[发明专利]一种基于Nd:YAG透明陶瓷晶片的光纤高温传感器

说明书

本发明公开了一种基于Nd:YAG透明陶瓷晶片的光纤高温传感器，属于光纤传感技术领域，包括光源模块、光纤传感探头模块、光谱分析模块以及连接模块，所述光纤传感探头模块包括锥形感温帽、Nd:YAG透明陶瓷晶片、温度传感基体；本发明将Nd:YAG透明陶瓷晶片前后端面作为反射面进行多次干涉后进行反向传输，利用温度变化引起Nd:YAG透明陶瓷晶片热膨胀系数和热光系数的变化，通过监测干涉波长的漂移可以实现温度的测量。本发明对光纤传感探头模块采用无胶化封装，有效防止高温时胶老化问题；同时增加散热结构增强单模光纤在高温环境下的使用寿命，具有实用性，成本低廉，结构紧凑，能实现1000度高温测量等优点。

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于Nd:YAG透明陶瓷晶片的光纤高温传感器。

背景技术

光纤传感器是近几十年发展起来的新型传感器件，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、稳定性好、精度和灵敏度高、信号传输距离远、抗电磁干扰、抗辐射、耐腐蚀、防火、防爆、寿命长等优点，在桥梁、大坝、隧道、钻井和港口翻车机等大型结构工程领域获得了广泛的应用。光纤的主要成分为性质比较稳定的二氧化硅，具有较长的使用寿命。

随着现代工业生产对于恶劣环境下高温测量的需求越来越多，对测温的量程和准确度也提出了更高要求。随着光纤高温传感的发展，现在现有传感器有热电偶、黑体腔、光纤光栅传感器、干涉型光纤传感器等很多种类型。研究表明薄膜热电偶在高温领域还存在一定的瓶颈，如耐氧化抗腐蚀方面；而黑体腔结构也存在着响应滞后，难以适应航空航天等领域对实时性的要求；而光纤光栅传感器在一定高温度范围下会发生退化，从而制约了这类器件在更高温度环境下的使用，采用飞秒激光制备的布拉格光栅器件虽然可以承受700度以上的高温，然而其制作成本高昂，其光栅本身在1000度以上高温下长期工作依然会发生退化，无法真正实现可靠的高温传感探测；而干涉型结构制作较为复杂，技术含量高，是目前研究的热点。

自20世纪70年代中期以来，美国高度重视光纤传感器的研发，在军事和民用领域都处于领先地位。英国政府也十分重视光纤传感器件的研发，成立了英国光纤传感器合作协会。日本重视并投入大量经费来开展光纤传感器的技术研发，制定了1979-1986年“光应用计划控制系统”的七年规划，投资高达70亿美金。我国光纤传感器件的研究工作始于70年代末，起步时间并不很滞后。光纤F-P传感器结构精巧，属于多光束干涉。但目前多集中于用普通光纤对1000℃以下的温度进行探测，对于航空发动机等超高温环境下的温度探测，还没有很好的探测方法。

如专利CN106066215A公开了一种蓝宝石高温传感器，通过耐高温插芯和耐高温套筒的结构设计，对蓝宝石光纤和蓝宝石晶片进行紧密固定，能够实现大范围的温度测量，但是目前最常用的封装方式是通过胶粘剂将光纤传感器粘贴于传感基体上。但是，常用的有机胶粘剂耐热、耐油及耐磨性能差，极易老化，使用寿命有限。自然条件下的日照、高温和潮湿的环境都会导致环氧胶粘剂的老化及失效。因此在工程应用中，胶粘剂有限的使用寿命成为了限制光纤传感器使用期限的一个重要因素。目前，在对于光纤端面外的法布里－珀罗(法珀)干涉相关研究中，两光纤端面或光纤与晶体端面常常被视为理想状况下严格对准。但是在实际生产应用中光纤端面对准时会产生一定程度的偏移，致使光纤高温传感器器的传感性能受到影响。这些偏移包括：光纤发生径向位移；光纤端面之间产生倾角；晶体端面发生倾斜。

基于以上因素，本发明提出一种基于Nd:YAG透明陶瓷晶片的光纤高温传感器，利用透明陶瓷晶体物理化学性质稳定、高熔点以及耐腐蚀的特性，采用两面抛光的透明陶瓷晶片作为F-P腔，采用光纤来接收和传输干涉信号。光纤传感探头模块通过内外螺纹连接固定，实现了光纤传感探头无胶化封装，也克服了胶粘剂不耐高温的问题，提出光纤传感探头采用三条光纤端面共面与Nd:YAG透明陶瓷晶片平行，可检测Nd:YAG透明陶瓷晶片是否倾斜，提高精度。

发明内容