本發(fā)明涉及光纖光柵傳感器的技術領域，具體涉及一種超寬量程的光纖布拉格光柵溫度傳感器。

背景技術：

光纖光柵傳感器具有尺寸小、重量輕、抗電磁干擾、抗輻射、耐腐蝕、防火、防爆、壽命長等優(yōu)點，并且在進行溫度測量時具有精度高、實時精確定位以及可實現(xiàn)準分布測量等特點，引起了大批研究者的關注，而被廣泛應用于各種測溫領域。

光纖光柵傳感器的上述優(yōu)點十分符合石油化工領域、電力監(jiān)測及航空航天等領域的應用要求，有很強的競爭力。但這些領域的應用大多需要對較大的溫度范圍進行測量，這對光纖光柵的性能提出了更高的要求。普通光纖光柵雖然可以在低溫環(huán)境下進行測量，但是溫度升高到200～300℃時開始退化，在700℃左右折射率調(diào)制被完全擦除。普通光柵溫度傳感器的測量范圍通常在500℃以內(nèi)且在高溫下的傳感壽命短，極大地限制了光柵溫度傳感器在高溫環(huán)境中的應用。

王東寧等采用飛秒激光刻寫ⅱ型光柵并做預處理可實現(xiàn)溫度高于1000℃的高溫測量(liaoc,wangdn,liy,etal.temporalthermalresponseoftypeii-irfiberbragggratings,appliedoptics,2009,48(16):3001-3007)，再生光柵也可實現(xiàn)高溫測量(oliveiravd,abei,albertonj,etal.fibrebragggratings,towardsabetterthermalstabilityathightemperatures,physicsprocedia,2015,62:71-78；王巧妮,楊遠洪,何俊,等.光纖布拉格光柵再生過程及模型研究,光學學報,2016(3):38-45)。然而，飛秒激光刻寫的ⅱ型光柵制作工藝復雜，刻寫要求較高，難以進行大批量生產(chǎn)。再生光柵雖可實現(xiàn)高溫測量但穩(wěn)定性不夠。此外，光柵再生后機械強度較低，難以進行復雜環(huán)境下的高溫傳感。綜上，目前尚無實際可用的超寬量程光柵溫度傳感器。

為了解決上述問題，本發(fā)明采用不銹鋼管和高溫陶瓷毛細管套裝而成的復合毛細管對光纖光柵進行封裝，以保護光柵并保證其高溫耐受力，基于光纖布拉格光柵的再生模型進行計算和優(yōu)選合適的再生溫度，并在退火完畢后進行高溫處理，獲得超寬量程的光纖布拉格光柵溫度傳感器。該溫度傳感器結構簡單，溫度測量范圍極寬，精度高，體積小，重量輕，制作方便。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：制作一種超寬量程的光纖布拉格光柵溫度傳感器，對其實現(xiàn)可靠的封裝并降低其制作條件。

本發(fā)明解決上述技術問題采用的技術方案是：

本發(fā)明提供一種超寬量程的光纖布拉格光柵溫度傳感器，其制作過程包括如下步驟：

s1，在金涂覆光纖上刻寫布拉格光柵；

s2，將光柵封裝入由不銹鋼管和陶瓷毛細管套裝而成的復合毛細管內(nèi)，通過激光焊接固定；

s3，基于光纖布拉格光柵的再生模型計算和優(yōu)選合適的再生溫度；

s4，設置高溫爐溫度到設計溫度，將帶光柵的傳感頭插入高溫爐高溫退火；

s5，退火完畢后將溫度升高到1200℃進行高溫處理，獲得超寬量程的光纖布拉格光柵溫度傳感器。

進一步的，所述金涂覆光纖布拉格光柵是使用紫外或飛秒激光器在金涂覆的光纖上刻寫布拉格光柵得到，金涂覆光纖在機械強度、防潮、抗腐蝕能力和耐高低溫特性方面優(yōu)于普通光纖，而且更適合激光焊接。

進一步的，所述封裝是將帶光纖布拉格光柵的光纖封裝入由不銹鋼管和高溫陶瓷毛細管套裝而成的復合毛細管內(nèi)，不銹鋼管為外管、高溫陶瓷毛細管為內(nèi)管，兩者通過過盈配合組裝，不銹鋼管一端燒結封閉，陶瓷毛細管內(nèi)徑略大于光纖外徑2-3微米。

進一步的，所述光纖布拉格光柵的再生模型通過對多個種子光柵進行不同退火溫度恒溫處理，得到種子光柵在不同退火溫度下的再生時間數(shù)據(jù)，利用雙曲余割(csch)函數(shù)建立模型，其具體表達式為：

式中：t是再生時間，t是退火溫度，tth是再生溫度閾值，a和b是特定類型光纖光柵的模型參數(shù)，采用非線性曲線擬合方法確定模型系數(shù)，通過模型可以計算和優(yōu)選不同光纖布拉格光柵合適的再生溫度。

進一步的，所述退火過程為設置高溫爐溫度到設計溫度，將帶光纖布拉格光柵的傳感頭插入高溫爐進行高溫退火，退火時間根據(jù)設計溫度由模型計算得到，通過退火過程擦除和再生折射率調(diào)制可以大大提高再生光柵在處于低于退火溫度時的穩(wěn)定性。

進一步的，所述高溫處理過程為退火完畢后將溫度升高到1200℃，進行恒溫處理，處理時間大于12小時，通過高溫處理可以進一步提高傳感器的高溫穩(wěn)定性，防止傳感器在高溫環(huán)境下發(fā)生漂移。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明采用不銹鋼管和高溫陶瓷毛細管套裝而成的復合毛細管對光纖光柵進行封裝，以保護光柵并保證其高溫耐受力，增強了光柵傳感器的機械強度，能適用于復雜測溫環(huán)境。

(2)本發(fā)明制作光柵傳感器時，基于光纖布拉格光柵的再生模型進行計算和優(yōu)選合適的再生溫度，并在退火完畢后進行高溫處理，獲得超寬量程的光纖布拉格光柵溫度傳感器。傳感器結構簡單，精度高，體積小，重量輕，制作方便。

附圖說明

圖1為一種超寬量程的溫度傳感器制作流程圖。

圖2為復合套管及光柵安裝結構示意圖。圖2中，11是金涂覆光纖，12是刻寫的布拉格光柵，13是高溫陶瓷毛細內(nèi)管，14是不銹鋼外管，15是不銹鋼管燒結點，16是激光焊接點。

圖3為典型再生曲線及模型參數(shù)。

圖4為高溫處理后的穩(wěn)定波長和反射率曲線。

圖5為高溫測試裝置示意圖。圖5中，21’是原始溫度傳感器，22是sm125解調(diào)儀，23是高溫爐內(nèi)置熱電偶，24是高溫爐內(nèi)置溫度計，25是高溫管式爐(fnssk-3-12y)，26是高溫爐底座，27是高溫棉。

圖6為低溫測試裝置，21是超寬量程傳感器探頭，22是sm125解調(diào)儀，31是二等標準鉑電阻溫度計，32是agilent34401數(shù)字萬用表，33是液氮，34是液氮罐，35是隔熱泡沫，36是可調(diào)節(jié)支架。

圖7為高低溫測量典型結果。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明內(nèi)容作進一步詳細說明。

圖1示出本發(fā)明的一種超寬量程的光纖布拉格光柵溫度傳感器的制作流程，具體包括如下步驟：

1)在金涂覆的光纖上使用紫外激光器和相位掩模版刻寫種子光柵。

2)參考附圖2所示，將內(nèi)徑略大于光纖外徑2-3微米，外徑為1mm，長度為100mm的高溫陶瓷毛細內(nèi)管13和內(nèi)徑為1mm，外徑為2mm，長度為100mm的不銹鋼外管14通過過盈配合組裝成復合毛細管，不銹鋼管一端燒結封閉，然后將刻寫的布拉格光柵12插入復合毛細管，使光柵區(qū)域位于復合毛細管內(nèi)，采用激光焊接方式在激光焊接點16固定金涂覆光纖。

3)根據(jù)再生模型及較短的再生光柵制作時間，熱處理溫度可優(yōu)選為950℃，計算得出此時熱處理時間為26.5min。

4)參考附圖5所示，將封裝后的原始溫度傳感器21’置于高溫管式爐25中，恒定950℃高溫退火處理26.5min。

5)退火完畢之后立即進行12h恒定1200℃的高溫處理，即可獲得超寬量程溫度傳感器21。

下面結合附圖5、附圖6及附圖7，具體介紹一種超寬量程的光纖布拉格光柵溫度傳感器的溫度測試過程。

參考附圖5所示，將超寬量程傳感器探頭21置于高溫管式爐25中，使探頭位置處于高溫爐內(nèi)置熱電偶23處，高溫爐內(nèi)置溫度計24進行溫度監(jiān)測，并作為參考溫度，通過改變設置的加熱溫度以此控制溫度范圍。

參考附圖6所示，液氮33用于制造低溫環(huán)境，將超寬量程傳感器探頭21和二等標準鉑電阻溫度計31以同一高度插入液氮罐34中，二等標準鉑電阻溫度計31進行溫度監(jiān)測，并作為參考溫度，通過可調(diào)節(jié)支架36來控制傳感器與液氮的距離以此控制溫度范圍。

參考附圖7所示，傳感器探頭可以實現(xiàn)-196℃至1200℃的超寬溫度范圍測量。在整個溫度傳感范圍中，光柵布拉格波長與溫度呈二次曲線關系，且升降溫重復性好，平均靈敏度約10pm/℃，測溫精度優(yōu)于±1.5℃。

本發(fā)明未詳細闡述的技術內(nèi)容屬于本領域技術人員的公知技術，且上述具體實施僅為本發(fā)明可行性實施方式的具體說明，并非用以限制本發(fā)明的保護范圍，凡未脫離本發(fā)明技術思路所做的等效實施方式或變更均應包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。