一种超宽量程的光纤布拉格光栅温度传感器的制作方法

本发明涉及光纤光栅传感器的技术领域，具体涉及一种超宽量程的光纤布拉格光栅温度传感器。

背景技术：

光纤光栅传感器具有尺寸小、重量轻、抗电磁干扰、抗辐射、耐腐蚀、防火、防爆、寿命长等优点，并且在进行温度测量时具有精度高、实时精确定位以及可实现准分布测量等特点，引起了大批研究者的关注，而被广泛应用于各种测温领域。

光纤光栅传感器的上述优点十分符合石油化工领域、电力监测及航空航天等领域的应用要求，有很强的竞争力。但这些领域的应用大多需要对较大的温度范围进行测量，这对光纤光栅的性能提出了更高的要求。普通光纤光栅虽然可以在低温环境下进行测量，但是温度升高到200～300℃时开始退化，在700℃左右折射率调制被完全擦除。普通光栅温度传感器的测量范围通常在500℃以内且在高温下的传感寿命短，极大地限制了光栅温度传感器在高温环境中的应用。

王东宁等采用飞秒激光刻写ⅱ型光栅并做预处理可实现温度高于1000℃的高温测量(liaoc,wangdn,liy,etal.temporalthermalresponseoftypeii-irfiberbragggratings,appliedoptics,2009,48(16):3001-3007)，再生光栅也可实现高温测量(oliveiravd,abei,albertonj,etal.fibrebragggratings,towardsabetterthermalstabilityathightemperatures,physicsprocedia,2015,62:71-78；王巧妮,杨远洪,何俊,等.光纤布拉格光栅再生过程及模型研究,光学学报,2016(3):38-45)。然而，飞秒激光刻写的ⅱ型光栅制作工艺复杂，刻写要求较高，难以进行大批量生产。再生光栅虽可实现高温测量但稳定性不够。此外，光栅再生后机械强度较低，难以进行复杂环境下的高温传感。综上，目前尚无实际可用的超宽量程光栅温度传感器。

为了解决上述问题，本发明采用不锈钢管和高温陶瓷毛细管套装而成的复合毛细管对光纤光栅进行封装，以保护光栅并保证其高温耐受力，基于光纤布拉格光栅的再生模型进行计算和优选合适的再生温度，并在退火完毕后进行高温处理，获得超宽量程的光纤布拉格光栅温度传感器。该温度传感器结构简单，温度测量范围极宽，精度高，体积小，重量轻，制作方便。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：制作一种超宽量程的光纤布拉格光栅温度传感器，对其实现可靠的封装并降低其制作条件。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

本发明提供一种超宽量程的光纤布拉格光栅温度传感器，其制作过程包括如下步骤：

s1，在金涂覆光纤上刻写布拉格光栅；

s2，将光栅封装入由不锈钢管和陶瓷毛细管套装而成的复合毛细管内，通过激光焊接固定；

s3，基于光纤布拉格光栅的再生模型计算和优选合适的再生温度；

s4，设置高温炉温度到设计温度，将带光栅的传感头插入高温炉高温退火；

s5，退火完毕后将温度升高到1200℃进行高温处理，获得超宽量程的光纤布拉格光栅温度传感器。

进一步的，所述金涂覆光纤布拉格光栅是使用紫外或飞秒激光器在金涂覆的光纤上刻写布拉格光栅得到，金涂覆光纤在机械强度、防潮、抗腐蚀能力和耐高低温特性方面优于普通光纤，而且更适合激光焊接。

进一步的，所述封装是将带光纤布拉格光栅的光纤封装入由不锈钢管和高温陶瓷毛细管套装而成的复合毛细管内，不锈钢管为外管、高温陶瓷毛细管为内管，两者通过过盈配合组装，不锈钢管一端烧结封闭，陶瓷毛细管内径略大于光纤外径2-3微米。

进一步的，所述光纤布拉格光栅的再生模型通过对多个种子光栅进行不同退火温度恒温处理，得到种子光栅在不同退火温度下的再生时间数据，利用双曲余割(csch)函数建立模型，其具体表达式为：

式中：t是再生时间，t是退火温度，tth是再生温度阈值，a和b是特定类型光纤光栅的模型参数，采用非线性曲线拟合方法确定模型系数，通过模型可以计算和优选不同光纤布拉格光栅合适的再生温度。

进一步的，所述退火过程为设置高温炉温度到设计温度，将带光纤布拉格光栅的传感头插入高温炉进行高温退火，退火时间根据设计温度由模型计算得到，通过退火过程擦除和再生折射率调制可以大大提高再生光栅在处于低于退火温度时的稳定性。

进一步的，所述高温处理过程为退火完毕后将温度升高到1200℃，进行恒温处理，处理时间大于12小时，通过高温处理可以进一步提高传感器的高温稳定性，防止传感器在高温环境下发生漂移。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用不锈钢管和高温陶瓷毛细管套装而成的复合毛细管对光纤光栅进行封装，以保护光栅并保证其高温耐受力，增强了光栅传感器的机械强度，能适用于复杂测温环境。

(2)本发明制作光栅传感器时，基于光纤布拉格光栅的再生模型进行计算和优选合适的再生温度，并在退火完毕后进行高温处理，获得超宽量程的光纤布拉格光栅温度传感器。传感器结构简单，精度高，体积小，重量轻，制作方便。

附图说明

图1为一种超宽量程的温度传感器制作流程图。

图2为复合套管及光栅安装结构示意图。图2中，11是金涂覆光纤，12是刻写的布拉格光栅，13是高温陶瓷毛细内管，14是不锈钢外管，15是不锈钢管烧结点，16是激光焊接点。

图3为典型再生曲线及模型参数。

图4为高温处理后的稳定波长和反射率曲线。

图5为高温测试装置示意图。图5中，21’是原始温度传感器，22是sm125解调仪，23是高温炉内置热电偶，24是高温炉内置温度计，25是高温管式炉(fnssk-3-12y)，26是高温炉底座，27是高温棉。

图6为低温测试装置，21是超宽量程传感器探头，22是sm125解调仪，31是二等标准铂电阻温度计，32是agilent34401数字万用表，33是液氮，34是液氮罐，35是隔热泡沫，36是可调节支架。

图7为高低温测量典型结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明内容作进一步详细说明。

图1示出本发明的一种超宽量程的光纤布拉格光栅温度传感器的制作流程，具体包括如下步骤：

1)在金涂覆的光纤上使用紫外激光器和相位掩模版刻写种子光栅。

2)参考附图2所示，将内径略大于光纤外径2-3微米，外径为1mm，长度为100mm的高温陶瓷毛细内管13和内径为1mm，外径为2mm，长度为100mm的不锈钢外管14通过过盈配合组装成复合毛细管，不锈钢管一端烧结封闭，然后将刻写的布拉格光栅12插入复合毛细管，使光栅区域位于复合毛细管内，采用激光焊接方式在激光焊接点16固定金涂覆光纤。

3)根据再生模型及较短的再生光栅制作时间，热处理温度可优选为950℃，计算得出此时热处理时间为26.5min。

4)参考附图5所示，将封装后的原始温度传感器21’置于高温管式炉25中，恒定950℃高温退火处理26.5min。

5)退火完毕之后立即进行12h恒定1200℃的高温处理，即可获得超宽量程温度传感器21。

下面结合附图5、附图6及附图7，具体介绍一种超宽量程的光纤布拉格光栅温度传感器的温度测试过程。

参考附图5所示，将超宽量程传感器探头21置于高温管式炉25中，使探头位置处于高温炉内置热电偶23处，高温炉内置温度计24进行温度监测，并作为参考温度，通过改变设置的加热温度以此控制温度范围。

参考附图6所示，液氮33用于制造低温环境，将超宽量程传感器探头21和二等标准铂电阻温度计31以同一高度插入液氮罐34中，二等标准铂电阻温度计31进行温度监测，并作为参考温度，通过可调节支架36来控制传感器与液氮的距离以此控制温度范围。

参考附图7所示，传感器探头可以实现-196℃至1200℃的超宽温度范围测量。在整个温度传感范围中，光栅布拉格波长与温度呈二次曲线关系，且升降温重复性好，平均灵敏度约10pm/℃，测温精度优于±1.5℃。

本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术，且上述具体实施仅为本发明可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术思路所做的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围内。