CN108195299A - 用于高温应变测量的fp与再生fbg复合传感器 - Google Patents

用于高温应变测量的fp与再生fbg复合传感器 Download PDF

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张钰民
娄小平
董明利
何巍
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Abstract

本发明公开了一种用于高温应变测量的FP与再生FBG复合传感器，包括第一FBG光纤，第二光纤，纯石英毛细管，陶瓷胶。本发明采用陶瓷胶将再生FBG传感器和FP传感器进行有效封装，所述再生FBG传感器用于温度测量，FP传感器用于温度和应变测量，通过光谱仪中解调的光谱信息，可实现温度和应变的分离。所述方法中采用的光纤及陶瓷胶均可在高温环境中工作，可实现在1000度高温下的温度和应变测量。

Description

用于高温应变测量的FP与再生FBG复合传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种用于高温应变测量的FP与再生FBG复合传感器。
背景技术
应变，是指材料在外力和非均匀温度场等因素作用下，产生变形的程度。高温应变测量，是指对工作温度高于500℃的被测对象进行的应变测量，如对工作状态下的飞机发动机、核动力发动机、超临界发电机进行的应变测量。
基于电阻应变片的应变电测***，在高于500℃的温度环境下，受电磁辐射干扰后，电阻应变片的测试稳定性较差，存活率也较低，且电阻应变片的电阻值受温度影响较大。
在光纤测量技术领域，宽带光源是光纤测量***的必须组件。在其他条件相同的情况下，宽带光源产生的宽带入射光，光谱范围越宽，光纤测量***的测量精度更高，测量结果更准确。
因此，对基于光纤法珀传感器的应变光测***进行入射光改进，是光纤测量技术领域期望解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种用于高温应变测量的FP与再生FBG复合传感器，能够实现高温环境中温度应变的测量。
本发明的技术方案：一种用于高温应变测量的FP与再生FBG复合传感器，其中所述复合传感器包括，第一FBG光纤，第二光纤，纯石英毛细管，陶瓷胶；
所述复合传感器的制作方法包括以下步骤：
1)将刻写的第一FBG光纤光栅穿入纯石英毛细管；
2)将距离所述第一FBG栅区5mm的位置处切掉光纤，并将第一FBG固定于石英毛细管中央；
3)将一段端面平整的第二光纤穿入石英毛细管的另外一侧，与第一FBG端光纤形成FP复合传感器；
4)通过高温应变测量***观察所述FP复合传感器的反射谱，调整第一FBG光纤和第二光纤位置至最优位置；
5)将陶瓷胶涂覆于第一FBG光纤、第二光纤和石英毛细管中，并进行固化。
优选的，步骤5)所述的陶瓷胶固化的步骤包括：常温固化10小时后，93.3℃固化3小时，121.1℃固化3小时。
优选的，步骤4)所述的高温应变测量***包括依次连接的宽带光源，环形器，FP复合传感器，光谱仪。
优选的，所述第一FBG光纤为入射光纤，所述第二光纤为反射光纤，所述第一FBG为再生FBG。
优选的，复合传感器在高温应变测量时，温度变化量和热应力满足下式：
在进行温度测量时，光纤光栅测量出的温度变化为：
其中ΔλB为解调仪解调出的中心波长变化量，α为第一FBG的热膨胀系数，ξ为热光系数，λB为第一FBG的布拉格中心波长；
在进行应变测量时，其中：
被测物的热应变εthermal＝αobject×ΔT (2)
其中αobject为被测物的热膨胀系数，ΔT为第一FBG所测得的温度变化。
本发明的有益效果；本发明提供一种用于高温应变测量的FP与再生FBG复合传感器，通过采用陶瓷胶将再生FBG传感器和FP传感器进行有效封装，可同时实现对高温环境下的温度测量和应变测量。所述封装结构中再生FBG传感器用于温度测量，FP传感器用于温度和应变测量，通过光谱仪中解调的光谱信息，可实现温度和应变的分离。所述方法中采用的光纤及陶瓷胶均可在高温环境中工作，可实现在1000度高温下的温度和应变测量。
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示意性示出本发明复合传感器的结构示意图；
图2示意性示出本发明复合传感器的再生FBG和FP封装时的光谱图；
图3示意性示出本发明复合传感器的再生后的复合传感器的光谱图；
图4示意性示出本发明第一FBG中心波长与温度变化的曲线图；
图5示意性示出本发明复合传感器反射谱与温度变化的曲线图。
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。
图1所示为本发明复合传感器的结构示意图，其中所述复合传感器包括第一FBG光纤101，第二光纤105，纯石英毛细管102，陶瓷胶103和金涂覆层104。
其中，用于高温应变测量的FP与再生FBG复合传感器制作方法，所述方法包括以下步骤：
1)将刻写的第一FBG光纤光栅101穿入纯石英毛细管102；
2)将距离第一FBG 101栅区5mm的位置处切掉光纤，确保光纤端面平整无角度，并将第一FBG 101固定于纯石英毛细管102中央；
3)将另外一段端面平整的第二光纤105穿入纯石英毛细管102的另外一侧，与第一FBG光纤101形成FP复合传感器；
4)通过高温应变测量***观察所述FP复合传感器的反射谱，调整第一FBG光纤和第二光纤位置至最优位置；
5)将陶瓷胶103涂覆于第一FBG光纤、第二光纤和石英毛细管中，并进行固化。
其中步骤5)中，陶瓷胶103的固化步骤包括：常温固化10小时后，93.3℃固化3小时，121.1℃固化3小时。陶瓷胶103还可以通过金涂覆层104固定和填充缝隙。
其中，步骤4)所述的高温应变测量***包括依次连接的宽带光源，环形器，FP复合传感器，光谱仪。其中光谱仪用于与计算机连接，实时显示FP复合传感器的反射谱，用于调节第一FBG光纤101和第二光纤105位置至最优位置
所述第一FBG光纤101为入射光纤，所述第二光纤105为反射光纤。其中所述第一FBG光纤为在再生FBG,再生FBG是通过高温退火形成的光纤光栅，它能够工作在大于1100℃的高温中且性质稳定，很适合应用于高温环境的温度传感监测。
如图1所示，本发明复合传感器高温测量与应变测量时，腔长d与传感器长度L间的关系为：
其中，
其中λ1,λ2分别是反射光谱极大值点所对应波长。
其中，ε表示应变量，Δd表示腔长的变化量，其中L为传感器的测量长度(即陶瓷胶103固定点间的距离)
本发明采用纯石英毛细管102的作用为：起到支撑与防护作用，有效保护FBG，并实现光纤端面的精确耦合。
其中，本发明在进行温度测量时，光纤光栅测量出的温度变化为
其中ΔλB为解调仪解调出的中心波长变化量，α为第一FBG的热膨胀系数，ξ为热光系数，λB为第一FBG的布拉格中心波长。
本发明进行应变测量时，其中：
被测物的热应变εthermal＝αobject×ΔT (3)
其中αobject为被测物的热膨胀系数，ΔT为第一FBG所测得的温度变化，最终被测物的真实应变应为εreal＝ε-εthermal (4)
其中步骤4)所述的最优位置为：FP传感器的干涉谱疏密程度合适，在整个温度测量范围内可以很容易读出干涉谱中极大值所对应波长的变化。
图2所示为本发明复合传感器的再生FBG和FP封装时的光谱图，图3所示为本发明复合传感器的再生后的复合传感器的光谱图，从图2和图3可以看出，封装后的复合传感器在波长为1555nm附近时，波长发生骤变，封装后的复合传感器在波长为1565nm附近发生骤变。
图4所示为本发明第一FBG中心波长与温度变化的曲线图，从图4可以看出，第一FBG中心波长与温度变化成正比。
图5所示为本发明复合传感器反射谱与温度变化的曲线图，从图5可以看出，温度越高，波长发生骤变时对应的波长越长。
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 (5)

1.一种用于高温应变测量的FP与再生FBG复合传感器，其中所述复合传感器包括，第一FBG光纤，第二光纤，纯石英毛细管，陶瓷胶；
所述复合传感器的制作方法包括以下步骤：
1)将刻写的第一FBG光纤光栅穿入纯石英毛细管；
2)将距离所述第一FBG栅区5mm的位置处切掉光纤，并将第一FBG固定于石英毛细管中央；
3)将一段端面平整的第二光纤穿入石英毛细管的另外一侧，与第一FBG端光纤形成FP复合传感器；
4)通过高温应变测量***观察所述FP复合传感器的反射谱，调整第一FBG光纤和第二光纤位置至最优位置；
5)将陶瓷胶涂覆于第一FBG光纤、第二光纤和石英毛细管中，并进行固化。
2.根据权利要求1所述的复合传感器，其特征在于，步骤5)所述的陶瓷胶固化的步骤包括：常温固化10小时后，93.3℃固化3小时，121.1℃固化3小时。
3.根据权利要求1所述的复合传感其，其特征在于，步骤4)所述的高温应变测量***包括依次连接的宽带光源，环形器，FP复合传感器，光谱仪。
4.根据权利要求1所述的复合传感器，其特征在于，所述第一FBG光纤为入射光纤，所述第二光纤为反射光纤，所述第一FBG为再生FBG。
5.根据权利要求1所述的复合传感器，其特征在于，复合传感器在高温应变测量时，温度变化量和热应力满足下式：
在进行温度测量时，光纤光栅测量出的温度变化为：
其中ΔλB为解调仪解调出的中心波长变化量，α为第一FBG的热膨胀系数，ξ为热光系数，λB为第一FBG的布拉格中心波长；
在进行应变测量时，其中：
被测物的热应变εthermal＝αobject×ΔT(2)
其中αobject为被测物的热膨胀系数，ΔT为第一FBG所测得的温度变化。
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