一种基于fbg的高温传感器及其工作、制作方法
阅读说明：本技术 一种基于fbg的高温传感器及其工作、制作方法 (High-temperature sensor based on FBG (fiber Bragg Grating) and working and manufacturing method thereof ) 是由 杨才千 李帅 杨国玉 杨宁 张立业 范丽 张旭辉 许福 于 2020-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于FBG的高温传感器及其工作、制作方法,高温传感器包含功能不同的两个FBG通道,一个FBG通道作为传感器的温度补偿通道,另一个FBG通道作为传感器的间接测温通道,两个通道各含一个FBG,并且具有相同的封装结构；FBG封装片,封装保护含FBG的裸光纤；顶推结构,作为传感器的动力来源作用于FBG封装片。该传感器具有体型小,高温灵敏度高,测温精度高等特点,并且在高温工况下的集成组网方面具有较好的便利性。该发明的特点决定其特别适用于航空航天,热井油田以及土建消防等涉及高温传感的领域。(The invention provides a high-temperature sensor based on FBG (fiber Bragg Grating) and a working and manufacturing method thereof, wherein the high-temperature sensor comprises two FBG channels with different functions, one FBG channel is used as a temperature compensation channel of the sensor, the other FBG channel is used as an indirect temperature measurement channel of the sensor, and the two channels respectively contain one FBG and have the same packaging structure; the FBG packaging sheet is used for packaging and protecting the bare fiber containing the FBG; and the pushing structure is used as a power source of the sensor and acts on the FBG packaging sheet. The sensor has the characteristics of small size, high-temperature sensitivity, high temperature measurement precision and the like, and has better convenience in the aspect of integrated networking under the high-temperature working condition. The invention is particularly suitable for the fields of aerospace, hot well oil fields, civil engineering fire protection and the like, which relate to high-temperature sensing.)
技术领域
本发明涉及高温监测设备领域，具体涉及一种基于FBG的高温传感器及其工作、制作方法。
背景技术
光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。自光纤传感器诞生以来，因为其抗电磁干扰、本质安全、体积小、质量轻及易于嵌入材料内部等优点，它在很多传统的传感领域广泛应用。
深空的高温以及强电磁干扰等恶劣环境在飞行器服役期间会对它造成不可估量的伤害。所以，在这种恶劣环境中对对飞行器的可靠度研究成为了一个重点。随着含航天燃料的变革，飞行器燃料箱的工作过程处于高温状态，整个结构部件是处于高温工作的过程。
石油化工是能源产业的主力军，在其生产过程中，一般作业都处于高温的环境下，并且石油产品都是易燃易爆品，一旦发生火灾***事故，就会造成大损失。随着石油化工行业的迅速发展，对其安全健康监测是十分重要的。
传统的FBG温度传感器工作原理是当外界温度发生变化时，布拉格光栅会发生非常灵敏的变化，从而反射回异于标定波长的光。但是在温度越高时，反射光功率变小的FBG衰退现象就会越来越明显。FBG在制作过程中，载体跃迁分布到具有不同能量的能级，能级越高时发生衰退需要的能量越高。温度越高，维持跃迁状态的载体数目越少，衰退越严重，而当温度过高超过阀值时，反射光功率将变为零。
目前已有的FBG温度传感器技术相对已经比较成熟了，但是在高温领域，它还存在灵敏度低、可靠度低、精度低等缺陷。特别是在航天等高新技术领域，传统的传感器由于功能与体型过大等非功能方面的不足，已经无法满足行业需求，所以急需要开发出一种高灵敏度的传感器。针对航天与热井油田等领域的高温工况，FBG的先天优势让它在这种工况下具备这种高灵敏度的传感能力。
发明内容
针对现有的FBG温度传感器的不足，本发明提供一种基于FBG的高温传感器及其工作和制作方法，该传感器能够在高温环境中具有比较高的灵敏度，并且在阀值内具有很好的线性度，能满足能源、航天等领域大部分的高温监测工况。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于FBG的高温传感器，包括：
传感器本体，所述传感器本体上设有一沿所述传感器本体轴线方向设置的中空腔室，所述中空腔室具有一封闭端和一敞口端；
连接臂，包括两个，两个连接臂对称设置在所述中空腔室的敞口端左、右两侧；
第一增敏FBG封装片，其两端分别与一个所述连接臂固定连接，第一增敏FBG封装片的中部与所述中空腔室的敞口端对接，所述第一增敏FBG封装片中封装有用于测温的第一增敏FBG；
固定基座，位于整个传感器本体的最底部，用于传感器本体与传感基体固定；
第二增敏FBG封装片，设置在所述中空腔室上另一端形成中空腔室上的所述封闭端，所述第二增敏FBG封装片具有与所述第一增敏FBG封装片相同的封装构造；
耐高温橡胶，设置在所述中空腔室内靠近封闭端一侧；
活塞，活塞一端与所述耐高温橡胶紧密接触，受耐高温橡胶热膨胀的直接作用；
顶杆，位于所述中空腔室内靠近所述第一增敏FBG封装片一侧，受所述活塞驱动，用于为第一增敏FBG封装片提供垂向作用，使其发生挠曲。
所述第一增敏FBG封装片的两端分别通过紧固件与所述连接臂相固定，使其不产生沿FBG轴向位移。
所述第一增敏FBG封装片和第二增敏FBG封装片结构相同，均包括封装用的封装金属片、固化在所述封装金属片内的聚酰亚胺树脂薄带、以及经PI橡胶固化过后固化在所述聚酰亚胺树脂薄带中的FBG；
所述聚酰亚胺树脂薄带在所述封装金属片内靠近封装金属片弯曲外侧设置。
所述聚酰亚胺树脂薄带里面掺杂有用于提高环氧树脂玻璃化阀值温度的耐高温陶瓷粉和耐高温金属粉。
聚酰亚胺树脂∶耐高温陶瓷粉∶耐高温金属粉＝1∶2.75∶7.08。
所述固定基座的底部具有水平基面。
本发明进一步公开了一种高温传感器的工作方法，利用所述的基于FBG的高温传感器，
当耐高温橡胶在受热发生热膨胀时，其作用中空腔室内的活塞，使活塞产生一个沿中空腔室轴向的作用力，作用力通过顶杆推动第一增敏FBG封装片，使其产生挠曲，第一增敏FBG能精确地识别到这一作用力；
位于中空腔室另一端的第二增敏FBG能将温度与应变解耦，具体解耦公式如下：
温度差计算公式：温度计算公式：式中：T—测点温度值(℃)，
T0—测点初始温度值(℃)，
λ测—第一增敏FBG测量的波长值(nm)，
λ0—第一增敏FBG在T0温度下的波长值(nm)，
λT测—第二增敏FBG测量的波长值(nm)，
λT0—第二增敏FBG在T0温度下的波长值(nm)，
KT1—第一增敏FBG的温度系数，
KT2—第二增敏FBG的温度系数。
所述基于FBG的高温传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1.涂覆层的剥离：用光纤钳将两个增敏FBG聚酰亚胺固化段内的涂覆层小心地剥离下来，用酒精将其清洁干净；
S2.退火：将两个剥离过涂覆层增敏FBG的光纤放在管式炉内做退火处理；首先将光纤光栅部位置于管式炉中间部位，两端固定使其悬于炉内，两端炉口用高温棉塞住，将管式炉升温至500℃，待温度稳定后保持24h恒温，取出光纤待其冷却至室温；
S3.PI固化光纤：先将处理过的第一增敏FBG的两端竖向固定在装有封装金属片的模具两侧，使光纤在封装金属片中心穿过，然后再配制PI掺杂溶液,先将PI溶液水浴加热，待其没有明显的气泡冒出时，将按照配比混合的耐高温陶瓷粉与金属粉缓慢均匀加入，搅拌至混合均匀，等到无气泡冒出后冷却至室温，在配制好的PI掺杂溶液中加入固化剂搅拌缓慢倒入封装金属片内，放在马弗炉内固化成型，第二增敏FBG操作同第一增敏FBG；
S4.封装：将适量耐高温橡胶灌入中空腔室内，待其密实后塞入带有顶杆的活塞，使得顶杆顶部与耐高温橡胶缸口对齐，然后，将第一增敏FBG封装片用螺丝与中空腔室的连接臂固定，最后，传感器两端套上铠装光缆，完成传感器的封装制作。
与现有的FBG温度传感器相比，本发明所具有的有益效果为：
1、传感器采用温补加测温双FBG设计，在高温环境下，温补FBG能显著消除测温FBG温度带来的波长非线性漂移。
2、传感器外形尺寸小，空间占用非常小，可以多个传感器集成实现组网高温传感系统。
3、传感器光栅处于隔热保温效果极好的材料封装下，在更高的温度场中，它具有更高的反射光功率。
4、传感器采用的热双金属高温性能稳定，能在一个较高的温度下发挥它热挠曲变形作用。
5、传感器基座采用平基面设计，能更好的贴合待测物表面，所以安装比较稳定，感温区域与待测物表面接触密切，所以得到的结果更加接近待测物表面实际温度。
6、传感器适用于热井油田、航空航天等各种高温工况，使用范围广，温度测量灵敏度高。
附图说明
图1为本发明基于FBG的高温传感器结构示意图；
其中，1、光纤；101、第一光纤；102、第二光纤；2、第一增敏FBG封装片；301、连接臂；302、传感器本体；303、固定基座；304、第二增敏FBG封装片；305、顶杆；306、活塞；4、螺母；501、第一增敏FBG聚酰亚胺固化薄带；502、第二增敏FBG聚酰亚胺固化薄带；6、耐高温橡胶；
图2为第一增敏FBG封装片挠曲示意图；
图3为本发明高温传感器侧视图；
图4为本发明基于FBG的高温传感器传感系统示意图；
其中，100、本发明基于FBG的高温传感器；200、铠装光缆；300、数据处理终端；400、FBG解调仪。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
光纤具有良好的拉伸性能，最大可以达到8000με，所以，依靠硅橡胶热膨胀来拉伸光纤，能显著提高传感器的高温监测阀值。同时，得益于膨胀材料良好的热效应，传感器具有较好的温度线性度。
在集成度与组网方面，FBG有着很明显的优势。光纤光栅因为其体积非常小的特点，每个探点仅利用相当少的光源分量，可以让绝大部分光都透过并继续传播。一根光纤上可以最多同时使用30个光栅，传输距离超过45km，这一特点给组网带来巨大便利。同时波分复用等技术的使用，也提高了这一技术的可行性。总得来说，FBG在大范围多节点的测量中具有很大的优势。
本发明根据上述技术特点，提供一种基于FBG的高温传感器。
一种基于FBG的高温传感器，该传感器包括裸光纤1、第一增敏FBG封装片2、连接臂301、传感器本体302、固定基座303、第二增敏FBG封装片304、顶杆305、活塞306、螺母4、第一增敏FBG聚酰亚胺固化薄带501、第二增敏FBG聚酰亚胺固化薄带502、耐高温橡胶6。
增敏FBG与PI溶液固化在聚酰亚胺薄带中，其中，第一增敏FBG封装片两端采用螺栓与连接臂固定。
温补FBG位于第二增敏FBG封装片内，测温FBG位于第一增敏FBG封装片内。
优选的是，该传感器温度补偿端引出铠装光缆，可以直接与解调设备以及数据分析处理终端相连接。
在本发明中，采用的PI溶液中，掺杂了耐高温陶瓷粉与耐高温金属粉，这样显著地提高了聚酰亚胺玻璃化的阀值温度。
作为优选，耐高温金属粉为高细度耐高温镍粉。
在本发明中，传感器一侧是第一增敏FBG封装片2，它两端分别与两个连接臂301固定，另一侧是第二增敏FBG封装片304，位于第一增敏FBG封装片2的用于测温的第一增敏FBG能直接识别由于耐高温橡胶热膨胀引起的顶杆305对第一增敏FBG封装片2作用产生的弯曲张力。
优选的是，该传感器中的PI薄带与第一增敏FBG封装片以及第二增敏FBG封装片内壁紧密结合。
优选的是，该传感器中的第一增敏FBG封装片内腔采用了偏心处理，具体是：所述聚酰亚胺树脂薄带在所述封装金属片内靠近封装金属片弯曲外侧设置，上述设置能减少由于中和轴位置应变最小引起的传感器灵敏度低的问题。
优选的是，该传感器包含了PI橡胶。PI橡胶固化保护FBG，PI橡胶具有非常优异的耐高温性能，它能让FBG在高温疲劳作用下保持良好的工作弹性。
在本发明中，该装置长为10-80mm，优选20-70mm，更优选为30-60mm，例如50mm。宽为10-80mm，优选20-70mm，更优选为30-60mm，例如50mm。高度为2-20mm，优选4-16mm，更优选为5-12mm，例如10mm。
本发明中，用于温度补偿的传感部分的温度灵敏度为10.5pm/℃，应变灵敏度为1.2pm/με，整个传感器灵敏度可达到(20-27)×1.2pm/℃。
一种基于FBG的高温传感器的制作方法，该方法包含以下步骤：
1)涂覆层的剥离：用光纤钳将两个增敏FBG聚酰亚胺固化段内的涂覆层小心地剥离下来，用酒精将其清洁干净；
2)退火：将两个剥离过涂覆层增敏FBG的光纤放在管式炉内做退火处理；首先将光纤光栅部位置于管式炉中间部位，两端固定使其悬于炉内，两端炉口用高温棉塞住，将管式炉升温至500℃，待温度稳定后保持24h恒温，取出光纤待其冷却至室温；
3)PI固化光纤：先将处理过的第一增敏FBG的两端竖向固定在装有封装金属片的模具两侧，使光纤在封装金属片中心穿过。然后再配制PI掺杂溶液,先将PI溶液水浴加热，待其没有明显的气泡冒出时，将按照配比混合的耐高温陶瓷粉与金属粉缓慢均匀加入，搅拌至混合均匀，等到无气泡冒出后冷却至室温，在配制好的PI掺杂溶液中加入固化剂搅拌缓慢倒入封装金属片内，放在马弗炉内固化成型。第二增敏FBG操作同第一增敏FBG；
4)将适量耐高温橡胶灌入中空腔室内，待其密实后塞入带有顶杆的活塞，使得顶杆顶部与耐高温橡胶缸口对齐。然后，将第一增敏FBG封装片用螺丝与中空腔室的连接臂固定，最后，传感器两端套上铠装光缆，完成传感器的封装制作。
在本发明中，步骤1)是将光纤(包括光栅)表面的涂覆层用光纤钳剥离，防止传感器工作时出现界面滑移，从而出现波长突变的情况。
在本发明中，步骤2)是将步骤1)处理过FBG的光栅部位置于管式炉中心位置恒温保持24h，待温度场稳定(反射波长趋于稳定)后再进行后续步骤。
优选的是，管式炉的温度直接由处于光栅附近的热电偶测得，这样得到的温度更加接近实际温度。
优选的是，温补FBG与测温FBG距离非常近，优选1mm，保证他们具有相同的环境温度的退火工艺。
在本发明中，步骤3)是将退火后的裸光纤与PI橡胶在模具内固化成型，使得FBG处于均匀应力场，并且PI橡胶能在高温下很好的保证FBG的工作性能。
在本发明中，步骤4)是利用耐高温橡胶在缸室内发生热膨胀，让顶杆作用于第一增敏FBG封装片，让处于其内部的测温FBG识别到它的弯曲张力，从而引起测温FBG的波长漂移。
在本发明中，使用的耐高温橡胶没有采用特殊工艺，是目前的公知技术。
在本发明中，耐高温橡胶的选取可以根据实际工况需求、FBG的灵敏度综合选取。
在本发明中，测温FBG处于温度场与应变场耦合的工况，位于第二增敏FBG封装片的温补FBG能较好地将温度与应变解耦。
在本发明中，由于传感器体型非常小，所以它的集成组网会变得非常具有可行性，特别适用于需要高温传感的领域。
在本发明中，金属复合聚酰亚胺橡胶封装能很好地减少传感器的机械磨损。
在本发明中，采用PI橡胶固化过的FBG，PI橡胶能较好地减少FBG的高温损伤。
在本发明中，中空腔室内的耐高温橡胶是传感器主要的动力源，让高温环境的FBG高精度、高灵敏度地传感提供了可能。
在本发明中，因为耐高温橡胶在高温环境中具有较好的线性热膨胀系数，并且其在高温环境中能保持良好的工作性。当耐高温橡胶发生热膨胀时，位于第一增敏FBG封装片中的测温FBG能识别到其弯曲张力，从而发生对应的波长漂移。
在本发明中，该FBG高温传感器将FBG测温阀值进一步提高，并且具有较好的可行性。
实施例1
如图1，一种基于FBG的高温传感器，该传感器包括裸光纤1、第一增敏FBG封装片2、连接臂301、中空腔室302、固定基座303、第二增敏FBG封装片304、顶杆305、活塞306、螺母4、第一增敏FBG聚酰亚胺固化薄带501、第二增敏FBG聚酰亚胺固化薄带502、耐高温橡胶6。
增敏FBG与PI溶液固化在聚酰亚胺薄带中，其中，第一增敏FBG封装片两端采用螺栓分别与两个连接臂固定。
温补FBG位于第二增敏FBG封装片内，测温FBG位于第一增敏FBG封装片内。
传感器一侧是第一增敏FBG封装片2，它两端与连接臂301固定，另一侧是第二增敏FBG封装片304，位于第一增敏FBG封装片2的用于测温的第一增敏FBG能直接识别由于耐高温橡胶热膨胀引起的顶杆305对第一增敏FBG封装片2作用产生的弯曲张力。传感器的尺寸为：长度50mm、宽度50mm、高度10mm。
实施例2
一种高精度FBG高温传感器的制作方法，只是将FBG固定在管式炉内，关上管式炉，两端塞入高温棉，完成退火过程。
实施例3
重复实施例2，只是高温使得耐高温橡胶发生热膨胀现象，让顶杆作用于第一增敏FBG封装片，让处于其内部的测温FBG识别到它的弯曲张力。
实施例4
重复实施例2，只是高温得耐高温橡胶发生热膨胀现象，位于第二增敏FBG封装片内的用于温度补偿的第二增敏FBG能在高温下补偿温度带来的非线性影响。
实施例5
重复实施例2，只是该传感器还包括两端接入铠装光缆，铠装光缆包括内包层管、金属套管以及外层套管。三层套管保护光纤不受腐蚀、机械磨损、剪切等破坏。
实施例6
重复实施例5，将固定好的FBG高温传感器连接好光纤跳线，接入解调仪，将解调仪端连接计算机终端。解调仪采用的是美国Micron Optics公司生产的Si255型，它配置16通道，每通道160nm带宽，基于新一代HYPERION平台开发。计算机采用的是Windows7操作系统上的ENLIGHT传感分析、数据采集软件。将管式炉温度设定值调至500℃，开始加热，加热到500度时恒温2h。将两个FBG作高温标定，用温补FBG的数据补偿温度给测温FBG带来的非线性影响。两个FBG数据的拟合优度R2均大于0.9，达到了高温监测的标准。