应变隔绝的布拉格光栅温度传感器制造技术

应变隔绝的布拉格光栅温度传感器包括一个包含一具有至少一个放置在那里的布拉格光栅（１２）的光纤的光学敏感元件（２０，６００）和／或一个具有内芯和一个宽覆层和具有一个放置于此的光栅（１２）的大尺寸波导光栅（６００），它对于温度敏感但是对于由纤维或其他效应引起的在元件上的应变不敏感。光（１４）入射在光栅（１２）上，光（１６）入射在光栅（１２）上而光（１６）以反射波长λ１被反射。敏感元件（２０，６００）的形状可以是其他几何形状和／或可以使用多个同心管或可以使用多个光栅或对光栅或可以使用多个光纤或光学内芯。该元件（１５０，１５２）的至少一部分可以掺杂在一对光栅（１５０，１５２）之间以形成一个温度可调激光器或该光栅（１２）或光栅（１５０，１５２）可以被构置为一个温度可调ＤＦＢ激光器。还有，该元件可以分别具有一个内部或外部锥形区域（２２，２７）以为光纤（１０）提供应力释放和／或附加的拉力强度。还有，光纤（１０）和管（２０）可以具有不同系数的热扩散以增强敏感度。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

这个专利技术涉及光纤光栅，并且更具体而言涉及包在管中应变隔绝的光纤光栅温度传感器。
技术介绍
在纤维光学的技术中已知嵌入在光纤中的布拉格光栅可以被埋置在结构中并被用于检测诸如结构的温度和/或胁度等参数，例如在Moltz等的题为“分布的空间分辨光纤应变计”的4,806,012号美国专利和Morey的题为“分布多路的光纤布拉格光栅传感器装置”的4,996,419号美国专利中被描述的。还已经知道归因于折射率和光栅间距在温度范围内的改变光栅12的反向波长λ随温度改变(Δλ/ΔT)，例如在Morey等的题为“含有布拉格滤波器温度补偿的光波导管器件”的5,042,898号美国专利中被描述的。然而，当光纤光栅被用于只测量温度而且未被嵌入或被耦合或附着到被监测的整个结构时，光纤和光栅上的任何应变都引起光栅反射波长的改变，它能导致在光栅温度测量上的不准确。专利技术概述本专利技术的目的包括光纤光栅温度传感器的提供，该传感器使光栅在光纤上呈现应变时能被用作温度传感器。根据本专利技术应变隔绝的纤维光学温度传感器，包含具有至少0.3mm的外部横向线度并具有至少一个被配置在那里的反射元件的光学敏感元件，反射元件具有反射波长；附着到敏感元件的至少一个轴向终端的光纤；至少一部分敏感元件具有连接的并且基本上由相同材料制成的横向截面；并且反射波长的改变归因于敏感元件在温度上的变化而不归因于在光纤上的应变。进一步根据本专利技术，敏感元件包含具有反射元件被嵌入在那里的光纤；具有光纤及反射元件被包装在其中的管子，管子被熔合到光纤的至少一部分。另外根据本专利技术，敏感元件包含具有外包壳及配置在其中内芯的大直径光波导管，并具有被配置在那里的反射元件。另外根据本专利技术，敏感元件包含沿着管子的纵轴被熔合到至少一部分光纤的管子；具有外包壳及被配置在其中内芯的大直径的光波导管；并且管和波导管被轴向熔合并在光学上被耦合在一起，而反射元件或被嵌入光纤并被包装在管中或被配置在光波导管中。进一步根据本专利技术，敏感元件由玻璃材料制成。本专利技术提供被配置在光学敏感元件中的布拉格光栅，该元件包括熔合到玻璃毛细管的至少一部分的光纤(“包在管中的光纤/光栅”)和/或具有光芯及宽阔包壳的大直径的波导管光栅，它能检测温度变化但对由光纤或其他作用所引起的在元件上的应变基本上不敏感(或基本上被隔绝)。元件可以由玻璃材料制成。并且，它使光栅将能隔绝于光纤上在别处的应变。并且，一个或多个光栅，光纤激光器，或许多光纤或光芯可被配置在元件中。光栅或激光器可通过使管子被熔合到光纤被“包装”在管中，管和光纤的熔合在光栅区域内和/或在光栅区域相对的轴向终端邻近于光栅或距光栅预定距离处。光栅或激光器可在管内被熔合或部分在管内或熔合到管的外表面。并且，一个或多个包在波导管和/或管中的光纤/光栅可被轴向熔合以构成敏感元件。另外，本专利技术可被用作单独的传感器或用作多个分布多路传感器，并且，本专利技术可以是直通的设计或非直通的设计。本专利技术可被使用在苛刻的环境中，例如在油和/或气井、引擎、燃烧室等中。例如，本专利技术可以是能够在高温(＞150℃)运行的全玻璃传感器。本专利技术还将在不依赖于环境类型的其他用途中工作得同样好。本专利技术的上述和其他目的、性能及优点借助以下其示范性实施例的详述将变得更加清楚。附图简述附图说明图1是根据本专利技术的包在管中的光纤光栅温度传感器的侧视图。图2是根据本专利技术的具有多于一个围绕光栅的管子的包在管中的光纤光栅温度传感器的侧视图。图3是根据本专利技术的包在管中的光纤光栅温度传感器的侧视图，其中管子被熔合在光栅区域相对的轴向终端。图4是根据本专利技术的可替换的包在管中的光纤光栅温度传感器的侧视图，其中管子被熔合在光栅区域相对的轴向终端。图5是根据本专利技术的具有多于一个光栅被包在管中的管包光纤光栅温度传感器的侧视图。图6是根据本专利技术的借助公用光纤串联的独立的管子中多个管包光纤光栅温度传感器的侧视图。图7是根据本专利技术的包在公用管子中两根独立光纤上两个光纤光栅的温度传感器的侧视图。图8是根据本专利技术的图7的实施例的端视图。图9是根据本专利技术的在包在公用管子中隔开距离的两根独立光纤上两个光纤光栅的湿度传感器的端视图。图10是根据本专利技术的包在管中的光纤光栅温度传感器侧视图，其中管子仅被熔合到遍及光栅长度的光纤。图11是根据本专利技术的具有可调谐的分布反馈(DFB)光纤激光器被包在管中的管包光纤光栅温度传感器的侧视图。图12是根据本专利技术的具有光栅被配置在其中的大直径的光波导管的侧视图。实现本专利技术的最佳方式参看图1，应变隔绝的布拉格光栅温度传感器包含已知的光波导管10，例如具有被外加(或被嵌入或被压印)在光纤10中的布拉格光栅12的标准的电信单模光纤。光纤10具有约125微米的外径并且包含具有适当的如已知掺杂物的石英玻璃(SiO2)，以使光线14能沿光纤10传播。如已知的，光栅12是在光波导管的有效折射率和/或有效光吸收系数上的周期性或非周期性的变化，例如类似于在Glenn等的题为“用于把光栅引用到纤维光学的方法”的4,725,110号和4,807,950号美国专利，以及Glenn的题为“用于在光纤中形成非周期性光栅的方法和装置”的5,388,173号美国专利中所描述的，它们特此引入供需要理解本专利技术在可能范围内参考。然而，如果需要，被嵌入、腐蚀、压印或用其他方法形成在光纤28上的任何波长可调谐光栅或反射元件可被使用。作为在这里被使用的，术语“光栅”是指任何这种反射元件。另外，反射元件(或光栅)12可被使用在光的反射和/或传播中。如果需要，对于光纤或波导管10其他材料和线度可被采用。例如，光纤10可由任何玻璃，例如石英，磷酸盐玻璃或其他玻璃制成，或由玻璃和塑料，或单独由塑料制成。对于高温的用途，光纤由玻璃材料制成是需要的。并且，光纤10可具有80微米的外径或其他的直径。另外，替代着光纤，任何光波导管可被使用，例如，多模的、双折射的、保持极化的、偏振的、多芯的或多包壳的光波导管，或平直的或平面的波导管(其中波导管是矩形的)，或其他的波导管。作为在这里被使用的术语“光纤”包括上面描述的波导管。光线14入射到光栅12上，光栅从那里反射如用线16所表明的具有中心在反射波长λb的预定的光的波长带的一部分，并且传递入射光的剩余的波长(在预定的波长范围内)，如由线18所表明。具有光栅12在其中的光纤10被包装在并被熔合到圆柱形玻璃毛细管20的至少一部分(在下文再被讨论)。管子20具有约3mm的外径d1及约10mm的长度L1。光栅12具有约5mm的长度Lg。另一方面，管20的长度L1可基本上与光栅12的长度Lg相同，例如借助使用较长的光栅，或较短的管子。对管20和光栅12，其他的线度和长度也可被采用。并且光纤10和光栅12不需要被熔合在管20的中央而可被熔合在管20中任何地方。并且，管20不需要遍及管的全部长度被熔合到光纤10。管20由玻璃材料制成，例如天然或人工合成的石英、石英玻璃、二氧化硅(SiO2)、科宁公司的Pyrex玻璃(硼硅酸盐)、科宁公司的Vycor玻璃(约95％的二氧化硅和5％的其他组分，如氧化硼)、或其他玻璃。管子应当由这样的材料制成以使管20(或者管20中镗孔的内径表面)能被熔合到(即生成分子结合或熔化在一起与)光纤10的外表面(或本文档来自技高网...

【技术保护点】
应变隔绝的光纤光学温度传感器，包含：具有至少０．３ｍｍ的外部横向线度并具有至少一个被配置在那里的反射元件的光学敏感元件，该反射元件具有反射波长；从该敏感元件的至少一个轴向终端退出的光纤；该敏感元件的至少一部分具有连接的并且基本上 由相同材料制成的横向截面；以及该反射波长的改变归因于该敏感元件在温度上的变化而改变不归因于在该光纤上的应变。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：CJ赖特，TJ拜利，MR菲尔纳尔德，JM沙利文，MA达维斯，JR敦菲，AD克西，MA普特纳姆，RN布鲁卡托，PE桑德尔斯，
申请(专利权)人：塞德拉公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]