CN110579287A - 一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器及测试方法。所述光纤传感器包括：单模光纤、第一热再生光纤光栅、第二热再生光纤光栅和毛细玻璃管；所述第一热再生光纤光栅和所述第二热再生光纤光栅均刻写在所述单模光纤的纤芯上，所述第一热再生光纤光栅和所述第二热再生光纤光栅之间有预设间距；所述毛细玻璃管套设在所述第二热再生光纤光栅的外部，所述毛细玻璃管的一端通过高温胶固定于所述第一热再生光纤光栅和所述第二热再生光纤光栅之间的单模光纤上。本发明能够实现温度、应变的区分测量。

Description

一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器及测试方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器及测试方法。

背景技术

高温应变测量是监测高超声速飞行器飞行时蒙皮健康状况的重要手段。但在高温应变测量中，由于高温环境的影响，试验件和应变计的材料属性会发生变化，会导致应变计的灵敏度系数、热输出和热滞后发生改变，从而影响应变测量精度。因此，高温对传感器及测试数据带来诸多影响，高温应变的测量便成为了测试的难点。

随着现代光纤通信技术的日益发展，光纤传感技术已经被人们广泛应用于传感领域。光纤传感技术可以实现组网，并能集信息传输和传感于一体，可有效解决常规检测技术难以胜任的测量问题。然而，使用光纤传感技术的光纤高温应变传感器仍然存在“温漂”现象，即输出信号在一定程度上随温度的变化而变化，因此，需要采取有效措施减小或消除传感器的温漂，实现温度、应变的区分测量。

热再生光纤光栅(Regenerated Fiber Bragg Grating，简称RFBG)是一种新型耐超高温光纤光栅，耐温高达1200℃以上，光谱宽度小，能与普通单模光纤进行匹配，基于以上优点RFBG成为了超高温检测中的首选。然而，现有技术中RFBG传感器仍然无法实现温度、应变的区分测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器及测试方法，能够实现温度、应变的区分测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感器包括：单模光纤、第一热再生光纤光栅、第二热再生光纤光栅和毛细玻璃管；

所述第一热再生光纤光栅和所述第二热再生光纤光栅均刻写在所述单模光纤的纤芯上，所述第一热再生光纤光栅和所述第二热再生光纤光栅之间有预设间距；所述毛细玻璃管套设在所述第二热再生光纤光栅的外部，所述毛细玻璃管的一端通过高温胶固定于所述第一热再生光纤光栅和所述第二热再生光纤光栅之间的单模光纤上。

优选地，所述第一热再生光纤光栅是刻写在所述单模光纤纤芯上的第一种子光栅经过热重生得到的光栅，所述第二热再生光纤光栅是刻写在所述单模光纤纤芯上的第二种子光栅经过热重生得到的光栅。

优选地，所述第一种子光栅的栅区长度与所述第二种子光栅的栅区长度相同；所述第一种子光栅的中心波长大于所述第二种子光栅的中心波长；所述第一种子光栅和所述第二种子光栅使用同一种刻写方式刻写在所述单模光纤的纤芯上。

优选地，所述毛细玻璃管的内径大于所述单模光纤的外径，所述毛细玻璃管的外径小于500μm。

优选地，所述高温胶为高温陶瓷胶。

本发明还提供了一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器的测试方法，所述测试方法包括：

从光纤传感器的反射光谱曲线上获得第一热再生光纤光栅的第一中心波长变化量和第二热再生光纤光栅的第二中心波长变化量；

根据第二中心波长变化量获得光纤传感器所在的环境的温度；

根据第一中心波长变化量和第二中心波长变化量，计算光纤传感器的应变，作为光纤传感器测量的物体的应变。

优选地，所述根据第二中心波长变化量获得光纤传感器所在的环境的温度，具体包括：

根据所述第二中心波长变化量，利用公式计算获得所述光纤传感器所在的环境的温度；

其中：T为所述光纤传感器所在的环境的温度，T₀为初始温度，ΔT为温度的变化量，K_T为所述第二热再生光纤光栅的温度灵敏度，Δλ₂为所述第二热再生光纤光栅的第二中心波长变化量。

优选地，所述根据第一中心波长变化量和第二中心波长变化量，计算光纤传感器的应变，具体包括：

根据所述第一中心波长变化量和所述第二中心波长变化量，利用公式计算获得所述光纤传感器的应变；

其中：ε为所述光纤传感器的应变，ε₀为初始应变，Δε为应变的变化量，Δλ₁为所述第一热再生光纤光栅的第一中心波长变化量，Δλ₂为所述第二热再生光纤光栅的第二中心波长变化量，K_ε为所述第一热再生光纤光栅的应变灵敏度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过毛细玻璃管封装第二热再生光纤光栅，使第二热再生光纤光栅只响应温度，而第一热再生光纤光栅同时响应温度和应变，根据第二热再生光纤光栅的第二中心波长变化量，结合公式精确推导出光纤传感器所在的环境的温度；根据第一热再生光纤光栅的第一中心波长变化量和第二热再生光纤光栅的第二中心波长变化量，结合公式精确推导出光纤传感器的应变，从而实现了温度、应变的区分测量。本发明具有制作简单、成本低、温度应变区分测量等优点，可作为一种用于高速飞行器蒙皮表面热应力监测技术，为飞行器的结构优化和选材提供可靠的参考数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器的温度和应变测量实验装置示意图；

图3为本发明实施例一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器温度、应变区分测量方法的流程图；

图4为本发明刻写有第一种子光栅和第二种子光栅的光纤传感器在室温下的反射光谱曲线图；

图5为本发明实施例一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器在室温下的反射光谱曲线图；

图6为本发明实施例一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器的温度响应图；

图7为本发明实施例一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器在900℃的应变响应图；

图8为本发明实施例一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器在900℃的拉力计验证光纤传感器应变测量精度的示意图；

附图标记说明：

图1-2中：1-单模光纤，2-第一热再生光纤光栅，3-高温胶，4-第二热再生光纤光栅，5-毛细玻璃管，6-玻璃管式炉，7-加热器，8-sm125光学解调仪，9-应变计，10-位移台，11-电脑，12-第一固定平台，13-第二固定平台，14-USB数据线。

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。

本发明的目的是提供一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器，能够对温度、应变区分测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器的结构示意图，如图1所示，本发明提供的光纤传感器包括：单模光纤1、第一热再生光纤光栅2、第二热再生光纤光栅4和毛细玻璃管5；

第一热再生光纤光栅2和第二热再生光纤光栅4均刻写在单模光纤1的纤芯上，第一热再生光纤光栅2和第二热再生光纤光栅4之间有预设间距，预设间距为20mm；毛细玻璃管5套设在第二热再生光纤光栅4的外部，毛细玻璃管5的一端通过高温胶3固定于第一热再生光纤光栅2和第二热再生光纤光栅4之间的单模光纤1上。

单模光纤1的型号为SMF-28，单模光纤1的纤芯直径为8.2μm，单模光纤1的包层直径为125μm，单模光纤1的长度大于40mm。

刻写在单模光纤1纤芯上的第一种子光栅经过热重生得到第一热再生光纤光栅2，第一种子光栅的栅区长度为10mm，第一种子光栅的中心波长为1552nm；刻写在单模光纤1纤芯上的第二种子光栅经过热重生得到第二热再生光纤光栅4，第二种子光栅的栅区长度为10mm，第二种子光栅的中心波长为1550nm；第一种子光栅和第二种子光栅使用同一种刻写方式刻写在单模光纤1的纤芯上，刻写方式包括飞秒激光器刻写、紫外激光器刻写。

毛细玻璃管5套设在第二热再生光纤光栅4的外部，毛细玻璃管5的内径为318μm，外径为449μm。

高温胶3为高温陶瓷胶，耐受温度高于1200℃。

如图3所示，本发明实施例提供的一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器的测试方法，具体包括以下步骤：

步骤301，从光纤传感器的反射光谱曲线上获得第一热再生光纤光栅的第一中心波长变化量和第二热再生光纤光栅的第二中心波长变化量，具体包括：

从光纤传感器的反射光谱曲线上直接读出光纤传感器响应温度和应变后的第一热再生光纤光栅2的第一中心波长和第二热再生光纤光栅4的第二中心波长；

利用第一中心波长减去第一热再生光纤光栅2在室温下的中心波长，获得第一热再生光纤光栅2的第一中心波长变化量Δλ₁；

利用第二中心波长减去第二热再生光纤光栅4在室温下的中心波长，获得第二热再生光纤光栅4的第二中心波长变化量Δλ₂；

步骤302，根据第二中心波长变化量获得光纤传感器所在的环境的温度，具体包括：

由于第二热再生光纤光栅4嵌套在毛细玻璃管5的内部，隔绝了应力的作用，仅受到温度的作用，所以根据第二中心波长变化量，利用公式可计算获得光纤传感器所在的环境的温度；其中：T为光纤传感器所在的环境的温度，T₀为初始温度，ΔT为温度的变化量，K_T为第二热再生光纤光栅的温度灵敏度，Δλ₂为第二热再生光纤光栅的第二中心波长变化量。

步骤303，根据第一中心波长变化量和第二中心波长变化量，计算光纤传感器的应变，作为光纤传感器测量的物体的应变，具体包括：

由于第一热再生光纤光栅2位于毛细玻璃管5的外部，同时受温度、应变双参量的作用，且根据第一热再生光纤光栅2与第二热再生光纤光栅4除中心波长大小不同其余完全相同的特征，可推断出第一热再生光纤光栅2与第二热再生光纤光栅4具有相同的温度扰动，即二者在同一温度作用下波长漂移量相同，所以利用第一热再生光纤光栅2受温度、应变双参量作用的第一中心波长变化量Δλ₁，剔除第二热再生光纤光栅4只受温度作用的第二中心波长变化量Δλ₂，再结合公式计算获得光纤传感器的应变；

其中：ε为光纤传感器的应变，初始应变ε₀为0，Δε为应变的变化量，Δλ₁为第一热再生光纤光栅2的第一中心波长变化量，Δλ₂为第二热再生光纤光栅4的第二中心波长变化量，K_ε为第一热再生光纤光栅2的应变灵敏度。

光纤传感器区分测量温度、应变的具体测试方法如下：

测试装置如图2所示，将基于单毛细玻璃管封装光纤传感器放置于玻璃管式炉6的中心位置，以确保光纤传感器受热均匀，玻璃管式炉6的加热区域长度为200mm，玻璃管式炉6固定于加热器7中，光纤传感器左端的单模光纤1与波长分辨率为1pm的sm125光学解调仪8的一端连接，sm125光学解调仪8的另一端通过USB数据线14与电脑11连接，第一热再生光纤光栅2左端的单模光纤1通过环氧树脂胶固定于位移台10上，毛细玻璃管5通过环氧树脂胶固定于应变计9上，应变计9固定于第一固定平台12上，位移台10固定于第二固定平台13上，应变计9与位移台10保持同一高度，确保光纤传感器在一个平面内移动。

测试原理为sm125光学解调仪8发出宽带光，该宽带光通过第一热再生光纤光栅2左端的单模光纤1传入光纤传感器，光纤传感器反射宽带光，反射的宽带光通过第一热再生光纤光栅2左端的单模光纤1传入sm125光学解调仪8，sm125光学解调仪8将接收到的反射宽带光解调成反射宽带光的反射光谱曲线，sm125光学解调仪8通过USB数据线14将反射光谱曲线传输给电脑11进行显示。

测试实验的过程如下：

记录光纤传感器在室温下的反射光谱曲线，如图5所示。

将安装有玻璃管式炉6的加热器7的温度以100℃为单位从室温增加到1000℃，每一个温度点保持10分钟以确保玻璃管式炉6中温度均匀分布，光谱稳定后每100℃记录一次数据，则可获得温度响应谱线，如图6所示。

当加热器7的温度加热到500℃时，以100℃为单位从500℃增加到900℃，每一个温度点对光纤传感器进行一次应变测试，施加应变之前，每一个温度点保持10分钟以确保玻璃管式炉中温度均匀分布。使用应变计9调整好光纤传感器的应变初始状态，在每一恒定温度下，控制位移台10使光纤传感器的位移以每步100με的大小从0με增加到1000με，然后再以每步100με的大小减少到0με，则可获得第一热再生光纤光栅2在每一个温度点的应变响应谱线；温度在900℃时的第一热再生光纤光栅2的应变响应谱线如图7所示。

测试结果：如图5所示，从光纤传感器在室温下的反射光谱曲线上直接读出第一热再生光纤光栅2在室温下的中心波长和第二热再生光纤光栅4在室温下的中心波长。与图4中第一种子光栅的中心波长和第二种子光栅的中心波长相比，第一热再生光纤光栅2的中心波长和第二热再生光纤光栅4的中心波长均发生了变化。

如图6所示，根据第一热再生光纤光栅2的线性拟合可得线性拟合公式为y＝1548.72374+0.01771x，线性度大于0.99，第一热再生光纤光栅2的温度灵敏度为17.71pm/℃；根据第二热再生光纤光栅4的线性拟合可得线性拟合公式为y＝1546.6357+0.01729x，线性度大于0.99，第二热再生光纤光栅4的温度灵敏度K_T为17.29pm/℃。从图6中可看出，随着温度的升高，波长向长波方向移动，但强度不变；这种光谱随温度的漂移效应主要是由光纤光栅的热膨胀效应和热光效应引起的。

如图7所示，根据第一热再生光纤光栅2的线性拟合可得线性拟合公式为y＝1564.69521+0.0016x，线性度大于0.99，第一热再生光纤光栅2的应变灵敏度K_ε为1.6pm/με，应变灵敏度为裸热再生光纤光栅的1.6倍左右，同时提高了光纤传感器的应变灵敏度。

如图8所示，第一热再生光纤光栅2的中心波长随应变的变化趋势与第一热再生光纤光栅2的中心波长随拉力的变化趋势一致，验证了本发明实施例一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器可以精确测量应变响应。

本发明实施例一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器及测试方法，能够实现温度、应变的区分测量。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感器包括：单模光纤、第一热再生光纤光栅、第二热再生光纤光栅和毛细玻璃管；

所述第一热再生光纤光栅和所述第二热再生光纤光栅均刻写在所述单模光纤的纤芯上，所述第一热再生光纤光栅和所述第二热再生光纤光栅之间有预设间距；所述毛细玻璃管套设在所述第二热再生光纤光栅的外部，所述毛细玻璃管的一端通过高温胶固定于所述第一热再生光纤光栅和所述第二热再生光纤光栅之间的单模光纤上。

2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一热再生光纤光栅是刻写在所述单模光纤纤芯上的第一种子光栅经过热重生得到的光栅，所述第二热再生光纤光栅是刻写在所述单模光纤纤芯上的第二种子光栅经过热重生得到的光栅。

3.根据权利要求2所述的光纤传感器，其特征在于，所述第一种子光栅的栅区长度与所述第二种子光栅的栅区长度相同；所述第一种子光栅的中心波长大于所述第二种子光栅的中心波长；所述第一种子光栅和所述第二种子光栅使用同一种刻写方式刻写在所述单模光纤的纤芯上。

4.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述毛细玻璃管的内径大于所述单模光纤的外径，所述毛细玻璃管的外径小于500μm。

5.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述高温胶为高温陶瓷胶。

6.一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：

从光纤传感器的反射光谱曲线上获得第一热再生光纤光栅的第一中心波长变化量和第二热再生光纤光栅的第二中心波长变化量；

根据第二中心波长变化量获得光纤传感器所在的环境的温度；

根据第一中心波长变化量和第二中心波长变化量，计算光纤传感器的应变，作为光纤传感器测量的物体的应变。

7.根据权利要求6所述的光纤传感器的测试方法，其特征在于，所述根据第二中心波长变化量获得光纤传感器所在的环境的温度，具体包括：

根据所述第二中心波长变化量，利用公式计算获得所述光纤传感器所在的环境的温度；

其中：T为所述光纤传感器所在的环境的温度，T₀为初始温度，ΔT为温度的变化量，K_T为所述第二热再生光纤光栅的温度灵敏度，Δλ₂为所述第二热再生光纤光栅的第二中心波长变化量。

8.根据权利要求6所述的光纤传感器的测试方法，其特征在于，所述根据第一中心波长变化量和第二中心波长变化量，计算光纤传感器的应变，具体包括：

根据所述第一中心波长变化量和所述第二中心波长变化量，利用公式计算获得所述光纤传感器的应变；

其中：ε为所述光纤传感器的应变，ε₀为初始应变，Δε为应变的变化量，Δλ₁为所述第一热再生光纤光栅的第一中心波长变化量，Δλ₂为所述第二热再生光纤光栅的第二中心波长变化量，K_ε为所述第一热再生光纤光栅的应变灵敏度。