一种具有高可靠的光纤高温传感器的制作方法

本实用新型属于光纤传感测量
技术领域：
，具体是一种可用于航空航天、武器装备、核工业等领域中的结构件表面温度或流体温度等高温温度的精密测量的光纤高温传感器及其制作方法。
背景技术：
：在航空航天、武器装备、核工业等领域中，需要对结构件表面或流体温度进行精确可靠的测量，其工作温度通常高于300℃，某些特殊部位如发动机、反应堆等其附近温度甚至超过1000℃以上，同时，在实际应用中对温度传感器结构尺寸的限制以及强电磁干扰、核辐射等恶劣环境的影响，诸如热电偶和电子高温计等传统温度传感器通常都难以适用。光纤温度传感器以光纤作为媒介，通过光信号感知外界温度变化。光纤一般采用石英或者具备更高熔点的蓝宝石等晶体材料制成，具有本质无电、体积小、耐辐射、耐高低温等特点，特别适合在危险(易燃易爆)、辐射、空间受限等恶劣环境中使用，因此光纤温度传感器在航空航天、武器装备、核工业等领域具有广阔的应用前景。当前，国内外已经开展了大量针对光纤高温传感器的研究，如：祝连庆等人提出一种基于FBG的超高温传感器，采用飞秒激光器刻写的Ⅱ型光纤光栅封装于开有小孔的不锈钢管内，通过高温陶瓷胶块将不锈钢管固定在碳-碳复合材料基底上【专利申请号：201711431759.5】；AmirAzhari等人提出一种基于光纤光栅和氧化锆陶瓷管的光纤温度传感器，该传感器的使用温度为600℃以上；林启敬等人提出一种基于蓝宝石光纤制作高温传感器的方法，将两根端面平齐的蓝宝石光纤通过耐高温陶瓷插芯进行准直形成光纤F-P腔，采用耐高温水泥将蓝宝石光纤与陶瓷插芯固定【专利申请号：201610579356.4】；陈爽等人提出一种毛细管式光纤光栅高温温度传感器及其制作方法，采用焊接方式将光纤光栅与非金属毛细管一体化封装，可实现-55～1100℃温度测量【专利申请号：201710353372.6】。综上所述，光纤高温传感器在安装或嵌入结构件表面之前，必须对光纤敏感元件(光纤光栅、光纤F-P腔等)进行保护性封装，从而适应高温、辐射等恶劣环境，其耐久性和使用寿命不仅取决于光纤及光纤敏感元件，而且取决于传感器封装的结构设计、材料选择以及工艺过程等。现有的光纤高温传感器大多采用金属或陶瓷管作为外部封装结构，通过空气进行外部环境与内部光纤敏感元件之间的热传导，实现环境温度的准确测量。然而，在长期地高温、辐射等恶劣环境下，空气中O2、H2O等分子将加速光纤涂层老化，同时还会在光纤表面的微裂纹和外力擦伤处产生水解和应力腐蚀，使光纤发生疲劳断裂，大大缩短光纤高温传感器使用寿命。技术实现要素：为了解决现有光纤高温传感器在长期地高温、辐射等恶劣环境下空气中O2、H2O等分子对光纤的破坏导致传感器失效的难题，本实用新型专利提出了一种具有高可靠的光纤高温传感器及其制作方法，该高温传感器具有耐高温、耐辐射、高可靠性、分布式或准分布式测量等特点。本实用新型专利解决其技术问题所采用的技术方案为：所述一种具有高可靠的光纤高温传感器，其特征在于：所述光纤高温传感器包括两端开口的中空式感温金属外壳、光纤及光纤敏感元件和金属铠装光缆，所述光纤及光纤敏感元件置于感温金属外壳内，并在光纤及光纤敏感元件周围充满氮气或惰性气体后，通过尾端堵头和前端连接器将金属外壳两端口密封；在前端连接器上开设有光纤孔，所述金属铠装光缆与前端连接器密封连接，其内部光纤穿过前端连接器上的光纤孔与感温金属外壳内的光纤及光纤敏感元件熔接，且金属铠装光缆内的光纤与前端连接器上的光纤孔之间呈密封固定。本实用新型较优的技术方案：所述光纤及光纤敏感元件中的光纤采用石英光纤、蓝宝石光纤、YAG晶体光纤、光子晶体光纤中的任意一种；光纤敏感元件采用准分子激光器或飞秒激光器刻制的光纤光栅、F-P腔、MZ腔中任意一种微纳加工结构。本实用新型较优的技术方案：所述感温金属外壳采用不锈钢管或铜管或镍合金管。本实用新型较优的技术方案：所述惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气中的任意一种。本实用新型较优的技术方案：所述感温金属外壳、尾端堵头、前端连接器和金属铠装光缆之间的密封固定连接方式采用金属焊接或螺纹连接或采用高温结构胶粘接。本实用新型较优的技术方案：所述开设在前端连接器上的光纤孔置于前端连接器的中心位置，且金属铠装光缆内部光纤与前端连接器中心光纤孔的密封固定方式采用金属焊接或玻璃珠焊接或高温结构胶粘接。本实用新型提供的一种具有高可靠的光纤高温传感器是按照以下步骤制备的：(1)将金属铠装光缆与前端连接器密封固定连接，其内部的光纤从前端连接器中心位置的光纤孔穿出，其光纤孔与光纤之间呈密封固定；(2)将光纤及光纤敏感元件穿入感温金属外壳内；其中，所述感温金属外壳(1)采用不锈钢管或铜管或镍合金管；所述光纤采用石英光纤、蓝宝石光纤、YAG晶体光纤或光子晶体光纤；光纤敏感元件采用准分子激光器或飞秒激光器刻制的光纤光栅、F-P腔、MZ腔中任意一种微纳加工结构；(3)将金属铠装光缆内部光纤与感温金属外壳内光纤及光纤敏感元件之间的光纤熔接，并将前端连接器与感温金属外壳的密封固定连接；(4)在真空条件下抽出感温金属外壳内部空气，并充入保护气体，然后将对感温金属外壳的尾端进行密封，完成光纤高温传感器的制作；所述保护气体为氮气、氦气、氖气、氩气中的任意一种。本实用新型较优的技术方案：所述步骤(1)中，用开缆工具开剥一定长度的金属铠装光缆，将内部光纤穿过前端连接器中心光纤孔，然后将金属铠装光缆开剥处与前端连接器通过金属焊接或高温结构胶粘接进行密封固定，同时将金属铠装光缆内部光纤与前端连接器中心光纤孔采用金属焊接或玻璃珠焊接或高温结构胶粘接进行密封固定。本实用新型较优的技术方案：所述步骤(3)中，用光纤熔接机将金属铠装光缆内部光纤与感温金属外壳内光纤及光纤敏感元件进行光纤熔接，并将熔点进行涂覆保护，然后用刻度尺量出各熔点与前端连接器的距离，并依此标记出光纤及光纤敏感元件在感温金属外壳内的相对位置，然后将前端连接器与感温金属外壳通过金属焊接或高温结构胶粘接进行密封固定。本实用新型较优的技术方案：所述步骤(4)中是将固定有金属铠装光缆、前端连接器、光纤及光纤敏感元件的感温金属外壳及尾端堵头放置于真空操作箱内，抽出感温金属外壳内部空气，待真空度达到要求后，充入保护性气体，并将尾端堵头与感温金属外壳通过金属焊接或高温结构胶粘接进行密封固定。从上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：(1)采用感温金属外壳内抽出空气并充入保护性气体的方式，有效地解决了光纤高温传感器在长期地高温、辐射环境下空气中O2、H2O等分子对光纤的破坏导致传感器失效的难题；(2)通过前端连接器一体化设计，将外部的金属铠装光缆与感温金属管、内部的光纤及光纤敏感元件之间进行有效连接，提高了传感器在恶劣使用环境中的可靠性；(3)本实用新型置于感温金属外壳内的光纤及光纤敏感元件可自由设计，可以实现分布式或准分布式的温度测量。附图说明图1是本实用新型的结构示意图；图2本实用新型方法的玻璃珠焊接显微图像。图中：1—感温金属外壳；2—保护性气体；3—光纤及光纤敏感元件；4—尾端堵头，5—前端连接器，6—金属铠装光缆。具体实施方式为使本实用新型的技术方案和优点更加容易理解，以下结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步详细说明。如图1所示的一种具有高可靠的光纤高温传感器，包括感温金属外壳1、保护性气体2、光纤及光纤敏感元件3、尾端堵头4、前端连接器5、金属铠装光缆6，采用是金属铠装光缆，主要是耐温、工程可靠性好，方便与金属外壳焊接；所述感温金属外壳1为两端开口的中空金属管，光纤及光纤敏感元件3置于感温金属外壳1内，并在光纤及光纤敏感元件3周围充满惰性保护气体后，通过尾端堵头4和前端连接器5将金属外壳1两端口密封；在前端连接器5中心位置开设有光纤孔，所述金属铠装光缆6与前端连接器5密封连接，其内部光纤穿过前端连接器5上的光纤孔与感温金属外壳1内的光纤及光纤敏感元件3熔接，且金属铠装光缆6内的光纤与前端连接器5上的光纤孔之间采用金属焊接或玻璃珠焊接或高温结构胶粘接的方式密封固定。所述感温金属外壳1、尾端堵头4、前端连接器5和金属铠装光缆6之间的密封固定连接方式采用金属焊接或螺纹连接或采用高温结构胶粘接。所述光纤及光纤敏感元件3中的光纤采用石英光纤、蓝宝石光纤、YAG晶体光纤、光子晶体光纤中的任意一种；光纤敏感元件采用准分子激光器或飞秒激光器刻制的光纤光栅、F-P腔、MZ腔中任意一种微纳加工结构。所述感温金属外壳1采用不锈钢管或铜管或镍合金管。所述惰性保护气体为氮气、氦气、氖气、氩气中的任意一种。下面结合实施例对本实用新型进一步说明，实施例中提供的一种具有高可靠的光纤高温传感器，其感温金属外壳1选用不锈钢毛细管，其长度、内外径分别为2m、400um和700um，具有体积小、传热快、耐腐蚀等优点；保护性气体2选用氦气，其在高温、辐射环境下性能稳定，可对光纤及光纤敏感元件3进行长期可靠保护；光纤及光纤敏感元件3选用聚酰亚胺涂覆的纯石英光纤以及飞秒激光器刻制的Ⅱ型光纤光栅阵列，其长期工作温度可达300℃；尾端堵头4选用圆柱形不锈钢焊接堵头，其外径为800um；前端连接器5设计为两端具有环形槽、中心开设光纤孔的圆柱形不锈钢焊接连接器，其外径为800um，中心通孔直径为200um；金属铠装光缆6选用单芯不锈钢软管铠装光缆，其外径为700um；该光纤高温传感器的具体制备步骤如下：(1)用开缆工具将金属铠装光缆6的一端开剥15cm，将剥出光纤穿过前端连接器5的中心光纤孔，然后采用金属焊接方式将金属铠装光缆6开剥处与前端连接器5环形槽进行密封固定，同时将金属铠装光缆6内部光纤与前端连接器5中心光纤孔采用玻璃珠焊接进行密封固定，其中光纤与中心通孔的玻璃珠焊接显微图像如附图2所示；(2)用刻度尺量出光纤及光纤敏感元件3的长度及位置，将感温金属外壳1放置于固定平台上，然后将光纤及光纤敏感元件3穿入感温金属外壳内；(3)用光纤熔接机将金属铠装光缆6内部光纤与穿入感温金属外壳1内光纤及光纤敏感元件3进行熔接，并将熔点进行聚酰亚胺涂覆保护；(4)用刻度尺量出熔点与前端连接器5的距离，并依此标记出光纤及光纤敏感元件3在感温金属外壳1内的位置，然后将感温金属外壳1开口与前端连接器5环形槽通过金属焊接进行密封固定；(5)上述固定有金属铠装光缆6、前端连接器5、光纤及光纤敏感元件3的感温金属外壳1及尾端堵头4放置于真空操作箱内，抽出感温金属外壳1内部空气，待真空度达到要求后，充入保护性气体2，并将尾端堵头4与感温金属外壳1通过金属焊接进行密封固定，完成光纤高温传感器的制作。针对实施例中制备的具有高可靠的光纤高温传感器，进行高温性能试验，其具体实验过程如下：试验一：将本实用新型实施例中制造的光纤高温传感器与FC/APC光纤跳线的一端连接，将FC/APC光纤跳线的另一端连接到光纤解调仪，光纤解调仪连接到计算机，软件实时显示温度测量；试验二：将本实用新型制造的光纤高温传感器的感温金属外壳与热电偶的感温端一同浸入电热恒温油浴箱油内，油浴试验从100℃开始，以20℃为间隔，每个温度点保温半小时，直到300℃，以热电偶温度为参考。本实用新型制造的光纤高温传感器的温度测量结果如下表所示：热电偶显示温度/℃本实用新型传感器显示温度/℃温度偏差/℃1001000120119.9765428-0.02346140139.5760864-0.42391160159.7276175-0.27238180179.9430264-0.05697200200.03026330.030263220220.08369850.083699240240.38289170.382892260260.28335290.283353280279.8957327-0.10427300299.7453898-0.25461从油浴温度试验结果来看，本实用新型制造的光纤高温传感器在300℃范围内温度测量偏差在±0.5℃内，满足高温测量的技术要求。试验三：将本实用新型制造的光纤高温传感器放置于高温烘箱内进行长期高温考验，考验温度为350℃，考验时间为12h，整个考验过程为在线监测；高温考验结束后，剥离本实用新型制造的光纤高温传感器的感温金属外壳两端，取出光纤及光纤敏感元件，观察其外观无颜色变化；并进行拉力测试，其抗拉强度无损失。综上所述，本实用新型列举了一个实施例，但本实用新型不仅限于上述实施例，只要以任何相同或相似的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型保护的范围。当前第1页1 2 3