一种具有倾角反射面的蓝宝石光纤F-P高温传感器及制备方法和温度传感系统与流程

本发明涉及光纤传感器技术领域，具体涉一种具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器及制备方法和温度传感系统，在航空发动机涡轮叶片、高温尾气，以及冶金工业等高温检测领域具有重要的研究意义。

背景技术：

现代工业生产对于恶劣环境下高温测量的需求越来越多，对测温的量程和准确度也提出了更高要求。蓝宝石光纤具有熔点高(2040℃)、体积小、硬度高、抗腐蚀以及抗电磁干扰等优点，特别适合恶劣环境中高温传感的要求。基于蓝宝石光纤的高温传感技术得到了快速发展，对应的传感器类型分为黑体腔高温传感器、蓝宝石光纤光栅和f-p干涉仪三种。蓝宝石光纤黑体腔高温传感器是将蓝宝石光纤的端面镀制特殊材料形成黑体腔探头，根据普朗克辐射定律辐射热信号而实现测温的目的。蓝宝石光纤黑体腔高温传感器的测温范围广，短期准确度高，但黑体腔和光纤表面的稳定性差，经过一段时间后在同一温度下检测光谱与校正光谱之间偏差增大，导致传感器解调的精确性下滑，无法满足现在对测温准确度的要求。蓝宝石光纤光栅是利用飞秒激光照射蓝宝石光纤使其折射率发生周期性变化而形成的传感器，可实现温度和应力的多点测量，但是蓝宝石光纤光栅存在制造困难、测量准确度不高的缺点。蓝宝石光纤f-p传感器则是利用蓝宝石光纤端面外的f-p干涉来实现测温的一种传感器，测温范围广，测量准确度高。目前蓝宝石光纤f-p高温传感器存在高温胶易渗入到蓝宝石光纤的端头，污染光纤端头的问题，以及除了构成f-p腔的两个反射面之外，还有其他反射面，使得f-p干涉光谱的质量会严重下降。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器及制备方法和温度传感系统，采用两根蓝宝石光纤端面之间的空气腔作为f-p腔，并且反射端的一根蓝宝石光纤的末端具有倾角，有效解决了末端反射面对f-p干涉光谱质量的影响，并采用陶瓷插芯对两根蓝宝石光纤进行封装，有效地解决了蓝宝石光纤端头易受到污染的问题，提高传感器的结构稳定性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器，其特征在于，包括蓝宝石光纤1、末端具有倾角反射面的蓝宝石光纤5和陶瓷插芯3；所述蓝宝石光纤1和末端具有倾角反射面的蓝宝石光纤5插入陶瓷插芯3中，插入陶瓷插芯3中的蓝宝石光纤1和5的端面之间留有一段能够产生f-p干涉的空气腔4，利用高温陶瓷胶2分别对陶瓷插芯3和蓝宝石光纤1、末端具有倾角反射面的蓝宝石光纤5之间进行固定。

进一步地，所述末端具有倾角反射面的蓝宝石光纤5的末端倾角反射面的倾角在5～8°之间。

所述末端具有倾角反射面的蓝宝石光纤5的末端倾角反射面的倾角优选为8°。

进一步地，所述蓝宝石光纤1和5的光纤芯径为250～300μm。

进一步地，所述空气腔4的长度为0～500μm。

进一步地，所述的陶瓷插芯3的材料为氧化锆或氧化铝材料。

一种基于上述具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器的温度传感系统，其特征在于，包括具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器7、y型光纤分束器8、光谱仪9、超连续谱光源10；所述y型光纤分束器8的输入端连接超连续谱光源10，输出端连接光谱仪9，反射端连接放于高温炉6中的具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器7；超连续谱光源10发出的光通过y型光纤分束器8进入具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器7中，通过蓝宝石光纤3和具有倾角反射面的蓝宝石光纤5所形成的空气腔，得到f-p干涉光谱，通过光谱仪10测量f-p干涉光谱的变化，得出蓝宝石光纤f-p高温传感器7所处的环境温度变化。

进一步地，所述y型光纤分束器8通过sma-sma法兰和具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器7相连。

进一步地，所述的y型光纤分束器8的光纤芯径为300μm。

一种制备上述具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器的方法，其特征在于，通过研磨机将蓝宝石光纤的一个端面磨成5～8°的倾角，然后将一根蓝宝石光纤1和另一根具有倾角的蓝宝石光纤5插入陶瓷插芯3中，进入陶瓷插芯3中的两根蓝宝石光纤端面之间留有一段能够产生f-p干涉的空气腔4，用高温陶瓷胶分别将蓝宝石光纤1、具有倾角的蓝宝石光纤5和陶瓷插芯3进行固定。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明提出的一种具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器及制备方法和温度传感系统，基于具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器，将蓝宝石光纤和另一根末端具有倾角的蓝宝石光纤插进陶瓷插芯形成f-p干涉仪，通过调整空气腔的长度实现对f-p干涉光谱的调控，并且末端具有倾角的蓝宝石光纤可以提高f-p干涉光谱质量，减小噪声信号的影响；利用高温陶瓷胶对两根蓝宝石光纤和陶瓷插芯进行固定，提高传感器的结构稳定性。

本发明利用两根蓝宝石光纤插进陶瓷插芯所形成的f-p腔来实现温度检测。光源发出的光经过y型光纤分束器传输至两根蓝宝石光纤的两个反射面时，得到两束反射光，这两束反射光发生f-p干涉，具有末端倾角的蓝宝石光纤能减少末端反射面对f-p干涉光谱质量的影响。当外界环境温度变化时，由于热光效应和热膨胀效应，蓝宝石光纤的折射率和空气腔的大小都会发生变化，使得f-p干涉的光程差改变，进而引起f-p干涉光谱的漂移，根据干涉光谱的变化情况实现温度的检测。

附图说明

图1是本发明实施例的具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器示意图；

图2是本发明实施例的基于具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器的温度传感系统示意图。

附图标记列示如下：1-蓝宝石光纤，2-高温陶瓷胶，3-陶瓷插芯，4-空气腔，5-倾角蓝宝石光纤，6-高温炉，7-蓝宝石光纤高温传感器，8-y型光纤分束器，9-光谱仪，10-超连续谱光源。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例的具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器示意图。

一种具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器，包括蓝宝石光纤1、末端具有倾角反射面的蓝宝石光纤5和陶瓷插芯3；蓝宝石光纤1和末端具有倾角反射面的蓝宝石光纤5插入陶瓷插芯3中，插入陶瓷插芯3中的蓝宝石光纤1和5的端面之间留有一段能够产生f-p干涉的空气腔4，利用高温陶瓷胶2分别对陶瓷插芯3和蓝宝石光纤1、末端具有倾角反射面的蓝宝石光纤5之间进行固定。

其中，末端具有倾角反射面的蓝宝石光纤5的末端倾角反射面的倾角在5～8°之间；本实施例优选为8°；蓝宝石光纤1和5的光纤芯径为250～300μm；插入陶瓷插芯3中的蓝宝石光纤1和5的端面之间的空气腔4的长度为0～500μm；陶瓷插芯3的材料为氧化锆或氧化铝材料。

上述具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器的制备方法，步骤如下：

取2～5cm长的蓝宝石光纤，其中一个端面通过研磨机研磨平整，然后通过调整研磨机的夹具，对蓝宝石光纤的另一个端面研磨成倾斜端面，倾角太小效果不明显，倾角太大会影响反射光谱的强度，合适的倾角范围为5～8°，本实施例优选为8°。

将一根蓝宝石光纤1和上述具有倾角的蓝宝石光纤5插入陶瓷插芯3中，进入陶瓷插芯3中的两根蓝宝石光纤端面之间留有一段空气腔。用高温陶瓷胶将蓝宝石光纤1和陶瓷插芯3进行固定；动态调整陶瓷插芯3中的另一根具有倾角的蓝宝石光纤5与蓝宝石光纤1之间的空气腔4的长度，当在光谱仪上得到质量较好的f-p干涉光谱时，用高温陶瓷胶2对倾角蓝宝石光纤5和陶瓷插芯3进行固定。

如图2所示，是本发明实施例的基于具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器的温度传感系统示意图。基于上述具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器的温度传感系统，包括具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器7、y型光纤分束器8、光谱仪9、超连续谱光源10；以y型光纤分束器8为传输光路，其输入端连接超连续谱光源10，其输出端连接光谱仪9，反射端连接放于高温炉6中的具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器7，超连续谱光源10发出的光经过y型光纤分束器8进入具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器7，通过蓝宝石光纤3和具有倾角反射面的蓝宝石光纤5所形成的空气腔，产生f-p干涉，得到f-p干涉光谱，干涉光谱信号通过y型光纤分束器8传输至光谱仪9，当蓝宝石光纤高温传感器7所在的温度环境变化时，蓝宝石光纤1、倾角蓝宝石光纤5的折射率及空气腔4的长度都会发生变化，进而f-p干涉的光程差就会发生变化，从而导致f-p干涉光谱的变化，通过解调干涉信号可以得到f-p光程差的信息，进而反推出蓝宝石光纤高温传感器7所处的温度信息，得出蓝宝石光纤f-p高温传感器7所处的环境温度变化。

其中，y型光纤分束器8通过sma-sma法兰和具有倾角反射面的蓝宝石光纤f-p高温传感器7相连；所述的y型光纤分束器8的光纤芯径为300μm。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。