光纤传感器件及其制造和操作方法技术

按照一个实施例，本发明专利技术提供一种多参数光纤传感系统（１０），它具有非周期性蓝宝石光纤光栅（１６）作为传感元件（１４），用于同时检测温度、应变、ＮＯ↓［ｘ］、ＣＯ、Ｏ↓［２］和Ｈ↓［２］。示范传感系统（１０）包括非周期性光纤光栅（１６），为这种多功能感测和确定进行交替折射率调制。这种准周期性光栅结构（１６）的制造可用逐点ＵＶ激光器刻制、金刚石锯显微机械加工及基于相位掩模涂敷和化学蚀刻方法。在示范实施例中，对多参数的同时检测可分布在但不限于燃气／蒸汽涡轮机排气中、燃烧室和压缩机中以及燃煤锅炉中等。有利地，利用蓝宝石非周期性光栅（１６）测绘多个参数例如温度、应变和气体改进了这种系统的控制和优化，目的是提高效率和输出并减少排放。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及光纤传感器件，更具体地说，涉及用于检测例如环境或元件中多个参数的光纤传感器件。事实上，本专利技术提供了有关例如在恶劣环境中使用光纤传感器件的优势。
技术介绍
已知有各种传感器件且已在普遍使用。例如，热电偶用来测量装置中组件的温度，例如排气系统、燃烧室、压缩机等等。还有其它的传感系统用来检测物理参数，例如基础设施中的应变或温度。一个实例就是，经常采用Bragg光栅传感器。但这些常规传感器件都受到可使用它们的工作条件的限制。例如，常规传感器件常限于相对适中的温度条件，也就是，工作温度范围有限。实际上，常规传感器件限于+80℃到+250℃之间的温度，视光纤光栅包层材料而定。因此，要测量像涡轮机和发动机等高温环境下组件的温度就很困难。而且，对于大组件，可能需要较大量的分立热电偶来测绘温度。这些分立热电偶进行的测量不能满足所需的空间分辨率，而空间分辨率对于系统组件的精确热测绘通常是有利的，可用来控制和优化这些系统的工作，目的在于改进效率和输出。需要有一种更精确和改进的空间分辨率热测绘，以便以更高的精度和真实度来控制这些系统(燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、燃煤锅炉等)，以满足诸如改进效率和输出等要求。用于气体组分例如NOx、CO和O2等的传感器件就其精确度和空间分辨率而言也有类似限制。更精确的和空间密集气体传感器件会便于对燃气涡轮机和燃煤锅炉进行更实际和有效的排放控制。相应地，常规传感器件在高温和/或恶劣环境例如燃气/蒸汽涡轮机排气系统、燃煤锅炉、飞机引擎、井下应用等使用时都会有限制。例如，常规Bragg光栅传感器采用掺杂或化学光栅，但在高温设置下(例如，可达600℃或更高温度的燃气涡轮机排气)会失灵。某些其它常规系统采用Bragg光栅传感器来测量和监控环境中的参数。这些传感器利用传感器纤芯中的波长编码而基于由照射源照射光栅所产生的Bragg波长偏移来测量参数。这样，环境对光栅周期性的影响改变了反射光的波长，从而提供环境或自然力的影响的指示，例如温度或应变。但是，通过单一的常规Bragg光栅传感元件很难同时检测多个参数，例如温度和气体。而且，可能需要不同波长的多个频谱信号来分离多种感测参数的影响。对感测参数的这种分离通常是一个既困难又费时的过程。在某些常规传感器系统中，将包封在不同材料中的附加光栅元与现有光栅元串联放置，用以分离两种不同参数的影响，例如温度和应变。而且，这种系统需要在同一光纤位置重写光栅，这在制造用于传感器的光纤光栅时又有困难。总之，常规的Bragg光栅传感器不便于辨别是哪种环境或自然力因素影响了传感器，而是只能容易地检测传感器本身的物理变化。所以，需要有改进的传感器件。
技术实现思路
按照一个示范实施例，本技术提供了一种光纤光栅传感器光缆。每个示范性光纤光栅包括具有第一折射率的纤芯以及多个光栅元，每个光栅元具有的折射率不同于第一折射率。所述纤芯包括配置成同相反射第一波长光的第一对光栅元，以及配置成同相反射第二波长光的第二对光栅元。所述纤芯还包括配置成同相反射第一波长光的第三对光栅元，其中第二对光栅元中的至少一个光栅元位于第一对中的至少一个光栅元和第三对中的至少一个光栅元之间。光纤传感器光缆还包括设置在纤芯周围的包层。按照另一示范实施例，本技术提供了检测多个参数的方法。该方法包括向光纤传感器光缆提供光源，该光缆具有多个光栅元并包括第一、第二和第三部分，其中第一和第三部分中的相邻光栅彼此相距第一距离，而第二部分中的相邻光栅彼此相距第二距离，并且其中第二部分位于第一和第三部分之间。该方法还包括检测从光纤传感器光缆发射的光。按照又一示范实施例，本技术提供了一种分布式传感器系统，用于感测恶劣环境中的多个参数。该传感器系统包括设置在分布式光纤光栅传感器光缆上的多个传感器，其中多个传感器中的每个都包括具有第一折射率的纤芯以及多个用机械方式改变的部分，每个改变部分具有的折射率不同于第一折射率。附图说明参阅附图阅读了以下详细说明后，对本专利技术的这些和其它特性、方面和优点就会有更好的理解，在所有附图中相同的字符代表相同的部件，附图包括图1示出按照本技术的示范实施例用于检测环境和/或元件的多个参数的光纤传感系统；图2示出按照本技术示范实施例的光纤传感器阵列光缆，它具有非周期性间隔的光栅结构，折射率按周期性或非周期性序列调制；图3示出包括非周期性光栅结构的光纤传感器光缆的纤芯；图4示出按照本技术的示范实施例由图3的光纤传感器光缆的非周期性光栅结构产生的光的波形；图5示出按照本技术示范实施例在正常条件下图3的Bragg光栅光纤光缆；图6示出按照本技术示范实施例在有应力条件下图3的Bragg光栅光纤光缆；图7示出按照本技术示范实施例制造图1-3的光纤传感器光缆的过程流程图；图8示出按照本技术示范实施例的分布式光纤传感器系统；图9示出按照本技术示范实施例具有显微机械加工非周期性光栅结构的光纤传感器光缆；图10示出按照本技术示范实施例用于刻制图3的光纤光栅结构的系统；图11示出按照本技术示范实施例具有图8的分布式光纤传感系统的应用；以及图12示出按照本技术示范实施例具有图8的分布式光纤传感系统的另一应用。具体实施例方式现在参阅附图，图1示出示范光纤传感系统10，用于检测环境和/或对象12的参数。虽然本文的讨论集中在传感器件和系统上，但本技术不限于传感领域，而也适用于其它模态，例如滤光器、数据传送及电讯等。因此所附权利要求书不应限于以下讨论的示范实施例，或受其限制。光纤传感系统10包括光纤传感器件14，光纤传感器件14又包括有光栅的(grated)光缆16。如图所示，光缆16设置在元件12内，使元件12中的变化转化到光缆16。有光栅的光缆16包括纤芯，该纤芯具有以非周期性模式(pattern)排列的多个光栅元，下面将详述。在本讨论中，光栅元是指与纤芯的折射率相比在折射率上的一种变异。这种光栅元可以是显微机械加工工艺例如金刚石锯切割或化学工艺例如掺杂的结果，并且这两种工艺在下面作进一步讨论。而且，光纤传感系统10包括光源18，其配置成照射有光栅的光缆16的纤芯。这种照射便于产生与有光栅的光缆16的光栅周期相对应的反射信号。系统10还包括光耦合器20，以管理来自光源18的入射光，以及来自有光栅的光缆16的反射信号。事实上，耦合器20将适当的反射信号导向检测器系统22。检测器系统22接收来自有光栅的光缆16的反射光信号，并与各种硬件和软件组件配合，分析光信号中的嵌入信息。例如，检测器系统22配置成，基于从光纤传感器件14中的有光栅的光缆16的多个光栅元所产生的衍射峰，来估算对象12的状态或参数。在某些实施例中，检测器系统22采用光耦合器或光谱分析器来分析来自光纤传感器件14的信号。根据所需应用，检测器系统22可配置成测量环境12中的各种参数。这些参数的实例包括温度、气体的存在、应变和压力等。有利的是，如以下所讨论的，示范光缆16产生多个强衍射峰，从而便于分离光缆16上的各种有影响的参数。检测器系统22产生的信息可以传送到输出端24，例如显示器或无线通信装置。有利的是，所搜集的信息，例如环境或对象的状况，可以用来解决许多所关注的问题，或实现环境或对象12本身的变化。图2示出按照本技术实施例的示范光纤传感器阵列光缆26，它本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤传感器光缆（２６），包括：　　　　纤芯（２８），其具有第一折射率，以及多个光栅元（３２），每个光栅元具有的折射率不同于第一折射率，所述纤芯（２８）包括：　　　　第一对光栅元（４４），配置成同相反射第一波长的光；　　　　第二对光栅元（４８），配置成同相反射第二波长的光；及　　　　第三对光栅元（５２），配置成同相反射第一波长的光，其中第二对光栅元（４８）中的至少一个光栅元（４２）位于第一对（４４）中的至少一个光栅元和第三对（５２）中的至少一个光栅元之间；以及　　　　包层（３０），设置在所述纤芯（２８）周围。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：KT麦卡锡，KLJ邓，H夏，MJ克洛克，AV塔瓦里，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]