一種高溫光纖光柵傳感探頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高溫傳感測量領(lǐng)域，涉及一種高溫光纖光柵傳感探頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，核電、石油化工和航空航天等領(lǐng)域?qū)m用于電磁輻射、高溫高壓極端環(huán)境的 500~1000°C高溫傳感器有著迫切的需求。高溫傳感器的傳感部分要能耐受高溫，其次，其 他支撐傳感器的部分也要耐受高溫。光纖傳感器具有尺寸小、重量輕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)， 適用于極端環(huán)境下的溫度傳感。光纖高溫傳感方案主要有黑體輻射法、特種光纖光柵法、 超快激光制備光纖光柵法及高溫?zé)崽幚砉饫w光柵法等等。黑體輻射法是通過高溫透鏡及 傳輸光纖收集高溫下物體輻射不同波長的光進(jìn)行解調(diào)實(shí)現(xiàn)傳感，傳感溫度范圍及精度受到 限制。普通光纖布拉格光柵在200~300°C時開始退化，在700°C左右被完全擦除，溫度傳 感范圍通常在500°C以內(nèi)且高溫使用壽命短。藍(lán)寶石光纖光柵以其晶體材料特性能夠耐受 1745°C的高溫，但是成本高，不利于推廣應(yīng)用。因此，如何制作高溫光纖光柵是目前高溫傳 感領(lǐng)域的難題。
[0003] 光纖光柵傳感器需要經(jīng)過封裝才能實(shí)際傳感使用，高溫封裝是有待解決的問題。 目前，封裝方式一般為環(huán)氧樹脂膠或玻璃焊料將光柵粘于金屬件方式、光纖表面金屬電鍍 并采用焊錫于金屬件焊接方式等等。膠容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，且不耐高溫；光纖表明金屬化及 焊錫焊接封裝方式具有較好的可靠性，但焊錫材料無法承受500°c以上的高溫，限制了傳感 器的使用溫度范圍。激光焊接方式一般利用焊接材料高溫熔融實(shí)現(xiàn)連接，但焊料熔點(diǎn)較低， 也無法滿足高溫（~l〇〇〇°C )傳感和測量。
[0004] 光纖光柵的尾纖雖然不是直接傳感部位，但是承擔(dān)著傳輸信號的作用，也需要高 溫封裝?，F(xiàn)有鍍金屬的封裝方案只對柵區(qū)進(jìn)行保護(hù)，尾纖部分的封裝未能真正實(shí)現(xiàn)耐受高 溫。因此，不是真正的高溫傳感器。
[0005] 本發(fā)明給出了光纖光柵熱處理模型，并依據(jù)這個模型對光柵進(jìn)行熱處理，獲得了 高溫光纖光柵；采用耐高溫的金涂覆尾纖保證了整個傳感頭的高溫耐受能力；采用激光加 熱沖擊使不銹鋼封裝外殼形變，進(jìn)而擠壓金涂覆的方式實(shí)現(xiàn)光柵與外殼的固化，保證無膠、 無焊料封裝，實(shí)現(xiàn)了真正的高溫光纖光柵傳感器。該傳感探頭結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，測量范圍 寬，精度高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服制作高溫光纖光柵傳感器光柵封裝及尾纖部分 不耐高溫等問題，提出了一種高溫光纖光柵傳感探頭，采用金涂覆光纖，保證尾纖部分耐高 溫，結(jié)合耐高溫光纖光柵的制作工藝參數(shù)優(yōu)化模型在金涂覆光纖制作耐高溫光纖光柵，并 采用不繡鋼管和激光加熱物理形變方式封裝光纖光柵。該傳感探頭能真正耐受1000°c以上 的高溫，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，測量范圍寬，精度高。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：
[0008] 本發(fā)明提供一種高溫光纖光柵傳感探頭，由金涂覆光纖、耐高溫光纖光柵及不銹 鋼管封裝組成；其中，所述的金涂覆光纖是涂覆層為金的高溫光纖，高溫光纖光柵在金涂覆 光纖纖芯上，高溫光纖光柵是由紫外或紅外飛秒激光刻寫光柵通過熱處理制成，其工藝參 數(shù)根據(jù)模型優(yōu)化獲得，能實(shí)現(xiàn)低溫到1000°C的大范圍溫度測量；高溫光纖光柵區(qū)域采用不 銹鋼管封裝保護(hù)，采用激光加熱方式使不銹鋼管的兩端發(fā)生物理形變，固定金涂覆光纖。
[0009] 進(jìn)一步的，所述是由紫外或紅外飛秒激光刻寫原始光柵通過熱處理后制成，恒溫 熱處理溫度T與處理時間t的關(guān)系模型為：
[0010]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高溫光纖光柵傳感探頭，其特征在于，所述的傳感探頭由金涂覆光纖（11)、高 溫光纖光柵（12)及不銹鋼管封裝外殼（13)組成；其中，所述的金涂覆光纖（11)是涂覆層 為金的高溫光纖，高溫光纖光柵（12)在金涂覆光纖纖芯上，高溫光纖光柵是由紫外或紅外 飛秒激光刻寫光柵通過熱處理后制成，其工藝參數(shù)根據(jù)研宄獲得的模型優(yōu)化獲得，能實(shí)現(xiàn) 低溫到l〇〇〇°C的大范圍溫度測量；高溫光纖光柵區(qū)域采用不銹鋼管（13)封裝保護(hù)，采用激 光加熱方式使不銹鋼管（13)的兩端發(fā)生物理形變，固定金涂覆光纖（11)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫光纖光柵傳感探頭，其特征在于，所述高溫光纖光 柵是由紫外或紅外飛秒激光刻寫原始光柵通過熱處理后制成，恒溫?zé)崽幚頊囟萒與處理時 間t的關(guān)系模型為：
其中，Tth為原始光纖光柵能產(chǎn)生高溫光纖光柵閾值溫度，A為恒溫加熱溫度處于閾值 溫度Tth時，原始光纖光柵形成高溫光纖光柵的時間，B為系數(shù)； 模型系數(shù)可以通過不同溫度恒溫?zé)崽幚碓脊饫w光柵，得到不同溫度下的原始光纖光 柵形成高溫光纖光柵的時間，進(jìn)行擬合獲得；同一類型的原始光纖光柵的模型系數(shù)相同，模 型系數(shù)只需要進(jìn)行一次標(biāo)定，不同類型的原始光纖光柵需要重新標(biāo)定模型系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫光纖光柵傳感探頭，其特征在于，所述的熱處理溫 度應(yīng)大于或等于閾值溫度Tth。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫光纖光柵傳感探頭，其特征在于，所述的金涂覆光 纖涂覆層厚度為但不僅限于30 ym，不銹鋼管內(nèi)徑為但不僅限于0. 3 ym，不銹鋼管內(nèi)壁與 金涂覆光纖之間有間隙。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫光纖光柵傳感探頭，其特征在于，所述的激光加熱 封裝方式為多個方向的激光同時聚焦在不銹鋼管（13)上，多次加熱調(diào)節(jié)不銹鋼管形變量， 使不銹鋼管（13)受熱產(chǎn)生多點(diǎn)物理形變填補(bǔ)間隙，將金涂覆光纖（11)固定在不銹鋼管 (13)內(nèi)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫光纖光柵傳感探頭，其特征在于，所述的高溫的光 纖光柵傳感探頭為無膠無焊料封裝，尾纖為金涂覆光纖，可真正耐受l〇〇〇°C以上的高溫，實(shí) 現(xiàn)大范圍、高溫極端環(huán)境的溫度傳感。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫光纖光柵傳感探頭，其特征在于，封裝后，傳感頭尺 寸小于 C>2mmX 10mm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高溫光纖光柵傳感探頭，由金涂覆光纖、高溫光纖光柵及不銹鋼管封裝外殼組成。高溫光纖光柵是由紫外或紅外飛秒激光刻寫原始光柵通過熱處理后制成，其工藝參數(shù)根據(jù)模型優(yōu)化獲得，能實(shí)現(xiàn)低溫到1000℃的超大范圍溫度測量。采用激光加熱物理形變方式將不銹鋼管與高溫光纖光柵金涂覆尾纖固定封裝，起到保護(hù)、增敏及固定光柵狀態(tài)的作用。該高溫光纖光柵傳感探頭為無膠無焊料封裝，尾纖全金屬化，能夠真正實(shí)現(xiàn)高溫傳感，而且體積小，精度高。
【IPC分類】G01D5-26, G02B6-02
【公開號】CN104820261
【申請?zhí)枴緾N201510288959
【發(fā)明人】楊遠(yuǎn)洪, 王巧妮, 楊福鈴, 陸林
【申請人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月29日