专利名称:用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，包括封装壳体以及设置于所述封装壳体内的弹性体和光纤光栅感应装置，所述弹性体采用金属基复合材料制成，所述光纤光栅感应装置包括压力敏感光栅，所述压力敏感光栅嵌入所述弹性体内，所述压力敏感光栅表面涂覆有金属材料，该光纤光栅压力传感器能够较大程度改善光纤光栅压力传感器的抗高压耐高温性能，具有高强度、高模量和测量精确度高的优点。
【专利说明】用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及光纤压力传感器【技术领域】，特别是涉及一种用于高温高压环境下 的光纤光栅压力传感器。
【背景技术】
[0002] 光纤压力传感技术是工程监测技术中的关键技术之一。光纤压力传感器利用光 学原理和光纤技术，将感知的被测信号转换为可传输并测量的输出信号。在光纤压力传感 器结构功能中，光纤即是传感敏感元件也是传输信号介质，作为传感敏感元件其具有测量 灵敏度高和性能稳定等特点；作为传输信号介质其具有不受电磁干扰和信号损失量小等特 点，因此，光纤压力传感器在工程监测领域的应用尤其重要及广泛，光纤压力传感技术已经 在勘测、监控、隧道以及基坑等地下工程的施工和研宄中实现重要的应用和实践；通常，传 感光纤直接通过电缆连接到控制监测中心，以实现远程分布式监测。
[0003] 光纤光栅压力传感器是利用在光纤纤芯中引起折射率的周期性变化而形成的。光 纤光栅中折射率分布的周期性结构，能够反射特定波长的光波，从而形成光纤光栅的反射 谱。反射波长与温度和光栅所受应变有关，因此光纤光栅可以用来测量应变和温度的变化， 以及由其它物理量导致的应变和温度变化。在光纤光栅压力传感器应用时，通常将光纤光 栅嵌入在弹性体中，同时进行保护封装。反射光的波长对温度和应变非常敏感，当弹性体的 表面受到压力时，弹性体本身就会产生应变，这个应变再由光纤光栅感知应变变化，光纤光 栅与弹性体一起发生应变，导致光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度 量来实现对温度和应变的感测。光纤光栅压力传感器的弹性体一般采用金属材料，光栅和 金属之间往往采用粘接或者焊接的方法，但是这种方式应用在高温环境下往往失效；将光 纤光栅埋入在碳纤维复合材料中能够扩大测量范围，但是碳纤维复合材料的工作温度是在 350°C以内，不适合更高的温度；并且，光纤的表面涂覆材料一般采用丙烯酸酯和聚酰亚胺 两种材料，但其都不适合在300°C以上的高温下工作。 实用新型内容
[0004] 本实用新型针对现有的光纤光栅压力传感器由于结构的限制导致无法在高温高 压环境下应用的问题，提供一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，能够较大程 度改善光纤光栅压力传感器的抗高压耐高温性能，具有高强度、高模量和测量精确度高的 优点。
[0005] 本实用新型的技术方案如下：
[0006] 一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括封装壳体以 及设置于所述封装壳体内的弹性体和光纤光栅感应装置；所述弹性体采用金属基复合材料 制成，所述光纤光栅感应装置包括压力敏感光栅，所述压力敏感光栅嵌入所述弹性体内，所 述压力敏感光栅表面涂覆有金属材料。
[0007] 所述光纤光栅感应装置还包括温度补偿光栅，所述温度补偿光栅通过隔离器件与 所述压力敏感光栅相连接并且封装在所述封装壳体内，所述温度补偿光栅表面涂覆有金属 材料。
[0008] 所述封装壳体采用不锈钢材料。
[0009] 所述压力敏感光栅表面涂覆有两层镍金属材料以均匀产生压力应变。
[0010] 所述金属基复合材料包括致密化的金属基体材料和增强材料，所述增强材料包括 碳纤维，所述弹性体包括金属基体材料制成的金属基体和增强材料制成的增强体。
[0011] 所述金属基体选取不同的金属材料以适应不同的环境温度。
[0012] 所述增强材料为碳纤维，所述碳纤维表面涂覆有镍金属材料。
[0013] 本实用新型的技术效果如下：
[0014] 本实用新型涉及的一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，包括封装壳 体以及设置于所述封装壳体内的弹性体和光纤光栅感应装置；所述弹性体采用金属基复合 材料制成，所述光纤光栅感应装置包括压力敏感光栅，所述压力敏感光栅嵌入所述弹性体 内，所述压力敏感光栅表面涂覆有金属材料，这种结构构成的光纤光栅压力传感器能够利 用光致折变效应，在光纤的局部形成折射率周期性分布的光纤布拉格光栅反射特定波长的 光波，用来测量应变和温度的变化，以及由其它物理量导致的应变和温度变化。光纤光栅 压力传感器具有不受电磁干扰、光传输损耗低、适于长距离等优点；同时，光纤光栅压力传 感器还利用金属基复合材料的弹性体感知外界的压强变化，压强变化使得金属基复合材料 产生应变，这个应变作用在压力敏感光栅上，使光纤光栅反射峰波长发生变化以供测量，这 种结构的光纤光栅压力传感器适合应用在高温高压环境下工作，避免了现有技术采用金属 材料的弹性体由于光栅和金属之间的粘结或焊接导致在高温环境下失效的问题，也避免了 现有技术将光纤光栅埋入在碳纤维复合材料中工作温度仅能在350°c以内无法适应更高温 度的问题，金属基复合材料可以工作在350- 1200°C的高温环境下，并且保持高强度和高模 量。此外，光纤光栅压力传感器还利用在压力敏感光栅表面涂覆金属材料使其能够承受更 高的工作温度，能够耐受高温的光纤光栅作为感受和传输的介质可进一步提高光纤光栅压 力传感器抗高温高压的工作能力，避免了现有技术在光纤的表面涂覆丙烯酸酯和聚酰亚胺 两种材料导致无法在300°C以上的高温下工作的问题。将涂覆金属材料形成的金属化的光 纤光栅埋入金属基复合材料的弹性体，形成能够用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感 器，可以长时间工作在400°C的高温且能达到数十兆帕的高压环境下。这种光纤光栅压力传 感器适合于精确测量石油井下、发动机测试等应用。
[0015] 进一步，为了抵消温度变化对光纤光栅反射波长产生的影响，压力敏感光栅通过 隔离器件连接一个温度补偿光栅，即光纤光栅压力传感器的光纤光栅感应装置包括压力敏 感光栅和温度补偿光栅，压力敏感光栅对压强变化和温度敏感；温度补偿光栅只对温度变 化敏感，对压强变化不敏感，这样该光纤光栅感应装置可以实现对应变和温度双重敏感。并 且，该压力敏感光栅表面涂覆两层镍金属材料以均匀产生压力应变，并可以在高温范围下 稳定工作；同时，该光纤光栅压力传感器的金属基复合材料的弹性体包括金属基体材料制 成的金属基体和增强材料制成的增强体，并且根据金属基复合材料弹性体的金属材料的不 同，可以在不同高温范围下稳定工作，同时具有高强度、高模量。
【附图说明】
[0016] 图1为本实用新型用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器优选结构示意图。
[0017] 图2a为本实用新型公开的光纤光栅结构示意图；图2b为本实用新型公开的光纤 光栅折射率周期变化示意图。
[0018] 图3a、图3b和图3c分别为本实用新型涉及的光纤光栅的入射、投射和反射波长示 意图。
[0019] 图4为本实用新型金属基复合材料的弹性体的结构示意图。
[0020] 图中各标号列示如下：
[0021] 1 一封装壳体；2 -弹性体；3 -压力敏感光栅；4 一温度补偿光栅；5 -光纤；6 - 纤芯；7 -布拉格光栅；8 -金属基体；9 一碳纤维；10 -镍金属化压力敏感光栅；11 一隔尚 器件。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本实用新型进行说明。
[0023] 本实用新型公开了一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，其优选结构 示意图如图1所示。该光纤光栅压力传感器包括封装壳体1以及设置于所述封装壳体1内 的弹性体2和光纤光栅感应装置，该光纤光栅感应装置包括通过隔离器件11相互连接的压 力敏感光栅3和温度补偿光栅4,其中压力敏感光栅3嵌入弹性体2内，温度补偿光栅4在 弹性体2外部且封装在封装壳体1内。其中，封装壳体1可以采用不锈钢材料或其它刚性材 料，弹性体2采用金属基复合材料制成，光纤光栅感应装置也可以仅包括压力敏感光栅3， 温度补偿光栅4为优选部件，压力敏感光栅3和温度补偿光栅4表面均涂覆有金属材料。
[0024] 本实用新型涉及的光纤光栅压力传感器，利用紫外波段激光器和相位掩膜板，在 单模光纤的局部形成如图1所示的周期性折射率分布的光栅，即布拉格光栅，同时为了抵 消温度变化对光纤光栅反射波长产生的影响，在压力敏感光栅3的后端通过隔离器件11 加入一个温度补偿光栅4,可以实现对应变和温度双重敏感，温度补偿光栅只对温度变化 敏感，对压强变化不敏感，并且隔离器件11可以起到阻隔压力传输的作用；该光纤光栅压 力传感器利用金属基复合材料的弹性体2感知外界的压强变化，压强变化使得金属基复合 材料产生应变，这个应变作用在压力敏感光栅3上，使光纤光栅反射峰波长发生变化，并且 金属基复合材料视金属材料的不同，可以在350-1200°C下稳定工作，同时具有高强度、高 模量；光纤光栅压力传感器可以利用在压力敏感光栅3和温度补偿光栅4表面涂覆金属材 料，进一步提高光纤光栅压力传感器抗高温高压的工作能力。采用金属作为涂覆的光纤光 栅都能够承受较高工作温度，以铜为材料涂覆的光纤光栅为例，表面涂覆了铜金属的压力 敏感光栅3和温度补偿光栅4可以长时间耐受400°C的高温，短时间耐受600°C的高温；以 镍金属材料为例进行说明，表面涂覆了镍金属的压力敏感光栅3和温度补偿光栅4可以在 400-600°C下长时间工作。本实用新型涉及的如图1所示的光纤光栅压力传感器，优选在压 力敏感光栅3表面涂覆两层镍金属材料以均匀产生压力应变，将表面涂覆镍金属的压力敏 感光栅3嵌入金属基复合材料的弹性体2中，形成能够用于高温高压环境下的光纤光栅压 力传感器，可以长时间工作在400°C的高温且能达到数十兆帕的高压环境下，这种结构的光 纤光栅压力传感器适合于精确测量石油井下或发动机测试等应用环境。
[0025] 光纤光栅压力传感器利用光致折变效应，如图2a所示，在光纤5的纤芯6的局部 形成折射率周期性分布的布拉格光栅7,其相应的周期性分布的折射率如图2b所示。光纤 布拉格光栅能够反射特定波长的光波，反射波长与温度和光栅所受应变有关，其入射、投射 和反射波长示意图如图3a、图3b和图3c所示，因此光纤光栅可以用来测量应变和温度的变 化，以及由其它物理量导致的应变和温度变化。光纤光栅的反射波长1,可以用公式表示 为：
[0026] λ B= 2n e A
[0027] 其中，ne为光纤纤芯的等效折射率；Λ为光栅周期。应变和温度直接影响光纤纤 芯的折射率，可以用下面的线性公式说明：
[0028]
【权利要求】
1. 一种用于高温高压环境下的光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括封装壳体以及 设置于所述封装壳体内的弹性体和光纤光栅感应装置；所述弹性体采用金属基复合材料制 成，所述光纤光栅感应装置包括压力敏感光栅，所述压力敏感光栅嵌入所述弹性体内，所述 压力敏感光栅表面涂覆有金属材料。2. 根据权利要求1所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述光纤光栅感应装置 还包括温度补偿光栅，所述温度补偿光栅通过隔离器件与所述压力敏感光栅相连接并且封 装在所述封装壳体内，所述温度补偿光栅表面涂覆有金属材料。3. 根据权利要求2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述封装壳体采用不锈 钢材料。4. 根据权利要求2所述的光纤光栅压力传感器，其特征在于，所述压力敏感光栅表面 涂覆有两层镍金属材料以均匀产生压力应变。
【文档编号】G01K11-32GK204269265SQ201420487807
【发明者】杨天博, 王璐 [申请人]基康仪器股份有限公司