一种蓝宝石光纤光栅金属浇铸的抗冲刷型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光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器，包括尾纤，尾纤外套设有套管；套管与尾纤的两端通过高温胶固接；尾纤的一端熔接有蓝宝石光纤的一端，蓝宝石光纤的另一端研磨成斜角；蓝宝石光纤中刻写第一光栅和第二光栅；第二光栅套设固接有保护套；蓝宝石光纤外套设固接有浇铸金属。本发明专利技术结构合理，能够实现单模系统传输，有效滤除高阶模式，减小3dB带宽，提高测量精度；避免了多模系统的不稳定性，以及测量精度低等问题；同时可以实现高温状态下的应变测量难题，采用金属浇筑技术可以有效提高传感器的抗冲刷能力，满足发动机内部、火箭尾喷口等复杂冲刷力热环境的高温应变测量应用。境的高温应变测量应用。境的高温应变测量应用。

【技术实现步骤摘要】
一种蓝宝石光纤光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器


[0001]本专利技术涉及光纤传感器
，特别是涉及一种蓝宝石光纤光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器。

技术介绍

[0002]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、高新材料冶炼、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(如1600℃以上的超高温环境)的温度和应变的双参量同时测量。
[0003]光纤传感器具有体积小、成本低、灵敏度高、结构紧凑、便于集成复用、并可实现多参量原位同时测量等优点，这为新型高温应变传感系统的研究提供了新的技术思路，并且已经在该方面取得了许多成果。目前光纤温度传感器主要有Bragg光纤光栅型、黑体辐射型、荧光传感型以及法布里
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珀罗(Fabry
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Perot)型。其中，Bragg光纤光栅型温度传感器主要通过光纤光栅的热光效应和热膨胀效应影响光谱特定波长的漂移，从而实现温度测量。但是现有Bragg光纤光栅型温度传感器主要受限于光纤材料本身的耐受温度，采用普通熔石英光纤光栅制作的温度传感器最多可以测量1200℃左右的高温，很难满足更高温度的测量需求。黑体辐射性光纤温度传感器主要由光纤和附在光纤尖端上的不透明空腔组成。通过普朗克定律可知，在光纤末端检测到的光谱辐射通量与腔体的温度有关，从而通过测量光谱强度或强度分布获得温度信息。黑体传感器理论上可以在很宽的温度范围内工作。但是，由于辐射强度与温度几乎成指数关系，因此在较低温度区域的信号强度较弱，因此实现温度的全范围精确测量对于黑体辐射温度传感器是一个很大的问题。与之相反，荧光型温度传感器由于受荧光材料本身的限制，只适合测量低温。该种传感器是基于与温度相关的荧光衰减时间或适当材料的荧光强度实现的温度传感的。由于荧光淬灭效应在高温下荧光强度较弱，同时高温下黑体辐射的背景噪声变强，使得这种传感原理的光纤传感器高温传感信噪比较差，限制了其在高温测量中的应用。
[0004]而当前关于高温状态下结构体原位应变的测试方法与传感器主要分为两种：电学式和光学光纤式；其中电学式主要包含箔式应变计、焊接式应变计和线绕式应变计这三种应变传感器，就工作温度而言，线绕式可以工作在1000℃，焊接式最高可以工作在600℃，箔式工作温度更低；光学光纤式主要包括石英光纤应变传感器和蓝宝石光纤应变传感器。石英光纤应变传感器最高可以工作在1000℃，而对于1000℃以上的应用环境则只能采用基于蓝宝石光纤(熔点为2050℃)的应变传感测试技术。除此之外，还需要说明的是，箔式、焊接式应变计等电学式应变计，应用时需电信号输出线，这不仅限制了其使用的温度，同时还会
受到电磁干扰等。并且有些电学式应变传感器体积较大，甚至需要在发动机上打孔测量，容易影响被测对象本身的结构。蓝宝石光纤应变传感器集光纤传感器的体积小、抗电磁干扰、易于复用等优点，同时又具有蓝宝石材料的抗温高(熔点为2050℃)、硬度大(莫氏9)等特点，将蓝宝石光纤应用于光纤高温应变传感器是一种可行的方案。目前已有蓝宝石光纤光栅高温应变传感器主要测量系统都是基于多模光纤系统(如中国专利CN210774419U，其系统组成并未提及多模解决方式，测量系统存在不确定性)，存在较多高阶模式，信号易受到光纤震动、弯曲等的干扰，存在较大的不稳定性，并且反射光谱线宽较大(已有系统都是在1nm
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10nm之间)，测量精度不高，高温状态下模式变化较明显，造成反射光谱信号不稳定，进而存在较大的测量误差；此外，也有基于单模光纤熔接蓝宝石光纤的系统出现(如中国专利CN110118614A)，但原理上是根据单模光纤本身的选模作用，以及距离熔接点(10mm)较近的蓝宝石光纤中会存在单模模场区域，在该处刻写光栅来实现少模或者单模传输，此种方式很难在大范围高温场中应用，并且此种方式无法实现高温场的应变测量。因此亟需一种蓝宝石光纤光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器来克服上述缺点。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种蓝宝石光纤光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器，以解决上述现有技术存在的问题。
[0006]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光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器，包括尾纤，所述尾纤外套设有套管；所述套管与所述尾纤的两端通过高温胶固接；
[0007]所述尾纤的一端熔接有蓝宝石光纤的一端，所述蓝宝石光纤的另一端研磨成斜角；所述蓝宝石光纤中刻写第一光栅和第二光栅；所述第二光栅套设固接有保护套；所述蓝宝石光纤外套设固接有浇铸金属。
[0008]优选的，所述尾纤与所述蓝宝石光纤的熔接点外套设固接有不锈钢管，所述不锈钢管设置在所述套管内；所述套管与所述不锈钢管通过所述高温胶固接。
[0009]优选的，所述熔接点为锥形结构，所述熔接点的锥区长度为145μm
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155μm，所述锥区的最小直径和所述蓝宝石光纤直径相当；锥区最大直径同所述尾纤直径相当
[0010]优选的，所述尾纤为普通单模光纤，其材质为SiO2,芯径为9μm
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10μm，包层直径为125μm
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130μm，长度为50cm
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60cm；所述蓝宝石光纤材质为AL2O3，结构为六棱柱形状，直径为60μm
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80μm，长度为15cm
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20cm。
[0011]优选的，所述第一光栅光栅区域长度为2.66mm
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2.67mm，为双层刻线结构，刻线深度为4μm
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5μm，上下两层间隔5μm
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7μm，光栅Bragg波长为1550nm
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1600nm，刻写位置距所述蓝宝石光纤前端熔接点13cm
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16cm。
[0012]优选的，所述第二光栅光栅区域长度为2.67mm
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2.68mm，为双层刻线结构，刻线深度为4μm
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5μm，上下两层间隔5μm
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7μm，光栅Bragg波长为1550nm
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1600nm，刻写位置距所述蓝宝石光纤末端0.5cm
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1cm。
[0013]优选的，所述保护套的材质为Al2O3，长度为4mm
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5mm，内径为200μm
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300μm，外径为500μm
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600μm；所述保护套与述第二光栅处的所述蓝宝石光纤所焊接固定。
[0014]优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蓝宝石光纤光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器，其特征在于：包括尾纤(1)，所述尾纤(1)外套设有套管(2)；所述套管(2)与所述尾纤(1)的两端通过高温胶(3)固接；所述尾纤(1)的一端熔接有蓝宝石光纤(4)的一端，所述蓝宝石光纤(4)的另一端研磨成斜角；所述蓝宝石光纤(4)中刻写第一光栅(5)和第二光栅(6)；所述第二光栅(6)套设固接有保护套(7)；所述蓝宝石光纤(4)外套设固接有浇铸金属(8)。2.根据权利要求1所述的一种蓝宝石光纤光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器，其特征在于：所述尾纤(1)与所述蓝宝石光纤(4)的熔接点(21)外套设固接有不锈钢管(9)，所述不锈钢管(9)设置在所述套管(2)内；所述套管(2)与所述不锈钢管(9)通过所述高温胶(3)固接。3.根据权利要求2所述的一种蓝宝石光纤光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器，其特征在于：所述熔接点(21)为锥形结构，所述熔接点(21)的锥区长度为145μm
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155μm，所述锥区的最小直径和所述蓝宝石光纤(4)直径相当；锥区最大直径同所述尾纤(1)直径相当。4.根据权利要求1所述的一种蓝宝石光纤光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器，其特征在于：所述尾纤(1)为普通单模光纤，其材质为SiO2,芯径为9μm
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10μm，包层直径为125μm
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130μm，长度为50cm
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60cm；所述蓝宝石光纤(4)材质为AL2O3，结构为六棱柱形状，直径为60μm
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80μm，长度为15cm
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20cm。5.根据权利要求4所述的一种蓝宝石光纤光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器，其特征在于：所述第一光栅(5)光栅区域长度为2.66mm
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2.67mm，为双层刻线结构，刻线深度为4μm
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5μm，上下两层间隔5μm
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【专利技术属性】
技术研发人员：于洋，朱宏田，卞强，梁建桥，朱家健，陈勇，杨俊波，路阳，闫培光，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
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