[发明专利]全金属封装的耐高温光纤光栅传感器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种全金属封装的耐高温光纤光栅传感器及其制造方法。

背景技术

光纤传感器是以光纤为媒介，用来检测光在光纤中传播时，因光纤的全 部或部分环节所在环境（物理量、化学量或生物量等）的变化带来光传输特 性改变的装置。光纤传感器具有尺寸小、重量轻、精度和灵敏度高、抗电磁 干扰、抗辐射、耐腐蚀、防火、防爆、寿命长等优点而被广泛应用于各行业。

光纤光栅传感器是光纤传感器的一种，属于波长调制型光纤传感器。光 纤光栅传感器是通过光纤光栅所在环境（物理量、化学量或生物量）的变化 引起波长调制获取传感信息。基于波长编码的光纤光栅传感器，不仅具有光 纤传感器的所有优点，还具有自参考，多物理量（温度、应变、压力等）同 时测量，波分复用，易与通信光纤熔接组成分布式传感网络、实现远程传输 等优点，且可分布式的埋入材料中形成“智能材料”。目前光纤光栅传感器已 经广泛应用于土木、风电、复合材料等领域。

光纤布拉格光栅（fiberBragggrating，FBG）是最常见、应用最广的一种 光纤光栅，其折射率呈周期性调制分布，且折射率调制深度与光栅周期均为 常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向相一致。当一束光经过光纤光栅时，对 满足布拉格相位匹配条件的光产生很强的反射，对不满足布拉格相位匹配条 件的光只有微弱的部分被反射回来。由麦克斯韦经典方程和光纤耦合波理论 可得，当满足相位匹配条件时，光纤光栅的布拉格波长λ_B为：

λ_B=2n_effΛ（1）

式中：n_eff为纤芯的有效折射率；Λ为光栅栅格周期。

由式（1）可知影响布拉格波长λ_B的因素主要为纤芯的有效折射率n_eff和光 栅栅格周期Λ，任何能够引起Λ和n_eff变化的因素都能导致λ_B的改变。当光纤 光栅受到外界温度或应力的作用时，温度和应力分别通过热光效应和弹光效 应影响n_eff，通过热膨胀效应和弹性变形影响Λ，从而导致布拉格波长λ_B发生 变化。因此，通过检测光纤光栅的布拉格波长λ_B的变化即可获知温度、应力 ／应变的变化，从而对被测构件进行实时监测。

迄今，光纤光栅传感器在土木、风电、复合材料等领域的研究与应用比 较多，这些领域的构件表面粘贴或内部埋入光纤光栅传感器相对较易，因为 这些构件材料成形过程和使用的温度不高。然而在核电、火电、石油化工和 航空航天等领域，需要监测的金属构件多处于高温条件下，在这种情况下， 目前常用的光纤光栅传感器存在着以下明显不足：

（1）对于普通光纤光栅，在超过200℃时光栅反射率开始衰减，在680℃ 左右就会彻底“擦除”，所以普通光纤光栅传感器仅能在200℃以下使用；

（2）在制备光纤光栅时，通常会剥除光纤表面的有机涂覆层，使光纤暴 露在潮湿环境中，且易受到机械损伤导致表面萌生裂纹，这都使得光纤的强 度大大降低，因此在写入光栅后必须对其进行再涂覆封装保护。而现有光纤 光栅传感器的再涂覆封装使用的主要是有机高分子材料，例如申请号为 201110135194.2的中国专利公开的一种金属封装的光纤光栅传感器及其制作 方法。高分子材料容易老化和蠕变等特性制约了传感器性能的发挥，更无法 在潮湿和高温等恶劣环境中使用。当温度高于正常使用温度时，高分子材料 会软化甚至分解，产生对石英光纤具有应力腐蚀作用的氢气，加速石英光纤 的疲劳过程。当温度高于400℃时，高分子材料彻底分解，使得光纤在恶劣 环境中失去保护，易受热-机载荷作用导致表面萌生裂纹并随时间缓慢扩展， 造成光纤强度降低并最终导致断裂，难于实现对高温设备的长期监测。

（3）现有光纤光栅传感器和被测构件之间多采用有机粘合剂进行连接， 有机粘合剂会在测量中产生冗余，应变传递效率较低，线性度和可重复性较 差，长期可靠性差，并且随着温度的升高有机粘合剂加速老化，当温度超过 250℃后大多数有机粘合剂开始软化甚至分解，无法实现传感器与高温被测构 件的连接。

（4）由于光纤的主要成分是石英（SiO₂），其热光系数和热膨胀系数都比 较小，使得未经封装的光纤光栅传感器的温度灵敏度较低。