CN110118614A - 抗极端环境的蓝宝石光纤光栅传感器及其温度检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种抗极端环境的蓝宝石光纤光栅传感器及其温度检测方法，针对极端恶劣条件下的温度传感器的应用问题，本发明通过将断面平整的蓝宝石晶体光纤和切平的单模光纤熔接；还包括在蓝宝石晶体光纤上靠近熔接点的单模近场位置刻栅，在刻栅后的蓝宝石晶体光纤与单模光纤外涂覆保护材料，得到蓝宝石晶体光纤光栅温度传感器；在光传入单模光纤，通过单模光纤对传输至蓝宝石晶体光纤光栅区域的光进行模式选择，使得仅有少模或单一模式的光传入蓝宝石晶体光纤光栅区域；当外界温度变化时，蓝宝石晶体光纤光栅的有效折射率与光栅周期发生改变，从而中心波长改变，通过记录蓝宝石晶体光纤光栅的中心波长，解调得到外界温度变化。

Description

抗极端环境的蓝宝石光纤光栅传感器及其温度检测方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种抗极端恶劣环境的蓝宝石晶体光纤光栅温度传感器。
背景技术
针对高辐射、高温、高压、强振动等极端恶劣环境下的过程参量测量难题，光纤传感器以其突出优点异军突起，如天然绝缘，不惧电磁干扰；结构简单、环境耐受力强；体积小、柔性好，适合舰船综合布置，可有效降低仪表占用空间；可使用分布式布置方式提高测量***的信息化和智能化水平。因此，光纤传感器在极端恶劣环境下的过程参量的测量方面具有极大的潜在优势。
目前，在核辐射环境中，现有过程参数的测量采用的是传统的电学传感器，其具有设备尺寸和电缆体积大、抗电磁干扰能力弱、耐事故能力弱等缺陷，造成核动力装置中现有过程参数测量相关领域难以取得理想效果。虽有研究表明飞秒写入石英光纤FBG传感器在核辐射环境应用的可能性，但现有光纤传感器产品尚未形成真正适用于高辐射、高温、高压、强振动的极端恶劣环境下的产品，不能完全满足极端恶劣环境下安全监测的需求。此外，到目前为止，未有蓝宝石单模光纤产品，而且现有蓝宝石晶体光纤光栅传感器均是将多模光纤与蓝宝石晶体光纤熔接，之后再完成蓝宝石晶体光纤上光栅的写制。该技术使用多模作为传输光纤增加了解调的复杂性。基于此，本发明提供了一种利用单模光纤传输和解调的蓝宝石晶体光纤光栅温度传感器。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种抗极端环境的蓝宝石光纤光栅传感器及其温度检测方法，通过在蓝宝石晶体光纤与单模光纤熔接点附近的单模近场位置刻栅，并通过单模光纤进行模式选择，在光栅中传输少模或单模光，经反射检测到光栅中心波长变化，从而检测外界温度变化。
本发明采用的技术方案之一为：一种抗极端恶劣环境的蓝宝石晶体光纤光栅温度传感器，包括：单模光纤、蓝宝石晶体光纤，将断面平整的蓝宝石晶体光纤和切平的单模光纤熔接；还包括在蓝宝石晶体光纤上靠近熔接点的单模近场位置刻栅，在刻栅后的蓝宝石晶体光纤与单模光纤外涂覆保护材料，得到蓝宝石晶体光纤光栅温度传感器。
进一步地，所述蓝宝石晶体光纤上的刻栅位置与熔接点距离小于10毫米。
进一步地，通过飞秒激光点对点技术在蓝宝石晶体光纤上靠近熔接点的单模近场位置制作光纤光栅。
进一步地，所述保护材料为：丙烯酸酯、聚酰亚胺、铝、铜、金中的一种。
进一步地，所述熔接装置采用激光熔接装置或电弧熔接装置。
本发明采用的技术方案之二为：基于上述的温度传感器的一种温度检测方法，光传入单模光纤，通过单模光纤对传输至蓝宝石晶体光纤光栅区域的光进行模式选择，使得仅有少模或单一模式的光传入蓝宝石晶体光纤光栅区域；当外界温度变化时，蓝宝石晶体光纤光栅的有效折射率与光栅周期发生改变，从而中心波长改变，通过记录蓝宝石晶体光纤光栅的中心波长，解调得到外界温度变化。
本发明的有益效果：本发明具有以下有点：
1、通过将蓝宝石晶体光纤与单模光纤进行融合，并在蓝宝石晶体光纤上刻栅，使得得到的光纤温度传感器能适用于高辐射、高温、高压、强振动环境下温度测量；
2、通过在蓝宝石晶体光纤上靠近熔接点的单模近模场位置刻栅，使得经单模光纤模式选择后的少模或单模光能在该光栅区域反射，从而能有效地解调反射光，实现有效的温度检测；具备较高的灵敏度，其灵敏度相对于普通光纤光栅温度传感器高3-4倍，可以实现温度的精确测试。
附图说明
图1为本发明所提供的温度传感器的结构剖视图；
其中，1为单模传感光纤，2为蓝宝石晶体光纤光栅，3为涂覆层。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示，该蓝宝石晶体光纤光栅温度传感器包括单模传感光纤1、蓝宝石晶体光纤光栅2和涂覆层3。制作方法实现，具体步骤如下：
A.研磨蓝宝石晶体光纤的一端，使得该端面平整；
B.切平单模传感光纤2的端面；
C.将蓝宝石晶体光纤研磨平整的断面和单模传感光纤2切平的端面熔接；
D.在蓝宝石晶体光纤上靠近熔接点的单模近场位置通过飞秒激光点对点技术制作的光纤光栅；
E.在蓝宝石晶体光纤和单模传感光纤外涂覆材料进行保护，形成蓝宝石晶体光纤光栅温度传感器。
工作原理为：当光传入单模光纤，通过单模光纤对传输至蓝宝石FBG区域的光实现模式选择，使其仅有少模或单一模式光传输至蓝宝石FBG区域，然后通过检测反射回来的光，得到外界温度变化；具体的：
当外界温度改变时，FBG的有效折射率和光栅周期改变，进而中心波长改变，通过记录FBG的中心波长就可以解调出外界温度的变化。蓝宝石晶体光纤具有很好的高温稳定性和抗辐射性，同时基于蓝宝石的FBG具有很高的温度灵敏度，可以实现温度的精确测试。
单模传感光纤1可以是抗辐射的、耐高温的、耐高压的、抗振动的光纤。
FBG刻写于蓝宝石晶体光纤上。
FBG采用飞秒激光点对点技术制作。
制作于蓝宝石上的FBG可耐高温，约1000℃。
切平单模传感光纤端面采用光加工、激光加工、粒子束刻蚀或电子束刻蚀。
熔接装置采用激光熔接或电弧熔接。
蓝宝石FBG靠近熔接点的位置，即单模近模场位置，刻栅位置与熔接点距离小于10毫米。
涂覆材料3可采用丙烯酸酯、聚酰亚胺、铝、铜、金等材料。
本领域的技术人员应注意，本申请提供了一种抗极端恶劣环境的蓝宝石光纤光栅温度传感器的具体实现方式，包括在蓝宝石上靠近熔接点的单模近模场位置制作光栅，以及采用单模光纤进行模式选择，以使得传输至蓝宝石晶体光栅区域的光为少模或者单模，以使得光栅的反射光能被检测到。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种抗极端恶劣环境的蓝宝石晶体光纤光栅温度传感器，其特征在于，包括：单模光纤、蓝宝石晶体光纤，将断面平整的蓝宝石晶体光纤和切平的单模光纤熔接；还包括在蓝宝石晶体光纤上靠近熔接点的单模近场位置刻栅，在刻栅后的蓝宝石晶体光纤与单模光纤外涂覆保护材料，得到蓝宝石晶体光纤光栅温度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种抗极端恶劣环境的蓝宝石晶体光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述蓝宝石晶体光纤上的刻栅位置与熔接点距离小于10毫米。
3.根据权利要求1所述的一种抗极端恶劣环境的蓝宝石晶体光纤光栅温度传感器，其特征在于，通过飞秒激光点对点技术在蓝宝石晶体光纤上靠近熔接点的单模近场位置制作光纤光栅。
4.根据权利要求1所述的一种抗极端恶劣环境的蓝宝石晶体光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述保护材料为：丙烯酸酯、聚酰亚胺、铝、铜、金中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种抗极端恶劣环境的蓝宝石晶体光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述熔接装置采用激光熔接装置或电弧熔接装置。
6.基于权利要求1所述的温度传感器的一种温度检测方法，其特征在于，光传入单模光纤，通过单模光纤对传输至蓝宝石晶体光纤光栅区域的光进行模式选择，使得仅有少模或单一模式的光传入蓝宝石晶体光纤光栅区域；当外界温度变化时，蓝宝石晶体光纤光栅的有效折射率与光栅周期发生改变，从而中心波长改变，通过记录蓝宝石晶体光纤光栅的中心波长，解调得到外界温度变化。
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