一種基於毛細管結構的光纖高溫傳感器及製備方法與流程
2023-09-27 06:11:35 2
本發明涉及光纖傳感領域，尤其涉及一種基於毛細管結構的光纖高溫傳感器及製備方法。
背景技術：
溫度測量涉及的範圍非常廣泛，涉及到機械工業、油井、採礦業、航空航天等多種行業的環境監測。目前的溫度傳感器有很多種，包括熱電阻和熱電偶等電學器件等。然而傳統電學傳感器由於其結構涉及到電學材料，其使用壽命和探測範圍受到限制。此外在特殊場合，比如長距離的傳感信號傳輸方面，其穩定性和可靠性受到許多因素的制約。光纖溫度傳感器是基於光纖為載體的器件，其結構緊湊小巧，價格低廉，適合大範圍探測，長距離傳輸信號，在工業應用領域具有傳統電學傳感器所不具備的優勢。目前光纖溫度傳感器的主要形式為光纖布拉格光柵器件，其主要通過在光纖纖芯內部引入周期性折射率實現構建。由於目前大規模生產此類器件採用的折射率調製方式為紫外雷射激發雙光子吸收，其折射率調製效果在一定高的溫度範圍(400℃以上)下會發生退化，從而制約了這類器件在更高溫度環境下的使用。而採用飛秒雷射製備的布拉格光柵器件雖然可以承受700度以上的高溫，然而其製作成本高昂，且光柵本身在1000度以上高溫下長期工作依然會發生退化，無法真正實現可靠的高溫傳感探測。
隨著工業技術的發展，對高溫環境下溫度的測量要求越來越多，尤其是在航空航天領域和能源領域等，需要傳感器能夠對1000度以上的溫度進行監測。相比基於光纖光柵的溫度傳感器，以純石英材料或者更高熔點的材料為傳感介質的光纖傳感器可以更加適應高溫傳感的實際需要。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題在於針對現有技術中1000度以上高溫使用時會發生退化，且成本高的缺陷，提供一種基於毛細管結構的光纖高溫傳感器及製備方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
本發明提供一種基於毛細管結構的光纖高溫傳感器，包括毛細管，毛細管兩端設置有輸入光纖和輸出光纖；光纖高溫傳感器的輸入端通過輸入光纖與光源相連，輸出端通過輸出光纖與光譜儀相連，輸入光纖和輸出光纖均為單模光纖；毛細管的內徑為75μm，外徑為125μm，長度為10～50mm；當檢測區域的環境溫度發生變化時，毛細管中每個透射峰的波長發生相應改變，通過光譜儀檢測透射峰波長的變化實現對溫度變化的檢測。
進一步地，本發明的輸入光纖、輸出光纖和毛細管外徑相同，且光纖纖芯正對毛細管中心，三者之間通過對芯熔接的方式進行熔接。
進一步地，本發明的毛細管的材料為石英或藍寶石。
進一步地，本發明的輸入光纖和輸出光纖的外包層直徑為125μm，纖芯直徑為8μm。
本發明提供一種基於毛細管結構的光纖高溫傳感器的製備方法，包括以下步驟：
S1、毛細管預處理：選取一根毛細管，其內徑為75μm，外徑為125μm，使用刀片去除掉毛細管的塗覆保護層，並用酒精擦拭毛細管表面以除去塗覆層殘留物；使用光纖切割刀將毛細管的一端切平整，然後間隔10～50mm的距離，切割出另一個平整的端面；
S2、熔接單模光纖：使用光纖熔接機的手動操作功能，將輸入端和輸出端的單模光纖的纖芯與毛細管的中心手動對齊；設置光纖熔接機的熔接參數為：放電強度20單位，放電時間700ms，將預處理後的毛細管與單模光纖進行熔接得到光纖高溫傳感器。
本發明產生的有益效果是：本發明的基於毛細管結構的光纖高溫傳感器，通過檢測毛細管內透射峰的波長變化進而得到溫度的檢測值，測量效果好，精度高，能夠廣泛應用於各種實際場景；且該傳感器的耐高溫性能很好，能夠長期在高於1000度的環境中使用，耐用性強；該傳感器的結構簡單，造價低廉，測量精度高。
附圖說明
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
圖1(a)是本發明實施例的毛細管橫截面的結構示意圖；
圖1(b)是本發明實施例的光纖高溫傳感器的結構示意圖；
圖2(a)是本發明實施例的測量實驗裝置結構示意圖；
圖2(b)是本發明實施例的原始光譜；
圖3(a)是本發明實施例的光譜在不同溫度下的漂移圖；
圖3(b)是本發明實施例的傳感器的波長與溫度關係；
圖中，1-輸入光纖，2-毛細管，3-輸出光纖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
如圖1(a)和圖1(b)所示，本發明實施例的基於毛細管結構的光纖高溫傳感器，包括毛細管2，毛細管2兩端設置有輸入光纖1和輸出光纖3；如圖2(a)所示，光纖高溫傳感器的輸入端通過輸入光纖1與光源相連，輸出端通過輸出光纖3與光譜儀相連，輸入光纖1和輸出光纖3均為單模光纖；毛細管2的內徑為75μm，外徑為125μm，長度為10～50mm；當檢測區域的環境溫度發生變化時，毛細管2中每個透射峰的波長發生相應改變，通過光譜儀檢測透射峰波長的變化實現對溫度變化的檢測。
輸入光纖1、輸出光纖3和毛細管2外徑相同，且光纖纖芯正對毛細管中心，三者之間通過對芯熔接的方式進行熔接。毛細管2的材料為石英或藍寶石。輸入光纖1和輸出光纖3的外包層直徑為125μm，纖芯直徑為8μm。
在本發明的另一個具體實施例中，毛細管橫截面有內外兩層，內徑75μm，外徑125μm。所用單模光纖為標準單模光纖，外包層直徑125μm，纖芯直徑8μm。該傳感器結構包括輸入光纖、輸出光纖以及毛細管結構。從光源發出的光經過單模光纖傳輸到毛細管中，會在毛細管的包層中形成反諧振反射效應，從而在透射光譜中產生多個透射峰。當毛細管所處的環境的溫度發生改變時，每個透射峰的波長位置會發生相應的改變，通過監測光譜儀上的透射峰波長可以實現對溫度的測量。
本發明實施例的基於毛細管結構的光纖高溫傳感器的製備方法，包括以下步驟：
S1、毛細管預處理：選取一根毛細管，其內徑為75μm，外徑為125μm，使用刀片去除掉毛細管的塗覆保護層，並用酒精擦拭毛細管表面以除去塗覆層殘留物；使用光纖切割刀將毛細管的一端切平整，然後間隔10～50mm的距離，切割出另一個平整的端面；
S2、熔接單模光纖：使用光纖熔接機的手動操作功能，將輸入端和輸出端的單模光纖的纖芯與毛細管的中心手動對齊；設置光纖熔接機的熔接參數為：放電強度20單位，放電時間700ms，將預處理後的毛細管與單模光纖進行熔接得到光纖高溫傳感器。
在本發明的另一個具體實施例中，該光纖高溫傳感器的製作方法包括以下步驟：
一、毛細管預處理。選取一端毛細管，使用刀片去除掉毛細管的塗覆保護層，並用酒精擦拭毛細管表面以除去塗覆層殘留物。使用光纖切割刀將毛細管的一端切平整，然後在離該端面一段距離處切出另外一個平整的端面，具體的距離根據實際需要而定，這裡我們選取13mm。
二、和普通單模光纖的熔接。處理過的毛細管最後需要和單模光纖熔接起來，包括輸入單模光纖和輸出單模光纖。熔接使用光纖熔接機的手動操作功能來完成。由於單模光纖和毛細管的直徑不同，手動對準時要保證兩者的纖芯正對著，防止錯位造成多模幹涉。熔接參數設置為放電強度20單位，放電時間700ms，將處理過的毛細管的兩端都按上述要求熔接上單模光纖即完成傳感器的製作。
使用該光纖高溫傳感器進行溫度測量的應用過程為：
將器件兩端的單模光纖分別接上光源和光譜儀就會得到圖2(b)中的原始光譜圖。當高溫傳感器用於測量溫度時，將器件的探頭部分即毛細管部分，放置在溫度變化的環境中(高溫管式爐)。當管式爐中的溫度發生變化時，器件的光譜的會相應的產生變化，光譜的中透射峰的波長位置會隨著溫度的增加而發生紅移。如圖3(a)和圖3(b)所示，通過監測光譜上波長的變化，就可以獲得溫度信息。在整個測量溫度的過程中，光譜的溫度響應表現得比較線性，其測量靈敏度為20pm/℃。測量溫度由以下表達式給出：
T測量＝T初始+Δλ漂移/20
T初始是初始溫度值，Δλ漂移是波長漂移值。
應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。