一种蓝宝石光纤F-P腔级联SFBG的高温应变传感器制造技术

本发明专利技术公开一种蓝宝石光纤F

【技术实现步骤摘要】
一种蓝宝石光纤F
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P腔级联SFBG的高温应变传感器


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，特别是涉及一种蓝宝石光纤F
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P腔级联SFBG的高温应变传感器。

技术介绍

[0002]在航空航天飞行器、发动机、冶金、化工、机械制造等领域内，高温条件下的应变测量需求近年来愈发迫切。以航天、航空发动机健康监测为例，火箭发动机燃烧室内温度高达1700℃以上，发动机燃烧室内产生的压力脉动会造成燃烧不稳定，从而导致发动机性能下降，进而增加意外事故的发生概率。因此，对发动机燃烧室高温条件下内部应变参数进行监测具有重要的意义。理想的高温应变传感器，应具有测温上限高(传感器需要在高温工作环境下正常工作)，应变动态测量范围大(复杂力热环境下，高温、高压承力部件由于外部环境影响会产生热致和力致形变，从而引起损伤，传感器需要对大范围应变进行测量)，并能够进行原位、在线、实时的测量(需要获得承力部件实时、实地的受温、受力情况，使得接收端的反应时间降到最低)。
[0003]当前工程上应用的最广泛的是电阻应变传感器，但电阻应变传感器在高温应变测试中存在以下技术缺陷：一是绝缘阻值下降，高温或潮湿环境会导致绝缘阻值的大幅下降，从而引起性能不稳定。二是零点漂移，在恶劣条件下尤其严重。三是高温适用范围有限，难以满足1500℃以上的高温应变测试。高温下的电阻应变传感器的精确度会降低，且传感器容易损坏。因此，传统的电阻应变传感器难以承担高温应变测量的重任。
[0004]光纤应变传感器一般以石英为材料，它具有体积小、抗电磁干扰、灵敏度高等优点，适用于在恶劣环境中的测量。通常，光纤传感器在温度应变的测量领域中，主要结构有光纤法布里
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珀罗(F
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P)传感器和光纤布拉格光栅(FBG)传感器，但由于石英材料的限制，很难测量超过1000℃以上的高温。如中国专利申请：一种F
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P腔型高温大应变光纤传感器，专利申请号：CN201922226137.X，公开日：20200612，温度测量范围可达1000℃。因此，要想完成更高温度(1000℃以上)的高温和应变测量，需要提高传感器的高温环境适应性，如采用耐高温材料作为传感媒介。
[0005]蓝宝石的熔点为2053℃，并且具有硬度高，强度高，抗腐蚀能力强等优点，故蓝宝石光纤非常适合用于高温应变的传感。目前，已有基于蓝宝石光纤的高温应变传感器的研究。如中国专利申请：一种超高温蓝宝石光纤F
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P温度应变复合传感器，专利申请号：CN201910286745.1，公开日：20190906，温度测量范围可达1400℃。但温度和应变都会对光纤传感器的反射波长造成影响，从而产生温度信号和应变信号之间的串扰问题，而到目前为止，光纤高温应变传感器还存在交叉灵敏度的问题未能很好解决。此外，蓝宝石光纤是一种无包层的多模光纤，比起单模光纤而言，多模干涉会造成系统信噪比下降，进而会导致解调精度和系统稳定性变差。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种蓝宝石光纤F
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P腔级联SFBG的高温应变传感器，以解决上述现有技术存在的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种蓝宝石光纤F
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P腔级联SFBG的高温应变传感器，包括镀金耐高温单模光纤，单模光纤锥形区，不锈钢管，蓝宝石光纤和刚玉管；在对镀金耐高温单模光纤进行拉锥之前，去除需要拉锥部分的金涂覆层，之后再进行拉锥；单模光纤锥形区通过光纤熔接机与蓝宝石光纤的端面熔接在一起，并使用不锈钢管套在单模光纤锥区的外部，以作保护作用；在蓝宝石光纤上使用飞秒激光刻写构造一个贯穿式的梯形空气F
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P腔，并使用聚焦离子束技术对端面进行抛光，使端面光滑平整；在蓝宝石光纤上使用飞秒激光刻写蓝宝石光纤布拉格光栅，梯形空气F
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P腔位于单模光纤锥形区与蓝宝石光纤布拉格光栅之间；蓝宝石光纤远离镀金耐高温单模光纤的一端研磨一个倾角反射面，使用直径略大于蓝宝石光纤的刚玉管套在部分蓝宝石光纤外，刚玉管位置处于能套在蓝宝石光纤光栅外而不套在梯形空气F
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P腔外，使用高温密封胶填充不锈钢管和单模光纤锥形区之间的间隙，使不锈钢管固定，使用高温密封胶填充刚玉管和蓝宝石光纤之间的间隙，使刚玉管固定。
[0008]优选的，镀金耐高温单模光纤的材料主要为SiO2，外部有一层金的涂覆层；镀金耐高温单模光纤的纤芯直径为8微米，包层外径为125微米；单模光纤锥形区得长度为15毫米。
[0009]优选的，蓝宝石光纤的光纤芯径为60微米，长度为5厘米。
[0010]优选的，梯形空气F
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P腔的上底面尺寸为50
×
50微米，梯形空气F
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P腔的下底面尺寸为30
×
50微米，梯形空气F
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P腔远离单模光纤锥形区的平面垂直于蓝宝石光纤的纤芯方向。
[0011]优选的，蓝宝石光纤上的蓝宝石光纤布拉格光栅期为1微米，周期数为5000，刻写长度为5毫米。
[0012]优选的，倾角反射面与竖直平面间的夹角为5
°
～10
°
。
[0013]优选的，倾角反射面的范围最优选择为7
°
。
[0014]优选的，不锈钢管的长度为20毫米，内径为200微米，外径为500微米。
[0015]优选的，刚玉管材质的主要成分是Al2O3，长度为4厘米，内径为150微米，外径为300微米。
[0016]优选的，高温密封胶主要成分是无机陶瓷材料和改性固化剂，耐受温度可达1730℃。
[0017]一种基于上述蓝宝石光纤F
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P腔级联SFBG高温应变传感器的传感系统，包括放大自发辐射光源，光环行器，光谱仪，蓝宝石光纤F
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P腔级联SFBG的高温应变传感器；放大自发辐射光源的输出端与光环行器的输入端连接，光环行器的反射端与光谱仪连接，光环行器的透射端与所述蓝宝石光纤F
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P腔级联SFBG的高温应变传感器连接。
[0018]当蓝宝石光纤温度应变传感器所处环境的温度改变以及发生应变时，梯形空气F
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P腔和蓝宝石光纤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F
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P腔和光栅信息的反射光谱，对光谱信息进行解调，就能够获得蓝宝石光纤温度应变传感器所处环境的温度和所受的应变。
[0019]优选的，光环行器内部为单模光纤，接头为FC/APC。
[0020]本专利技术基于以下工作原理：
[0021]对于光纤F
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P腔而言，在光纤内部构造一个腔体，腔体的两端在光纤内形成两个平行的反射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蓝宝石光纤F
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P腔级联SFBG的高温应变传感器，其特征在于，包括镀金耐高温单模光纤(1)，所述镀金耐高温单模光纤(1)一端设有单模光纤锥形区(2)，所述镀金耐高温单模光纤(1)通过所述单模光纤锥形区(2)连接有蓝宝石光纤(4)，所述蓝宝石光纤(4)远离所述镀金耐高温单模光纤(1)的端面为倾角反射面(8)；所述蓝宝石光纤(4)上开设有梯形空气F
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P腔(5)，所述蓝宝石光纤(4)内部设置有蓝宝石光纤布拉格光栅(7)，所述梯形空气F
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P腔(5)位于所述单模光纤锥形区(2)与所述蓝宝石光纤布拉格光栅(7)之间；所述单模光纤锥形区(2)外侧固定套设有保护套，所述保护套由于保护单模光纤锥形区(2)，所述蓝宝石光纤(4)外侧固定套设有刚玉管(9)，所述刚玉管(9)与所述蓝宝石光纤布拉格光栅(7)对应设置。2.根据权利要求1所述的蓝宝石光纤F
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P腔级联SFBG的高温应变传感器，其特征在于，所述镀金耐高温单模光纤(1)的纤芯直径为8微米，包层外径为125微米；所述单模光纤锥形区(2)的长度为15毫米。3.根据权利要求1所述的蓝宝石光纤F
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P腔级联SFBG的高温应变传感器，其特征在于，所述蓝宝石光纤(4)的光纤芯径为60微米，长度为5厘米。4.根据权利要求1所述的蓝宝石光纤F
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P腔级联SFBG的高温应变传感器，其特征在于，所述梯形空气F
‑
P腔(5)的上底面尺寸为50
×
50微米，所述梯形空气F
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P腔(5)的下底面尺寸为30
×
50微米，所述梯形空气F
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P腔(5)远离所述单模光纤锥形区(2)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：于洋，梁建桥，朱宏田，卞强，朱家健，陈勇，路阳，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：