[發明專利]全金屬封裝的耐高溫光纖光柵傳感器及其制造方法

有效

• 申請號: 201210264642.3
• 申請日: 2012-07-27
• 公開（公告）號: CN102788603B
• 公開（公告）日: 2016-02-24
• 發明（設計）人: 涂善東;徒蕓;齊一華;韓鵬;張顯程;軒福貞
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01K11/32
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪

技術領域

本發明涉及一種全金屬封裝的耐高溫光纖光柵傳感器及其制造方法。

背景技術

光纖傳感器是以光纖為媒介，用來檢測光在光纖中傳播時，因光纖的全 部或部分環節所在環境（物理量、化學量或生物量等）的變化帶來光傳輸特 性改變的裝置。光纖傳感器具有尺寸小、重量輕、精度和靈敏度高、抗電磁 干擾、抗輻射、耐腐蝕、防火、防爆、壽命長等優點而被廣泛應用于各行業。

光纖光柵傳感器是光纖傳感器的一種，屬于波長調制型光纖傳感器。光 纖光柵傳感器是通過光纖光柵所在環境（物理量、化學量或生物量）的變化 引起波長調制獲取傳感信息。基于波長編碼的光纖光柵傳感器，不僅具有光 纖傳感器的所有優點，還具有自參考，多物理量（溫度、應變、壓力等）同 時測量，波分復用，易與通信光纖熔接組成分布式傳感網絡、實現遠程傳輸 等優點，且可分布式的埋入材料中形成“智能材料”。目前光纖光柵傳感器已 經廣泛應用于土木、風電、復合材料等領域。

光纖布拉格光柵（fiberBragggrating，FBG）是最常見、應用最廣的一種 光纖光柵，其折射率呈周期性調制分布，且折射率調制深度與光柵周期均為 常數，光柵波矢方向與光纖軸線方向相一致。當一束光經過光纖光柵時，對 滿足布拉格相位匹配條件的光產生很強的反射，對不滿足布拉格相位匹配條 件的光只有微弱的部分被反射回來。由麥克斯韋經典方程和光纖耦合波理論 可得，當滿足相位匹配條件時，光纖光柵的布拉格波長λ_B為：

λ_B=2n_effΛ（1）

式中：n_eff為纖芯的有效折射率；Λ為光柵柵格周期。

由式（1）可知影響布拉格波長λ_B的因素主要為纖芯的有效折射率n_eff和光 柵柵格周期Λ，任何能夠引起Λ和n_eff變化的因素都能導致λ_B的改變。當光纖 光柵受到外界溫度或應力的作用時，溫度和應力分別通過熱光效應和彈光效 應影響n_eff，通過熱膨脹效應和彈性變形影響Λ，從而導致布拉格波長λ_B發生 變化。因此，通過檢測光纖光柵的布拉格波長λ_B的變化即可獲知溫度、應力 ／應變的變化，從而對被測構件進行實時監測。

迄今，光纖光柵傳感器在土木、風電、復合材料等領域的研究與應用比 較多，這些領域的構件表面粘貼或內部埋入光纖光柵傳感器相對較易，因為 這些構件材料成形過程和使用的溫度不高。然而在核電、火電、石油化工和 航空航天等領域，需要監測的金屬構件多處于高溫條件下，在這種情況下， 目前常用的光纖光柵傳感器存在著以下明顯不足：

（1）對于普通光纖光柵，在超過200℃時光柵反射率開始衰減，在680℃ 左右就會徹底“擦除”，所以普通光纖光柵傳感器僅能在200℃以下使用；

（2）在制備光纖光柵時，通常會剝除光纖表面的有機涂覆層，使光纖暴 露在潮濕環境中，且易受到機械損傷導致表面萌生裂紋，這都使得光纖的強 度大大降低，因此在寫入光柵后必須對其進行再涂覆封裝保護。而現有光纖 光柵傳感器的再涂覆封裝使用的主要是有機高分子材料，例如申請號為 201110135194.2的中國專利公開的一種金屬封裝的光纖光柵傳感器及其制作 方法。高分子材料容易老化和蠕變等特性制約了傳感器性能的發揮，更無法 在潮濕和高溫等惡劣環境中使用。當溫度高于正常使用溫度時，高分子材料 會軟化甚至分解，產生對石英光纖具有應力腐蝕作用的氫氣，加速石英光纖 的疲勞過程。當溫度高于400℃時，高分子材料徹底分解，使得光纖在惡劣 環境中失去保護，易受熱-機載荷作用導致表面萌生裂紋并隨時間緩慢擴展， 造成光纖強度降低并最終導致斷裂，難于實現對高溫設備的長期監測。

（3）現有光纖光柵傳感器和被測構件之間多采用有機粘合劑進行連接， 有機粘合劑會在測量中產生冗余，應變傳遞效率較低，線性度和可重復性較 差，長期可靠性差，并且隨著溫度的升高有機粘合劑加速老化，當溫度超過 250℃后大多數有機粘合劑開始軟化甚至分解，無法實現傳感器與高溫被測構 件的連接。

（4）由于光纖的主要成分是石英（SiO₂），其熱光系數和熱膨脹系數都比 較小，使得未經封裝的光纖光柵傳感器的溫度靈敏度較低。