CN101641621A - 用于检测苛刻环境中的多个参数的光纤传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种光纤传感器。光纤传感器包括具有多个布拉格光栅单元的纤芯，其中光栅单元包括周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体光栅结构；以及在纤芯周围布置的包层。

Description

用于检测苛刻环境中的多个参数的光纤传感器
背景技术
本发明主要涉及一种光纤传感器，更具体来说涉及用于在苛刻环境中检测多个参数的光纤布拉格光栅传感器。
已知多种光纤传感设备，并且它们应用于物理和化学检测和测量。作为一个示例，采用光纤布拉格光栅传感器来测量诸如排气***、核反应堆、燃烧室和压缩机中的应变、地震引起的振动、压力、流速和温度。为了动态应变和温度测量而采用的常规光纤布拉格光栅包括刻制到光敏单模纤芯上的光栅结构。通常，纤芯掺杂了锗氧化物或共同掺杂了硼、氟、磷、饵等。此类掺杂物导致在二氧化硅带隙中形成带内杂质能级。而且，分布在这些杂质带中的掺杂物可能被热激发到导带，并由此引起导电性的热变化，从而导致光纤光栅结构的折射率调制的降级。因此，可能采用此类传感器所在的工作状况限制了此类传感器的热稳定性。
目前的光纤布拉格光栅传感器受限于在低于约80℃下的温度工作，因为温度相关的掺杂物漫射所引起的光栅衰落。此类传感器采用在高温环境中破碎的掺杂的或化学光栅。通常使用热后处理工艺来稳定光纤光栅的反射率调制幅度，但是此类光纤布拉格光栅传感器在高于退火温度下工作时仍为低的稳定性。
而且，与热效应一样，在例如核反应堆的环境中的任何高能辐射、伽马射线和中子都可能促成掺杂物漫射以及形成有色中心，以及可能导致光纤光栅结构和反射率调制的降级的其他缺陷。
某些其他***采用基于压电或基于磁致伸缩的传感器，例如应变仪和加速计来检测例如苛刻环境中的应变和地震相关信号。但是，此类传感设备也局限于低温环境应用，并且遭受电磁干扰和辐射降级的问题。
因此，需要可以采用来在苛刻环境中检测例如温度或动态应变等参数的传感器。而且，还期望提供一种可以在苛刻环境中同时检测诸如用于结构健康监测的温度、动态应变、振动和质量流量等多个参数的传感器。
发明内容
简言之，根据一个实施例，提供一种光纤传感器。该光纤传感器包括其中具有多个布拉格光栅单元的纤芯，这些光栅单元包括周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体结构；以及在纤芯周围布置的包层。
在另一个实施例中，提供一种用于制造光纤传感器的方法。该方法包括提供纤芯并在纤芯上刻制周期性或准周期性微晶和刚性二氧化硅光栅结构。该方法还包括将欠约束(under-constrained)的二氧化硅结构转换成过约束(over-constrained)的刚性二氧化硅四面体结构。
在另一个实施例中，提供一种用于检测环境中的多个参数的方法。该方法包括向光纤传感器提供光源，其中该光纤传感器具有多个光栅单元，这些光纤单元具有周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体结构；并且检测来自光纤传感器的反射光谱。
在另一个实施例中，提供一种用于传感环境中的多个参数的分布式传感***。该传感***包括布置在分布式电缆上的多个传感器，其中这多个传感器的每个传感器包括纤芯，纤芯具有周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体光栅结构；以及在纤芯周围布置的包层。
附图说明
当参考附图阅读下文的详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在所有这些附图中相似符号表示相似的部件，其中：
图1示出根据本技术的多个方面用于检测苛刻环境中和/或物体的多个参数的示范光纤传感***。
图2是图1的传感***中采用的光纤传感器的示范配置的图形图示。
图3是用于测量苛刻环境中的应变和振动的单个光纤布拉格光栅(FBG)传感器封装的示范配置的图形图示。
图4是用于测量苛刻环境中的应变和振动的温度补偿FBG传感器封装的示范配置的图形图示。
图5是从图2的光纤传感器获得的示范反射光谱的图形表示。
图6是从图2的光纤传感器获得的示范透射光谱的图形表示88。
图7是光敏单模光纤上从利用紫外线(UV)激光器和相位掩模刻制技术制造的FBG传感器获得的示范反射光谱的图形表示。
图8是光敏单模光纤上从利用UV激光器和相位掩模刻制技术制造的FBG传感器获得的示范透射光谱的图形表示。
图9是光敏单模光纤上的UV激光器和相位掩模技术制造的FBG传感器的示范热灵敏度结果的图形表示。
图10是光敏单模光纤上的(飞秒激光器)FL制造的FBG传感器的热灵敏度结果的图形表示。
图11是熔融的石英光纤上制造的FL刻制的FBG传感器对约0℃到约200℃的温度范围的热灵敏度结果的图形表示。
图12是熔融的石英光纤上制造的FL刻制的FBG传感器分别对约200℃到约850℃的温度范围的热灵敏度结果的图形表示。
图13是在温度从200℃开始并保持在820℃的情况下，光敏单模光纤上UV激光器制造的FBG和石英单模光纤上FL制造的FBG传感器的示范光纤传感器波长热稳定性结果的图形表示。
图14是在不同时间段上经受等温测试的FL制造的FBG传感器的示范反射功率损耗热响应的图形表示。
图15是作为测试时间的函数来绘制的UV激光器和FL制造的FBG传感器的反射功率损耗结果的图形表示。
图16是在不同温度下来自FL制造的FBG传感器的示范反射光谱的图形表示。
图17是示范FL FBG传感器的相对于操作温度的使用寿命估计的图形表示。
图18是使用图2的光纤传感器对示范悬臂梁获得的低频的基本弯曲振动模式结果的图形表示。
图19是使用图2的光纤传感器对示范悬臂梁获得的多振动模式结果的图形表示。
图20示出用于检测环境的多个参数的示范单轴温度、动态应变和振动光纤传感***230。
图21是根据本技术的多个方面的反射配置中的示范光纤动态传感***的图形图示。
图22是根据本技术的多个方面的透射配置中的示范光纤动态传感***的图形图示。
图23是图20和21的传感***中分别采用的示范光纤安装封装的侧视图。
图24示出用于核反应堆水位传感应用的示范光纤传感模块封装。
具体实施方式
现在参考附图，图1示出用于检测苛刻环境中和/或物体12的多个参数的示范光纤传感***10。虽然本文公开着重于传感设备和***，但是本技术不限于传感领域，而是还可应用于的其他模态，例如光纤、数据传输和电信以及其它。因此，所附权利要求不应限于下文论述的示范实施例或由它们来限制。光纤传感***10包括例如引用标号14表示的多个光纤传感器，而这些光纤传感器又包括光栅电缆(grated cable)16。如图所示，电缆16布置在元件12内，从而使得元件12中的变化转移到电缆16。光栅电缆16包括具有多个光栅单元的芯，这些光栅单元具有周期性或准周期性调制的布拉格光栅结构，下文将对此予以详细地描述。正如本文所使用的，术语“准周期性调制的光栅”包括具有跨光栅结构的光栅长度的可变周期性的光栅结构。在某些实施例中，准周期性调制的光栅结构包括具有根据斐波纳契序列的反射率调制的啁啾光栅结构。在本论述中，光栅单元涉及与芯的折射率相比的折射率的变化。此类光栅单元可以是激光器和材料相互作用过程的结果，例如下文将进一步论述的高功率飞秒激光器布拉格光栅(FL FBG)和相位掩模刻制技术。
而且，光纤传感***10还包括光源18，例如配置成照明光栅电缆16的芯的可调激光器或宽带超级发光光源。这种照明协助生成与光栅电缆16的光栅周期对应的反射信号。在图示的实施例中，光栅电缆16的每个光纤布拉格光栅的反射信号由2nΛ确定，其中n是有效光栅折射率以及Λ是该光栅单元的折射率调制的周期性。而且，因为光栅电缆16的所有光栅单元的周期性是不同的，所以反射信号由反射光谱中的多个峰值组成。***10还包括光耦合器20，用于管理来自光源18的入射光以及来自光栅电缆16的反射信号。耦合器20将适合的反射信号引导到检测器模块22。
检测器模块22从光栅电缆16接收反射的光信号，并与多种硬件和软件组件协作，分析这些光信号内嵌入的信息。例如，检测器模块22配置成基于从光纤传感器14的光栅电缆16的多个光栅单元生成的反射光谱来估计物体12的状况或参数。在某些实施例中，检测器模块22采用光耦合器或光谱分析仪来分析来自光纤传感器14的信号。根据期望的应用，检测器模块22可以配置成测量环境12中的多种参数。此类参数的示例包括温度、气体的存在、应变、压力、振动和辐射以及其它。
可以将检测器模块22显示的信息传送到输出24，例如显示器或无线通信设备。有利地，可以采用所收集的信息(例如环境或物体状况)来解决任何数量的关注事项或在环境或物体12本身中实现改变。
图2是图1的传感***10中采用的光纤传感器14的示范配置30的示意图示。光纤传感器单元30包括纤芯32和围绕纤芯32布置的包层34。在此实施例中，包层34包括含有氟或氯掺杂物的二氧化硅。有利地，光纤包层结构中的掺杂物有效地将二氧化硅玻璃的折射率相比纤芯32的折射率减少约0.2％至约0.5％的量。在某些实施例中，包层34包括双层包层结构，其具有约20ppm至约50ppm氟或氯掺杂结构的第一包层和约100ppm至约200ppm氟或氯掺杂结构的第二包层，其中第一包层具有5微米至约20微米的半径以及第二包层具有20微米至约62.5微米的半径。应该注意，第一和第二包层提供沿着纤芯32进行光传播的波导结构，其中透射损耗可忽略，即使在升高的温度下或在高放射性环境中。
此外，纤芯32包括一系列光栅单元36，它们配置成反射与光栅单元36的光栅周期对应的同相波长光。在本示范实施例中，纤芯32包括非光敏熔融的石英单模光纤，而光栅单元36包括周期性或准周期性调制的微晶二氧化硅四面体光栅结构。用于纤芯32的非光敏熔融的石英单模光纤有助于消除二氧化硅的带内杂质能级，从而防止在升高的温度和某些程度的伽马射线和热中子辐射环境下任何载流子激发从共价带(covalence band)移动到导带。
通过高功率FL和相位掩模刻制技术然后经过热后处理工艺形成周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体光栅结构36。在操作中，通过高功率FL和相位掩模刻制技术将周期性或准周期性微晶二氧化硅结构38刻制在纤芯32上。在本示范实施例中，使用快速和局部熔融和淬火工艺将周期性或准周期性微晶二氧化硅结构38刻制在纤芯32上，以使光纤传感器30的弹光系数与二氧化硅簇形态(cluster morphology)无关。此外，高功率激光脉冲在纤芯32中引起约0.2-0.5％等级的有效折射率调制。
进一步通过热后处理工艺将由变形短距离不饱和键(distortedshort-range and dangling bond)组成的欠约束的二氧化硅结构40转换成紧凑过约束的刚性二氧化硅四面体结构。在本示范实施例中，欠约束和过约束的二氧化硅结构的光栅块的厚度沿着光纤轴约为0.25微米，且具有约9微米的直径。交替的调制的微晶二氧化硅和过约束的二氧化硅块有效地形成质量密度调制，这种质量密度调制引入如同是布拉格反射体的有效折射率调制以在每个块界面处实现构造的光干涉。将欠约束的二氧化硅结构40转换成过约束的二氧化硅四面体结构通过等温且等时工艺来实现。有益的是，变换成刚性二氧化硅四面体结构利于光纤传感器30在上升的温度和辐射下工作。而且，通过等温工艺对光纤材料微结构的修改减少了微晶光栅结构36中的颗粒(grain)尺寸分布和颗粒边界密度。颗粒尺寸分布的减小实质上降低纤芯32与包层界面34之间的残余应变，从而增强了光纤传感器30的透射性质。
在工作期间，通过光源18向光纤传感器30提供输入宽带光信号43(参见图1)，由相应的光栅单元36同相地且与某些光波长对应地反射输入的宽带光信号的一部分42，同时透射其余波长，如透射的信号44所表示的。从光栅单元36生成的反射光谱有助于同时检测环境12的多个参数(参见图1)。此类参数的示例包括动态应变、辐射、振动和温度。而且，上文描述的周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体光栅结构34减少了光纤传感器30中的热光效应波动，从而允许在高温环境中以高度热稳定性检测多个参数。在一个示范实施例中，光纤传感器30可操作以在具有约800℃的温度的环境中检测多个参数。上文描述的光纤传感器30的光栅结构和封装材料可以基于环境的期望参数的测量来选择。
图3是用于测量环境的动态应变和振动的单个光纤布拉格光栅传感器封装的示范配置50的示意图示。如图所示，传感器封装50包括具有纤芯32的光纤传感器30和围绕纤芯32布置的包层34。而且，传感器封装50包括单模光纤布拉格光栅单元52，单模光纤布拉格光栅单元52使用例如高功率FL和相位掩模刻制技术然后使用热后处理工艺刻制在纤芯32上，正如上文参考图2描述的。布拉格光栅单元52有助于检测环境中例如应变或振动的参数。在本示范实施例中，光纤传感器30被封装在石英或蓝宝石毛细管54内。此外，还利用金属涂层纤维层56和高温陶瓷或聚合物粘合材料58来封装传感器30，从而允许在高温和辐射以及腐蚀性环境中使用传感器。
图4是用于测量环境中的应变和振动的温度补偿布拉格光栅传感器封装的示范配置70的示意图示。与图3所示的传感器封装50一样，温度补偿传感器封装70包括纤芯32和布置在石英或蓝宝石毛细管54内的包层34。在本示范实施例中，传感器封装70包括一组附加的布拉格光栅单元72，以利于与应变/振动检测的同时检测温度。同样地，封装材料包括围绕布拉格光栅单元52和72布置的高温陶瓷或聚合物粘合材料58以便在高温和放射性以及腐蚀性环境中使用。
正如本领域技术人员将认识到的，可以基于将采用传感器30所在的环境的环境状况来采用多个传感器封装材料以封装光纤传感器30。封装材料可以基于诸如温度、压力、振动腐蚀(vibration corrosion)、伽马和中子辐射剂量等参数的苛刻环境传感要求来选择。此类光纤传感器封装材料包括粘合剂和密封材料和光纤保护材料。示范的粘合剂和密封材料包括硅粘合剂、例如尼龙结合物的高温结合物、高温环氧树脂和陶瓷粘合剂。示范光纤保护材料包括碳、聚酰亚胺聚合物和硅树脂。其他封装材料包括纯石英毛细管、玻璃波导和氧化铝管和蓝宝石毛细管。在某些实施例中，对于例如具有约500℃至约800℃的温度的高温环境，可以采用例如不锈钢、铬镍铁合金的材料作为封装材料。或者，对于低温环境，可以采用例如铝、铜和不锈钢的材料作为封装材料。
如上所述，检测器模块22(参见图1)对来自光纤传感器30生成的反射光谱进行分析，以检测环境12(参见图1)的至少一个参数。图5是从图2的光纤传感器30获得的示范反射光谱的图形表示80。在图示的实施例中，横坐标轴82表示以纳米(nm)为单位测量的波长，而纵坐标轴84表示以分贝(dB)为单位测量的反射功率损耗，其来自纯石英光纤上的800nm飞秒脉冲激光器刻制的布拉格光栅。引用标号86表示的峰值反射损耗对应于光纤传感器30的纤芯导模。在本示范实施例中，峰值反射的损耗表示结构应变、温度和振动。而且，反射的峰值的相对幅度表示光纤传感器的健康状况。图6是从图2的光纤传感器30获得的示范透射光谱的图形表示88。在图示的实施例中，横坐标轴82表示以纳米(nm)为单位测量的波长，而纵坐标轴90表示以分贝(dB)为单位测量的透射损耗，其来自纯石英光纤上的800nm飞秒脉冲激光器刻制的布拉格光栅。峰值透射损耗92对应于光纤传感器30的纤芯导模，而对应于包层模式的功率透射损耗由引用标号94表示。同样地，确定透射损耗90的下沉位置表示结构应变、温度和振动。而且，透射下沉处的相对幅度表示光纤传感器的健康状况。
图7和图8是从利用紫外线(UV)激光和相位掩模刻制技术制造的FBG传感器获得的示范反射和透射光谱100和102的图形表示。在图示的实施例中，反射和透射损耗84和90是从常规FBG传感器获得的，该常规传感器是利用约190nm至约250nm的UV激光刻制的。同样地，引用标号104表示的峰值反射损耗对应于传感器的纤芯导模。相似地，引用标号106表示的峰值透射损耗对应于传感器的纤芯导模。
如图所示，UV激光器FBG刻制技术形成的传感器具有距离反射的布拉格共振峰值约30dBm至约40dBm的动态范围，通过FL FBG刻制技术形成的传感器具有距离反射的布拉格共振峰值约10dBm至约20dBm的动态范围。而且，UV激光器FBG刻制技术形成的传感器具有距离透射的峰值约10dBm至约15dBm的动态范围，通过FLFBG刻制技术形成的传感器具有距离透射的共振峰值约10dBm至约20dBm的动态范围。通过FL FBG刻制技术制造的光纤传感器30具有通过UV激光器刻制技术制造的常规FBG传感器相当的动态范围。此外，可以基于期望的参数来调整光栅的刻制设置。
而且，通过高功率FL FBG刻制技术然后热后处理工艺形成的光纤传感器30具有相比常规UV激光器制造的传感器相对较小的温度灵敏度，从而允许在动态温度环境中使用这种传感器30。
图9是在光敏光纤上UV激光器制造的FBG传感器的示范热灵敏度110结果的图形表示。横坐标轴112表示以℃为单位测量的温度，以及纵坐标轴114表示以纳米(nm)为单位测量的波长偏移，其从UV激光器制造的FBG传感器获得。在本示范实施例中，UV激光器制造的锗(Ge)掺杂的FBG传感器的波长偏移由轮廓116表示，UV激光器制造的锗(Ge)和氟(F)共同掺杂的FBG传感器的波长偏移由轮廓118表示。如图所示，Ge掺杂的和Ge/F共同掺杂的FBG传感器的热灵敏度为约9pm/℃至约11pm/℃。图10是在光敏单模光纤上FL FBG制造的FBG传感器的热灵敏度120结果的图形表示。在本示范实施例中，在光敏光纤上制造的800nm脉冲激光器刻制的FBG传感器的波长偏移由轮廓122表示。正如可见到的，此类飞秒脉冲FBG传感器的热灵敏度约为16.5pm/℃，这大于光敏光纤上UV激光器制造的FBG传感器的热灵敏度，如上文参考图9描述的。
图11和图12是熔融的石英光纤上制造的FL刻制的FBG传感器分别对于约0℃至约200℃和200℃至约850℃的温度范围的热灵敏度结果130和132的图形表示。在本示范实施例中，轮廓134和136表示熔融的石英光纤上800nm脉冲飞秒激光器刻制的布拉格光栅的波长偏移。如图所示，FL制造的FBG传感器的热灵敏度在约150℃的温度下约为1.1pm/℃，而在范围约150℃至约400℃的温度下约为1.7pm/℃。因此，如上文描述的通过高功率FL FBG刻制技术制造的传感器具有相比光敏光纤上UV激光器制造的FBG传感器实质上更小的热灵敏度，从而使得它们适合于动态温度环境的结构健康监测中的应变传感。
而且，本技术形成的光纤传感器30相比常规UV激光器制造的FBG传感器具有相对更好的波长热稳定性。图13是在约822℃下UV激光器和FL制造的FBG传感器的示范光纤传感器波长热稳定性结果的图形表示140。横坐标轴142表示以小时(hrs)为单位测量的测试时间，纵坐标轴144表示以nm为单位测量的波长偏移。在本示范实施例中，轮廓146表示Ge/F共同掺杂的FBG传感器的热稳定性，轮廓148表示FL刻制的FBG传感器的热稳定性。Ge/F共同掺杂的FBG传感器的热稳定性约为在约200小时的退火时间下达到的6.9pm/hr，这指示Ge/F共同掺杂的FBG的强原子扩散动态。而且，基于FL FBG的传感器的热稳定性约为-0.18pm/hr，这指示温度引起的紧凑的四面体二氧化硅FBG微结构的缩合动态。因此，基于FL FBG的传感器的热稳定性比基于Ge/F共同掺杂的FBG的传感器的热稳定性好约38倍。
图14是根据本技术的多个方面、在不同时间段上约820℃下接受等温测试的FL制造的FBG传感器的示范反射功率损耗热响应的图形表示150。横坐标轴152表示以nm为单位测量的波长偏移，以及纵坐标轴154表示以dB为单位测量的反射功率损耗。例如引用标号156、158和160表示的轮廓表示在不同测试时间的反射功率损耗。例如，156、158和160分别表示在0、1.5和5小时的测试时间的功率损耗。在本示范实施例中，为了简明起见，每个光谱向下偏移大约5dB。在图15中作为测试时间142的函数来绘制FL制造的FBG传感器的反射功率损耗154。在本示范实施例中，轮廓170和172分别表示非光敏光纤上FL制造的FBG传感器的反射的峰值功率和基于GeO2掺杂的FBG的传感器的反射的峰值功率。基于GeO2掺杂的FBG的传感器的反射功率损耗具有约7.6dB/khr的不稳定性，而FL制造的FBG传感器的反射功率损耗具有约0.065dB/khr的不稳定性。因此，上文描述的FL制造的FBG传感器的热漂移实质上好于基于GeO2掺杂的FBG的传感器，从而使得此类传感器对于在苛刻环境中使用更可靠。
图16是根据本技术的多个方面、对于约20℃至900℃的温度范围，FL制造的FBG传感器的示范反射功率损耗热响应的图形表示180。横坐标轴82表示以nm为单位测量的波长偏移，以及纵坐标轴84表示以dB为单位测量的反射的功率损耗。图17是相对于温度的FL传感器使用寿命估计184的图形表示。如图所示，横坐标轴186表示温度，以及纵坐标轴188表示估计的传感器使用寿命。在图示的实施例中，轮廓200表示传感器的相对于温度的估计使用寿命的变化。应该注意，使用寿命188是基于在40nm动态范围内、对于约100小时至200小时的时间段测量的传感器热漂移值来计算的，且未考虑传感器封装稳定性和使用寿命。正如可以见到的，来自FL FBG传感器原型的环境温度的外推上限是大约1250℃。
图18是根据本技术的多个方面、使用图2的光纤传感器30对示范悬臂梁212获得的低频的基本振动模式结果210的图形表示。横坐标轴214表示频率，以及纵坐标轴表示悬臂梁的位移216。在本示范实施例中，采用具有周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体光栅结构的光纤传感器30(参见图2)来检测与位于梁起点处的悬臂梁的基本弯曲模式218对应的位移。正如之前描述的，向光纤传感器30提供输入宽带光信号42(参见图2)，由相应的光栅单元36同相地且与某些光波长对应地反射输入的宽带光信号42的一部分，同时透射其余波长，如透射的信号44所表示的(参见图2)。从光栅单元36生成的反射光谱有助于检测与悬臂梁的基本模式218对应的位移216。而且，基于光栅单元36的封装方法，还可以检测其他参数。
图19是根据本技术的多个方面、使用图2的光纤传感器30对示范悬臂梁212获得的多振动模式结果的图形表示。在图示的实施例中，光纤传感器30配置成基于从梁中间的光纤传感器30的光栅单元36生成的反射光谱来测量与悬臂梁212的弯曲模式224对应的应变222。因此，光纤传感器30有助于基于从传感器30生成反射光谱同时检测环境的多个参数。此外，如上所述，光纤传感器30包括非光敏熔融的石英单模纤芯和周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体光栅结构，这减少了光纤传感器30中的热光效应波动，从而允许在苛刻环境中可靠地检测多个参数。
可以采用上文描述的光纤传感器30来传感分布式环境中的多个参数。图20图示根据本技术的多个方面、用于检测环境的多个参数的示范单轴动态应变/振动光纤传感***230。在图示的实施例中，传感***230包括例如引用标号232、234、236和238表示的布置在分布式电缆240上的多个传感器。在一个示范实施例中，分布式电缆包括不锈钢封装的光缆。而且，这些多个传感器232、234、236和238的每个传感器包括非光敏熔融的石英单模纤芯，其具有周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体光栅结构242，以便利于同时检测环境的多个参数。在本实施例中，光栅结构242利于检测环境中的应变/振动。而且，可以通过评估不同传感器232、234、236和238所反射的衍射峰值中的变化来获取有关环境的不同位置的数据。在另一个实施例中，分布式光纤传感***230包括具有纤芯和围绕纤芯布置的包层的多个传感器，其中纤芯具有高斯切趾的或余弦切趾的光栅结构。
该分布式光纤传感***230可以设在环境中用于检测环境的多个参数，例如温度、应变等。在操作中，由引用标号244表示的光源照射该分布式光纤传感***230。此照射有助于生成与传感器232、234、236和238的光栅242的光栅周期对应的反射信号同时透射其余的波长，如透射信号246所表示的。可以将各自的反射和透射信号引导到光谱分析仪(未示出)。而且，在某些实施例中，可以将耦合器(未示出)耦合到光源，以及耦合到光谱分析仪以将输入信号和反射信号组合。光谱分析仪测量接收的信号的波长光谱和密度以估计环境的例如应变/振动的参数。应该注意，分布式光纤传感***230采用差分配置来测量环境的参数。
有利的是，可以基于环境的期望参数动态地增加或减少模块230中采用的传感器的数量。而且，可以基于要测量的期望的参数来选择光栅结构242。正如本领域技术人员将认识到的，可以基于要对环境测量的期望的参数设想多个传感器模块设计。
正如之前描述的，使用光纤传感器基于从光纤传感器生成的反射光谱来检测多个参数。图21是根据本技术的多个方面的反射配置中的示范光纤动态传感***250的图形图示。光纤传感***250包括如引用标号252表示的多个光纤传感器，每个传感器252具有用于检测环境的多个参数的周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体光栅结构254。而且，传感***250包括可调激光器256，该可调激光器256用作光源来询问从每个传感器252的光栅结构254生成的反射光谱。2×1光耦合器258耦合到可调激光器256和传感器252，用于管理来自可调激光器256的入射光，以及来自每个传感器252的反射信号。
此外，还采用可调法布里-珀罗(Fabry-Pérot)(FP)滤光镜260从每个传感器252检测布拉格波长偏移以用于检测环境的参数。传感***250还包括气体校准单元262以便允许绝对波长测量和允许补偿可调激光器扫描速度中的变化。在一个实施例中，气体校准单元262包括氢氰酸波长参考吸收单元，其吸收与气体的分子振动模式对应的离散波长处的光。进一步经电子接口266将测量的波长数据引导到数据分析单元264，以用于基于来自每个传感器252的布拉格波长偏移数据检测环境的参数。
图22是根据本技术的多个方面的透射配置中的示范光纤动态传感***280的图形图示。与参考图20图示一样，传感***280包括可调激光器256和2×1光耦合器258以照射每个传感器252的光栅结构254。在本示范实施例中，传感***280还包括三端口光环形器282，用于将宽带光从可调激光器256发射到传感器252。而且，来自每个传感器252的反射光经由光环形器282的另一个端口向FP滤光镜260返回。正如之前论述的，数据分析单元264记录峰值反射率对波长的偏移，并分析此类数据以估计环境12的例如温度、应变和振动的参数。
图23是图21和22的传感***250和280中分别采用的示范光纤安装封装290的侧视图。封装290包括顶板292和底板294以及布置在顶板292与底板294之间的光纤电缆296。在本示范实施例中，顶板292和底板294包括不锈钢板。而且，光纤电缆296包括刻制在纤芯300上的光栅结构298，以用于检测环境的多个参数。在本实施例中，纤芯300包括非光敏熔融的石英单模光纤，而光栅单元298包括周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体光栅结构。有利的是，用于纤芯300的非光敏熔融的石英单模光纤有助于消除二氧化硅光纤的带内杂质能级，从而防止在升高的温度下从共价带到导带的任何载流子激发。
而且，如上所述，通过高功率FL和相位掩模刻制技术然后经过热后处理工艺形成周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体光栅结构298。在某些实施例中，安装封装290包括安装孔302以有助于将安装封装290与传感***250和280的组件耦合。
可以采用上文描述的光纤传感器来同时检测多个环境中的多个参数。可以使用通过高功率FL FBG刻制和热处理技术形成的非光敏光纤上的周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体光栅结构来检测具有高温的苛刻环境中的例如应变、振动的参数。而且，可以基于可能采用此类传感器所在的环境来选择此类传感器的封装配置。在一个示范实施例中，采用上文描述的光纤传感器来进行水位传感。
图24示出核反应堆中用于水位传感应用的示范光纤传感模块封装310。在图示的实施例中，光纤传感模块310包括布置在壳314内的光纤传感电缆312。而且，光纤传感电缆312包括内表面光纤传感阵列316，用于动态温度监测以确定热升温(thermal ramp)、降压和流体诱发的不稳定性。光纤传感阵列316采用通过上述技术制造的多个FBG传感器318来进行共振频率监测以确定水位。传感模块310还包括光纤振动传感梁和集成的FL FBG传感器，例如引用标号311、313、315和317表示的。而且，光纤传感模块封装的底部被封闭，以防止任何部件落在水体中，并且具有侧面开孔以便有助于水通过模块310。在本示范实施例中，传感模块310的封装材料包括AISI 304不锈钢或AISI 316不锈钢或铬镍铁合金625。但是，也可以使用其他适合的材料来封装传感模块310。上文描述的技术的多个方面可以应用于传感多种环境中例如温度、应变、压力和振动的多个参数。有利的是，根据本技术的实施例，在非光敏光纤上具有周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体光栅结构的光纤传感器具有实质上低的热灵敏度和低波长和反射功率损耗漂移，从而允许使用此类传感器来检测例如承受高温和辐射的苛刻环境中的参数。例如，该技术可以用于通过测量环绕喷气发动机的压缩机的输出级、或燃烧室、或排气***分散的多个光栅位置处的温度来提供排气***中的热映射。相似地，该技术可以用于映射例如燃气涡轮、蒸汽涡轮、核反应堆、燃煤锅炉等组件中的温度分布。应该注意，因为FBG配置成测量沿其轴的纵向应变，所以也可以以玫瑰花形构造来设置FBG以确定沿不同方向的应变以及确定组件上的主应变。
而且，如上所述，可以采用上文描述的FL刻制的FBG传感器来传感分布式环境中的多个参数。该传感器有助于波长编码的温度区别性应变和振动询问，并且相比常规FBG传感器具有实质上高的带宽和更好的热稳定性。
虽然本文仅图示并描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将设想到许多修改和改变。因此，应理解，所附权利要求旨在涵盖属于本发明真正精神的所有这些修改和改变。

Claims (33)

1.一种光纤传感器，包括：
纤芯，具有多个布拉格光栅单元，其中所述光栅单元包括周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体结构；以及
包层，布置在所述纤芯周围。
2.如权利要求1所述的光纤传感器，其中所述纤芯包括非光敏熔融的石英单模光纤。
3.如权利要求1所述的光纤传感器，其中所述传感器配置成同时检测高温或动态温度环境中的多个参数。
4.如权利要求3所述的光纤传感器，其中所述参数包括动态应变、或振动、或温度、或它们的组合。
5.如权利要求3所述的光纤传感器，其中所述传感器配置成检测具有约800℃的温度的温度环境中的参数。
6.如权利要求3所述的光纤传感器，其中所述传感器配置成检测燃气涡轮、或蒸汽涡轮、或核反应堆容器、或燃烧池、或飞机发动机或燃煤锅炉或它们的组合中的至少一个参数。
7.如权利要求1所述的光纤传感器，其中所述周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体结构是通过高功率飞秒激光器刻制的技术然后经过热后处理工艺形成的。
8.如权利要求1所述的光纤传感器，其中所述包层包括具有氟掺杂物的二氧化硅。
9.如权利要求1所述的光纤传感器，其中所述光纤传感器包括第一和第二包层，以及其中所述第一包层包括低百分比的氟或氯掺杂物，以及所述第二包层包括相对较高百分比的氟或氯掺杂物。
10.如权利要求1所述的光纤传感器，还包括：
光源，配置成照射所述纤芯；以及
检测器模块，配置成基于从所述光栅单元生成的反射光谱来检测至少一个参数。
11.一种制造光纤传感器的方法，包括：
提供纤芯；
在所述纤芯上刻制周期性或准周期性的微晶二氧化硅四面体光栅结构；以及
将欠约束的二氧化硅结构转换成过约束的二氧化硅四面体结构。
12.如权利要求11所述的方法，还包括在所述纤芯周围环绕地布置包层。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述刻制步骤包括通过高功率脉冲飞秒激光器技术在所述纤芯上刻制所述周期性或准周期性的微晶二氧化硅四面体光栅结构。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述转换步骤包括，通过热后处理工艺将所述欠约束的二氧化硅结构转换成过约束的二氧化硅四面体结构。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述转换步骤包括，通过等温和等时工艺来修改所述光纤材料微结构。
16.如权利要求15所述的方法，包括将所述欠约束的二氧化硅结构变换成刚性二氧化硅四面体结构以便有助于在升高的温度和高辐射环境的所述传感器的操作。
17.如权利要求15所述的方法，还包括通过所述等温工艺来减少所述微晶光栅结构中的颗粒尺寸分布和颗粒边界密度。
18.如权利要求17所述的方法，其中减少所述颗粒尺寸分布包括实质上降低所述纤芯与包层界面之间中的残余应力，这实质上防止从颗粒边界的光散射损耗，以便提高通过所述光纤传感器的光透射。
19.如权利要求11所述的方法，包括实质上消除所述纤芯的带内杂质能级，以防止在升高的温度和辐射环境的从杂质带到导带的载流子激发。
20.如权利要求19所述的方法，还包括实质上消除带内结构缺陷能级，以防止在升高的温度和辐射环境的从缺陷带到导带的载流子激发。
21.如权利要求11所述的方法，其中所述纤芯包括非光敏熔融的石英单模光纤。
22.如权利要求11所述的方法，包括使用快速局部熔融和淬火工艺在所述纤芯上刻制所述周期性或准周期性微晶光栅结构，使得所述传感器的弹光系数与二氧化硅簇形态无关。
23.如权利要求11所述的方法，还包括利用光纤传感器封装材料来封装所述光纤传感器。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述光纤传感器封装材料包括粘合剂和密封材料和光纤保护材料。
25.一种检测环境中的多个参数的方法，包括：
向光纤传感器提供光源，其中所述光纤传感器具有多个光栅单元，所述多个光纤单元具有周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体结构；以及
检测来自所述光纤传感器的反射或透射光谱。
26.如权利要求25所述的方法，还包括基于来自所述光纤传感器的反射或透射光谱来确定与所述环境中的变化对应的参数。
27.如权利要求25所述的方法，包括检测燃气涡轮、或蒸汽涡轮、或核反应堆容器、或飞机发动机、或燃烧池、或燃煤锅炉、或它们的组合中的至少一个参数。
28.如权利要求27所述的方法，包括检测动态应变、或振动、或温度、或它们的组合。
29.一种用于传感环境中的多个参数的分布式传感***，包括：
多个传感器，布置在分布式电缆上，其中所述多个传感器的每个包括：
纤芯，具有周期性或准周期性调制的微晶和刚性二氧化硅四面体光栅结构；以及
包层，布置在所述纤芯周围。
30.如权利要求29所述的分布式传感***，其中所述分布式电缆包括不锈钢、铬镍铁合金或铂等。
31.如权利要求29所述的分布式传感***，还包括配置成照射所述多个传感器的每个的纤芯的光源。
32.如权利要求31所述的分布式传感***，其中所述照射光源包括可调激光器。
33.如权利要求29所述的分布式传感***，还包括配置成基于来自所述分布式传感***的波长光谱来测量参数的光谱分析仪。
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