蓝宝石光纤光栅高温传感器研究进展与发展趋势(特邀)

在高速飞行器、航空发动机、核反应堆等国防安全和国民经济的重要领域,需要实现1800 ℃以上的高温原位测量。常规石英光纤传感器受限于材料特性,无法在1000 ℃以上高温环境中长期稳定使用。单晶蓝宝石光纤具有极高的熔点（2053 ℃）和较低的传输损耗,是一种良好的高温传感材料。在单晶蓝宝石光纤内部刻写布拉格光栅,可以研制出蓝宝石光纤光栅传感器,具有耐温性能好、测量精度高、便于多点测量等优点,是当前最具发展前景的新型高温传感器件。首先介绍了蓝宝石光纤光栅高温传感器的工作原理和理论模型,接着介绍了利用飞秒激光制备蓝宝石光纤光栅的三种主流技术,包括相位掩模板扫描法、双光束干涉法、直写法,并从制备效率、光谱质量等方面比较了三种技术的优劣,指出飞秒激光直写法是制备蓝宝石光纤光栅高温传感器的最佳手段;然后介绍了蓝宝石光纤光栅的光谱优化方法,包括如何减小光栅光谱带宽和如何降低光谱噪声;进一步介绍了蓝宝石光纤光栅的高温传感特性、封装工艺及高温温度、应变传感应用;最后展望了蓝宝石光纤光栅传感器的未来发展趋势。蓝宝石光纤光栅高温传感器的快速发展和大规模推广应用,必将有助于解决当前我国航空航天、核电等领域重大装备结构健康监测的卡脖子难题。     

高温光纤传感器传感头材料

热辐射高温光纤传感器是以光纤纤芯的热点所产生的黑体辐射现象为基础来传感温度的一种器件,对于传感器而言关键的是传感头材料。通过对热辐射测温原理进行理论分析,并简单阐述了高温光纤传感器的工作原理及传感头材料的特点,进而提出了三种高温传感头材料,并对其材料的结构和性能进行了深入的研究,特别是用于超高温测试的氧化锆晶体传感头材料。     

高温光纤传感器应用分析

高温光纤传感器在现代各个领域中应用广泛,解决了传统光纤传感器在高温下无法稳定工作的问题。文章对高温光纤传感器的工作原理进行了简述,介绍了其完成热结构温度和应变测试的运行机理,分别介绍了以高温光纤传感器检测飞机进气口温度和排除过山车安全隐患的应用实例,说明了其性能上的优势。     

基于蓝宝石光纤的黑体腔瞬态高温传感器设计

介绍了一种将接触式和非接触式相结合的蓝宝石光纤黑体腔瞬态高温高温传感器,从黑体腔制作和微光信号探测方面进行了详细分析,最后给出了实验结果.实验结果表明,由于采用新型光电探测器和膜层材料,大大提高了传感器的测温范围和信噪比.该高温传感器的测试范围上限大于2 000℃,响应时间小于100 ms,能够满足科研和工业生产中特殊环境下的温度测量.     

基于BOTDA的分布式光纤高温传感研究（特邀）

基于布里渊光时域分析（Brillouin optical time-domain analysis, BOTDA）测量技术分别研究了单模光纤、光子晶体光纤和镀金光纤在1100 ℃、1200 ℃和1000 ℃的高温传感特性,通过对石英光纤的布里渊频移（Brillouin frequency shift, BFS）跳跃现象和涂覆层燃烧现象进行研究,指出石英光纤均需要退火才能够达到热稳定状态。退火后,三种光纤的布里渊频移随温度呈非线性变化。其中,单模光纤和光子晶体光纤高温状态下涂覆层气化,二氧化硅发生晶化导致其机械强度大幅下降,因此仅能作为一次性高温传感器;镀金光纤由于金涂层具有较高的熔点和良好的气密性,高温退火后仍然能够保持良好的机械强度,因此可以作为一种重复使用的高温传感器。该研究有望为高温传感应用（如涡轮发动机内部温度监测）提供一种技术参考。     

高温蓝宝石光纤温度传感器校准测试系统研究

为满足高温蓝宝石光纤温度传感器的标定和测试需要,分析了传感器的测量结构和标定原理,设计了一套基于氧乙炔高温综合测试平台和上位机测试应用软件的标定测试系统。试验结果表明,该系统能够实现传感器在多温度下的标定,并能模拟真实测温方式进行测试试验,具有较好的可靠性和稳定性。     

基于MPCF-FPI和LPFG的高温-应变区分测量

提出并研制了一种结构简单、成本低廉的全光纤型高温-应变组合传感器,其结构是在具有微气泡腔的在线型Fabry-Perot干涉仪（FPI）后级联一个高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅（LPFG）。FPI通过采用商用化的熔接机熔接普通单模光纤（SMF）和多模光子晶体光纤（MPCF）形成,两类光纤间的空气泡形成FP干涉腔,...     

基于MSP430的瞬态高温传感器设计

介绍了一种将接触式和非接触式相结合的蓝宝石光纤黑体腔瞬态高温传感器.测试系统由蓝宝石光纤传感器、窄带滤光片、光电探测器、信号处理模块、MSP430、数据存储及处理软件组成,并从黑体腔形成和微光信号探测方面进行了分析.利用MSP430的控制能力实现智能化,并采用了USB接口与计算机通信.实验表明黑体腔在高温下具有稳定的性...     

工业用火灾预警光纤传感器及其传感特性

火灾给人们的生产与生活带来极大的威胁,但现有的火灾传感器在安装空间、测量范围和适用环境等方面存在着局限性,因此需要研制新型火灾传感器.设计并实现了一种不锈钢毛细管可靠封装的工业用火灾预警光纤传感器,通过对光纤光栅进行高温再生处理,大幅提高了传统光纤光栅传感器的耐高温性能.对制备的传感器进行了实验,结果表明:该种传感器测...     

测量高温机械参数的陶瓷传感器技术

具有可变空气间隙几何形状的差动电容式传感器能在高达900℃的高温下测量机械参数。本文将表明陶瓷,尤其是氧化铝,是用作电容传感器的多用途材料。工艺技术细节包括激光切割,溅射镀膜,氧化铝元件的反应焊接,电气连接和电缆中的氧化铝,以及新的应变和位移传感器都举例作了说明。     

Theoretical model of a fiber optic remote sensor based on surface plasmon resonance for temperature detection

This paper reports on a novel design of a remote sensor for temperature detection based on surface plasmon resonance and optical fiber technology. We theoretically analyze the performance of proposed sensor under different conditions related to its constituents, i.e., optical fiber, metallic layer, sensing region, and launched light. The effect of the related parameters such as numerical aperture, fiber length, core diameter, FWHM of the Gaussian input on sensor is analyzed along with its physical explanation. The numerical results presented in this paper leads to a significant optimization of the important design parameters to achieve a high temperature detection accuracy and sensitivity of a fiber optic remote sensor.     

基于光纤压力传感器的管道监控系统研究

针对运输管道埋设于土壤中面临的泄漏或堵塞点难发现、难定位的问题,结合光纤压力传感器高灵敏度、高抗干扰的特性,设计了一种基于光纤压力传感器的管道监控系统。系统采用包覆有合适热膨胀系数材料的单模光纤组成的偏振型压力传感器,能很好地克服外界环境温度扰动;采用模块化设计的压力敏感探头以20 m间距均布于管线上,形成信号点阵列源;结合点阵列数据重构与插值定位算法确定故障点的位置。结果表明:该系统的光纤压力传感器可有效克服温度变化对传感测量的不良影响,5.5 km范围内对故障点的定位精度在1 m内。     

光纤多参数传感器研究

基于光纤Bragg光栅(FBG)检测原理,研发了适用于地下空间安全监测应用的光纤风速、温度、湿度等多参数传感器。光纤风速传感器基于激光致热光纤热线式流量检测原理,对于低风速有较高的灵敏度,风速从0变化到0.5 m/s时,FBG波长变化量为800 pm,采用解调精度为1 pm的光纤光栅解调仪,风速分辨率为0.7 mm/s。光纤湿度传感器通过在FBG光栅表面均匀涂覆湿度敏感的聚酰亚胺溶液,湿度变化导致光纤应变变化进而实现湿度测量。对新型光纤光栅温湿度传感器的性能参数进行测试,实验测试结果显示,传感器监测灵敏度为4.2pm/%RH,检测精度小于±3%RH。     

用于电力系统高压测量的光纤电压传感器

介绍了用于电力系统高压测量的光纤电压传感器的原理、结构和主要特性等。这种传感器利用 Bi_4Ge_3O_(12)晶体的横向电光效应,具有较高的测量精度和温度稳定性。     

基于敏感薄膜的F-P光纤温度传感器的高温特性

根据薄膜型光纤温度传感器的感温原理及光学薄膜的应力特性,利用膜层干涉的特征矩阵分析了传感元件的传感特性,建立了薄膜型光纤温度传感器的热应力特性及其对传感特性影响的理论模型。通过对薄膜和光纤的热光效应和热膨胀特性的分析,对比了蓝宝石光纤、纯硅芯光纤和普通多模光纤三种光纤基底的热应力-温度特性,设计了高温传感器传感探头的薄膜膜系,分析了膜系中每层膜的热应力-温度特性,以及临界载荷应力特性,确定所选光纤基底脱膜的临界应力值。通过模拟不同应力作用下的光谱传感特性,为传感器薄膜敏感探头的稳定性和可靠性提供理论依据和支持,提高传感器研制的效率。     

高灵敏度全光纤电流传感器研究进展

全光纤电流传感器作为智能电网中的重要设备之一,具有比传统电磁式互感器更显著的优势,在高压及超高压环境中有广阔的应用前景.首先阐明了影响全光纤电流传感器灵敏度的主要因素,综述了近年来国内外学者提高电流传感灵敏度的解决方案和研究成果;其次着重分析一些改进型结构的全光纤电流传感器消除温度、线性双折射等对传感灵敏度影响的工作原...     

基于布里渊散射的分布式光纤传感器的发展

介绍了基于布里渊散射的分布式光纤传感器当前的进展及趋势.给出了基于布里渊散射的分布式光纤传感器的原理,介绍了基于光纤光时域反射的BOTDR、BOTDA和BOFDA的分布式光纤传感器,以及基于受激布里渊散射能同时测试应变和温度的分布式光纤传感器,并指出了遇到的问题.使读者详细了解基于布里渊散射的分布式光纤传感器当前的进展及发展趋势.     

基于布里渊散射的分布式光纤传感器的发展

介绍了基于布里渊散射的分布式光纤传感器当前的进展及趋势,给出了基于布里渊散射的分布式光纤传感器的原理,介绍了基于光纤光时域反射的BOTDR,BOTDA和BOFDA的分布式光纤传感器,以及基于自发布里渊散射能同时测试应变和温度的分布式光纤传感器,并指出了遇到的问题,使读者详细了解基于布里渊散射的分布式光纤传感器当前的进展及发展趋势.     

Mathematical Model of Fiber Optic Temperature Sensor Based on Optic Absorption and Experiment Testing

On the basis of analysis on the temperature monitoring methods for high voltage devices, a new type of fiber optic sensor structure with reference channel is given.And the operation principle of fiber optic sensor is analysed at large based on the absorption of semiconductor chip.The mathematical model of both devices and the whole system are also given.It is proved by the experiment that this mathematical model is reliable.     

套塑工序工艺参数的制定

套塑工序是光缆生产的关键工序,光纤的衰减、光缆的机械性能及温度特性等在很大程度上都取决于二次套塑的工艺控制。对套塑工序工艺参数的制定进行了探讨,旨在让大家了解这些工艺参数制定的依据,以便更好地对工艺进行制定和整改。