蓝宝石单晶光纤高温仪的研制

报道了双波长蓝宝石单晶光纤高温仪的研制工作．对蓝宝石单晶光纤高温传感头的热辐射特性进行了理论分析和实验研究，并在此基础上研制了双波长蓝宝石单晶光纤高温仪，仪器的测温范围为８００～１７００℃，测温精度可望达到０．２％（１０００℃时），分辨率为１℃，可应用于科研和工业生产中某些特殊环境下的温度测量．     

蓝宝石光纤高温Fabry-Perot传感器综述

蓝宝石为晶体材料,其熔点为2045℃,具有高强度、高耐热性、高抗腐蚀性等良好的高温物理化学性能。单晶蓝宝石光纤可以在高于1000℃的超高温下传输光信号,基于其制作的蓝宝石光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)传感器耐超高温、本征安全,适用于危险、恶劣的环境中,近年来,得到广泛研究,已研制出用于超高温环境的蓝宝石光纤温度、压力、振动传感器。文章综述了蓝宝石光纤F-P传感器的研究进展,介绍了课题组在蓝宝石光纤传感技术方面的研究成果,最后对传感器的研制提出了改进建议。     

高温传输和传感器用的蓝宝石光纤

介绍了美国费城Drexel大学研究出来的多晶氧化铝包层蓝宝石光纤的两种制造方法。该种光纤可用于高温场合，如红外光的传输和高温传感器。     

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.     

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。     

基于蓝宝石光纤传感器的瞬态高温测试及校准技术

构建了一种镀有陶瓷薄膜的蓝宝石光纤为传感器的瞬态高温测试系统。系统包括蓝宝石高温光纤、锥形高温光纤、耦合器、传输光纤及光电探测器件。基于Plank黑体辐射定律,分析了系统工作原理,并以MATLAB进行了仿真研究。将已标定过的高温钨铼热电偶(测温度范围为1000～2000℃)和蓝宝石光纤温度传感器同时置于乙炔焰热源所形成的恒温区域中进行静态标定,结果表明,测量范围从1200℃到2000℃,测量不确定度(精度)为1℃。以脉冲CO2激光器输出阶跃热信号为动态激励源,获得温度传感器的动态响应曲线,其时间响应达30ms,并且重复性非常好。运动乙炔焰模拟测试结果表明,高温测试范围可达2000℃,可用来对兵器及国防工业等诸多涉及燃烧和爆炸等过程的瞬态温度进行测试。     

蓝宝石光纤高温光学特性研究

蓝宝石光纤物理化学性能稳定,熔点高（超过2000℃）,在0.3-4.0μm波段范围内透光性好,具有光波导的特点,在高温光纤传感和近红外传感等领域有很好的应用前景.实验从蓝宝石光纤在高温环境下（大于1000℃）的光学稳定性、光纤的自辐射、塑性弯曲对出射光信号的影响3个方面进行研究,结果表明,蓝宝石光纤在高温下的光学传输损耗随时间增加,温度测量精度由信号的稳定性和光纤自辐射决定,而蓝宝石光纤的塑性弯曲引起的信号额外损耗比较小,在900 nm处小于0.1dB.光纤表面在高温下的永久损伤是产生这些性能劣变的主要原因,损伤的主要机制为外部杂质在高温下与光纤表面的相互作用.为了保护蓝宝石光纤传感头在高温下的稳定工作,有必要在光纤表面制作保护层和采用合适的保护套.     

蓝宝石光纤高温光学特性研究

实验研究了蓝宝石光纤在高温环境下(大于1000℃)的光学稳定性,以及光纤的自辐射、塑性弯曲对出射光信号的影响,结果表明蓝宝石光纤在高温下的光学传输损耗随时间增加,温度测量精度由信号的稳定性和光纤自辐射决定,而蓝宝石光纤的塑性弯曲引起的信号额外损耗比较小,在900nm处小于0.1 dB.光纤表面在高温下的永久损伤是产生这些性能劣变的主要原因,损伤的主要机制为外部杂质在高温下与光纤表面的相互作用.

Abstract：

The performance stability,self-radiation and plastically bend of sapphire fiber under high temperature are studied.Experimental results show the optical transmitter loss increases with time when sapphire fiber under high temperature environment.Temperature measurement precision depends on the stability of signal and the self-radiation of fiber.The additional loss caused by a single plastically bend is less than 0.1 dB at 900 nm,less than the loss.before bend.The permanent injury of the sapphire fiber surface is the main reason for deterioration.It is found that the surface injury is mainly attributed to the pollution of the fiber surface and the mutual reaction between the sapphire fiber and the polluted substance in the ambient environment.     

光纤高温传感器

本文报道的光纤高温传感器是由镀制在高温光纤端头的陶瓷膜黑体腔,高低温光纤传输系统和光电探测器组成。仪器经检定,测温范围为200～1200℃,可分辨温度优于0.6℃,空间分辨率约1.5厘米。     

塑性弯曲蓝宝石单晶光纤的光学特性研究

为满足医用激光传能要求,使用CO2激光对直径分别为550um和750um的两组蓝宝石单晶光纤进行了塑性弯曲,平均弯曲半径为3.0mm,由单个弯曲引起的额外损耗在900nm处小于0.1dB,对脉冲Nd:YAG激光能量传输的损伤阈值高于30MW/cm^2。实验结果表明,塑性弯曲蓝宝石光纤完全可满足医用激光传能的要求,并可减小输出端弯曲光纤头的体积,增大光纤激光传输应用系统的灵活性。     

蓝宝石晶体高温传感器解调方法研究

为了从蓝宝石晶体高温传感器输出信号中精确解调出温度信息,建立了一套基于离散腔长变换(DGT)的解调系统。从白光偏振干涉原理出发,分析了高斯光源条件下利用DGT解调蓝宝石晶体高温传感器的原理。针对传统傅里叶变换解调数字频率非均匀采样存在误差的缺点,直接对波长均匀采样得到的光谱数据进行DGT,利用DGT幅值谱峰值解调环境温度引起的光程差(OPD)。进而采用加高斯窗法消除光谱仪背景噪声,进一步提高DGT方法的解调精度。在实际的解调系统中对所提出的方法进行了实验,结果表明,在600～1 200℃测温范围,本文方法可以实现温度的精确测量。     

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。     

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。     

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。     

光纤光栅高温传感器的研究

提出了一种能够测量高温的光纤布拉格光栅（FBG）传感器结构。利用线膨胀系数和长度均不同的两种金属细杆和光纤布拉格光栅设计而成的传感头，能够将被测温度转化为光栅的应变，解调由应变引起的光栅波长漂移，即可得知待测的温度。目前在实验室实现了500℃的动态范围和1℃的温度分辨率，实验结果与理论分析一致。     

蓝宝石晶体高温传感器的信号解调及标定

为了使用蓝宝石晶体高温传感器对工业烟气温度进行长期在线监测,设计了蓝宝石晶体高温传感器的解调系统,并对其进行了标定。对蓝宝石晶体高温传感器的白光偏振干涉测温原理进行了理论分析,并利用离散腔长变换(DGT)解调算法对光程差信息进行解调。在此基础上建立了一套以热电偶为参照的标定系统,使用S型高温热电偶采集温度数据,得到了光程差-温度样本。分别利用二次多项式拟合法与BP神经网络法对传感器的输出曲线进行了拟合与泛化,并进行了对比。实验结果表明:在800~1 300℃温度范围内,与二次多项式拟合方法相比,BP神经网络的拟合精度较高,拟合残差均值达到0.33℃;泛化能力强,多次泛化结果误差均值为0.56℃,均方误差为0.55℃。最终使用BP神经网络方法对传感器进行标定,使得传感解调系统满足了工业测高温的精度要求。     

传感与传能用蓝宝石单晶光纤的生长与光学特性

用激光加热小基座法生长了直径为２００～１０００μｍ，长度达５０ｃｍ的蓝宝石单晶光纤．对蓝宝石单晶光纤的光学传输特性进行了分析和测试，结果表明蓝宝石单晶光纤在可见到近红外波段具有良好的光学传输特性，可应用于高温传感和医用近红外激光传输．