CN115752525A - 一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置及方法，装置包括：工作台，其顶部的一端竖直连接有立柱；工作台中部设置有旋转装置；旋转装置中部安装有可与其配合转动的毛细管固定夹具，用于竖直装夹开口朝下的石英毛细管；立柱相对毛细管固定夹具顶部连接可升降的恒温罩，用于减小石英毛细管制作过程中的温度差；加热装置位于工作台周围，用于先加热设于石英毛细管外部的恒温罩，然后提升恒温罩，加热石英毛细管，在降低恒温罩并加热，石英毛细管在加热后的恒温罩内冷却至室温。避免了加热装置直接作用在石英毛细管上，温度骤升骤降，使石英毛细管发生皲裂，增加传感器法珀腔制作的成功率及长期可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤法珀传感器技术领域，更具体的说是涉及一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置及方法。
背景技术
光纤法珀传感器作为一种能够测量温度、压力、振动、位移、折射率等的传感器越来越受到重视，特别是在一些极端环境(比如高温高压、强腐蚀、强电磁干扰、防爆等)和需要高精度测试的领域，对光纤法珀传感器有强烈的需求。但是目前的光纤法珀传感器，尤其是涉及到高温高压的传感器，实验室或短期使用都没有问题，在长期情况下，都会出现传感器测量不准确，发生漂移甚至故障坏掉，比如在油井使用的传感器，轻则一年，重则半年甚至一两个月就出现故障，导致工程中难以推广应用，究其原因是因为传感器在制作装置、制作工艺及方法上的不足造成的。
文献“光纤F-P干涉仪传感器封装方法的研究”中采用单侧高频CO2脉冲激光器热熔固定的方法，该方法由于在焊点处受力不均易导致毛细玻璃管在焊点处弯曲变形，而且单点单侧加热，导致光纤与玻璃管焊接密封不能保证。
文献“Fiber optical pressure and temperature sensors for oil down holeapplication”中采用三束成120°夹角的二氧化碳激光束热熔制作毛细玻璃管FP传感器，对***精度要求高，搭建成本高，存在局部受热不均，毛细管玻璃管皲裂的现象比较多，致使传感器质量不合格，无法长期使用。
专利文献CN103644925A介绍了一种光纤FP腔传感器的制作装置，将石英毛细管用夹具夹住，在里面穿入已经穿入光纤的石英毛细管，通过转轮带动石英毛细管旋转，然后采用氢氧焰加热，当石英毛细管受热***，真空泵通过对毛细管抽真空的方式，将石英毛细管塌陷与光纤固定在一起。这种方式由于氢氧焰的温度极高，在烧制及停止烧制过程中，温度会骤增、骤减，毛细管会因为局部受热不均产生皲裂，从而影响传感器的成品率及寿命。而且转轮转动过程中由于向心力作用，传感器无法保证垂直，也会影响传感器质量。
针对现有光纤法珀传感器制作成品率低，在工程实际中故障频繁，特别是无法长期稳定工作的现状，发明人通过实验发现，随着传感器使用时间的增加，传感器中会进入物质造成传感器损耗，进一步使用莱卡显微镜观察传感器表面有皲裂，如图3所示；而造成这种结果的原因是传感器在制作过程温度骤升骤降造成的，因此如何在传感器制作过程中防止温度骤升骤降对传感器使用寿命的影响，提高传感器的成品率以及长期使用性能，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
为此，本发明的一个目的在于提出一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置，另一个目的在于提供一种提高光纤法珀传感器寿命的制作方法，解决传感器制作过程中防止温度骤升骤降对传感器使用寿命的影响，提高传感器的成品率以及长期使用性能。
本发明提供了一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置，包括：
工作台，所述工作台顶部的一端竖直连接有立柱；
旋转装置，所述工作台中部设置有所述旋转装置；
毛细管固定夹具，所述旋转装置中部安装有可与其配合转动的所述毛细管固定夹具，用于竖直装夹开口朝下的石英毛细管；
恒温罩，所述立柱相对所述毛细管固定夹具顶部连接可升降的恒温罩，用于减小所述石英毛细管制作过程中的温度差；
加热装置，所述加热装置位于所述工作台周围，用于先加热设于所述石英毛细管外部的所述恒温罩，然后提升所述恒温罩，加热所述石英毛细管，在降低所述恒温罩并加热，所述石英毛细管在加热后的所述恒温罩内冷却至室温；
所述工作台底部对应所述毛细管固定夹具位置设置有连接体，所述连接体内部形成有与所述石英毛细管内部连通的密封腔室，所述密封腔室通过软管连接真空泵。
进一步地，所述立柱中部通过一个支架连接有准直限位块，所述准直限位块中部具有限位孔，所述限位孔中心与所述毛细管固定夹具中心处于同一竖直线上，且其与所述石英毛细管外壁尺寸适配，且保证所述石英毛细管能够旋转。
进一步地，所述恒温罩为开口朝下的筒状，其靠近所述立柱侧具有避让所述准直限位块的侧槽。
进一步地，所述恒温罩顶部通过柔性提拉件连接至另一个支架，另一个所述支架垂直连接在所述立柱顶部。
进一步地，所述柔性提拉件包括具有悬拉线和滑轮，所述滑轮位于所述支架远离所述立柱的端部，其上滑动有所述悬拉线，所述悬拉线一端固定于所述恒温罩顶部，另一端经过所述滑轮向后部延伸，用于提拉所述恒温罩。
进一步地，所述加热装置相对所述恒温罩完全罩设所述石英毛细管位置设置有顶部加热器、中部加热器及底部加热器。
进一步地，所述软管上设置有压力表。
进一步地，所述石英毛细管内部包括位于一端的反射光纤，及后放入所述石英毛细管另一端、且与所述反射光纤有一定距离的信号光纤，所述信号光纤尾部延伸出所述密封腔室后连接外部信号监测装置。
进一步地，使用保温结构完全罩住已经安装了光纤的石英毛细管，然后先按照预设时间加热保温结构，使石英毛细管旋转，然后缓慢向上提起保温结构，直至露出石英毛细管需要加热位置进行加热，加热后再缓慢落下保温结构，继续加热保温结构预设时间，待保温结构内的石英毛细管缓慢冷却至室温。
进一步地，露出石英毛细管需要加热位置进行加热时，监测石英毛细管内部真空度。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用了恒温罩，加热装置先加热设于所述石英毛细管外部的所述恒温罩，然后提升所述恒温罩，加热所述石英毛细管，在降低所述恒温罩并加热，所述石英毛细管在加热后的所述恒温罩内冷却至室温，避免了加热装置直接作用在石英毛细管上，温度骤升骤降，使石英毛细管发生皲裂的情况，增加传感器法珀腔制作的成功率及长期可靠性；
2、本发明采用上中下三个位置加热，加热均匀；
3、石英毛细管采用顶部限位，避免了旋转引起的石英毛细管上部晃动，因离心力造成的石英毛细管弯曲或者抖动情况，减少了法珀腔底部石英管的应力疲劳，以及加热过程中造成的弯曲等情况；
4、本发明引入监测***，监控制作过程中法珀腔的光谱质量及腔长，减少了制作过程中盲目性；
5、本发明在真空泵管路中引入了压力表，能够对石英管与光纤熔接的密封可靠性进行评估，使FP腔制作的可靠性及一致性大大增强；
6、本发明技术方案集可视化、数据化，增加了光纤石英法珀腔制作的成功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置的结构示意图；
图2附图为石英毛细管安装信号光纤的结构示意图；
图3附图为现有技术中光纤法珀传感器表面通过莱卡显微镜观察存在皲裂的图片；
图4附图为采用本发明方法制作的光纤法珀传感器A及采用传统方法制作的光纤法珀传感器B和C；
图5附图示出了采用本发明方法制作的光纤法珀传感器的光谱图；
图6附图示出了光纤传感器标定及测试装置；
图7附图为采用图6装置和本发明制作的光纤法珀传感器获得的传感器标定曲线；
图8附图为传感器长期工作稳定性测试图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
由于现有光纤法珀传感器制作过程温度骤升骤降影响传感器使用寿命及使用性能，现有方法容易产生传感器表面龟裂，降低了传感器的成品率。
鉴于此，本发明实施例公开了一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置，具体参见1，包括：工作台9，所述工作台9顶部的一端竖直连接有立柱91；旋转装置10，所述工作台9中部设置有所述旋转装置10；毛细管固定夹具11，所述旋转装置10中部安装有可与其配合转动的所述毛细管固定夹具11，用于竖直装夹开口朝下的石英毛细管12；恒温罩4，所述立柱91相对所述毛细管固定夹具11顶部连接可升降的恒温罩4，用于减小所述石英毛细管12制作过程中的温度差；加热装置1，所述加热装置1位于所述工作台9周围，用于先加热设于所述石英毛细管12外部的所述恒温罩4，然后提升所述恒温罩4，加热所述石英毛细管12，在降低所述恒温罩4并加热，所述石英毛细管12在加热后的所述恒温罩4内冷却至室温；所述工作台9底部对应所述毛细管固定夹具11位置设置有连接体92，所述连接体92内部形成有与所述石英毛细管12内部连通的密封腔室，所述密封腔室通过软管连接真空泵16。
本发明实施例中旋转装置10与毛细管固定夹具11之间可采用齿轮配合，如旋转装置内具有一个齿轮，所述毛细管固定夹具11外壁上设置有一圈齿与齿轮配合转动。当然不限于上述结构，能够实现带动毛细管固定夹具11平稳转动的机构即可。
本发明采用了恒温罩，加热装置先加热设于所述石英毛细管外部的所述恒温罩，然后提升所述恒温罩，加热所述石英毛细管，在降低所述恒温罩并加热，所述石英毛细管在加热后的所述恒温罩内冷却至室温，避免了加热装置直接作用在石英毛细管上，温度骤升骤降，使石英毛细管发生皲裂的情况，增加传感器法珀腔制作的成功率及长期可靠性。
在本发明的一个实施例中，所述立柱91中部通过一个支架8连接有准直限位块5，所述准直限位块5中部具有限位孔，所述限位孔中心与所述毛细管固定夹具11中心处于同一竖直线上，且其与所述石英毛细管12外壁尺寸适配，且保证所述石英毛细管12能够旋转。由此避免了旋转引起的石英毛细管上部晃动，因离心力造成的石英毛细管弯曲或者抖动情况，减少了法珀腔底部石英管的应力疲劳，以及加热过程中造成的弯曲等情况。
本发明的具体实施方式中，所述恒温罩4为开口朝下的筒状，其靠近所述立柱91侧具有避让所述准直限位块5的侧槽。恒温罩4下落后正好落座于毛细管固定夹具11顶部。
有利的是，所述恒温罩4顶部通过柔性提拉件连接至另一个支架8，另一个所述支架8垂直连接在所述立柱91顶部。
具体而言，所述柔性提拉件包括具有悬拉线6和滑轮7，所述滑轮7位于所述支架8远离所述立柱91的端部，其上滑动有所述悬拉线6，所述悬拉线6一端固定于所述恒温罩4顶部，另一端经过所述滑轮7向后部延伸，可以连接收放线装置，用于控制提拉或缓慢放下所述恒温罩4。
本发明的另一个实施例中，所述加热装置1相对所述恒温罩4完全罩设所述石英毛细管12位置设置有顶部加热器31、中部加热器32及底部加热器33。由此，采用上中下三个位置加热，加热均匀。
上述实施例中，所述软管上设置有压力表15。本发明在真空泵管路中引入了压力表，能够对石英管与光纤熔接的密封可靠性进行评估，使FP腔制作的可靠性及一致性大大增强。
本发明的另一些实施例中，参见附图1和2，所述石英毛细管12内部包括位于一端的反射光纤13，及后放入所述石英毛细管12另一端、且与所述反射光纤13有一定距离的信号光纤14，所述信号光纤14尾部延伸出所述密封腔室后连接外部信号监测装置17。由此，能够监控制作过程中法珀腔的光谱质量及腔长，减少了制作过程中盲目性。由于信号光纤14测试过程中可能出现缠绕，可以采用光滑环进行连接，防止信号光纤14的缠绕，保证测量数据的准确性。
本发明的装置集可视化、数据化，增加了光纤石英法珀腔制作的成功率。
参见附图4，采用本发明提供的一种提高光纤法珀传感器寿命的制作方法，制备出的光纤法珀传感器A，与采用传统方法制作的光纤法珀传感器B和C在莱卡显微镜观察，本发明制作的光纤法珀传感器A表面完整无皲裂。本发明的方法为使用保温结构完全罩住已经安装了光纤的石英毛细管，然后先按照预设时间加热保温结构，使石英毛细管旋转，然后缓慢向上提起保温结构，直至露出石英毛细管需要加热位置进行加热，加热后再缓慢落下保温结构，继续加热保温结构预设时间，待保温结构内的石英毛细管缓慢冷却至室温。
有利的是，露出石英毛细管需要加热位置进行加热时，监测石英毛细管内部真空度。
具体而言，首先将石英毛细管按照尺寸要求截取，比如截成5cm左右的，将加工好的石英毛细管放在超声池中清洗干净并晾干。取一盘光纤的一端，拨出光纤的涂覆层，大概1cm左右，擦拭干净后小心的穿过石英毛细管作为反射光纤。然后把光纤沿着石英管根部切断。将穿好光纤的石英管固定在旋转装置上，打开旋转装置的电源开关，让石英毛细管旋转起来，同时启动真空泵开始抽气，然后利用加热装置(加热装置可以为小火焰的氢氧焰或者高功率CO2激光器，实施例以氢氧焰为例；三火焰加热，确保温度均匀。)氢氧焰给石英毛细管有光纤的一段加热，直至石英管烧塌陷变形，真空泵工作声音发生变化，压力表显示负压，然后再慢慢停止加热，将恒温罩落下，对恒温罩加热5分钟后自然冷却。
然后将石英毛细管取下来放平，再取一段处理好的光纤，穿入石英毛细管作为信号光纤，信号光纤的另一端连接信号监测装置，实时监测两个光纤端面的距离(腔长)以及光纤端面反射形成的干涉条纹，等达到合理的干涉条纹后，简单固定光纤和石英毛细管。
将穿好测量光纤的石英毛细管***限位孔固定，然后用毛细管固定夹具将石英毛细管固定在旋转装置上，信号光纤尾端接出，查看信号是否正常，做好工作台9处的密封。将恒温罩放下，全部罩住石英毛细管，启动氢氧焰加热***，通过三个火焰从不同方位，上中下同时加热。加热5分钟以后，启动真空泵开始抽气，启动旋转装置，使石英毛细管以不少于每秒20转的速度快速旋转，通过提拉悬挂线，使恒温罩缓慢升起，直至露出需要加热石英毛细管的位置，选用底部的氢氧焰缓慢靠近加热，此时注意观察与真空泵相连的压力表，当表头压力降为200Pa以下时，再持续加热1分钟，然后将氢氧焰缓慢离开毛细玻璃管，再此过程中，控制悬挂线，使恒温罩慢速降下，直至完全罩住石英毛细管，继续用氢氧焰对准恒温罩加热2分钟后，关闭氢氧焰加热装置，让石英毛细管在恒温罩内缓慢冷却至室温，在此过程中，时刻监控压力表头的压力是否发生变化，若没有升高，则证明传感器加工成功。
本发明方法制作的光纤法珀传感器，参见附图5，为其典型的光谱图；光谱平滑，干涉条纹对比度高，有利于传感器腔长的计算。
为了进一步说明本发明方法制作的光纤法珀传感器的使用性能，参见附图6，将传感器放置在一个密封桶101内，通过左边的万级精准活塞压力计102给所述制作的光纤法珀腔传感器加压力，光纤传感器的尾纤通过密封桶101穿越后与光纤解调仪(SM125)103连接，并最终由计算机104读数进行显示。进而获得了图7的传感器标定曲线，可见采用本发明方法制作的光纤法珀传感器，压力响应良好，腔长线性度极佳，R2值达到小数点后6个9以上；
进一步地，为了说明本发明方法制作的光纤法珀传感器的使用性能，参见图8，将所述制作的传感器放置在保压密封桶内，采用计算机实时记录传感器的腔长值，在长达四十多天的记录内，传感器腔长变化不足2nm，说明传感器在高压环境下具备长期的工作稳定性和可靠性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置，其特征在于，包括：
工作台(9)，所述工作台(9)顶部的一端竖直连接有立柱(91)；
旋转装置(10)，所述工作台(9)中部设置有所述旋转装置(10)；
毛细管固定夹具(11)，所述旋转装置(10)中部安装有可与其配合转动的所述毛细管固定夹具(11)，用于竖直装夹开口朝下的石英毛细管(12)；
恒温罩(4)，所述立柱(91)相对所述毛细管固定夹具(11)顶部连接可升降的恒温罩(4)，用于减小所述石英毛细管(12)制作过程中的温度差；
加热装置(1)，所述加热装置(1)位于所述工作台(9)周围，用于先加热设于所述石英毛细管(12)外部的所述恒温罩(4)，然后提升所述恒温罩(4)，加热所述石英毛细管(12)，在降低所述恒温罩(4)并加热，所述石英毛细管(12)在加热后的所述恒温罩(4)内冷却至室温；以及
真空泵(16)，所述工作台(9)底部对应所述毛细管固定夹具(11)位置设置有连接体(92)，所述连接体(92)内部形成有与所述石英毛细管(12)内部连通的密封腔室，所述密封腔室通过软管连接真空泵(16)。
2.根据权利要求1所述的一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置，其特征在于，所述立柱(91)中部通过一个支架(8)连接有准直限位块(5)，所述准直限位块(5)中部具有限位孔，所述限位孔中心与所述毛细管固定夹具(11)中心处于同一竖直线上，且其与所述石英毛细管(12)外壁尺寸适配，且保证所述石英毛细管(12)能够旋转。
3.根据权利要求2所述的一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置，其特征在于，所述恒温罩(4)为开口朝下的筒状，其靠近所述立柱(91)侧具有避让所述准直限位块(5)的侧槽。
4.根据权利要求1所述的一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置，其特征在于，所述恒温罩(4)顶部通过柔性提拉件连接至另一个支架(8)，另一个所述支架(8)垂直连接在所述立柱(91)顶部。
5.根据权利要求4所述的一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置，其特征在于，所述柔性提拉件包括具有悬拉线(6)和滑轮(7)，所述滑轮(7)位于所述支架(8)远离所述立柱(91)的端部，其上滑动有所述悬拉线(6)，所述悬拉线(6)一端固定于所述恒温罩(4)顶部，另一端经过所述滑轮(7)向后部延伸，用于提拉所述恒温罩(4)。
6.根据权利要求1所述的一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置，其特征在于，所述加热装置(1)相对所述恒温罩(4)完全罩设所述石英毛细管(12)位置设置有顶部加热器(31)、中部加热器(32)及底部加热器(33)。
7.根据权利要求1所述的一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置，其特征在于，所述软管上设置有压力表(15)。
8.根据权利要求7所述的一种提高光纤法珀传感器寿命的制作装置，其特征在于，所述石英毛细管(12)内部包括位于一端的反射光纤(13)，及后放入所述石英毛细管(12)另一端、且与所述反射光纤(13)有一定距离的信号光纤(14)，所述信号光纤(14)尾部延伸出所述密封腔室后连接外部信号监测装置(17)。
9.一种提高光纤法珀传感器寿命的制作方法，其特征在于，使用保温结构完全罩住已经安装了光纤的石英毛细管，然后先按照预设时间加热保温结构，使石英毛细管旋转，然后缓慢向上提起保温结构，直至露出石英毛细管需要加热位置进行加热，加热后再缓慢落下保温结构，继续加热保温结构预设时间，待保温结构内的石英毛细管缓慢冷却至室温。
10.根据权利要求9所述的一种提高光纤法珀传感器寿命的制作方法，其特征在于，露出石英毛细管需要加热位置进行加热时，监测石英毛细管内部真空度。
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