CN106546354B - 一种基于fbg的超高温传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于FBG的超高温传感器，其中，所述基于FBG的超高温传感器包括：APC光纤接头、氧化铝陶瓷棒、不锈钢棒、光纤光栅、金属弹簧以及氧化铝陶瓷保护套；所述APC光纤接头通过所述耐高温陶瓷胶与所述氧化铝保护套相连，所述光纤光栅的一端固定在所述氧化铝陶瓷棒的自由端，另一端固定在所述氧化铝陶瓷保护套的一端，所述氧化铝陶瓷棒***到所述氧化铝陶瓷保护套内，所述氧化铝陶瓷棒与所述氧化铝陶瓷保护套之间使用所述金属弹簧提供给光纤光栅的轴向拉伸力并感受温度变化。

Description

一种基于FBG的超高温传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种基于FBG的超高温传感器。
背景技术
通常，光纤光栅作为一种新型的光纤无源器件，因其具有抗干扰性强、耐腐蚀、体积小、重量轻、寿命长、无连接损耗、可实现多点分布式测量等优良特性，在光纤传感领域具有广阔的应用前景。普通Ⅰ型光纤光栅只适用于200℃以下的工作环境，当温度高于200℃时其反射率随温度的上升而下降，当温度超过300℃时，光纤光栅产生衰退效应，直至擦除。而且传统的光纤光栅温度传感器还受封装材料的限制。如环氧树脂封装胶的使用工作温度为-50℃～180℃。这些限制了光纤光栅在高温环境下的使用。
因此，需要一种能有效地传感器来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FBG的超高温传感器，能够实现大范围及超高温度的测量。所述基于FBG的超高温传感器包括：
APC光纤接头、氧化铝陶瓷棒、不锈钢棒、光纤光栅、金属弹簧以及氧化铝陶瓷保护套；
所述APC光纤接头通过所述耐高温陶瓷胶与所述氧化铝保护套相连，所述光纤光栅的一端固定在所述氧化铝陶瓷棒的自由端，另一端固定在所述氧化铝陶瓷保护套的一端，所述氧化铝陶瓷棒***到所述氧化铝陶瓷保护套内，所述氧化铝陶瓷棒与所述氧化铝陶瓷保护套之间使用所述金属弹簧提供给光纤光栅的轴向拉伸力并感受温度变化。
优选地，所述光纤光栅的布拉格波长为1550nm。
优选地，所述不锈钢棒的热膨胀系数为～17×10-6/℃。
优选地，所述氧化铝陶瓷棒的热膨胀系数为～7×10-6/℃。
优选地，所述氧化铝陶瓷保护套的热膨胀系数为～7×10-6/℃。
优选地，所述光纤光栅与所述氧化铝陶瓷棒之间通过耐高温陶瓷胶粘贴固定。
优选地，所述光纤光栅与所述氧化铝陶瓷保护套之间通过耐高温陶瓷胶粘贴固定。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了一种一种基于FBG的超高温传感器的结构示意图。
图2示出了本发明的一种基于FBG的超高温传感器的工作原理示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
如图示出了一种一种基于FBG的超高温传感器的结构示意图。如图1所示，
本发明提供了一种基于FBG的超高温传感器100包括：APC光纤接头101、氧化铝陶瓷棒102、不锈钢棒103、光纤光栅104、金属弹簧105以及氧化铝陶瓷保护套106；所述APC光纤接头101通过所述耐高温陶瓷胶107与所述氧化铝保护套106相连，所述光纤光栅104的一端固定在所述氧化铝陶瓷棒102的自由端，另一端固定在所述氧化铝陶瓷保护套106的一端，所述氧化铝陶瓷棒102***到所述氧化铝陶瓷保护套106内，所述氧化铝陶瓷棒102与所述氧化铝陶瓷保护套106之间使用所述金属弹簧105提供给光纤光栅104的轴向拉伸力并感受温度变化，所述光纤光栅104与所述氧化铝陶瓷棒102之间通过耐高温陶瓷胶107粘贴固定；所述光纤光栅104与所述氧化铝陶瓷保护套106之间通过耐高温陶瓷胶107粘贴固定。
优选的，所述光纤光栅104的布拉格波长为1550nm。
优选的，所述不锈钢棒1003的热膨胀系数为～17×10-6/℃。
优选的，所述氧化铝陶瓷棒102的热膨胀系数为～7×10-6/℃。
优选的，所述氧化铝陶瓷保护套106的热膨胀系数为～7×10-6/℃。
基于FBG的超高温传感器的工作原理我们将在下面的实施例中详细阐述。
图2示出了本发明的一种基于FBG的超高温传感器的工作原理示意图。如图2所示，
本实施例中的基于FBG的超高温传感器200包括：APC光纤接头201、氧化铝陶瓷棒202、不锈钢棒203、光纤光栅204、金属弹簧205以及氧化铝陶瓷保护套206；所述APC光纤接头101通过所述耐高温陶瓷胶207与所述氧化铝保护套206相连，所述光纤光栅204的一端固定在所述氧化铝陶瓷棒202的自由端，另一端固定在所述氧化铝陶瓷保护套106的一端，所述氧化铝陶瓷棒202***到所述氧化铝陶瓷保护套206内，所述氧化铝陶瓷棒202与所述氧化铝陶瓷保护套206之间使用所述金属弹簧205提供给光纤光栅204的轴向拉伸力并感受温度变化，所述光纤光栅204与所述氧化铝陶瓷棒202之间通过耐高温陶瓷胶207粘贴固定；所述光纤光栅104与所述氧化铝陶瓷保护套206之间通过耐高温陶瓷胶207粘贴固定。
该实施例中的光纤光栅204为Ⅱ型光纤光栅，布拉格波长为1550nm，该光纤光栅204的一端固定在氧化铝陶瓷棒202的自由端，另一端连接至氧化铝陶瓷保护套206的一端，分别用高温陶瓷胶207粘贴固定。热膨胀系数为～17×10-6/℃不锈钢棒203和热膨胀系数为～7×10-6/℃的氧化铝陶瓷棒202，***到热膨胀系数为～7×10-6/℃的氧化铝陶瓷保护套206内。将被测物体208通过高温陶瓷胶207粘贴在基于FBG的超高温传感器200的氧化铝陶瓷保护套206的侧面，被测物体的长度为250mm。
光纤光栅传感以其反射波长随外界参量的变化而改变为基础。当宽带光源在光纤光栅中传输时，产生模式耦合，根据光纤耦合模理论，满足布拉格条件的光波λB被反射，其余波长的光波被透射，有
λB＝2neffΛ (1)
式中：Λ为光栅的周期；neff为光栅的有效折射率。当温度、应力等参量发生变化时，将会导致Λ和neff的变化，从而导致λB的变化有
ΔλB＝2ΔneffΛ+2neffΔΛ (2)
所提出的FBG超高温度传感器的工作原理是测量布拉格波长的改变，这种改变是通过由温度引起的应变导致的。
布拉格波长λB的相对变化ΔλB为
ΔλB＝λB(1-pe)Δε (3)
式中：pe是光纤光栅的弹光系数，对于石英光纤，一般为0.22；
当传感器感受到被测物体208的温度影响后，传感元件导致FBG产生轴向应变
由公式(3)和公式(4)可得
其中L是胶封传感器的长度。图2所示传感器的参数分别为，L＝25mm，传感元件的有效长度Leff＝20mm，Ⅱ型FBG的反射波长λB＝1550nm，Ⅱ型FBG的弹光系数Pe＝0.22，氧化铝棒的热膨胀系数α1＝～7×10-6/℃，不锈钢棒的热膨胀系数α2＝～17×10-6/℃。
由于氧化铝的热膨胀系数小于不锈钢，相比氧化铝，不锈钢棒的热膨胀较大。导致FBG产生轴向应变。当施加的最大温度为1000℃时，氧化铝棒的自由端产生的相对位移为200μm。施加到包含FBG的25mm光纤的最大应变为8000με。可得在1000℃时波长改变的最大值约为是9.6nm，传感探头的温度灵敏度约为9.6pm/℃。
本发明的有益效果至少在于：
使用能够承受1000℃超高温的飞秒激光器刻写的Ⅱ型光纤光栅，并利用膨胀系数不同的材料及高温陶瓷胶进行封装。该温度传感器将被测物体表面的温度信息转换为内部的机械力，具有测温范围大、耐超高温、克服温度应变交叉敏感性、可远程监控等优点。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种基于FBG的超高温传感器，其中，所述基于FBG的超高温传感器包括：
APC光纤接头、氧化铝陶瓷棒、不锈钢棒、光纤光栅、金属弹簧以及氧化铝陶瓷保护套；
其中，所述氧化铝陶瓷保护套呈倒“U”型，所述氧化铝陶瓷棒、不锈钢棒、光纤光栅、金属弹簧设置于氧化铝陶瓷保护套下方，与氧化铝陶瓷保护套形成矩形结构；
具体的所述不锈钢棒与氧化铝陶瓷保护套一端固定连接，另一端与氧化铝陶瓷棒无缝连接；
所述APC光纤接头通过耐高温陶瓷胶与所述氧化铝陶瓷棒自由端相连，
所述光纤光栅的一端固定在所述氧化铝陶瓷棒的自由端，另一端固定在所述氧化铝陶瓷保护套的另一端，
所述氧化铝陶瓷棒***到所述氧化铝陶瓷保护套内，所述氧化铝陶瓷棒与所述氧化铝陶瓷保护套之间使用所述金属弹簧提供给光纤光栅的轴向拉伸力并感受温度变化。
2.根据权利要求1所述的基于FBG的超高温传感器，其中，所述光纤光栅的布拉格波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的基于FBG的超高温传感器，其中，所述不锈钢棒的热膨胀系数为17×10-6/℃。
4.根据权利要求1所述的基于FBG的超高温传感器，其中，所述氧化铝陶瓷棒的热膨胀系数为7×10-6/℃。
5.根据权利要求1所述的基于FBG的超高温传感器，其中，所述氧化铝陶瓷保护套的热膨胀系数为7×10-6/℃。
6.根据权利要求1所述的基于FBG的超高温传感器，其中，所述光纤光栅与所述氧化铝陶瓷棒之间通过耐高温陶瓷胶粘贴固定。
7.根据权利要求1所述的基于FBG的超高温传感器，其中，所述光纤光栅与所述氧化铝陶瓷保护套之间通过耐高温陶瓷胶粘贴固定。
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Assignee: NINGBO TIANDE INNOVATION INTELLIGENT TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: Beijing Information Science & Technology University

Contract record no.: X2020990000716

Denomination of invention: An ultra high temperature sensor based on FBG

Granted publication date: 20190308

License type: Common License

Record date: 20201230