉冲宽度为200-300fs，重频为400Hz，单脉冲能量为60-90nJ在第一单模光纤1上距离钇铝石榴石晶体衍生光纤和单模光纤的第一熔接面4的3mm-10mm的位置逐点刻写长度为1mm-10mm的光纤布拉格光栅6。
3.如权利要求2所述的一种基于钇铝石榴石晶体衍生光纤的光纤高温应力传感器的制备方法，其特征在于，所述钇铝石榴石晶体衍生光纤3的长度为100μm-1000μm。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114777836A (zh) | 2022-07-22 |
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