一种超耐高温光纤光栅温度传感器及信号解调方法技术

本发明专利技术公开了一种超耐高温光纤光栅温度传感器及信号调解方法，包括基片、基管、盖片以及刻写有耐高温光纤光栅的光纤，所述基片上设置有凹槽，所述刻写有耐高温光纤光栅的光纤置于凹槽中，且耐高温光纤光栅两端的尾纤分别与基片的两端固定，所述基片设置于基管中，且基片的两端与基管的内壁固定，所述基管的外壁或内部设置有隔热层，所述基管的两端设置有盖片，且盖片上设置有用于出纤的孔。本发明专利技术先对耐高温FBG进行管式封装，并在基管内部或外部添加隔热层，以减缓传热速度，使传感器内部温度低于外界温度，同时配合一种信号解调方法，通过对传感器温升曲线进行拟合、求导等方法，在传感器内部与外界环境温度达到一致之前就推导得出待测温度。推导得出待测温度。推导得出待测温度。

【技术实现步骤摘要】
一种超耐高温光纤光栅温度传感器及信号解调方法


[0001]本专利技术属于光纤光学和传感器领域，具体涉及一种超耐高温光纤光栅温度传感器及信号解调方法。

技术介绍

[0002]光纤布拉格光栅(FBG)体积小，易于制造，与其他光纤器件兼容性好且价格低廉，被广泛用于光网络、波分复用系统和光纤传感器中。由于FBG的自身优势，因此其在土木结构、航空航天、船舶工业、输油管道、油气井和核反应堆等领域有着广泛的应用。
[0003]传统的光纤光栅温度传感器需要传感器内部与外界环境温度达到一致，才可以测得外界环境温度，因此无法测量超越传感器本身耐温的温度。市面上现有的光纤光栅温度传感器，一般采用由紫外光刻写的光纤光栅，封装采用树脂胶粘的方法，只适用于300℃以下的环境。即使是采用由飞秒激光在石英光纤中刻写的Type
‑
II型光栅的光纤光栅传感器，其耐受温度也仅为1000℃，即Type
‑
II型光栅耐受温度。此外，传感器响应速度也受限于所使用的封装材料或结构。因此，目前没有可以测量超越光纤光栅本身耐受温度上限的、快响应速度的光纤光栅温度传感器。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种超耐高温光纤光栅温度传感器及信号解调方法，以克服现有技术存在的缺陷，本专利技术先对耐高温FBG进行管式封装，并在基管内部或外部添加隔热层，以减缓传热速度，使传感器内部温度低于外界温度，同时配合一种信号解调方法，通过对传感器温升曲线进行拟合、求导等方法，在传感器内部与外界环境温度达到一致之前就推导得出待测温度。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种超耐高温光纤光栅温度传感器，包括基片、基管、盖片以及刻写有耐高温光纤光栅的光纤，所述基片上设置有凹槽，所述刻写有耐高温光纤光栅的光纤置于凹槽中，且耐高温光纤光栅两端的尾纤分别与基片的两端固定，所述基片设置于基管中，且基片的两端与基管的内壁固定，所述基管的外壁或内部设置有隔热层，所述基管的两端设置有盖片，且盖片上设置有用于出纤的孔。
[0007]进一步地，所述的隔热层采用包覆在基管外壁的隔热材料、涂覆在基管外壁的隔热涂料、涂覆在基管内壁的隔热涂料、设置在基管内侧的真空区域中的一种或多种组合。
[0008]进一步地，所述隔热材料采用石棉布、玻璃纤维布、陶瓷纤维纸或陶瓷隔热瓦，所述隔热涂层采用热障涂层。
[0009]进一步地，所述基管为金属管、陶瓷管或石英管。
[0010]进一步地，所述刻写有耐高温光纤光栅的光纤的材质为石英或蓝宝石，刻写有耐高温光纤光栅的光纤表面设置有涂层或无涂层。
[0011]进一步地，当刻写有耐高温光纤光栅的光纤表面设置有涂层时，所述涂层为丙烯
酸酯涂层、聚酰亚胺涂层、铜涂层或金涂层。
[0012]进一步地，所述耐高温光纤光栅两端的尾纤分别与基片的两端采用耐高温胶或者激光焊接固定；所述基片的两端与基管的内壁通过耐高温胶或者激光焊接固定。
[0013]进一步地，所述耐高温光纤光栅为超短飞秒脉冲激光器刻写的Type I型、Type II型，或者是利用长脉冲激光器刻写的再生光栅。
[0014]一种超耐高温光纤光栅温度传感器的信号解调方法，包括以下步骤：
[0015]1)对传感器进行温度标定，得到传感器的温度
‑
波长曲线，根据具体情况，对该温度
‑
波长曲线进行一次或高次多项式拟合，得到关系式λ＝f(K)，其中λ为传感器中耐高温光纤光栅的波长，K为外界环境温度；
[0016]2)采集传感器的温升曲线，并对该温升曲线进行光滑处理，处理后的数据即为样本数据；
[0017]3)取样本数据前端线性度>0.99的一段曲线进行线性拟合，其斜率即
[0018]4)将样本数据中传感器的温度K0′
和外界环境的温度K
′
做差，构成基于样本数据的温差(K0′‑
K
′
)，与上述斜率一起代入到公式一起代入到公式中，求得不同外界温度对应的系数A；
[0019]5)对不同外界温度下的系数A进行拟合，将拟合后的系数A带入公式建立起光纤光栅温度传感解调模型，即不同外界温度下的公式其中K0为实际测得的传感器温度，为实际测得的温升曲线斜率，K为待求的外界环境温度；
[0020]6)对光纤光栅温度传感解调模型进行测试，以均方根误差作为评判标准，若均方根误差≤10，则说明建立的模型是有效的；若均方根误差>10，则重复上述步骤直至均方根误差≤10；
[0021]7)利用有效的光纤光栅温度传感解调模型进行温度预测。
[0022]进一步地，步骤7)具体为：将传感器放入待测环境中，采集其温升曲线，将温升曲线中各点的斜率、温度带入到步骤6)测试有效的光纤光栅温度传感解调模型中，即输出待测温度。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0024]本专利技术通过对耐高温光纤光栅进行管式封装，并在管内、管外添加隔热层，形成一种超耐高温光纤光栅温度传感器，再通过对温升曲线进行拟合、求导等步骤对其波长信号进行处理，形成一种针对上述传感器的信号解调方法。本专利技术基于在封装基管内、外添加隔热层的方式延长了光纤光栅在超越本身耐受温度上限的高温环境中的工作时间，基于热力学公式推导的方式解决了传统的光纤光栅温度传感器因封装材料与结构导致响应速度慢的问题，并且配合上述隔热型传感器解决了传统的传感器无法实现超越自身温度上限的温度测量的问题。
[0025]进一步地，本专利技术不同于传统的光纤光栅温度传感器采用导热性好的结构与材料，而是采用导热性差的结构或隔热材料来延缓外界温度向传感器内部传递的速度，以实
现在外界环境温度超越传感器耐受温度的情况下，传感器内部温度尽可能长时间的维持在耐受温度以内。并通过使用热力学公式与传感器标定数据建立起信号解调模型，可以实现在传感器内部温度还未达到外部待测温度之前，就推导得出传感器内外温度平衡后的温度，实现快响应传感，弥补因添加隔热层带来的响应速度慢的影响。基于上述的隔热层与信号解调方法，来实现超越传感器耐受温度上限的快响应温度传感。
附图说明
[0026]说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0027]图1是实施例1基于管外包裹玻璃纤维布的超耐高温光纤光栅传感器结构主视图；
[0028]图2是实施例1基于管外包裹玻璃纤维布的超耐高温光纤光栅传感器结构俯视图；
[0029]图3是实施例1基于管外包裹玻璃纤维布的超耐高温光纤光栅传感器结构侧视图；
[0030]图4是实施例2基于管内热障涂层的超耐高温光纤光栅传感器结构主视图；
[0031]图5是实施例2基于管内热障涂层的超耐高温光纤光栅传感器结构俯视图；
[0032]图6是实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超耐高温光纤光栅温度传感器，其特征在于，包括基片(2)、基管(4)、盖片(3)以及刻写有耐高温光纤光栅(1)的光纤，所述基片(2)上设置有凹槽，所述刻写有耐高温光纤光栅(1)的光纤置于凹槽中，且耐高温光纤光栅(1)两端的尾纤分别与基片(2)的两端固定，所述基片(2)设置于基管(4)中，且基片(2)的两端与基管(4)的内壁固定，所述基管(4)的外壁或内部设置有隔热层，所述基管(4)的两端设置有盖片(3)，且盖片(3)上设置有用于出纤的孔。2.根据权利要求1所述的一种超耐高温光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述的隔热层采用包覆在基管(4)外壁的隔热材料、涂覆在基管(4)外壁的隔热涂料、涂覆在基管(4)内壁的隔热涂料、设置在基管(4)内侧的真空区域中的一种或多种组合。3.根据权利要求2所述的一种超耐高温光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述隔热材料采用石棉布、玻璃纤维布、陶瓷纤维纸或陶瓷隔热瓦，所述隔热涂层采用热障涂层。4.根据权利要求1所述的一种超耐高温光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述基管(4)为金属管、陶瓷管或石英管。5.根据权利要求1所述的一种超耐高温光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述刻写有耐高温光纤光栅(1)的光纤的材质为石英或蓝宝石，刻写有耐高温光纤光栅(1)的光纤表面设置有涂层或无涂层。6.根据权利要求5所述的一种超耐高温光纤光栅温度传感器，其特征在于，当刻写有耐高温光纤光栅(1)的光纤表面设置有涂层时，所述涂层为丙烯酸酯涂层、聚酰亚胺涂层、铜涂层或金涂层。7.根据权利要求1所述的一种超耐高温光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述耐高温光纤光栅(1)两端的尾纤分别与基片(2)的两端采用耐高温胶或者激光焊接固定；所述基片(2)的两端与基管(4)的内壁通过耐高温胶或者激光焊接固定。8.根据权利要求1所述的一种超耐高温光纤光栅温度传感器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：司金海，牛潇，陈涛，李颖捷，侯洵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：