本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于nd:yag透明陶瓷晶片的光纤高温传感器。
背景技术：
光纤传感器是近几十年发展起来的新型传感器件，是以光纤为媒介，用来检测光在光纤中传播时，因光纤的全部或部分环节所在环境(物理量、化学量或生物量等)的变化带来光传输特性改变的装置。光纤传感器具有尺寸小、重量轻、稳定性好、精度和灵敏度高、信号传输距离远、抗电磁干扰、抗辐射、耐腐蚀、防火、防爆、寿命长等优点，在桥梁、大坝、隧道、钻井和港口翻车机等大型结构工程领域获得了广泛的应用。光纤的主要成分为性质比较稳定的二氧化硅，具有较长的使用寿命。
随着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。随着光纤高温传感的发展，现在现有传感器有热电偶、黑体腔、光纤光栅传感器、干涉型光纤传感器等很多种类型。研究表明薄膜热电偶在高温领域还存在一定的瓶颈，如耐氧化抗腐蚀方面；而黑体腔结构也存在着响应滞后，难以适应航空航天等领域对实时性的要求；而光纤光栅传感器在一定高温度范围下会发生退化，从而制约了这类器件在更高温度环境下的使用，采用飞秒激光制备的布拉格光栅器件虽然可以承受700度以上的高温，然而其制作成本高昂，其光栅本身在1000度以上高温下长期工作依然会发生退化，无法真正实现可靠的高温传感探测；而干涉型结构制作较为复杂，技术含量高，是目前研究的热点。
自20世纪70年代中期以来，美国高度重视光纤传感器的研发，在军事和民用领域都处于领先地位。英国政府也十分重视光纤传感器件的研发，成立了英国光纤传感器合作协会。日本重视并投入大量经费来开展光纤传感器的技术研发，制定了1979-1986年“光应用计划控制系统”的七年规划，投资高达70亿美金。我国光纤传感器件的研究工作始于70年代末，起步时间并不很滞后。光纤f-p传感器结构精巧，属于多光束干涉。但目前多集中于用普通光纤对1000℃以下的温度进行探测，对于航空发动机等超高温环境下的温度探测，还没有很好的探测方法。
如专利cn106066215a公开了一种蓝宝石高温传感器，通过耐高温插芯和耐高温套筒的结构设计，对蓝宝石光纤和蓝宝石晶片进行紧密固定，能够实现大范围的温度测量，但是目前最常用的封装方式是通过胶粘剂将光纤传感器粘贴于传感基体上。但是，常用的有机胶粘剂耐热、耐油及耐磨性能差，极易老化，使用寿命有限。自然条件下的日照、高温和潮湿的环境都会导致环氧胶粘剂的老化及失效。因此在工程应用中，胶粘剂有限的使用寿命成为了限制光纤传感器使用期限的一个重要因素。目前，在对于光纤端面外的法布里－珀罗(法珀)干涉相关研究中，两光纤端面或光纤与晶体端面常常被视为理想状况下严格对准。但是在实际生产应用中光纤端面对准时会产生一定程度的偏移，致使光纤高温传感器器的传感性能受到影响。这些偏移包括：光纤发生径向位移；光纤端面之间产生倾角；晶体端面发生倾斜。
基于以上因素，本发明提出一种基于nd:yag透明陶瓷晶片的光纤高温传感器，利用透明陶瓷晶体物理化学性质稳定、高熔点以及耐腐蚀的特性，采用两面抛光的透明陶瓷晶片作为f-p腔，采用光纤来接收和传输干涉信号。光纤传感探头模块通过内外螺纹连接固定，实现了光纤传感探头无胶化封装，也克服了胶粘剂不耐高温的问题，提出光纤传感探头采用三条光纤端面共面与nd:yag透明陶瓷晶片平行，可检测nd:yag透明陶瓷晶片是否倾斜，提高精度。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于nd:yag透明陶瓷晶片的光纤高温传感器，该传感器基于nd:yag透明陶瓷晶片前后端面作为反射面进行多次干涉，可以实现1000℃高温测量，该传感器同时采用光纤高温传感器的无胶化封装，有效防止高温时胶老化问题，具有稳定性好，实用性强、制作简单、灵敏性高等优点。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于nd:yag透明陶瓷晶片的光纤高温传感器，包括光源模块1、光纤传感探头模块2、光谱仪分析模块3、连接模块4；所述光源模块1为宽带光源，光源模块1输出端与第一2×2耦合器端口401通过单模传输光纤相连；连接模块4为2×2耦合器，包括第一2×2耦合器端口401，第二2×2耦合器端口402和第三2×2耦合器端口403；所述光谱分析模块3为光谱分析仪，光谱分析模块3输入端与第二2×2耦合器端口402通过单模传输光纤相连；光纤传感探头模块2入射端与第三2×2耦合器端口403通过单模传输光纤相连；所述光纤传感探头模块2包括锥形感温帽5、nd:yag透明陶瓷晶片6、温度传感基体10；
所述锥形感温帽5是一端为圆锥，另一端为空腔金属圆柱形；锥形感温帽5的圆柱端带有内螺纹；所述空腔金属圆柱形靠近圆锥端的内侧有一个环形凹槽；
所述温度传感基体10整体为圆柱形空腔；温度传感基体10一端中心处带有圆形通孔，中心处圆形通孔周围对称分布n个圆形通孔；所述温度传感基体10两端带有外螺纹。
所述nd:yag透明陶瓷晶片6的前后端面为抛光的平整圆形结构；nd:yag透明陶瓷晶片6直径大于锥形感温帽5空腔金属圆柱形的直径；nd:yag透明陶瓷晶片6通过嵌装的方式固定连接于空腔金属圆柱形内侧的环形凹槽处。
所述温度传感基体10一端带有的外螺纹与所述锥形感温帽5的圆柱端带有内螺纹连接。
所述温度传感基体10一端中心处的圆形通孔中安装第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9；所述第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9三者光纤端面平齐并共面，排列方式呈三角形结构。
所述的第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9三者的端面与nd:yag透明陶瓷晶片6前端面设置相同的空隙。
所述温度传感基体10的中心处圆形通孔周围对称分布的n个圆形通孔中安装有散热结构。
所述的温度传感基体10为陶瓷材质。
所述第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9三者为相同规格的常规单模光纤。
所述锥形感温帽5圆柱端的内螺纹与温度传感基体10两端的外螺纹两者螺纹型号相同，螺纹型号大小根据传感器的规格决定。
本发明的有益效果在于：
本发明的一种基于nd:yag透明陶瓷晶片的光纤高温传感器，能够实现1000℃高温的实时测量，利用nd:yag透明陶瓷晶体物理化学性质稳定、高熔点以及耐腐蚀的特性，采用两面抛光的nd:yag透明陶瓷晶片作为f-p腔，采用光纤来接收和传输干涉信号；
本发明一种基于nd:yag透明陶瓷晶片的光纤高温传感器通过光纤传感探头模块中的螺纹固定连接，实现了光纤传感探头模块的前端无胶化封装，也克服了胶粘剂不耐高温的问题，同时实现光纤传感探头模块完全密闭，不受外界环境湿度的影响；同时增加散热结构对单模光纤进行散热，克服单模光纤不能承受1000℃的高温环境的问题；
本发明中的光纤传感探头模块采用三条单模光纤端面共面与nd:yag透明陶瓷晶片平行，可检测nd:yag透明陶瓷晶片是否倾斜，提高精度，稳定性好，结构工艺和处理工艺简单，成本低廉，操作方便。
附图说明
图1为本发明实施例的光纤高温传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例的光纤传感探头模块的整体结构示意图；
图3为本发明实施例的光纤传感探头模块的各部件连接关系示意图；
图4为本发明实施例的光纤传感探头模块的单模光纤位置排布示意图；
图5为本发明实施例在室温下光源光谱示意图；
图6为本发明实施例在室温下测量反射光谱得到的空间频率谱示意图；
图7为本发明实施例在不同温度下测量反射光谱得到的空间频率谱示意图；
图8为本发明实施例的光纤高温传感器的光程差与温度关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供了一种基于nd:yag透明陶瓷晶片的光纤高温传感器，可以实现光纤高温传感器无胶化封装，有效防止高温时胶老化问题，稳定性好，本发明采用三条光纤端面共面与nd:yag透明陶瓷晶片平行，可检测nd:yag透明陶瓷晶片是否倾斜，提高精度，同时本发明采用装置进行导热散热避免单模光纤在高温环境下损坏，可实现光纤高温传感器的实用性。
一种基于nd:yag透明陶瓷晶片的光纤高温传感器，包括光源模块1、光纤传感探头模块2、光谱仪分析模块3、连接模块4；所述光源模块1为宽带光源，光源模块1输出端与第一2×2耦合器端口401通过单模传输光纤相连；连接模块4为2×2耦合器，包括第一2×2耦合器端口401，第二2×2耦合器端口402和第三2×2耦合器端口403；所述光谱分析模块3为光谱分析仪，光谱分析模块3输入端与第二2×2耦合器端口402通过单模传输光纤相连；光纤传感探头模块2入射端与第三2×2耦合器端口403通过单模传输光纤相连；所述光纤传感探头模块2包括锥形感温帽5、nd:yag透明陶瓷晶片6、温度传感基体10；
所述锥形感温帽5是一端为圆锥，另一端为空腔金属圆柱形；锥形感温帽5的圆柱端带有内螺纹；所述空腔金属圆柱形靠近圆锥端的内侧有一个环形凹槽；所述的锥形感温帽5选择热膨胀系数小于nd:yag透明陶瓷晶片6的金属材质或陶瓷材质。
所述温度传感基体10整体为圆柱形空腔；温度传感基体10一端中心处带有圆形通孔，中心处圆形通孔周围对称分布n个圆形通孔；根据温度传感基体10直径的大小来具体设计n的数量，所述温度传感基体10两端带有外螺纹。
所述nd:yag透明陶瓷晶片6的前后端面为抛光的平整圆形结构；nd:yag透明陶瓷晶片6直径大于锥形感温帽5空腔金属圆柱形的直径；nd:yag透明陶瓷晶片6通过嵌装的手段与圆柱形金属空腔环形凹槽固定连接。
所述温度传感基体10一端带有m5外螺纹与所述的锥形感温帽5的圆柱端带有m5内螺纹连接，所述温度传感基体10一端带有的外螺纹与所述锥形感温帽5的圆柱端带有内螺纹连接。
所述温度传感基体10一端中心处的圆形通孔中安装第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9；所述第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9三者光纤端面平齐并共面，排列方式呈三角形结构。所述的nd:yag透明陶瓷晶片6前端面与第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9三者的端面之间设置相同的空隙。所述温度传感基体10的中心处圆形通孔周围对称分布的n个圆形通孔处安装散热结构，n根据温度传感基体10的规格决定；所述的温度传感基体10为陶瓷材质；所述第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9三者为相同规格的常规单模光纤。
实施例
结合图1-3所示，本发明一种基于nd:yag透明陶瓷晶片的光纤高温传感器，包括光源模块1、光纤传感探头模块2、光谱仪分析模块3、连接模块4；所述光源模块1为宽带光源，光源模块1输出端与第一2×2耦合器端口401通过单模传输光纤相连；连接模块4为2×2耦合器，包括第一2×2耦合器端口401，第二2×2耦合器端口402和第三2×2耦合器端口403；所述光谱分析模块3为光谱分析仪，光谱分析模块3输入端与第二2×2耦合器端口402通过单模传输光纤相连；光纤传感探头模块2入射端与第三2×2耦合器端口403通过单模传输光纤相连；所述光纤传感探头模块2包括锥形感温帽5、nd:yag透明陶瓷晶片6、温度传感基体10；
所述的nd:yag透明陶瓷晶片6的前后端面为反射镜与锥形感温帽5和温度传感基体10构成光纤传感探头模块2；
所述的锥形感温帽5是一端为圆锥，另一端为空腔金属圆柱形，锥形感温帽5的圆柱端带有m5内螺纹；空腔金属圆柱形靠近圆锥端的内侧有一个环形凹槽；锥形感温帽可以方便传感器直接插入被测温度场比如泥土或是岩石中。
所述的温度传感基体10一端带有m5外螺纹与所述的锥形感温帽5的圆柱端带有m5内螺纹连接。
所述的nd:yag透明陶瓷晶片6选用厚度2.8mm、面积约为10mm×10mm的nd:yag透明陶瓷晶片6，为了避免其表面粗糙会引起光的漫反射，不利于nd:yag透明陶瓷晶片6前后端面进行干涉。对nd:yag透明陶瓷的端面进行研磨，依次按粗磨，中磨，细磨和抛光进行研磨，研磨前，用去离子水清洗研磨片和玻璃底片，最终获得平整的前后端面将nd:yag透明陶瓷晶片6通过嵌装手段与环形凹槽固定连接。
结合图3所示，所述的温度传感基体10是一个整体为圆柱体中空腔，所述温度传感基体10一端中心处带有直径为3mm圆形通孔，中心处通孔周围对称分布4个直径为4mm的圆形通孔；所述温度传感基体10采用陶瓷材质，相比金属材料，陶瓷硬度更大，更加不易受到外力的冲击，相比金属材料更加耐高温；所述第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9三者光纤端面都是平齐并共面排列，所述的第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9分别通过陶瓷管固定，固定方式为在陶瓷管后端处将第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9通过高温无机粘合剂进行固定，并嵌装在温度传感基体10的中心处圆形通孔中，所述的散热结构采用耐高温热管进行导热散热，所述的第一热管11、第二热管12、第三热管13、第四热管14分别嵌装在中心处通孔周围对称分布4个直径为4mm的圆形通孔中；
本实施中所述第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9三者为相同规格的常规单模光纤，单模光纤的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm；所述的光源模块1中的宽带光源是输出波长为1500nm-1620nm；
所述的第一热管11、第二热管12、第三热管13、第四热管14的基本工作原理是由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3×10-1-1.3×10-4pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段也叫加热段，另一端为冷凝段也叫冷却段，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另—端，从而起到散热的作用。
本实施例所述的环境工作温度1000℃以上，所述的热管的工作液体选用是钠、锂或银，钠热管的工作液体熔点是98℃，大气下沸点是892℃，工作温度范围是600-1200℃；锂热管的工作液体熔点是179℃，大气下沸点是1340℃，工作温度范围是1000-1800℃；银热管的工作液体熔点是960℃，大气下沸点是2120℃，工作温度范围是1800-2300℃。
结合如4所示，所述第一光纤7、第二光纤8和第三光纤9三者端面平行共面，排列方式呈三角形结构。本实施例的光纤传感探头模块2采用三条光纤端面共面与nd:yag透明陶瓷晶片6平行，可检测nd:yag透明陶瓷晶片6是否倾斜，提高精度；
为了减少光纤端面与晶片前端面之间发生干涉，提高晶片干涉光谱的质量，所述第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9端面处抛光获得平整平面且与nd:yag透明陶瓷晶片6前端面之间设置相同的空隙。为了提高传感器的精确度，第一光纤7、第二光纤8、第三光纤9三条光纤端面构成的平面与nd:yag透明陶瓷晶片6平行。最终获得的干涉信号主要分为三种：一是nd:yag透明陶瓷晶片6前后端面反射得到的；二是光纤端面反射与nd:yag透明陶瓷晶片6前端面反射得到的；三是光纤端面反射与nd:yag透明陶瓷晶片6后端面反射得到的。第一种获得的干涉信号用于传感分析；第二种和第三种获得的干涉信号用于判断nd:yag透明陶瓷晶片6是否倾斜，以致提高传感精度，排除误差干扰。
本发明的工作方式为：所述的光源模块1发出的宽带光由连接模块4中的第一2×2耦合器端口401进入，又由第三2×2耦合器端口403出来通过单模传输光纤进入光纤传感探头模块2，由于光纤传感探头模块2中的nd:yag透明陶瓷晶片6的前后端面的多次进行干涉后进行反向传输。根据f-p传感理论，温度变化通过光纤传感探头模块中的锥形感温帽5来感受被测温度场并使nd:yag透明陶瓷晶片6产生热膨胀，宽带光被nd:yag透明陶瓷晶片6的前后端面多次反射进行干涉，使得两束光路产生光程差，形成干涉条纹；再通过单模传输光纤到连接模块4中的第三2×2耦合器端口403进和第二2×2耦合器端口402传出再传输到光谱分析模块3。
使用一种基于nd:yag透明陶瓷晶片的光纤高温传感器进行温度测量的应用过程为：
将光纤传感探头模块2与连接模块4中的第三2×2耦合器端口403连接；连接模块4中的第一2×2耦合器端口401和第二2×2耦合器端口402分别接上光源模块1和光谱分析模块3就会的得到室温下光源光谱，结合图5所示。本发明是传感系统是双腔组成，通过将数据做傅里叶变换可以用空间频率来解释，结合图6所示，第一个峰是单模光纤端面与nd:yag透明陶瓷晶片6前端面构成的空气腔，紧挨着它旁边的第二个峰是nd:yag透明陶瓷晶片6的实体腔，最后一个峰是单模光纤端面与后端nd:yag透明陶瓷晶片6后端面的组合腔构成。当高温传感器测量温度时，将光纤传感探头模块2，放置在温度变化的环境中(高温管式炉)。当高温管式炉发生变化时，纤传感探头模块2的光谱会相应产生变化，结合图7所示，不同温度下测量反射光谱得到的空间频率谱示意图。通过监测光谱上波长频谱变化，就可以获得温度信息。结合图8所示，本发明光纤高温传感器的光程差与温度关系示意图，在整个测量温度的过程中，光谱的温度响应表现得比较线性，可以得到nd:yag透明陶瓷晶片6的热光系数σt；由于已知nd:yag透明陶瓷晶片6的热膨胀系数αt、折射率n和nd:yag透明陶瓷晶片6的厚度lopl2。
为了证明高温环境传感器的可行性，随着温度的升高，干涉波谱会向长波方向移动。一个f-p腔往返光程差表示：
lopl＝2nl，(1)
其中，n是折射率，l是空腔的物理长度，其光程差取决于通过温度引起空腔的热膨胀和热光效应，对(1)式进行微分，可得：
这里的σt表示热光系数，αt表示是热膨胀系数，对于空腔是空的，我们可以忽略热光学效应，但对于nd:yag透明陶瓷晶片实腔来说，这两种因素都应该考虑；
δlopl1＝lopl1αt1δt；
δlopl2＝lopl2(σt2+αt2)δt；
δlopl3＝lopl1αt1δt+opl2(σt2+αt2)δt；
其中，下标1、2和3分别代表空气腔和nd:yag透明陶瓷晶片腔和空气腔与nd:yag实体组合腔的位置。
波长光谱的空间频率大约是：
其中，λ1和λ1是两个相邻干涉条纹的峰波；
从(2)公式可以看出光程差δlopl与温度t变化之间存在单调关系，利用光谱分析模块可以测得干涉波谱的波谷与波峰，利用傅里叶频谱变化得到空间频率峰值随温度的变化。
随着传感器的环境温度的变化，nd:yag晶片的折射率n和厚度lopl2由于热光系数σt2和热膨胀系数αt2而改变，因此，干涉条纹δlopl2的改变可以表示为温度的函数δt；
δlopl2＝lopl2(σt2+αt2)δt；
基于方程：
2nlopl2＝mλ0；
其中这里的λ0所指是特征光谱位置的波长(一般会是波峰或波谷)，m是对应的干涉顺序。由此测量高温光纤传感器灵敏度为：48.983pm/℃，测量温度由以下干涉条纹中光谱位移与温度的函数表示为：
δλ0≈λ0(σt2+αt2)δt；
其中，δλ0是指λ0的变化量，
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。