[發明專利]一種一體化成型隧道用光纖光柵傳感器及其制作方法

有效

• 申請號: 202111458206.5
• 申請日: 2021-12-02
• 公開（公告）號: CN114353840B
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發明（設計）人: 熊良明;陳廣輝;黃敏;郝國昌;方勇;杭常東;陳禮庚
• 申請（專利權）人: 長飛光纖光纜股份有限公司;江西方興科技有限公司
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26;G01D5/353
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 胡琦旖

本發明屬于光纖傳感技術領域，公開了一種一體化成型隧道用光纖光柵傳感器及其制作方法。本發明采用經高溫退火處理得到的再生光纖光柵作為敏感元件，采用涂碳工藝制作涂碳光纖光柵，將涂碳光纖光柵置于熱壓模具內，并加入金屬?石墨復合材料進行熱壓，待熱壓結束后脫模得到一種嵌入金屬?石墨復合材料內部的涂碳光纖光柵傳感器。本發明提供的光纖光柵傳感器能夠適應隧道內高溫、高濕或者浸水環境，響應靈敏度更高，亦能更好抵御外界環境的侵蝕。

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，更具體地，涉及一種一體化成型隧道用光纖光柵傳感器及其制作方法。

背景技術

光纖光柵作為一種光纖無源器件，近三十年來發展迅速。光纖光柵傳感器具有無源無電、抗電磁干擾、易于實現大規模分布式網絡測量等優點，在航空航天、大型土木工程、石油化工等場合和強電磁場環境中得到廣泛應用。然而，在土木隧道工程實際應用中還存在很多問題需要深入研究，主要不足有以下幾點：

(1)對于普通光纖光柵，在超過200℃時光纖光柵反射率開始衰減，隨著溫度上升，光柵反射信號會逐漸變弱直至消失，即光柵被擦除，所以普通光纖光柵傳感器僅能在200℃以下使用。應用于隧道環境中時，隧道內部如果遇到火情，溫度肯定超過200℃，此時可能會出現傳感器信號太弱導致警報耽誤的情況。

(2)在制備光纖光柵傳感器時，通常會剝除光纖表面的有機涂覆層使用，裸露的光纖如果處在一個高濕度環境中容易斷裂，且容易受到機械損傷導致光纖表面產生裂紋，這樣就會大大降低光纖強度，因此光柵的密封封裝保護很有必要。現有的光纖光柵傳感器大多使用有機高分子膠水封裝，有機高分子膠水在高溫或者高濕度環境下易老化和蠕變，易老化就限制了傳感器的使用環境，蠕變則會影響測量數據的真實性和響應度。

鑒于以上幾點不足，為了實現在隧道這種較高溫度或者高濕度環境下傳感器的長期有效監測，如何改善上述不足之處是非常必要的。

發明內容

本發明通過提供一種一體化成型隧道用光纖光柵傳感器及其制作方法，解決現有技術中光纖光柵傳感器無法在隧道這種高溫或高濕環境下進行長期有效監測的問題。

本發明提供一種一體化成型隧道用光纖光柵傳感器的制作方法，包括以下步驟：

步驟1、對布拉格光纖光柵進行退火處理，得到再生光纖光柵；

步驟2、在所述再生光纖光柵的表面涂碳，得到涂碳光纖光柵；

步驟3、將所述涂碳光纖光柵放入熱壓模具內，并對其位置進行固定；

步驟4、在所述熱壓模具內加入金屬-石墨復合材料，將所述熱壓模具放入熱壓爐內進行熱壓；待熱壓結束后脫模得到一體化成型隧道用光纖光柵傳感器。

優選的，所述步驟1中，退火溫度為850-900℃，退火時間為30-60min。

優選的，所述步驟2中，利用化學氣相沉積工藝在所述再生光纖光柵的表面涂碳。

優選的，所述步驟3中，所述熱壓模具的兩側設有光纖引出保護裝置；所述熱壓模具的材料為耐高溫鐵基合金。

優選的，所述步驟4中，所述金屬-石墨復合材料采用鋁-石墨復合材料。

優選的，所述鋁-石墨復合材料中，石墨的摻雜質量分數在1％-5％之間；所述鋁-石墨復合材料的熱導系數為200～400W/m.K。

優選的，所述步驟4中，首先將所述熱壓爐抽真空，抽真空度為5～100Pa；然后以5～20℃/min的升溫速率升溫至600～750℃；所述熱壓爐保溫20～120min之后，對所述金屬-石墨復合材料進行燒結；待經過燒結的所述金屬-石墨復合材料自然冷卻后取出。