一种耐高温光纤布拉格光栅压力传感器
阅读说明：本技术 一种耐高温光纤布拉格光栅压力传感器 (High-temperature-resistant fiber Bragg grating pressure sensor ) 是由 郑加金 王浩 苏俊豪 柯航 陈焕权 李建宇 史雯慧 韦玮 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明属于光纤传感器技术领域,公开了一种耐高温光纤布拉格光栅压力传感器,包括滑块、封装套管、弹簧、传压杆、传输光纤、光纤固定架、第一光纤光栅、第二光纤光栅及保护盖；封装套管的前端为滑块,尾端为保护盖；所述滑块的外表面与封装套管内壁贴合且能够滑动位移,滑块一端为测量端,另一端为非测量端,测量端伸出封装套管外,用于接触外界并承受压力,非测量端与弹簧的一端连接,所述弹簧的另一端与传压杆一侧固定连接,另一侧通过传输光纤分别与第一光纤光栅和第二光纤光栅依次连接；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅固定于光纤固定架上。本发明的有益效果是：本发明的压力传感器能够耐高温且灵敏度高。(The invention belongs to the technical field of optical fiber sensors, and discloses a high-temperature-resistant fiber Bragg grating pressure sensor which comprises a sliding block, a packaging sleeve, a spring, a pressure transmission rod, a transmission optical fiber, an optical fiber fixing frame, a first fiber Bragg grating, a second fiber Bragg grating and a protective cover; the front end of the packaging sleeve is provided with a sliding block, and the tail end of the packaging sleeve is provided with a protective cover; the outer surface of the sliding block is attached to the inner wall of the packaging sleeve and can slide and displace, one end of the sliding block is a measuring end, the other end of the sliding block is a non-measuring end, the measuring end extends out of the packaging sleeve and is used for contacting the outside and bearing pressure, the non-measuring end is connected with one end of a spring, the other end of the spring is fixedly connected with one side of a pressure transmission rod, and the other side of the spring is sequentially connected with a first fiber bragg grating and a second fiber bragg grating through transmission optical fibers; the first fiber bragg grating and the second fiber bragg grating are fixed on the fiber fixing frame. The invention has the beneficial effects that: the pressure sensor disclosed by the invention can resist high temperature and has high sensitivity.)
技术领域
本发明属于高温检测设备技术领域，具体涉及一种耐高温光纤布拉格光栅压力传感器。
背景技术
压力传感器被广泛应用于各种工业实践中，如水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、石化、油井、船舶、机床、管道等众多行业。处在高温高压、强腐蚀、强辐射等恶劣环境，对传感器要求也越来越高，传统压力传感器极易受极端环境影响。
光纤光栅是光纤内引入周期性折射率调制而形成的一种无源器件，广泛应用于光纤通信和光纤传感领域的关键器件。基于光栅结构的传感器已被广泛应用于温度、压力、位移等物理量的测量，如工业、医疗等领域。光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，但在高温环境下工作，光栅光敏性会衰退，周期性折射率逐渐擦除。
发明内容
针对现有技术中现有光纤光栅压力传感器在高温条件下，灵敏度会衰退的问题，本发明提出了一种能够耐高温且灵敏度高的光纤布拉格光栅压力传感器。
当经过特殊预处理的种子光栅被加热到几百摄氏度时，就形成了再生的光纤布拉格光栅。在这个过程中，光纤布拉格光栅(FBG)的反射率消失并重新生长，形成一个可在超过1000℃的温度下生存的再生光栅。从一开始，再生光纤光栅非凡的温度稳定性将为光纤光栅开辟新的应用领域。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种耐高温光纤布拉格光栅压力传感器，包括滑块、封装套管、弹簧、传压杆、传输光纤、光纤固定架、第一光纤光栅、第二光纤光栅及保护盖；所述弹簧、传压杆、传输光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅以及光纤固定架依次封装于封装套管内，封装套管的前端为滑块，尾端为保护盖；所述滑块的外表面与封装套管内壁贴合且能够滑动位移，滑块一端为测量端，另一端为非测量端，测量端伸出封装套管外，用于接触外界并承受压力，非测量端与弹簧的一端连接，所述弹簧的另一端与传压杆一侧固定连接，另一侧通过传输光纤分别与第一光纤光栅和第二光纤光栅依次连接；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅固定于光纤固定架上；所述保护盖上设置有供传输光纤从封装套管穿出的通孔。
进一步地，所述传压杆设置于所述压力传感器的中心。
进一步地，所述传压杆的圆形膜片与端盖之间区域为充满Ar气的密封区域，第一光纤光栅和第二光纤光栅处于Ar气环境保护之中。
进一步地，所述第一光纤光栅用于测量压力变化，设置于传压杆和光纤固定架之间，固定时施加8～10N的轴向预应力；所述第二光纤光栅用于温度补偿，其两端均固定于光纤固定架之上，处于自由状态，第一光纤光栅和第二光纤光栅之间为10～20mm传输光纤。
进一步地，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长为1260nm或1310nm或1550nm，3dB带宽为0.1nm～1nm，反射率为10％～80％，轴向极限载荷为12N，为单模光纤极限载荷的60％。
进一步地，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅通过耐高温无机胶固定于光纤固定架上。
进一步地，所述滑块设置于压力传感器的前端，用于感受外界压力，其非测量端焊接有圆环，通过圆环与弹簧固定连接，圆环的设置是为了固定弹簧在中心轴上，并可以根据不同要求装订不同弹簧。
进一步地，圆环为金属圆环。
进一步地，所述滑块为圆柱形310S不锈钢金属块，底面半径6cm，高3～5cm。
进一步地，所述弹簧为高温合金GH4145弹簧，设置于滑块的非测量端，线径5mm，直径45mm～65mm，弹性系数为1.572N/mm～7.1N/mm，长度为90～150mm，有效线圈为10～15圈，设置于滑块与传压杆之间，适应300-900℃温度环境。
进一步地，所述传压杆为GH4145或316L合金，其弹性模量为213.7GPa，设置于弹簧和第一光纤光栅之间，包括膜片和金属杆，膜片与金属杆固定连接，所述膜片厚度为0.5～1mm，半径6～7cm，所述金属杆设置于膜片中心，其长度为2～3cm，横截面为圆形，半径为5mm，金属杆末端圆心处设置有凹槽用于连接传输光纤。
进一步地，膜片为圆形膜片，金属杆为圆柱形，膜片与金属杆焊接连接。
进一步地，所述光纤固定架为左、右两个半圆柱筒，单个圆柱筒底面投影为半圆，半径为4～6cm，中间设置有通过两个半圆板拼接而成的支撑隔板；所述光纤固定架的筒底设置有支撑和固定第二光纤光栅的凹槽，凹槽的长度为2cm，半径为2～5cm，凹槽目的是形成悬臂梁结构；所述支撑隔板上设置有用于固定和粘贴传输光纤的V型槽，光纤固定架后端与保护盖固定连接。
进一步地，所述传输光纤为金属化镀铝单模光纤或蓝宝石光纤等耐高温光纤，优选金属化镀铝单模光纤，金属化镀铝单模光纤的模场直径9μm，包层直径125μm，衰减19.5dB/km，用于传输光信号。
进一步地，所述滑块、光纤固定架、封装套管、保护盖均为耐高温金属材质，优选镍基合金、钼基合金、钨基耐热合金、奥氏体铬镍不锈钢中的任意一种。
进一步地，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅为载氢单模光纤或双包层光纤或高掺锗光纤(高掺锗光纤中GeO2含量约18％)制成种子光栅，经过预退火得到的热重生光纤布拉格光栅。
进一步地，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅在管式炉中，以10℃/min的升温速度，从室温升至600℃，并在600℃保温45分钟，缓慢冷却至室温；之后以10℃/min的升温速度升到900℃，保温150min，并在Ar气中自然冷却至室温，得到再生光栅第一光纤光栅和第二光纤光栅，通过这样的特殊退火处理得到耐高温光纤光栅，即第一光纤光栅和第二光纤光栅，解决了现有光纤光栅压力传感器在高温条件下，灵敏度会衰退的问题。
进一步地，所述传压杆的厚度和大小以及弹簧的弹性系数可以根据需要来调整，这样本发明的压力传感器的量程就能够调整了，使用范围更加宽泛。
与现有技术相比，本发明提供了一种高温光纤布拉格光栅温度传感器，具备以下有益效果：
(1)为了把外界大压力转化为光纤光栅微小的轴向形变，通过传压杆把感受到的弹簧压力转化为传压杆的位移，再传输到末端连接的光纤上，只改变光纤的横向应力，方便测量和计算，排除轴向应力对再生光栅的损坏；故，本发明具有结构简单，操作方便，耐高温的优点，可以在高温度环境中使用。
(2)排除温度对压力传感器的影响，结构上采用双再生光纤光栅，实现传感器的温度补偿。
(3)本发明的压力传感器还可以通过改变传压杆的厚度和大小以及弹簧的线性系数来调整压力传感器的量程，结构简单，操作方便，使用范围宽泛。
(4)除传输光纤外的所有材质均为耐高温金属，第一光纤光栅和第二光纤光栅为再生光纤光栅，封装套管与保护盖的连接处使用耐高温无机胶，传压杆包括金属膜片和金属杆，弹簧上的弹簧膜片也使用耐高温无机胶固定，使用耐高温无机胶将金属膜片固定在金属杆上，可以测量较高温度下的压力，或消除长期使用下的光栅擦除现象。
附图说明
图1为本发明的压力传感器的结构示意图；
图2为本发明中光纤固定架6的结构示意图；
图3为本发明的热重生光纤布拉格光栅在氩气退火处理后的载荷测试图；
图4为本发明的热重生光纤布拉格光栅反射谱。
图中附图标记的含义为：1、滑块，2、封装套管，3、弹簧，4、传压杆，5、传输光纤，6、光纤固定架，7、第一光纤光栅，8、第二光纤光栅，9、保护盖。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的压力传感器，包括滑块1、封装套管2、弹簧3、传压杆4、传输光纤5、光纤固定架6、第一光纤光栅7、第二光纤光栅8及保护盖9；弹簧3、传压杆4、传输光纤5、第一光纤光栅7、第二光纤光栅8以及光纤固定架6依次封装于封装套管2内，封装套管2的前端为滑块1，尾端为保护盖9；滑块1的外表面与封装套管2内壁贴合且能够滑动位移，滑块1一端为测量端，另一端为非测量端，测量端伸出封装套管2外，用于接触外界并承受压力，非测量端与弹簧3的一端连接，弹簧3的另一端与传压杆4一侧固定连接，另一侧通过传输光纤5分别与第一光纤光栅7和第二光纤光栅8依次连接；第一光纤光栅7和第二光纤光栅8固定于光纤固定架6上；保护盖9上设置有供传输光纤5从封装套管2穿出的通孔。
在本实施例的一种具体实施方式中，传压杆4设置于压力传感器的中心。
在本实施例的一种具体实施方式中，传压杆4的圆形膜片与端盖之间区域为充满Ar气的密封区域，第一光纤光栅7和第二光纤光栅8处于Ar气环境保护之中。
在本实施例的一种具体实施方式中，第一光纤光栅7用于测量压力变化，设置于传压杆4和光纤固定架6之间，固定时施加8～10N的轴向预应力，预选固定时施加9N的轴向预应力；第二光纤光栅8用于温度补偿，其两端均固定于光纤固定架6之上，处于自由状态，第一光纤光栅7和第二光纤光栅8之间为10～20mm传输光纤5，优选第一光纤光栅7和第二光纤光栅8之间为15mm传输光纤5。由于第一光纤光栅7和第二光纤光栅8固定位置较近，可认定为处于同一温度场中，消除外界温度的影响。
在本实施例的一种具体实施方式中，第一光纤光栅7和第二光纤光栅8通过耐高温无机胶固定于光纤固定架6上。
在本实施例的一种具体实施方式中，滑块1设置于压力传感器的前端，用于感受外界压力，其非测量端焊接有圆环，通过圆环与弹簧3固定连接。
在本实施例的一种具体实施方式中，圆环为金属圆环。
在本实施例的一种具体实施方式中，滑块1为圆柱形310S不锈钢金属块，底面半径6cm，高3～5cm。
在本实施例的一种具体实施方式中，传压杆4为GH4145或316L合金，其弹性模量为213.7GPa，设置于弹簧3和第一光纤光栅7之间，包括膜片和金属杆，膜片与金属杆固定连接，膜片厚度为0.5～1mm，半径6～7cm，金属杆设置于膜片中心，其长度为2～3cm，横截面为圆形，半径为5mm，金属杆末端圆心处设置有凹槽用于连接传输光纤5。
在本实施例的一种具体实施方式中，膜片为圆形膜片，金属杆为圆柱形，膜片与金属杆焊接连接。
如图2所示，在本实施例的一种具体实施方式中，光纤固定架6为左、右两个半圆柱筒，半径为4～6cm，中间设置有通过两个半圆板拼接而成的支撑隔板，光纤固定架6的筒底设置有支撑和固定第二光纤光栅8的凹槽，凹槽的半径为2～5cm，长度优选为2cm；支撑隔板上设置有用于固定和粘贴传输光纤5的V型槽，光纤固定架6后端与保护盖9固定连接。
在本实施例的一种具体实施方式中，传输光纤5为金属化镀铝单模光纤或蓝宝石光纤等耐高温光纤，优选金属化镀铝单模光纤，金属化镀铝单模光纤的模场直径9μm，包层直径125μm，衰减19.5dB/km，用于传输光信号。
在本实施例的一种具体实施方式中，滑块1、光纤固定架6、封装套管2、保护盖9均为耐高温金属材质，优选镍基合金、钼基合金、钨基耐热合金、奥氏体铬镍不锈钢中的任意一种。
在本实施例的一种具体实施方式中，第一光纤光栅7和第二光纤光栅8为载氢单模光纤或双包层光纤或高掺锗光纤(高掺锗光纤中GeO2含量约18％)制成种子光栅，经过预退火得到的热重生光纤布拉格光栅。
在本实施例的一种具体实施方式中，第一光纤光栅7和第二光纤光栅8在管式炉中，以10℃/min的升温速度，从室温升至600℃，并在600℃保温45分钟，缓慢冷却至室温；之后以10℃/min的升温速度升到900℃，保温150min，并在Ar气中自然冷却至室温，得到再生光栅第一光纤光栅7和第二光纤光栅8。
在本实施例的一种具体实施方式中，第一光纤光栅7和第二光纤光栅8的中心波长为1260nm，3dB带宽为0.3nm，反射率为40％，极限载荷9N。
在本实施例的一种具体实施方式中，第一光纤光栅7和第二光纤光栅8的中心波长为1310nm，3dB带宽为0.3nm，反射率为40％，极限载荷9N。
在本实施例的一种具体实施方式中，第一光纤光栅7和第二光纤光栅8的中心波长为1550nm，3dB带宽为0.3nm，反射率为40％，极限载荷9.5N。
如图3所示，再生光纤光栅的轴向载荷与拉伸形变之间有良好的线性关系，对应极限载荷为9.5N，对应线性形变为1.08mm。
图4所示，在20℃环境温度中，再生光纤光栅的中心波长为1548.1nm，3dB带宽为0.3nm，反射率为40％。
在本实施例的一种具体实施方式中，传压杆4的厚度和大小以及弹簧3的弹性系数可以根据需要来调整，这样本发明的压力传感器的量程就能够调整了，使用范围更加宽泛。
在本实施例的一种具体实施方式中，被测高温物体放在本发明压力传感器上方，即前端滑块11，通过后端解调设备获取压力信息。
本发明的压力传感器的工作原理为：本发明的压力传感器前端的滑块1接触外界承受压力，当有压力作用于滑块1时，滑块1移动挤压弹簧3，弹簧3的大量程形变转换成传压杆4的小量程位移，再传输到末端连接的传输光纤5上，处在拉伸状态的第一光纤光栅7收缩，光栅栅距改变，引起中心反射波长发生变化，解调仪接收反射光信号得到压力信号，双光栅距离较近，用于消除温度影响，实现本发明的压力传感器温度自补偿。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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