一种毛细管式光纤光栅高温温度传感器及其制作方法与流程

本发明涉及一种毛细管式光纤光栅高温温度传感器及其制作方法，可用于航空航天、兵器、核工业等领域中的结构件表面温度和气流温度等高温温度的精密测量，属于光纤传感测量技术领域。

技术背景

在航空航天、兵器、核工业等极端恶劣环境的应用中，需要对结构件或者气流等温度进行稳定的测量，其工作温度多数高于300℃，个别应用如发动机等甚至超过1000℃以上，同时，由于对温度传感器结构尺寸的限制以及电磁干扰等的影响，诸如热电偶和高温计等常规传感器经常难以在此类恶劣环境中使用。

光纤光栅是在光纤中构建的敏感元件，通过对特定波长的反射光谱进行检测，可以实现对环境温度的测量，并且光信号传输方式使其具备抗电磁干扰的优点。通过使用温度和工作环境的不同，光纤可以采用石英光纤或具备更高熔点的蓝宝石等晶体类光纤，光纤光栅可以采用准分子激光或者飞秒激光的刻制方式实现，同时，光纤光栅由于其敏感元件尺寸小和可复用的优点可以较好地实现温度场的测量。但是，如果在安装或嵌入高温等恶劣环境之前，必须对光纤光栅进行进一步的封装，形成温度传感器，对于高温环境下使用的光纤光栅温度传感器，其耐久性和寿命不但取决于光纤光栅本身，而且取决于传感器封装结构的设计、封装材料的选择以及封装工艺的实现方法。

为此，国内外开展了很多针对光纤光栅温度传感器封装的研究，如：王宏亮等人提出的双光纤光栅传感器。采用高温恒弹合金作为光纤光栅的基底材料，并通过粘接胶，将压力传感光纤光栅和温度传感光纤光栅与基底材料封装为一体，组成温度和压力双光纤光栅传感器，该结构可实现315℃下的温度测量和补偿；张智禹等人提出的新型耐高温光纤光栅温度传感器将光栅用绝热材料封装，通过杠杆结构与铝棒连接，通过光栅产生应变实现高温测量，该结构测量温度可达310℃；venkatareddymamidi等人提出了一种基于光纤光栅和氮化铝结构的光纤温度传感器，氮化铝毛细管长20cm、直径2mm，由于的氮化铝较脆，因此再次封装进一个不锈钢管内，其使用温度为20℃-650℃；amirazhari等人提出了一种基于光纤光栅和氧化锆陶瓷管的光纤温度传感器，该传感器使用温度为600℃以上；申请号为201210264642.3的专利提供一种全金属封装的耐高温光纤光栅传感器及其制造方法，该专利采用经高温退火处理得到的再生光纤光栅作为敏感元件，以磁控溅射方法在光纤表面形成粘接层和导电层，并通过电镀方法将光纤埋入柔性结构金属基底中，实现全金属封装，传感器在20-600℃内具有良好的温度传感性能；申请号为201080015823.1的专利公开了一种包括贵金属管道和两根光纤的温度传感器封装，通过高温陶瓷材料或高温陶瓷与金属粉末的混合物实现传感器封装与粘接，该传感器主要用于煤气化器中的高温测量，测量温度最高可达1204℃。

综上所述，现有光纤光栅温度传感器大多采用金属作为封装结构，金属结构具有导热快、鲁棒性高的优点，但是存在结构尺寸大、制作难度高的问题，同时其热膨胀系数与光纤之间存在差异，尤其是高温下的热不匹配性加大，降低了传感器的可靠性；如果采用非金属封装结构，也以陶瓷基作为材料主体，存在脆性较大、需要设计二次封装保护的问题。另外，光纤光栅与封装结构间的连接与固定多采用有机粘合剂的方法实现，有机粘合剂容易老化和蠕变，尤其是高温条件下有机粘合剂加速老化，当温度超过250℃后，大多数有机粘合剂开始软化甚至分解，产生对石英光纤具有应力腐蚀作用的氢气，加速石英光纤的疲劳过程，无法实现光纤光栅与封装结构间的有效连接，随着工作时间加长，传感器的可靠性逐渐降低，不能很好的应用于400℃以上等高温环境的温度测量。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有光纤光栅温度传感器金属化封装结构尺寸大、制作难度高、热不匹配性大以及有机粘合剂耐温低、可靠性差的不足，而提出了一种毛细管式光纤光栅高温温度传感器及其制作方法,该传感器可实现(-55～1100)℃的温度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种毛细管式光纤光栅高温温度传感器，包括：作为温度测量敏感元件的光纤光栅、作为封装结构的非金属毛细管、光纤和腔体，其中光纤光栅刻在光纤上。连接关系为：将刻有光纤光栅的光纤插入毛细管中，光纤端面和毛细管端面间具有一定的间距作为腔体，腔体尺寸经过设计，保证光纤光栅的自由伸缩，以隔绝应变，实现温度测量。

其中，所述光纤可以是石英光纤、蓝宝石光纤、yag晶体光纤、光子晶体光纤等耐高温光纤。

所述光纤光栅可以是通过准分子激光或者飞秒激光刻制得到的光栅。

所述非金属毛细管可以是石英玻璃毛细管、硼硅玻璃毛细管和蓝宝石晶体毛细管可耐高温的非金属毛细管。

所述非金属毛细管可以是双端开口毛细管，也可以是单端封闭毛细管。

所述毛细管式光纤光栅高温温度传感器可以在后续根据试验环境要求，使用贵金属管、陶瓷管等结构进行二次封装，以提高鲁棒性和可靠性。

一种毛细管式光纤光栅高温温度传感器的制作方法，包括以下步骤：

(1)在光纤上通过激光刻制得到光纤光栅；

(2)放置光纤与毛细管；

(3)光纤与毛细管对准与穿接；

(4)焊接。

所述步骤(1)中，通过准分子激光或者飞秒激光刻制得到光纤光栅。

所述步骤(2)中，把光纤放入圆柱形光纤夹具中，放置到焊接系统平台的一号调节架中；将毛细管放置到毛细管夹持器中，放置到焊接系统平台的二号调节架中。

所述步骤(3)中，通过与计算机测量控制平台连接的ccd9观察焊接系统平台，调节一号旋钮和二号旋钮，使光纤和毛细管对准，并将光纤穿入到毛细管中。

所述步骤(4)中，打开激光器引导光，调节毛细管夹持器的二号旋钮，确定焊接位置，并调节光纤夹具的一号旋钮确定光纤穿入的位置，即光纤端面与毛细管端面间的距离；通过计算机测量控制平台控制激光器发射的激光脉冲，通过光路，实现光纤和毛细管的焊接；通过ccd9观察焊点形状，对焊接质量进行初判；通过与光纤末端连接的光谱解调设备对光纤光栅光谱信号进行检测，确认光纤光栅温度传感器的封装质量。

其中，步骤(4)所述激光器可以是co2激光器等气体激光器、飞秒激光器等固体激光器、光纤激光器等二极管泵浦激光器。

本发明所示的传感器毛细管内的腔体可以是空气腔，也可以在后续工艺中填充可耐高温的导热材料，以提高导热效率。

有益效果：

本发明对比已有技术有以下显著创新点：

1.利用可耐高温的非金属毛细管作为光纤光栅温度传感器的封装结构，减小了传感器结构尺寸，避免了金属材料与光纤之间的热匹配性差异较大的问题。

2.利用激光焊接技术实现光纤光栅敏感元件和毛细管封装结构的安装与固定，避免了有机粘合剂容易老化和蠕变、以及高温下软化甚至分解的问题。

加入上述创新点后，本发明具有如下优点：

由以上两个创新点综合实现的光纤光栅温度传感器，扩展了光纤光栅温度传感器的工作温度范围，提高了光纤光栅温度传感器在高温等恶劣环境下工作的长期稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明光纤光栅高温温度传感器原理结构示意图；

图2为本发明光纤光栅高温温度传感器制作方法原理框图；

图3为本发明制作方法中光纤夹持与固定模块局部放大示意图；

其中，1-光纤，2-焊点，3-光纤光栅，4-非金属毛细管，5-腔体，6-光纤端面，7-毛细管端面，8-光路，9-ccd，10-计算机测量控制平台，11-激光器，12-焊接系统平台，13-光纤光栅温度传感器，14-光谱解调设备，15-圆柱形光纤夹具，16-一号调节架，17-毛细管夹持器，18-二号调节架，19-一号旋钮，20-二号旋钮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种毛细管式光纤光栅高温温度传感器，包括：作为温度测量敏感元件的光纤光栅3、作为封装结构的非金属毛细管4、光纤1和腔体5，其中光纤光栅3刻在光纤1上。连接关系为：将刻有光纤光栅3的光纤1插入非金属毛细管4中，光纤端面6和毛细管端面7间具有一定的间距作为腔体5，腔体5尺寸经过设计，保证光纤光栅3的自由伸缩，以隔绝应变，实现温度测量。

下面以石英光纤、准分子激光刻制的光纤光栅敏感元件和双端开口的石英玻璃毛细管为例，具体描述传感器的制作方法。

一种毛细管式光纤光栅高温温度传感器的制作方法，如图2所示，包括如下步骤：

(1)在光纤1上通过准分子激光刻制得到光纤光栅3；

(2)把光纤1放入圆柱形光纤夹具15中，放置到焊接系统平台12的一号调节架16中，如图3所示；

(3)将双端开口的非金属毛细管4放置到毛细管夹持器17中，放置到焊接系统平台12的二号调节架18中；

(4)通过与计算机测量控制平台10连接的ccd9观察焊接系统平台12，调节一号旋钮19和二号旋钮20，使光纤1和非金属毛细管4对准，并将光纤1穿入到非金属毛细管4中。

(5)打开激光器11的引导光，调节二号旋钮20，确定焊接位置；

(6)调节一号旋钮19确定光纤1穿入的位置，即光纤端面6与毛细管端面7间的距离；

(7)通过计算机测量控制平台10控制激光器11发射的激光脉冲，通过光路8，实现光纤1和非金属毛细管4的焊接；

(8)通过ccd9观察焊点2形状，对焊接质量进行初判；

(9)通过与光纤1连接的光谱解调设备14对光纤光栅3的光谱信号进行检测，确认光纤光栅温度传感器13的封装质量。

(10)该传感器可实现(-55～600)℃的温度测量。

实施例2

如图1所示，一种毛细管式光纤光栅高温温度传感器，包括：作为温度测量敏感元件的光纤光栅3、作为封装结构的非金属毛细管4、光纤1和腔体5，其中光纤光栅3刻在光纤1上。连接关系为：将刻有光纤光栅3的光纤1插入非金属毛细管4中，光纤端面6和毛细管端面7间具有一定的间距作为腔体5，腔体5尺寸经过设计，保证光纤光栅3的自由伸缩，以隔绝应变，实现温度测量。

下面以石英光纤、飞秒激光刻制的光纤光栅敏感元件和单端封闭的蓝宝石晶体毛细管为例，具体描述传感器的制作方法。

一种毛细管式光纤光栅高温温度传感器的制作方法，如图2所示，包括如下步骤：

(1)在光纤1上通过飞秒激光刻制得到光纤光栅3；

(2)把光纤1放入圆柱形光纤夹具15中，放置到焊接系统平台12的一号调节架16中，如图3所示；

(3)将单端封闭的非金属毛细管4放置到毛细管夹持器17中，放置到焊接系统平台12的二号调节架18中；

(4)通过与计算机测量控制平台10连接的ccd9观察焊接系统平台12，调节一号旋钮19和二号旋钮20，使光纤1和非金属毛细管4对准，并将光纤1穿入到毛细管4中。

(5)打开激光器11的引导光，调节二号旋钮20，确定焊接位置；

(6)调节一号旋钮19确定光纤1穿入的位置，即光纤端面6与毛细管端面7间的距离；

(7)通过计算机测量控制平台10控制激光器11发射的激光脉冲，通过光路8，实现光纤1和非金属毛细管4的焊接；

(8)通过ccd9观察焊点2形状，对焊接质量进行初判；

(9)通过与光纤1连接的光谱解调设备14对光纤光栅3的光谱信号进行检测，确认光纤光栅温度传感器13的封装质量。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。