用于螺旋发热管壁温在线监测的光纤光栅高温传感器的制作方法

1.本实用新型专利涉及一种用于航空航天、武器装备、核工业等领域中的螺旋发热管壁温在线监测的准分布式光纤光栅高温传感器，属于光纤传感测量技术领域。


背景技术：

2.在航空航天、武器装备、核工业等领域中，需要对结构件表面多个位置温度进行精确可靠的测量，防止结构件表面超温导致安全事故，而且这些构件形式多样，如螺旋形发热管、弧形板等，其发热温度通常高于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；同时由于测量安装空间和应用环境的限制，要求温度传感器具有小型化、准分布式在线监测特点，以及抗强电磁干扰、耐辐射、腐蚀等，因此诸如热电偶、热像仪和电子高温计等传统温度传感器通常都难以适用。
3.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。
4.光纤温度传感器的核心元器件为光纤光栅，其采用激光刻写技术在光纤纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，形成永久性空间的相位光栅，当宽带光入射到光栅后，满足布拉格条件的光将被反射，在反射光谱上出现峰值波长，其工作机理为环境温度变化引起峰值波长的漂移。当前，国内外已经开展了大量针对光纤光栅高温传感器的研究，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
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碳复合材料基底上【专利申请号：201711431759.5】；amir azhari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；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
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55～1100℃温度测量【专利申请号：201710353372.6】。
5.然而，针对螺旋发热管壁温准分布式在线监测场景，现有的光纤光栅高温传感器存在铠装尺寸较大，无法嵌入式安装至螺旋或弯曲结构件表面直接测量；且现有传感器测点之间大多采用单芯线缆结构，各光纤光栅之间易受应力干扰，仅适用于直线型安装的应用环境；此外，现有传感器的单芯结构或串联方式，存在某一测点损坏，其远离解调仪端的所有测点将无法工作。在封装方面，现有传感器的光纤光栅与外部金属或陶瓷管之间设有较大空气间隙，一定程度上影响了传感器温度响应的实时性，且在长期地高温、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：

6.为了解决螺旋发热管壁温在线监测的安装空间受限、扭曲应力/应变干扰、多点测
量互不影响等难题，本实用新型专利提出了一种准分布式光纤光栅高温传感器，该高温传感器具有不受应力/应变干扰、结构尺寸小、耐高温、高可靠性、准分布式测量等特点。
7.本实用新型专利解决其技术问题所采用的技术方案为：一种用于螺旋发热管壁温在线监测的光纤光栅高温传感器，其特征在于：所述高温传感器包括多芯光纤、连接器、光纤耦合器和光纤跳线头，所述光纤耦合器为多个输入端和一个输出端的多合一光纤耦合器，光纤耦合器嵌入连接器内，多芯光纤通过连接器与光纤耦合器的多个输入端连接，光纤跳线头通过连接器与光纤耦合器的输出端连接；
8.所述多芯光纤包括铠装外壳、分散置于铠装外壳内的多根光纤测温管、填充在多根光纤测温管与铠装外壳间隙的导热介质和设置在每根光纤测温管内的光纤光栅，并在每根光纤测温管内充填有保护气体；所述铠装外壳为一端开口、一端封闭的中空金属管，其开口端与连接器密封连接，多根光纤测温管的尾纤端分别从铠装外壳的开口端伸出，并与连接器内光纤耦合器的多个输入端连接。
9.本实用新型较优的技术方案：所述连接器为中空管状结构，其一端设有多芯光纤安装孔，另一端设有光纤跳线头安装孔，多芯光纤的铠装外壳开口端从连接器的多芯光纤安装孔伸入，其外壁与多芯光纤安装孔的内壁密封连接，每根光纤测温管的光纤光栅与光纤耦合器对应的输入端采用光纤熔接的方式连接；光纤跳线头从连接器的光纤跳线头安装孔伸入连接器内，光纤跳线头的尾纤与光纤耦合器的输出端采用光纤熔接的方式连接，且光纤跳线头与连接器的连接部位成密封状。
10.本实用新型较优的技术方案：所述光纤测温管为一端开口、一端封闭的金属毛细管，光纤光栅的一端位于光纤测温管内部，另一端尾纤从光纤测温管的开口端伸出，并与光纤耦合器对应的输入端连接；所述光纤光栅置于光纤测温管内的部分与光纤测温管之间采用金属焊接、玻璃珠焊接或高温密封胶粘接的方式的密封固定。
11.本实用新型进一步的技术方案：所述多芯光纤弯制成与螺旋发热管相匹配的螺旋状；多芯光纤的多只光纤测温管内光纤光栅的中心波长各不相同，通过光纤耦合器实现多只光纤光栅的合束集成，且光纤耦合器的输入端数量不少于光纤光栅的数量；所述光纤光栅为采用飞秒激光器刻写的ⅱ型光纤光栅，耐受温度最高达到1100℃，其栅区刻制在光纤的一端，栅区长度远小于待测温发热管的螺旋半径。
12.本实用新型较优的技术方案：所述光纤跳线头为带铠装护套的光纤连接头，包括带铠装护套的fc光纤连接头、lc光纤连接头或sc光纤连接头。
13.本实用新型较优的技术方案：所述铠装外壳、光纤测温管、连接器和光纤跳线头的护套之间金属固定连接方式可采用金属焊接、螺纹连接或高温结构胶粘接。
14.本实用新型较优的技术方案：所述铠装外壳和光纤测温管采用不锈钢管、铜管或镍合金管；所述导热介质采用碳粉、氧化镁粉、石英粉或硅油；所述保护性气体为氮气、氦气或氩气中的任意一种惰性气体。
15.本实用新型较优的技术方案：所述光纤耦合器为设有多个输入端和一个输出端的单模c波段多合一光纤耦合器，其输入端有两个或四个或八个或十六个。
16.本实用新型较优的技术方案：所述连接器内设有耦合器槽、输出尾纤槽和多个输入尾纤槽，所述光纤耦合器嵌入耦合器槽内，输出尾纤槽设置在光纤耦合器的输出接头端，多个输入尾纤槽设置在光纤耦合器的输入接头端；所述光纤光栅、光纤跳线头尾纤与光纤
耦合器的光纤熔接部位均采用重涂敷保护，且熔接点分别对应安装于连接器的输出尾纤槽和输入尾纤槽内。
17.本实用新型较优的技术方案：所述连接器是由上、下两个半管对接而成，在连接器的两端外部均设有螺纹连接结构，并在两个半管对接成一个完整金属管时，两端通过紧固螺母连接。
18.本实用新型的光纤光栅高温传感器，依据螺旋发热管壁温测点数量要求准备光纤测温管和光纤光栅数量，并一一对应编号，将准备好的光纤测温管内外壁面清洗干净，并烘干处理；依据螺旋发热管壁温测点位置要求，分别将光纤光栅依次穿入对应编号的光纤测温管内，并在光纤测温管上标记出光栅测点位置，在光纤上标记密封固定位置。将穿有光纤光栅的光纤测温管放置于真空操作箱内，抽出光纤测温管内部空气，待真空度达到要求后，充入保护性气体，然后在光纤密封固定标记位置进行点胶密封固定；在光纤测温管穿入铠装外壳之前，将铠装外壳内外壁面进行清洗和烘干处理，在光纤测温管穿入铠装外壳后装填导热介质，再将光纤测温管与铠装外壳进行金属焊接密封固定；光纤光栅、光纤跳线头尾纤与光纤耦合器之间的光纤熔接；光纤耦合器的输出端光纤与光纤光纤跳线头尾纤进行熔接，熔接长度应适当长于连接器内光纤槽长度，并将熔点位置进行重涂覆保护；熔接好的光纤耦合器安装在连接器中间的耦合器槽内，并填胶进行固定，将光纤耦合器两端的尾纤安装在尾纤槽内，且熔点部分应做适当固定；连接器的上下两瓣结构通过锁紧螺母进行安装固定，然后将铠装外壳和光纤跳线头护套分别安装在连接器两端的安装孔内，通过金属焊接或高温结构胶粘接进行密封固定，完成光纤高温传感器的制作。
19.从上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：
20.(1)采用光栅栅区刻制在光纤的末端，栅区长度远小于发热管的螺旋半径，并采用光纤测温管密封固定，保证光栅始终处于自由状态，不受螺旋应力/应变干扰；
21.(2)多芯光纤的铠装外壳内部安装有多只光纤测温管，通过多合一光纤耦合器将多只光纤测温管内的不同光纤光栅测点进行集成，实现准分布式温度测量且各光纤测温管互不影响，提高热传导速度，实现温度的快速响应；
22.(3)采用光纤测温管内抽出空气并充入保护性气体的方式，提高光纤光栅高温环境的长期可靠性；同时在光纤测温管与铠装外壳之间填充导热介质，提高温度响应速度；
23.(4)通过连接器一体化设计，将外部的铠装外壳、耦合器与光纤跳线头以及尾纤熔点进行有效连接和保护，提高了传感器在恶劣使用环境中的可靠性。
24.本实用新型具有结构尺寸小、耐高温、高可靠性的特点，其测点位置和数量可自由设计，各测点损坏互不干扰，解决了螺旋发热管壁温在线监测的安装空间受限、扭曲应力/应变干扰、多点测量互不影响等难题。
附图说明
25.图1、图2是本实用新型传感器的结构设计图
26.图3是本实用新型中连接器的外部结构示意图；
27.图4是本实用新型中连接器的横向剖视图；
28.图5是本实用新型中多芯光纤的截面图。
29.图中：1—多芯光纤，100—铠装外壳，101—光纤测温管，102—光纤光栅，103—导
热介质，2—连接器，200—多芯光纤安装孔，201—光纤跳线头安装孔，202—耦合器槽，203—输出尾纤槽，204—输入尾纤槽，3—光纤耦合器，4—光纤跳线头。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。附图1至图5均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本实用新型实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本实用新型的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
32.实施例中提供的一种用于螺旋发热管壁温在线监测的准分布式光纤光栅高温传感器，如图1和图2所示，包括多芯光纤1、连接器2、光纤耦合器3 和光纤跳线头4，所述光纤耦合器3为多个输入端和一个输出端的多合一光纤耦合器，可以是1*2/1*4/1*8/1*16等单模c波段多合一光纤耦合器。所述光纤跳线头4为带铠装护套的光纤连接头，包括带铠装护套的fc光纤连接头、 lc光纤连接头或sc光纤连接头。光纤耦合器3嵌入连接器2内，多芯光纤 1通过连接器2与光纤耦合器3的多个输入端连接，光纤跳线头4通过连接器 2与光纤耦合器3的输出端连接。
33.实施例中提供的一种用于螺旋发热管壁温在线监测的准分布式光纤光栅高温传感器，所述连接器2如图3和图4所示，为中空管状结构，其一端设有多芯光纤安装孔200，另一端设有光纤跳线头安装孔201，连接器2是由上、下两个半管对接而成，在连接器2的两端外部均设有螺纹连接结构，并在两个半管对接成一个完整金属管时，两端通过紧固螺母连接。所述连接器2内设有耦合器槽202、输出尾纤槽203和多个输入尾纤槽204，所述光纤耦合器 3嵌入耦合器槽202内，输出尾纤槽203设置在光纤耦合器3的输出接头端，多个输入尾纤槽204设置在光纤耦合器3的输入接头端。如图5所示，所述多芯光纤1包括铠装外壳100、分散置于铠装外壳100内的多根光纤测温管 101、填充在多根光纤测温管101与铠装外壳100间隙的导热介质103和设置在每根光纤测温管101内的光纤光栅102，并在每根光纤测温管101内充填有保护气体；所述铠装外壳100和光纤测温管101采用不锈钢管、铜管或镍合金管；所述导热介质103采用碳粉、氧化镁粉、石英粉或硅油；所述保护性气体为氮气、氦气或氩气中的任意一种惰性气体。铠装外壳100内部安装有多只光纤测温管101，实现准分布式温度测量且多点测量互不影响，在光纤测温管101与铠装外壳100间隙填充有导热介质103提高热传导速度，实现温度的实时响应；所述光纤测温管101为一端开口、一端封闭的金属毛细管，其内设有保护气体和光纤光栅102，采用保护性气体氛围实现光纤光栅102高温环境的长期可靠性。所述铠装外壳100为一端开口、一端封闭的中空金属管，所述光纤测温管101为一端开口、一端封闭的金属毛细管，多芯光纤1 的铠装外壳100开口端从连接器2的多芯光纤安装孔201伸入，其外壁与多芯光纤安装孔200的内壁密封连接，每根光纤光栅102的
一端位于光纤测温管101内部，另一端尾纤从光纤测温管101的开口端伸出分别从铠装外壳100 的开口端伸出与光纤耦合器3对应的输入端采用光纤熔接的方式连接；光纤跳线头4从连接器2的光纤跳线头安装孔201伸入，光纤跳线头4的尾纤与光纤耦合器3的输出端采用光纤熔接的方式连接，且光纤跳线头4与连接器2 的连接部位成密封状。所述光纤光栅102、光纤跳线头4尾纤与光纤耦合器3 的光纤熔接部位均采用重涂敷保护，且熔接点分别对应安装于连接器2的输出尾纤槽203和输入尾纤槽204内。
34.实施例中的所述光纤光栅102置于光纤测温管101内的部分与光纤测温管101之间采用金属焊接、玻璃珠焊接或高温密封胶粘接的方式的密封固定。所述铠装外壳100、光纤测温管101、连接器2和光纤跳线头4的护套之间金属固定连接方式可采用金属焊接、螺纹连接或高温结构胶粘接。
35.实施例中多只光纤测温管101内光纤光栅102的中心波长各不相同，通过光纤耦合器3实现多只光纤光栅102的合束集成，且光纤耦合器3的输入端数量不少于光纤光栅102的数量；所述光纤光栅102为采用飞秒激光器刻写的ⅱ型光纤光栅，耐受温度最高达到1100℃，其栅区刻制在光纤的一端，栅区长度远小于待测温发热管的螺旋半径。
36.实施例中光纤光栅高温传感器在使用时，如图1和图2所示，将多芯光纤1弯制成与螺旋发热管相匹配的螺旋状。
37.下面结合具体实施例对本实用新型的制备方法进一步说明，该实施例中所述铠装外壳100、光纤测温管101、连接器2和光纤跳线头4护套之间金属固定连接方式采用金属焊接；光纤光栅102与光纤测温管101之间的密封固定方式可采用高温密封胶粘接；光纤光栅102、光纤跳线头4尾纤与光纤耦合器3的连接方式均采用熔接，其熔点位置均采用重涂敷保护，且熔点安装于连接器2的光纤槽内；所述光纤光栅102为采用飞秒激光器在聚酰亚胺涂覆的纯石英光纤上刻写的ⅱ型光纤光栅，耐受温度最高达到1100℃，其栅区中心距离光纤的末端2mm，栅区长度2mm；螺旋发热管壁温测点数量为8个，其工作温度范围为室温～600℃，螺旋半径为200mm、螺距为50mm；各光纤光栅102的中心波长分别为1520nm、1530nm、1540nm、1550nm、1560nm、 1570nm、1580nm、1590nm，带宽均小于0.3nm，反射率均大于30％；铠装外壳100选用不锈钢管，其长度、内外径分别为2000mm、2mm和3mm；导热介质103为氧化镁粉；光纤测温管101选用不锈钢毛细管，其长度、内外径分别为2020mm、0.3mm和0.5mm，具有体积小、传热快、耐腐蚀等优点；保护性气体选用氮气，其在高温、辐射环境下性能稳定，可对光纤光栅102 进行长期可靠保护；光纤跳线头4为带不锈钢螺纹管护套的fc/apc光纤连接头，其护套外径为3.5mm，长度为500mm；光纤耦合器3为1*8单模c波段光纤耦合器，其中间耦合器部分尺寸为4mm
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4mm
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40mm，输入输出光纤均为带涂敷层的裸纤，其长度和外径均为0.5m和0.25mm；连接器2为沿轴线切开的金属管，其外径为7mm，长度为140mm，两端设置有m5的紧固螺母；在金属管中心内部开设有4.1mm
×
4.1mm
×
42mm的耦合器槽，其两端分别开设有外径3.2mm、深度20mm的铠装外壳安装孔和外径3.8mm、深度 8mm的光纤跳线头护套安装孔；所述耦合器槽的一端开设有1mm
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3.5mm
×ꢀ
35mm的输入尾纤槽，其另一端开设有1mm
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1mm
×
35mm的输出尾纤槽。上述实例中的用于螺旋发热管壁温在线监测的准分布式光纤光栅高温传感器的制作方法，包括以下步骤：
38.(1)预先裁取8只2.02m的光纤测温管101和2.5m的光纤光栅102，并一一对应编号，将准备好的光纤测温管101内外壁面清洗干净，并烘干处理，其开口端打磨平整，封闭端进
行检漏测试；依据螺旋发热管壁温测点位置要求，分别将光纤光栅102依次穿入对应编号的光纤测温管101内，并在光纤测温管101上标记出光栅测点位置，在光纤上标记密封固定位置；
39.(2)将穿有光纤光栅102的光纤测温管101放置于真空操作箱内，抽出光纤测温管101内部空气，待真空度达到要求后，充入常压氮气，然后在光纤密封固定标记位置进行点胶密封固定。
40.(3)裁取2m的铠装外壳100，并将其内外壁面进行清洗和烘干处理，其开口端打磨平整，封闭端进行检漏测试；将制作完成的光纤测温管101依次穿入铠装外壳100内，并在铠装外壳100上标记出光栅测点位置；然后在光纤测温管101与铠装外壳100间隙填充氧化镁粉末，再将光纤测温管101与铠装外壳100进行金属焊接密封固定。
41.(4)光纤光栅102、光纤跳线头4尾纤与光纤耦合器3之间的光纤熔接；将每根光纤测温管101内光纤光栅102的尾纤依次与光纤耦合器3的输入端光纤进行熔接，再将光纤耦合器3的输出端光纤与光纤光纤跳线头4尾纤进行熔接，熔接长度均为38mm，并将熔点位置进行重涂覆保护。
42.(5)将上述熔接好的光纤耦合器3安装在连接器2中间的耦合器槽202 内，并填胶进行固定；将光纤耦合器3两端的尾纤安装在尾纤槽内，且熔点部分采用点胶固定。
43.(6)将连接器2上下两半结构通过锁紧螺母进行安装固定，然后将铠装外壳100和光纤跳线头4的护套分别安装在连接器2两端的安装孔内，通过金属焊接进行密封固定，完成光纤高温传感器的制作。
44.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。