專利名稱：光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖光柵傳感，是一種可測量高溫的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖光柵作為一種光學器件，是在光纖中建立起一種空間折射率周期分布，使在其中光的傳播特性得以改變的器件。
當寬帶光源入射到光纖布拉格光柵(以下簡稱為FBG)中時，其反射光的中心波長λB由布拉格方程給出λB＝2nΛ (1)其中，n為纖芯的有效折射率，Λ為光柵周期。
當FBG所處環(huán)境的溫度和應(yīng)變等物理量發(fā)生變化時會導致λB變化，且波長變化量ΔλB在一定范圍內(nèi)與溫度和(或)應(yīng)變均成線性關(guān)系，當環(huán)境溫度變化量為ΔT時，對應(yīng)的波長漂移量ΔλBT可以表示為ΔλBT＝λB(α+ξ)ΔT (2)其中α和ξ分別為光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)。對于普通石英光纖，在1550nm時，波長隨溫度變化的靈敏度系數(shù)約為13pm/℃。
當FBG受縱向應(yīng)變?yōu)棣う艜r，對應(yīng)的波長漂移量ΔλBS可以表示為ΔλBS=λB{1-n22[ρ12-v(ρ11-ρ12)]}Δϵ···(3)]]>其中，ρ11和ρ12為光纖的應(yīng)力張量元，v為泊松比。對于普通石英光纖，在1550nm時，波長隨應(yīng)變變化的靈敏度系數(shù)約為1.15pm/με。
根據(jù)上述線性關(guān)系，測出ΔλB即可以得出待測物理量的變化情況，因此，F(xiàn)BG被廣泛用于測量溫度、應(yīng)變、應(yīng)力和位移等物理量，作為光纖光柵傳感器的常用傳感頭元件。光纖光柵傳感器具有一些明顯的優(yōu)勢，包括抗電磁干擾、耐高溫、體積小、靈活方便，傳感信號為波長調(diào)制，復用能力強，可實現(xiàn)準分布式測量等。
光纖光柵傳感器由于其獨特的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用而在光纖傳感領(lǐng)域倍受矚目，在十多年來有了快速的發(fā)展。然而，隨著光纖光柵傳感器應(yīng)用范圍的不斷擴大，人們對其性能的要求也越來越多，工業(yè)領(lǐng)域中有時需要其測量較高的溫度。例如油井中的溫度(油井溫度是確定油層的位置、厚度、含水層的深度的基本依據(jù))會隨開采深度的增加而不斷升高。而目前廣泛使用的電子式溫度傳感器(例如由鉑、銠等貴重金屬制造的熱電偶溫度計)存在可靠性低、高溫漂移大、容易引發(fā)火災(zāi)等問題，因此研究新型的以光的絕對量波長為編碼的光纖光柵傳感器系統(tǒng)具有重要的意義。但是由于普通光纖光柵不能承受較高的溫度，以其直接作為傳感元件，當溫度高于200℃時將出現(xiàn)較大的誤差，測量不準確，根本原因是光柵的反射譜出現(xiàn)了變形或退化，這是一直困擾在光纖光柵溫度傳感領(lǐng)域的一個難題，因此在可查到的報道中，利用光纖光柵測量高溫的報道很少。根據(jù)可查到的報道，國內(nèi)有關(guān)光纖光柵傳感器的研究中，最高可測溫度為200℃。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可測量高溫的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，彌補現(xiàn)有光纖光柵傳感領(lǐng)域的不足之處，實現(xiàn)光纖光柵的高溫傳感測量。
本發(fā)明的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源、1550nm波段單模通信光纖、2×2耦合器、光纖光柵高溫傳感頭以及光譜儀，寬帶光源輸出的光經(jīng)1550nm波段單模通信光纖進入2×2耦合器，2×2耦合器輸出的光進入光纖光柵高溫傳感頭，光譜儀測量光纖光柵高溫傳感頭反射光的波長。
所述的光纖光柵高溫傳感頭包括套筒、擋板、玻璃管、螺釘、帶孔金屬板、陶瓷云母、金屬條、環(huán)氧樹脂粘接點、布喇格光纖光柵以及法蘭盤，兩個擋板支持光纖布喇格光柵，兩個螺釘把兩個擋板固定到金屬條上，帶孔金屬板把兩個金屬條固定，套桶防止與外界熱交換并防止光柵受外界影響，玻璃管和陶瓷云母最大限度防止熱量從金屬條散失，環(huán)氧樹脂粘接點把布喇格光纖光柵固定到兩個擋板上，法蘭盤連接套桶內(nèi)外光路。
所述的布喇格光纖光柵不是直接接觸高溫物體或放入高溫溫度場中，因此在測量高溫時光纖光柵的反射譜不會因高溫而變形，從而不會帶來較大的測量誤差。
所述的兩根金屬條具有不同的熱膨脹系數(shù)，通過兩個熱膨脹系數(shù)不同、長度不同的金屬條可將被測高溫轉(zhuǎn)化為光纖光柵的應(yīng)變，而使光柵受到拉伸或壓縮。
本發(fā)明的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，借助連接在一起的具有不同熱膨脹系數(shù)的兩個金屬條，把溫度(的變化)轉(zhuǎn)化為兩個金屬條絕對膨脹量(的變化)，最后轉(zhuǎn)化為光柵中心波長的變化，由光譜儀解調(diào)出波長的變化，從而得知溫度的變化或具體值。
該系統(tǒng)既能測量較高溫度又可避免受電磁干擾，同時是航天器和船舶制造業(yè)、金屬煉制行業(yè)、石油開采行業(yè)中進行溫度控制、疲勞和健康狀態(tài)檢測的重要儀器。因此在上述各個行業(yè)中都具有重要作用。本光纖光柵高溫測量系統(tǒng)除具有抗電磁干擾的特點外，還具有測量動態(tài)范圍大，耐高溫，使用范圍廣的特點。
為便于說明計算，利用圖2作為簡化圖。如圖2所示，由線膨脹系數(shù)不同的兩種金屬加工而成的金屬圓桿，被熱的不良導體加工而成的陶瓷云母圓盤固定在一起，金屬桿的右端與陶瓷云母圓盤固定在一起，然后利用環(huán)氧樹脂把光柵的兩端分別粘接在另外兩個陶瓷云母方柱(兩者分別與金屬桿固定在一起)的平面上(如圖所示的A、B兩點)。當傳感頭的傳感端(金屬桿右端)接觸高溫物體或處于高溫場時，金屬桿吸收熱量并將熱量從右端向左端傳導，同時產(chǎn)生熱膨脹，長度和線膨脹系數(shù)的不同導致兩個金屬桿熱膨脹量(即ΔL1和ΔL2)不同，從而A、B兩點間距變化，光柵受到拉伸或壓縮的應(yīng)力作用，這樣就巧妙地把待測溫度轉(zhuǎn)化為光柵的應(yīng)變，避免因高溫而損壞光柵。選擇合適的波長解調(diào)系統(tǒng)，解調(diào)應(yīng)力引起的光柵波長變化即可得知待測的溫度。
取高膨脹金屬長度在室溫時為L1，低膨脹金屬長度在室溫時為L2，A、B兩點間距為L。設(shè)被測溫度為T時，兩金屬桿的伸縮量差為ΔL，則此時光纖的應(yīng)變?yōu)?amp;epsiv;=ΔL1-ΔL2L=ΔLL···(4)]]>因此光柵的波長漂移為ΔλB=λB(1-pe)ϵ=λB(1-pe)ΔLL···(5)]]>其中pe=-1ϵΔneffneff=neff22[p12-v(p11+p12)]···(6)]]>這里p11和p12為光彈張量的Pockels系數(shù)，v為泊松比，通常pe為常數(shù)，對普通光纖一般有pe＝0.22。因此，波長變化ΔλB主要決定于光柵縱向伸縮量ΔL和L。而ΔL取決于被測溫度、兩金屬桿的長度L1和L2以及兩金屬桿的線膨脹系數(shù)α1和α2。
熱平衡時，金屬桿上不同位置的溫度不同(右端較高，左端較低)，不同溫度時金屬的線膨脹系數(shù)也不同。為計算的簡單，這里采用分段計算求和法，將每一小段的平均溫度作為這一段的溫度，并用這一溫度對應(yīng)的線膨脹系數(shù)作為這一小段的平均線膨脹系數(shù)，求得每一小段的膨脹量，最后求和得到金屬桿的總膨脹量，如7和8式所示ΔL1=Σj=1nl1j·ΔT1j·α1j(j=1,2.....n)···(7)]]>ΔL2=Σj=1nl2j·ΔT2j·α2j(j=1,2.....n)···(8)]]>其中，lij、ΔTij、αij(i＝1.2)分別為金屬桿上響應(yīng)第j小段的長度、溫度和對應(yīng)的線膨脹系數(shù)，兩者的膨脹量之差即光柵的縱向伸縮量為ΔL＝|ΔL1-ΔL2|，我們采用壓力加工黃銅(H62)和鋼(45號)分別作為高、低膨脹金屬(同一溫度變化范圍時有α銅(H62)＞α鋼45)，壓力加工黃銅(H62)的長度為L1，鋼(45號)的長度為L2。選取這兩種金屬的不同長度組合，根據(jù)這兩個金屬桿的溫度下降規(guī)律(見附錄1)及其線膨脹系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律(見附錄2)，和光柵的波長-應(yīng)變響應(yīng)特性，從理論上模擬了被測溫度為0-500℃時光柵反射中心波長(設(shè)光柵在室溫自由狀態(tài)下的原波長為1550nm)與溫度之間的關(guān)系，如圖3所示。為了解更高溫度時光柵波長的響應(yīng)情況，采用同樣方法計算了在0-1000℃(H62銅的熔點為1085℃，剛45的熔點為1370℃)時，光柵波長與溫度之間的關(guān)系，如圖4所示。由圖3和圖4可知，選擇圖3中A曲線所示的金屬組合可提高傳感器的靈敏度，因為A曲線的斜率大于B曲線的斜率。值得提出的是金屬的熱膨脹系數(shù)隨溫度改變將有所變化，當達到一定的溫度時，L1的絕對膨脹量將大于L2的絕對膨脹量，所以光柵應(yīng)變將會有所減小，因此圖4中稍有彎曲。
由于1550nm波段的普通光纖布拉格光柵的反射中心波長被應(yīng)力拉長6nm(某些優(yōu)質(zhì)的光纖光柵的反射中心波長可被拉長10nm以上)時可能會被拉斷，所以實驗中應(yīng)保證光柵波長增量小于6nm，由圖3和圖4可知，壓力加工黃銅(H62)和鋼(45號)的兩種組合(L1＝20cm，L2＝18cm組合與L1＝18cm，L2＝20cm組合)，均可實現(xiàn)對高達600℃的溫度進行傳感測量，并且可避免雙值問題。
本發(fā)明的有益效果是(1)本發(fā)明實現(xiàn)的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)只需要用兩個熱膨脹系數(shù)不同、長度不同的金屬條以及一些附件即可構(gòu)成高溫傳感頭，通過高溫傳感頭把溫度(的變化)轉(zhuǎn)化為兩個金屬條絕對膨脹量(的變化)，最后轉(zhuǎn)化為光柵中心波長的變化，由光譜儀解調(diào)出波長的變化，從而得知被測溫度。
(2)本發(fā)明實現(xiàn)的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，可根據(jù)被測目標的具體狀況選用適當?shù)慕饘贄l，當被測目標明確時，可知需要測量的溫度范圍和精度要求的大致狀況，因此可確定金屬條的長度，也可確定金屬條的種類即可知金屬條線膨脹系數(shù)。
(3)選擇不同的金屬條(包括金屬條的長度、長度差值、線膨脹系數(shù)改變(即金屬種類變化時))，本發(fā)明光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)的測量動態(tài)范圍和測量的靈敏性不同，因此較為靈活。金屬條的更改和拆卸方便。


圖1光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)實施例裝置示意圖。
圖2傳感頭結(jié)構(gòu)簡化圖。
圖30-500℃測溫范圍內(nèi)光柵波長漂移量與溫度的關(guān)系曲線。
圖40-1000℃測溫范圍時光柵波長與溫度的關(guān)系曲線。
圖5系統(tǒng)實驗結(jié)果圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
如圖1所示，是本發(fā)明光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)實施例裝置示意圖。由圖可見，本發(fā)明光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，其特征構(gòu)成是一寬帶光源(1)的輸出光經(jīng)連接光纖(2)進入2×2的耦合器(3)。耦合器(3)的輸出光中的一部分經(jīng)耦合器的第一個端臂進入光纖布喇格光柵(14)，而另一部分光經(jīng)耦合器的第二個臂進入折射率匹配液(4)中。布喇格光纖光柵(14)和兩個金屬條(11；12)是本發(fā)明中光纖光柵高溫傳感頭的核心元件。兩個金屬條被固定到金屬板(9)上，如圖中所示，金屬板左側(cè)部分的金屬條被玻璃套管保護，可減少外界干擾。通過兩個螺釘(8)分別把兩個截面為正方形的擋板(6)固定到金屬條(11；12)的左端，擋板端面為平面，通過兩個環(huán)氧樹脂粘接點(13)把光纖布喇格光柵(14)固定到兩個擋板上，整個傳感頭中金屬板(9)左側(cè)的部分被套桶(5)所保護，套桶可防止與外界熱交換并防止光柵受外界影響，套桶左底面的法蘭盤(15)可連接套桶內(nèi)外的光纖光路。而光纖布喇格光柵(14)的反射光通過耦合器(3)進入光譜儀(16)中，通過反射光信息可推算出被測溫度。
目前利用該系統(tǒng)在實驗中實現(xiàn)了500℃的動態(tài)范圍和1℃的溫度分辨率，實驗數(shù)據(jù)如圖5所示。因受限于目前的實驗條件，只在0-500℃的范圍內(nèi)做實驗，但結(jié)果與理論模擬分析圖4非常一致。因此可推論該高溫傳感系統(tǒng)可測溫度范圍為0-800℃，可實現(xiàn)的溫度分辨率為1℃。
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源(1)、1550nm波段單模通信光纖(2)、2×2耦合器(3)、光纖光柵高溫傳感頭以及光譜儀(16)，其特征在于寬帶光源(1)輸出的光經(jīng)1550nm波段單模通信光纖(2)進入2×2耦合器(3)，2×2耦合器(3)輸出的光進入光纖光柵高溫傳感頭，光譜儀(16)測量光纖光柵高溫傳感頭反射光的波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的光纖光柵高溫傳感頭包括套筒(5)、擋板(6)、玻璃管(7)、螺釘(8)、帶孔金屬板(9)、陶瓷云母(10)、金屬條(11；12)、環(huán)氧樹脂粘接點(13)、布喇格光纖光柵(14)以及法蘭盤(15)，兩個擋板(6)支持光纖布喇格光柵(14)，兩個螺釘(8)把兩個擋板(6)固定到金屬條(11；12)上，帶孔金屬板(9)把兩個金屬條(11；12)固定，套桶(5)防止與外界熱交換并防止光柵受外界影響，玻璃管(7)和陶瓷云母(10)最大限度防止熱量從金屬條(11；12)散失，環(huán)氧樹脂粘接點(13)把布喇格光纖光柵(14)固定到兩個擋板(6)上，法蘭盤(15)連接套桶內(nèi)外光路。
3.根據(jù)權(quán)利1或2所述的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，其特征在于，布喇格光纖光柵(14)不是直接接觸高溫物體或放入高溫溫度場中。
4.根據(jù)權(quán)利1或2所述的光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的金屬條(11)具有較高熱膨脹系數(shù)，金屬條(12)具有較低熱膨脹系數(shù)，通過兩個熱膨脹系數(shù)不同、長度不同的金屬條可將被測高溫轉(zhuǎn)化為光纖光柵的應(yīng)變。
全文摘要
一種光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源，2×2耦合器，1550nm波段的單模通訊光纖，光纖光柵高溫傳感頭和光譜儀。其中高溫傳感頭包括兩個金屬條，兩個擋板，一個固定金屬圓板(帶有螺紋)，一個圓柱體的陶瓷云母，兩個玻璃管，兩個螺絲釘，一段有布喇格光纖光柵的光纖，一個內(nèi)壁帶有螺紋的套桶，兩個環(huán)氧樹脂接點。當高溫傳感頭傳感端同時接觸被測目標物體(或被放入被測溫度場)時，被測溫度場將熱量傳遞給兩個金屬條，金屬條受熱發(fā)生膨脹，兩個擋板距離變化，擠壓或拉伸光柵，光柵的波長被光譜儀解調(diào)，根據(jù)光柵波長的變化測定溫度場的溫度。本發(fā)明具有測量動態(tài)范圍大，測量精度高，耐高溫，抗電磁干擾的特點。
文檔編號G01L1/24GK101046412SQ20071003814
公開日2007年10月3日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者詹亞歌, 向世清, 楊沁玉, 薛紹林 申請人:東華大學