一种基于稀土离子荧光强度检测原理的铋铒共掺光纤点式温度传感器制造技术

本发明专利技术提供的是一种基于稀土离子荧光强度检测原理的铋铒共掺光纤点式温度传感器。其由泵浦激光器1、光隔离器2、延长单模光纤3、特制铋铒共掺光纤4、环形器5和8、套有ULE玻璃管7的特定波长光纤光栅6和9、光电探测器10、数据采集卡11、电脑12组成。本发明专利技术采用全光纤结构，泵浦激光器产生的泵浦光经过光隔离器，延长单模光纤，对特制铋铒共掺光纤进行泵浦，产生荧光。经过光纤光栅选出两路不同波长的荧光，通过探测两路荧光强度比值，计算出特定温度，进行温度监测。可用于温度告警或者高低温的实时监测与测量。可广泛用于电力系统、石油化工、航空航天等领域的温度监测。空航天等领域的温度监测。空航天等领域的温度监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于稀土离子荧光强度检测原理的铋铒共掺光纤点式温度传感器
(一)

[0001]本专利技术涉及的是一种基于稀土离子荧光强度检测原理的铋铒共掺光纤点式温度传感器，可用于温度告警，高低温的实时监测，属于光纤温度传感

(二)
技术介绍

[0002]随着现代传感技术的进步，电力、消防安全等领域对温度监测提出了更高的要求。在石油化工和航天航空领域，其运行环境多为高温低温以及强电磁干扰等恶劣条件。低温工程如强磁场、核聚变、能源等低温恶劣的复杂环境，医疗领域的辐射区等，对其进行结构健康监测可防止安全隐患的发生。由于运行环境的温度限制，急需一种适用于高低温恶劣环境的测温技术。
[0003]传统的电学传感器，金属易氧化，易受电磁场干扰，各类辐射环境下无法长期工作，无法用于易燃易爆工况。光纤具有抗电磁和原子辐射干扰，绝缘、耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能。光纤温度传感器非常适用于高电压、强磁场、易燃易爆等测温的场合，比如轨道交通干式变压器等电气设备的高压热点测温，光伏设备、开关柜高压触点等特殊环境的测温。它能够更有效的提升这类环境的安全等级。
[0004]文献CN201921128737.6中公开了一个光纤内护套和外护套结构，可以使光纤在低温下受到保护，增强光纤温度传感器的机械强度。但是对于高温环境下的测温该文献并没有涉及。
[0005]文献CN202111447941.6中公开了一种基于FP级联FBG结构的电流和温度传感器，可以实现电流和温度的双参量同时测量，但是该文献对于温度测量范围和自适应检测过程没有涉及。
[0006]文献CN202111240321.5中公开了一种基于SPR的螺旋光子晶体光纤温度传感器，但是该文献中的温度检测范围仅为10～60℃，无法涵盖超低温和超高温的检测，且没有涉及到传感器的自适应检测功能。
[0007]文献CN202110329975.9中公开了一种基于荧光检测的光纤温度传感器，利用特种光纤掺杂离子受激辐射原理，实现瞬态、高温透射式检测或反射式检测。但是对于低温(比如液氮温度下)的测温和自适应检测功能该文献没有涉及。此外，本专利技术还提出特定的铋铒离子掺杂，以两种不同特定波长的荧光强度比值进行温度传感。
[0008]文献CN202111197789.0公开了一种温度传感器及测温设备，该文献是基于自检测单元、电流源单元和模数转换单元等进行温度的自检测功能，不能实现全光纤的测温，而本专利技术提出的自检测功能是基于特种光纤自带的温敏特性。
[0009]文献“陈彧芳，万洪丹，陈乾等.基于稀土光纤双花生结的高灵敏度光纤温度传感器[J].中国激光,2020,47(1):267
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272.”研究了基于稀土光纤双花生结的高灵敏度光纤温度传感器，提出了对于温度的检测方法。但是该文献所述的传感器测量范围仅为22～70℃，测温范围窄且应用受限制，没有描述传感器自检测功能。
[0010]文献“金凯,丁莉芸,郭会勇,等.超低温条件下光纤光栅温敏系数标定[J].光学精密工程,2022,30(1):6.”中研究的超低温条件下光纤光栅温敏系数标定，提出了低温监测，测温范围为
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180.15～19.85℃。但是测温范围集中于低温测量，范围只有200℃，测量精度不是很理想。
[0011]综上所述前人研究方案存在的问题，我们提出新颖光纤传感器解决方案，新方案主要扩大仪器的测量范围，提高精确度和灵敏度，增加自检测功能。制备高浓度的铋铒离子掺杂光纤，用耐高温PMI涂覆层保护，结合特种光纤中掺杂离子自带的温敏特性，提出一种基于稀土离子荧光强度检测原理的铋铒共掺光纤点式温度传感器。
(三)
技术实现思路

[0012]本专利技术的目的在于提供一种可实现高低温检测、温度告警、可靠性高的点式光纤温度传感器。
[0013]本专利技术提出了一种基于稀土离子荧光强度检测原理的铋铒共掺光纤点式温度传感器。
[0014]本专利技术的目的是这样实现的：
[0015]该传感器由泵浦激光器1、光隔离器2、延长单模光纤3、特制铋铒共掺光纤4、环形器5和8、套有ULE玻璃管7的特定波长光纤光栅6和9、光电探测器10、数据采集卡11、电脑12组成。
[0016]本专利技术所采用的特种光纤为铋铒共掺光纤，纤芯直径为5.0～20.0μm，包层直径为80.0～400.0μm，数值孔径为0.08～0.22。调整铋铒掺杂浓度，铒离子掺杂浓度为6000～30000ppm，铋离子掺杂浓度150～500ppm，铒铋离子的比例系数为40～60。通过掺杂手段可以提高离子发光的荧光强度，以此来提高温度检测的线性度，实现更精准的温度检测。
[0017]聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫是一种交联型硬质结构型泡沫材料，密度为30～220kg/m3，具有100％的闭孔结构，其均匀交联的孔壁结构可赋予其突出的结构稳定性和优异的力学性能。同密度的情况下，PMI泡沫具有比其他聚合物泡沫材料更高的抗压缩强度和刚度、更优异的耐高温和耐湿热性能，以及更好的抗高温蠕变性能和尺寸稳定性。
[0018]本专利技术所用铋铒共掺光纤的涂层为PMI涂层，该涂层的最大工作温度为350℃。制备方法是分段涂覆和分段加热固化的方法，涂覆速度控制在10mm/min以下，每层厚度不大于20μm，最高固化温度为380℃。使用PMI涂层可以使温敏光纤重复稳定的在
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200～350℃进行测量。此外，为扩大测温范围，还可更换涂覆层为镀铝涂层，将测温温度提升至800℃。
[0019]本专利技术采用套有ULE(Ultra
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Low Expansion)玻璃的光纤光栅进行反射特定波长。ULE玻璃是一种超低膨胀玻璃，该玻璃具有优异的零膨胀系数特性。研究表明，把ULE玻璃从室温(25℃)加热至350℃，再冷却至室温，它的各项数值没有明显的永久性变化。同样的，在低于200℃温度下，进行温度循环，ULE玻璃也没有明显的数值变化。对于ULE玻璃的不均匀加热，可以得到结论，它是一种极为稳定的玻璃，对温度不敏感，可以应用于温度传感器件的保护中。一般的光纤光栅易受温度影响，在本专利技术中，用ULE玻璃封装光纤光栅，可以避免温度对光纤光栅的影响，保护光纤光栅反射波段的准确性，从而提升温度传感器的精确度。
[0020]本专利技术采用PMI coating技术封装光纤光栅。封装好的光纤光栅如附图3、附图4所示。
[0021]封装光纤光栅的具体过程如下：首先，用机械雕刻机在一块方体的ULE玻璃1(长5cm、高10mm、宽10mm)上刻出一个V槽。将剥去涂层的光纤光栅2(一个栅区1cm左右)放置在刻好的V槽中，然后往V槽中浇注低熔点(＜400℃)的玻璃液3，覆盖光纤光栅。其次，把已经嵌套光纤光栅的ULE玻璃放入金属管4(内径20mm、长5cm，外径40mm、长5cm)中。最后，用PMI泡沫5填充ULE玻璃与金属管之间的缝隙，保证ULE玻璃被PMI泡沫全部覆盖。用ULE玻璃和PMI泡沫双重封装光纤光栅，可以保护光纤光栅不受外界温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于稀土离子荧光强度检测原理的铋铒共掺光纤点式温度传感器，其由泵浦激光器1、光隔离器2、延长单模光纤3、特制铋铒共掺光纤4、环形器5和8、套有ULE玻璃管7的特定波长光纤光栅6和9、光电探测器10、数据采集卡11、电脑12组成；泵浦光经过光隔离器，进入延长单模光纤中，再进入到特制的铋铒共掺光纤中产生荧光；经过光纤光栅和环形器选出两路不同波长的荧光，探测两路荧光强度比值，由专用程序对数据进行处理并实现温度测量和系统功能自检。2.根据权利要求1所述的点式温度传感器，其特征在于，荧光强度随外界温度变化而变化，只有两路荧光的光强随温度变化呈相反趋势时，才会进行温度监测与测量；两路荧光的光强随温度变化呈相同趋势时，该传感器开始告警，提醒该传感器处于异常工作状态。3.根据权利要求1所述的特制铋铒共掺光纤，其特征在于，在光纤中掺入一定浓度和比例的铒铋离子，铒离子掺杂浓度为6000～30000ppm，铋离子掺杂浓度150～500ppm，铒铋离子的比例系数为40～60。...

【专利技术属性】
技术研发人员：成煜，任璐，余起纯，宁旭冉，苑立波，陈明，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：