CN116642427A - 一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的毁伤评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的毁伤评估系统，包括单模光纤、再生光纤光栅、刚玉管、保护层，单模光纤的纤芯上刻写有再生光纤光栅、再生光纤光栅上套设有刚玉管，单模光纤的表面电镀有一层保护层，单模光纤的尾部设置有激光焊接点，激光焊接点上焊接有尾纤，且尾纤的表面套接有不锈钢管，单模光纤封装在3D打印封装组件内部。光纤布拉格光栅与刚玉管使用高温密封胶黏合后，可以免受外界应变的影响，传感器只对温度变化发生响应，能够精确地监测温度变化，未用刚玉管保护的光纤布拉格光栅对温度和应变产生响应，通过刚玉管保护的光纤光栅所含的温度信息，可以进行温度补偿，对所受应变进行监测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体为一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的毁伤评估系统。
背景技术
毁伤评估是综合考虑战役战术目的、战场环境、火力、目标性质等因素，综合分析与评定武器弹药对目标实际毁伤效果的过程。毁伤试验测试是毁伤评估数据获取的重要手段，有时甚至是唯一手段。毁伤试验测试技术不等同于通用测试技术，它需要考虑传感设备的毁伤场适用性问题，如高温、高压、大变形、高速应变等极端恶劣情况下数据获取的可靠性和准确性问题。
温度应变传感器在国防工业、材料化工、建筑健康监测和安防维护等方面具有广泛的应用价值。随着航空航天技术、国防工业等领域的发展，对温度应变传感器提出了耐受温度更高、抗电磁干扰、抗冲刷、抗腐蚀、高灵敏度、小型化、使用寿命长等新的要求。现有商用温度传感器大多为基于热电动势、热电阻式的接触式电学传感器以及基于热成像原理的非接触式传感器，而商用应变传感器大多为基于铂片式、焊接式和线绕式的电学应变传感器，这两类传感器或多或少受限于电磁干扰、材料耐受温度有限、体积较大、单一变量测量等问题，难以满足复杂环境下的温度和应变的双参量同时测量。
光纤传感器具有尺寸小、重量轻、带宽大、灵敏度高、抗电磁干扰能力强和耐腐蚀能力强，集传感与传输于一体、易于埋入材料内部，具有对结构的应力、应变进行高精度的准分布式测量的优点；此外通过复用技术易构成传感器网络，实现应变/温度场的监测。基于光纤的高温应变传感器已被证实能够应用于极端环境的传感，但是温度和应变的交叉敏感、光纤材质脆弱易断、测温上限受限制等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的毁伤评估系统，可以在高温高压环境下，对温度、应变的同时测量，降低了温度和应变之间存在的交叉灵敏度干扰，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的毁伤评估系统，包括单模光纤、再生光纤光栅、刚玉管、保护层，所述单模光纤的纤芯上刻写有再生光纤光栅、所述再生光纤光栅上套设有刚玉管，所述单模光纤的表面电镀有一层保护层，所述单模光纤的尾部设置有激光焊接点，所述激光焊接点上焊接有尾纤，且尾纤的表面套接有不锈钢管，单模光纤封装在3D打印封装组件内部。
优选的，所述再生光纤光栅包括第一再生光栅、第二再生光栅、第三再生光栅和第四再生光栅，所述第一再生光栅和第四再生光栅与第二再生光栅和第三再生光栅分别刻写在两个单模光纤上。
优选的，所述3D打印封装组件包括3D打印基底和3D打印金属盖，所述3D打印基底上封装有3D打印金属盖。
优选的，所述刚玉管包括第一刚玉管和第二刚玉管，所述第一刚玉管套接在第一再生光栅和第三再生光栅的外部，所述第二刚玉管套接在第二再生光栅和第四再生光栅的外部。
优选的，所述3D打印基底的内部开设有U形槽，所述单模光纤焊接于U形槽的内部。
优选的，所述第一再生光栅、第二再生光栅、第三再生光栅、第四再生光栅、尾纤、第一刚玉管、保护层、第二刚玉管、激光焊接点、不锈钢管这些一起构成光纤传感单元。
优选的，一种基于上述基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的毁伤评估系统，包括宽带光源、光环行器、1×N光开关、光纤高温应变传感器、光栅解调仪和计算机与光环行器的输入端相连接，所述光环行器的反射端连接有光栅解调仪，且光环行器的透射端连接于1×N光开关的输入端，所述1×N光开关的输入端连接有光纤高温应变传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.光纤布拉格光栅与刚玉管使用高温密封胶黏合后，可以免受外界应变的影响，传感器只对温度变化发生响应，能够精确地监测温度变化。
2.未用刚玉管保护的光纤布拉格光栅对温度和应变产生响应，通过刚玉管保护的光纤光栅所含的温度信息，可以进行温度补偿，对所受应变进行监测。
3.表面金属化处理后的RFBG，可以工作于高温下；金属3D打印封装可以对其进行有效保护，提高了接入光纤的耐高温、高压性能。
4.本发明利用不同中心波长的光纤布拉格光栅的反射率曲线在光谱范围内具有的不同频率反射峰实现准分布式传感，具有抗干扰能力强、可靠性高、灵敏度高、结构简单等优点，有广泛的应用前景。
5.该基于金属嵌入式光纤高温应变传感器，可以达到温度范围室温至1200℃，应变范围0-1500με的大范围测量效果，并且能实现自解耦式的温度、应变同时测量，传感器测量灵敏度高、精度高。
附图说明
图1是本发明基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的系统示意图。
图2是本发明基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的剖面图。
图3是本发明基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的金属3D打印基底示意图。
图4是本发明基于本发明基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的毁伤评估系统示意图。
图5是本发明基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的理论输出光谱。
图中：1、第一再生光栅；2、第二再生光栅；3、第三再生光栅；4、第四再生光栅；5、尾纤；6、3D打印基底；7、3D打印金属盖；8、第一刚玉管；9、保护层；10、第二刚玉管；11、激光焊接点；12、不锈钢管；13、光纤传感单元；14、宽带光源；15、1×N光开关；16、光环行器；17、计算机；18、解调仪；19、光纤高温应变传感器。
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。
实施例一：如图1-3所示：本发明提供一种技术方案：一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器，包括单模光纤、再生光纤光栅、刚玉管、保护层9，单模光纤的纤芯上刻写有再生光纤光栅，再生光纤光栅是刻写在单模光纤纤芯上的种子光栅经过高温退火重生得到的光栅，再生光纤光栅上套设有刚玉管，刚玉管可起到保护和隔绝应力的作用，刚玉管进行保护的光纤布拉格光栅，其反射光谱波长只会因外部温度改变而进行变化，而对外部的应力不产生响应，刚玉管包括第一刚玉管8和第二刚玉管10，第一刚玉管8套接在第一再生光栅1和第三再生光栅3的外部，第二刚玉管10套接在第二再生光栅2和第四再生光栅4的外部，第一刚玉管8和第二刚玉管10分别通过高温胶固定于第一再生光栅1、第二再生光栅2、第三再生光栅3和第四再生光栅4外部，高温胶为高温陶瓷胶，耐受温度高于1200℃，单模光纤的表面电镀有一层保护层9，单模光纤的尾部设置有激光焊接点11，激光焊接点11上焊接有尾纤5，且尾纤5的表面套接有不锈钢管12，单模光纤封装在3D打印封装组件内部，所述第一再生光栅1、第二再生光栅2、第三再生光栅3、第四再生光栅4、尾纤5、第一刚玉管8、保护层9、第二刚玉管10、激光焊接点11、不锈钢管12这些一起构成光纤传感单元13。
实施例二：保护层9实时方法如下：
(1)表面清洗：去除光纤光栅表面油及金属离子；
(2)敏化：使光纤光栅表面吸附一层易氧化的物质，易氧化的物质用作还原剂；
(3)活化：使光纤光栅表面形成一层催化膜，成为化学镀的催化中心，从而保证化学镀反映在光纤表面快速均匀地进行；
(4)化学镀：通过在化学镀液中加入金属化合物，发生金属共沉积，从而在光纤光栅表面得到一层金薄导电层；
(5)通过电镀的工艺方式在导电层表面上形成一层保护层9。
再生光纤光栅包括第一再生光栅1、第二再生光栅2、第三再生光栅3和第四再生光栅4，第一再生光栅1和第四再生光栅4与第二再生光栅2和第三再生光栅3分别刻写在两个单模光纤上，第一再生光栅1和第四再生光栅4之间预设有间距，第二再生光栅2和第三再生光栅3之间预设有间距。
3D打印封装组件包括3D打印基底6和3D打印金属盖7，3D打印基底6上封装有3D打印金属盖7。
3D打印基底6的内部开设有U形槽，单模光纤焊接于U形槽的内部。
实施例三：如图4所示：一种基于上述基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的毁伤评估系统，包括宽带光源14、光环行器16、1×N光开关15、光纤高温应变传感器19、光栅解调仪18和计算机17，宽带光源14与光环行器16的输入端相连接，光环行器16的反射端连接有光栅解调仪18，且光环行器16的透射端连接于1×N光开关15的输入端，1×N光开关15的输入端连接有N个光纤高温应变传感器19并组成传感阵列，当光纤高温应变传感器19所处环境的温度以及应变发生改变时，布拉格光栅由于热膨胀、热光效应以及物理拉伸会产生光纤模式有效折射率的改变和光纤的变形，导致光信号的改变；光信号通过上述系统结构进行传递后，可以在光谱仪上得到受温度和应变影响变化的，同时具有四个光栅信息的反射光谱，对光谱信息进行解调，就能够获得光纤高温应变传感器19所处环境的应变、温度场。
实施例四：系统控制宽带光源14发出光通信信号，依次通过一个光环行器16和一个1×N光开关15，传输至传感阵列中的光纤高温应变传感器19中。每个光纤链路的由于光纤布拉格光栅的反射作用，光路反射回光环行器16，通过光环行器16进入光栅解调仪18取样，并将从光栅解调仪18中获取的光谱数据传送到计算机终端以进行中心波长的探测。当光纤高温应变传感器19周围的温度和所受应变发生变化时，由于热膨胀、热光效应、弹光效应以及物理拉伸会产生光纤模式有效折射率的改变和光纤的变形，导致光纤高温应变传感器19内传输光信号的改变；具体而言，第一再生光栅1和第三再生光栅3由于外套毛细玻璃管管不受外界应力影响，光谱只包含温度变化信息；第二再生光栅2和第四再生光栅4的光谱则包含温度变化和应变信息。光谱仪中的光谱信息是第一再生光栅1、第二再生光栅2、第三再生光栅3和第四再生光栅4的光谱信息的叠加，通过第一再生光栅1和第三再生光栅3的温度信息对光谱信息进行温度补偿，可以得到第二再生光栅2和第四再生光栅4所含应变信息，从而解调出光纤高温应变传感器19周围所处温度和应变信息。
实施例五：本发明基于以下工作原理：
对于常规光纤布拉格光栅而言，在光纤内部沿轴向进行周期性地折射率调制，在纤芯内发挥着反射镜的作用，满足布拉格光栅波长的光被反射，其余波长的光被透射，这样的结构叫做常规光纤布拉格光栅，其中，布拉格波长满足关系式：
λB＝2neffΛ
其中，λB为布拉格波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期。当温度和应变作用在光栅上时，由于热光效应和热膨胀效应，当温度发生变化时，光栅的有效折射率和光栅周期会发生改变，从而改变布拉格波长；由于光纤的弹光效应和轴向的拉伸形变，光栅受到外界作用力发生应变时，光纤的有效折射率和光栅周期会发生变化，从而改变布拉格波长，公式表示为：
ΔλB＝2ΔneffΛ+2neffΔΛ
其中，Δ为变化量，λB为布拉格波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期；
布拉格波长与温度T和应变的关系为：
ΔλB＝k1ΔT+k2
当使用刚玉管对再生光纤布拉格光栅进行保护时，外界应力作用被隔绝，可近似认为εz＝0，从而有：
ΔλB＝kΔT
由上式，被刚玉管保护的再生光纤布拉格光栅只包含由温度变化信息，通过再生光纤布拉格光栅的光谱变化可以得到传感器所处环境的温度信息；再代入再生光纤布拉格光栅的公式中，即可对未保护的相邻再生光纤布拉格光栅进行温度补偿，从而获得应变信息，进而获得传感器所处的高温以及所受的应变。
实施例六：图5是本发明实施例中的基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的理论输出光谱。由于光纤高温应变传感器19反射光谱为多个不同布拉格波长的光纤光栅反射谱的集合，所以需利用布拉格波长的差异性，对分峰的位置进行精确把控。当温度和应变同时变化时，由于受毛细玻璃管保护的再生光纤布拉格光栅峰偏移只包含温度信息，可以通过其峰值偏移量来得到温度的改变，再对相邻光栅光谱进行温度补偿，即可获取应变信息。最后，计算机17根据光纤高温应变传感器19的温度、应变信息，通过人工智能等算法，重构出相应的物理场。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器，包括单模光纤、再生光纤光栅、刚玉管、保护层(9)，其特征在于：所述单模光纤的纤芯上刻写有再生光纤光栅、所述再生光纤光栅上套设有刚玉管，所述单模光纤的表面电镀有一层保护层(9)，所述单模光纤的尾部设置有激光焊接点(11)，所述激光焊接点(11)上焊接有尾纤(5)，且尾纤(5)的表面套接有不锈钢管(12)，单模光纤封装在3D打印封装组件内部。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器，其特征在于：所述再生光纤光栅包括第一再生光栅(1)、第二再生光栅(2)、第三再生光栅(3)和第四再生光栅(4)，所述第一再生光栅(1)和第四再生光栅(4)与第二再生光栅(2)和第三再生光栅(3)分别刻写在两个单模光纤上。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器，其特征在于：所述3D打印封装组件包括3D打印基底(6)和3D打印金属盖(7)，所述3D打印基底(6)上封装有3D打印金属盖(7)。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器，其特征在于：所述刚玉管包括第一刚玉管(8)和第二刚玉管(10)，所述第一刚玉管(8)套接在第一再生光栅(1)和第三再生光栅(3)的外部，所述第二刚玉管(10)套接在第二再生光栅(2)和第四再生光栅(4)的外部。
5.根据权利要求3所述的一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器，其特征在于：所述3D打印基底(6)的内部开设有U形槽，所述单模光纤焊接于U形槽的内部。
6.根据权利要求2所述的一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器，其特征在于：所述第一再生光栅(1)、第二再生光栅(2)、第三再生光栅(3)、第四再生光栅(4)、尾纤(5)、第一刚玉管(8)、保护层(9)、第二刚玉管(10)、激光焊接点(11)、不锈钢管(12)这些一起构成光纤传感单元(13)。
7.一种基于上述基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的毁伤评估系统，包括宽带光源(14)、光环行器(16)、1×N光开关(15)、光纤高温应变传感器(19)、光栅解调仪(18)和计算机(17)，其特征在于：宽带光源(14)与光环行器(16)的输入端相连接，所述光环行器(16)的反射端连接有光栅解调仪(18)，且光环行器(16)的透射端连接于1×N光开关(15)的输入端，所述1×N光开关(15)的输入端连接有光纤高温应变传感器(19)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310599200.2A CN116642427A (zh) | 2023-05-25 | 2023-05-25 | 一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的毁伤评估系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310599200.2A CN116642427A (zh) | 2023-05-25 | 2023-05-25 | 一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的毁伤评估系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116642427A true CN116642427A (zh) | 2023-08-25 |
Family
ID=87614732
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202310599200.2A Pending CN116642427A (zh) | 2023-05-25 | 2023-05-25 | 一种基于金属嵌入式光纤高温应变传感器的毁伤评估系统 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN116642427A (zh) |
-
2023
- 2023-05-25 CN CN202310599200.2A patent/CN116642427A/zh active Pending
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