耐高温光纤应变传感器的制作方法

本发明属于传感器技术领域，具体涉及到光纤应变传感器。

背景技术：

高超声速飞行器飞行中的气动加热是一个瞬态的热传导过程，温度变化快，气动加热越严重，飞行器蒙皮内的温度梯度越大，引起蒙皮的热变形和热应力的变化，热应力超过蒙皮材料的极限值时，蒙皮或部件会发生塑性变形甚至破坏，造成飞行器发生飞行事故。在进行飞行器结构温度场分析时，需要对飞行器蒙皮热应力进行分析，为优化和设计飞行器蒙皮材料提供可靠的参考数据。通过传感器系统实时监测飞行器飞行过程中蒙皮关键部位的温度应变状况，判断测试位置的温度与应力是否处于安全状态，是保障飞行器安全运行和延长使用寿命的关键技术。

国外传感器对接触式电类高温应变传感器已经开展了大量的攻关研究实验，目前已有产品上市，包括：日本kyowa研发的全气密结构的焊接型应变片温度可达950℃；美国威势精密集团研发的高温丝式应变片测试温度高达1038℃。相对于电学传感器，光纤高温应变传感器具有质量轻、体积小，可在结构表面安装或内嵌到结构体内部，对被测结构的影响比较小，对测量结果的数据更加真实，抗电磁干扰强,温度应变响应速度快,温度和应变测量线性度好，使用范围广等优点。

现有的双结构型光纤温度应变传感器已经发展了较多的结构形式，比如法布里-泊罗、马赫-增德尔等干涉型结构级联fbg、长周期光纤光栅(lpfg)、或干涉型传感结构。使用上述级联方案，能够满足高速飞行状态器的光纤超高温应变传感器。

上述的光纤温度应变传感器主要存在应变检测范围和温度检测范围小，应变检测范围为0～200με，温度检测范围为室温～80℃，不能在应变检测范围和温度检测范围较大的环境中使用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服上述应变传感器对温度与应变交叉敏感、难以区分测量的缺点，提供一种结构简单、体积小、灵敏度高的耐高温光纤应变传感器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：空芯光纤的左端与第一单模光纤熔接、右端与位于毛细玻璃管内的第二单模光纤熔接，第二单模光纤与毛细玻璃管用高温陶瓷胶粘接，高温陶瓷胶凝固后形成一层高温陶瓷胶粘层，第一单模光纤与空芯光纤的拼接面、空芯光纤、空芯光纤与第二单模光纤的拼接面构成法布里-珀罗干涉腔，在第二单模光纤上刻写有热重生布拉格光栅。

本发明的高温陶瓷胶粘层位于空心光纤与热重生布拉格光栅之间。

本发明的热重生布拉格光栅位于毛细玻璃管内，热重生布拉格光栅的左端与毛细玻璃管内左端之间的距离为5～15mm。

本发明的毛细玻璃管的内径为140～500μm。

本发明的空心光纤的内径为8～70μm。

本发明的空心光纤的内径最佳为19μm。

本发明的热重生布拉格光栅的栅区长度为10mm，中心波长为1300～1350nm或1500～1600nm。

本发明采用在空芯光纤的一端设置有第一单模光纤、另一端设置有第二单模光纤构成法布里-珀罗干涉腔，法布里-珀罗干涉腔的光谱谱线移动同时受温度和应变的影响，为交叉敏感。而毛细玻璃管中的布拉格光栅的光谱谱线不受应力影响，只受温度参量影响，使用布拉格光栅的中心波长表征环境温度。当环境温度确定后，使用该温度对法布里-珀罗干涉腔的光谱谱线进行修正，得到传感器所受应变与光谱谱线漂移量之间的关系。

在第二单模光纤上设置热重生布拉格光栅位于毛细玻璃管内，减少了传感器的零部件，使得传感器的结构简单，有利于传感器小型化。有效地解决了应变传感器对温度与应变交叉敏感的技术问题，提高了传感器的应变灵敏度，应变检测范围为0～700με，温度检测范围为室温～1000℃，扩大了应变检测范围和温度检测范围，本发明具有结构简单、体积小、灵敏度高等优点，可作为应变传感器。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是实施例1的耐高温光纤应变传感器在室温下的反射光谱曲线。

图3是实施例1耐高温光纤应变传感器的布拉格光栅和法布里-珀罗干涉腔在无应力条件下的温度响应曲线。

图4是本发明实施例1耐高温光纤应变传感器在300℃、600℃、900℃时的应变响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的耐高温光纤应变传感器由第一单模光纤1、空心光纤2、高温陶瓷胶粘层3、第二单模光纤4、热重生光纤光栅5、毛细玻璃管6联接构成。

本实施例的空心光纤2的内径为19μm，在空心光纤2的左端轴向采用激光熔接有第一单模光纤1，也可采用电弧熔接，空心光纤2的右端轴向采用激光熔接有第二单模光纤4，第一单模光纤1和第二单模光纤4为市场上销售的商品，第一单模光纤1和第二单模光纤4型号为smf-28，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，第一单模光纤1与空芯光纤2的拼接面、空芯光纤2、空芯光纤2与第二单模光纤4的拼接面共同构成法布里-珀罗干涉腔，这种结构的法布里-珀罗干涉腔，可同时感知温度和应变的变化。在第二单模光纤4上刻写有热重生布拉格光栅5，热重生布拉格光栅5的栅区长度为10mm，中心波长为1532nm。当环境温度确定后，使用该温度对上述法布里-珀罗干涉腔的光谱谱线进行修正，从而得到应变传感器所受应变与光谱谱线漂移量之间的关系。法布里-珀罗干涉腔第i个峰值或谷值的波长和热重生光纤光栅5的中心波长与温度、应变之间的关系如下式所示：

式中λi和λ0为法布里-珀罗干涉腔第i个峰值或谷值的波长和热重生光纤光栅5的中心波长的初始值，p为应变灵敏度，k1和k2为温度灵敏度。即可得到温度变化量δt和应变变化量δε，如下式所示：

第二单模光纤4的右侧采用耐高温胶同轴粘结在毛细玻璃管6内，本实施例的耐高温胶为高温陶瓷胶，高温陶瓷胶凝固后形成一层高温陶瓷胶粘层3，高温陶瓷胶粘层3位于空心光纤2与热重生布拉格光栅5之间，高温陶瓷胶粘层3的轴向长度为4mm，毛细玻璃管6的内径为318μm。热重生布拉格光栅5位于毛细玻璃管6内，热重生布拉格光栅5的左端与毛细玻璃管6内左端之间的距离为10mm。这种结构的耐高温光纤应变传感器，减少了应变传感器的零部件，使得应变传感器的结构简单，有利于应变传感器小型化。有效地解决了应变传感器对温度与应变交叉敏感的技术问题，提高了传感器的应变灵敏度。

实施例2

本实施例的空心光纤2的内径为8μm，在空心光纤2的左端轴向采用激光熔接有第一单模光纤1，空心光纤2的右端轴向采用激光熔接有第二单模光纤4，第一单模光纤1和第二单模光纤4的型号与实施例1相同，第一单模光纤1与空芯光纤2的拼接面、空芯光纤2、空芯光纤2与第二单模光纤4的拼接面共同构成法布里-珀罗干涉腔。在第二单模光纤4上刻写有热重生布拉格光栅5，热重生布拉格光栅5的栅区长度为10mm，中心波长为1500nm。

第二单模光纤4的右侧采用耐高温胶同轴粘接在毛细玻璃管6内，本实施例的耐高温胶为高温陶瓷胶，高温陶瓷胶凝固后形成一层高温陶瓷胶粘层3，高温陶瓷胶粘层3位于空心光纤2与热重生布拉格光栅5之间，高温陶瓷胶粘层3的轴向长度为4mm，毛细玻璃管6的内径为140μm。热重生布拉格光栅5位于毛细玻璃管6内，热重生布拉格光栅5的左端与毛细玻璃管6内左端之间的距离为5mm。

其工作原理与实施例1相同。

实施例3

本实施例的空心光纤2的内径为70μm，在空心光纤2的左端轴向采用激光熔接有第一单模光纤1，空心光纤2的右端轴向采用激光熔接有第二单模光纤4，第一单模光纤1和第二单模光纤4的型号与实施例1相同，第一单模光纤1与空芯光纤2的拼接面、空芯光纤2、空芯光纤2与第二单模光纤4的拼接面共同构成法布里-珀罗干涉腔。在第二单模光纤4上刻写有热重生布拉格光栅5，热重生布拉格光栅5的栅区长度为10mm，中心波长为1600nm，。

第二单模光纤4的右侧采用耐高温胶同轴粘结在毛细玻璃管6内，本实施例的耐高温胶为高温陶瓷胶，高温陶瓷胶凝固后形成一层高温陶瓷胶粘层3，高温陶瓷胶粘层3位于空心光纤2与热重生布拉格光栅5之间，高温陶瓷胶粘层3的轴向长度为4mm，毛细玻璃管6的内径为500μm。热重生布拉格光栅5位于毛细玻璃管6内，热重生布拉格光栅5的左端与毛细玻璃管6内左端之间的距离为15mm。

其工作原理与实施例1相同。

实施例4

在以上实施例1～3中，空芯光纤2的与第一单模光纤1和第二单模光纤4的联接关系与实施例1相同，第二单模光纤4与毛细玻璃管6内的联接关系与实施例1相同。第一单模光纤1和第二单模光纤4的型号与实施例1相同，空芯光纤2和毛细玻璃管6的几何尺寸与相应的实施例相同。在第二单模光纤4上刻写有热重生布拉格光栅5，热重生布拉格光栅5的栅区长度为10mm，中心波长为1332nm。热重生布拉格光栅5的左端与毛细玻璃管6内左端之间的距离与相应的实施例相同。

其工作原理与实施例1相同。

实施例5

在以上实施例1～3中，空芯光纤2的与第一单模光纤1和第二单模光纤4的联接关系与实施例1相同，第二单模光纤4与毛细玻璃管6内的联接关系与实施例1相同。第一单模光纤1和第二单模光纤4的型号与实施例1相同，空芯光纤2和毛细玻璃管6的几何尺寸与相应的实施例相同。在第二单模光纤4上刻写有热重生布拉格光栅5，热重生布拉格光栅5的栅区长度为10mm，中心波长为1300nm。热重生布拉格光栅5的左端与毛细玻璃管6内左端之间的距离与相应的实施例相同。

其工作原理与实施例1相同。

实施例6

在以上实施例1～3中，空芯光纤2的与第一单模光纤1和第二单模光纤4的联接关系与实施例1相同，第二单模光纤4与毛细玻璃管6内的联接关系与实施例1相同。第一单模光纤1和第二单模光纤4的型号与实施例1相同，空芯光纤2和毛细玻璃管6的几何尺寸与相应的实施例相同。在第二单模光纤4上刻写有热重生布拉格光栅5，热重生布拉格光栅5的栅区长度为10mm，中心波长为1350nm。热重生布拉格光栅5的左端与毛细玻璃管6内左端之间的距离与相应的实施例相同。

其工作原理与实施例1相同。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1所制备的耐高温光纤应变传感器(实验时简称应变传感器)进行了实验，各种实验情况如下：

1、建立试验系统

实验测试系统有光学解调仪、微位移施加平台、光纤夹具和高温管式炉组成。

2、耐高温光纤应变传感器对温度敏感实验

实验时将应变传感器置于高温管式炉加热区正中位置，应变传感器两端连接光纤，左端穿出加热区使用光纤夹具固定，右端穿出加热区并固定于微位移施加平台上。安装时保证应变传感器及连接光纤不接触管式炉。实验开始前，通过调整微位移施加平台使对应变传感器施加0.1n的预应力。实验中，通过调整微位移施加平台对应变传感器施加0～700με的轴向应变。由光纤解调仪自身光源发出的宽带光在两个拼接面(第一单模光纤1与空芯光纤2的拼接面和空芯光纤2与第二单模光纤4的拼接面)的反射光相遇后发生干涉，形成干涉光谱；由光纤解调仪自身光源发出的宽带光在热重生光纤光栅5发生反射，在光谱上形成反射峰。干涉光谱和反射峰叠加构成实验光谱进入光纤解调仪。在温度恒定状态下，每100με记录一次波长的变化。

实验结果如图2、图3所示。

图2为耐高温光纤应变传感器经由光纤解调仪解调后输出的反射波形曲线。取热重生布拉格光栅5峰值点和法布里-珀罗干涉腔靠近光栅峰值的谷值点作为初始标定位置。两初始标定位置的随温度增加而线性变化，如图3所示，本实施例中热重生布拉格光栅5和法布里-珀罗干涉腔的温度灵敏度分别为13.72pm/℃和0.65pm/℃，波长和温度呈线性关系，分别为：

法布里-珀罗干涉腔：λfp(i)＝1538.93932+0.65t

热重生布拉格光栅5：λfbg＝1531.76345+15.03t

式中λfp(i)表示法布里-珀罗干涉腔第i个谷值的波长，λfbg表示热重生布拉格光栅5的波长，t表示传感器所感受到的温度。

3、耐高温光纤应变传感器的应变实验

实验测试系统以及实验方法与实验2相同。

实验结果如图4所示。

图4为法布里-珀罗干涉腔在300℃、600℃、900℃时的应变响应曲线图，而热重生布拉格光栅5处于毛细玻璃管中，不受应力影响，峰值波长不改变。通过热重生布拉格光栅5的峰值波长可以确定传感器所处的环境温度，由法布里-珀罗干涉腔的温度响应曲线可以确定初始标定谷值的波长变化量。法布里-珀罗干涉腔的应变响应曲线即可确定传感器所受应变。计算关系式如下：

300℃时：

600℃时：

900℃时：式中λfp(i)表示法布里-珀罗干涉腔第i个谷值的波长，λfbg表示热重生布拉格光栅5的波长，t代表传感器感受到的环境温度，x代表传感器所受应变。