光纤法布里-珀罗传感器及其高温应用
发布时间：2021-12-31 00:19
随着航天技术不断发展,大推力运载火箭等精细化设计需求日益增加,飞行器高温工况结构及流场状态感知已成为当前研究的关键环节。基于法布里-珀罗干涉结构的光纤传感器在高温、高压、狭小空间等特殊环境展现出独特优势,被视为下一代高温原位测量工具。介绍了法布里-珀罗传感器的基本结构及原理,并分别从温度、应变和压力监测方面介绍了法布里-珀罗高温传感技术研究进展以及未来的发展趋势。基于石英光纤的法布里-珀罗传感器能够应用于1000°C以下环境,对于1000°C以上环境,需要以蓝宝石光纤作为敏感元件和传光介质。
【文章来源】：遥测遥控. 2020,41(06)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
EFPI干涉示意
对于蓝宝石高温温度传感器的研究，美国弗吉尼亚大学A Wang团队成功在蓝宝石光纤端面制作FP腔，然后与单模光纤熔接形成光纤FP温度传感器，实现了310°C～976°C温度测量，温度分辨率达到0.2°C[11]。在之后的研究中，该团队通过把蓝宝石晶片安装在蓝宝石光纤的一端形成FP腔，蓝宝石晶片产生的干涉信号经过蓝宝石光纤和石英光纤传输至分光计，随后对干涉信号进行解调。在实验室条件下实现了1593°C的高温测量，并且测试误差小于1°C[12]。电子科技大学的饶云江等通过激光微加工技术，在石英光纤和蓝宝石光纤端面制备微型FP腔，并分别与石英光纤熔接，形成的FP温度传感器均能实现100°C～1100°C温度测量，经过对比，蓝宝石FP腔的温度灵敏度是石英FP腔的5倍[13]。
天津大学刘铁根等采用蓝宝石芯片和蓝宝石光纤形成FP腔，并通过在非高温区熔接普通多模光纤的方法得到了成本可控的超高温光纤温度传感器，该传感器在130°C～1080°C范围内的灵敏度能够达到3.11nm/°C，测试温差小于±3°C[14]。该传感器结构简单，性能稳定，并且具有较高测试精度，对于航空航天等高温工业应用具有一定的参考价值。在实验室条件下，利用蓝宝石光纤已经能够对1600℃以下的温度进行监测，并且误差较小，但是距离实际工程应用还有较大的差距。工程化应用不仅需要能够在恶劣的环境下对温度变化做出快速、准确响应的传感探头，还需要针对测试环境设计可靠的安装方案。缺乏稳定、可操作性强的安装方案已经成为制约高温光纤传感器应用的重要原因之一。目前，高温环境下光纤传感器的安装方式主要分为胶粘、焊接、等离子喷涂三种。胶粘可以适用于大部分工况，但是选择一款粘接性强、性能稳定、固化简单的胶需要大量筛选实验；焊接对于安装环境要求高，可适用范围小，并且随着测试温度不断升高，传感器各组件材料热膨胀系数差异带来的影响越来越明显，焊接安装容易引入一个较大的内部应力。等离子喷涂系统庞大，难以运输到安装现场，并且不适用于狭窄的安装面。因此，在未来的一段时间内，对于FP高温温度传感器工程化应用的研究，将主要集中在传感器安装工艺方面的攻关。
【参考文献】：
期刊论文
[1]蓝宝石光纤法布里-珀罗高温传感的实验研究[J]. 江俊峰,吴凡,王双,刘琨,张伟航,张学智,刘铁根. 光电子·激光. 2017(04)
[2]非本征法布里-珀罗腔光纤压力传感器研究进展[J]. 吕涛. 仪表技术与传感器. 2015(07)
[3]热应力和残余气压对光纤法布里-珀罗压力传感器温度性能的影响[J]. 吴振海,刘铁根,江俊峰,刘琨,王双,尹金德,邹盛亮,秦尊琪,吴凡. 光学学报. 2015(03)
[4]EFPI-FBG hybrid sensor for simultaneous measurement of high temperature and large strain[J]. 熊丽,张东生,李立彤,郭永兴. Chinese Optics Letters. 2014(12)
[5]航空航天光纤传感技术研究进展[J]. 刘铁根,王双,江俊峰,刘琨,尹金德. 仪器仪表学报. 2014(08)
[6]光纤法-珀传感器在飞机发动机叶片裂纹检测中的应用[J]. 单宁,史仪凯,刘霞. 无损检测. 2009(03)
[7]激光脉冲制作的长周期光纤光栅/法布里-珀罗高温-应变组合传感器[J]. 廖弦,饶云江,冉曾令,邓洪有. 中国激光. 2008(06)
[8]用157nm激光制作的光子晶体光纤法布里-珀罗传感器[J]. 邓洪有,饶云江,冉曾令,廖弦,刘为俊. 光学学报. 2008(02)
[9]截面折变非对称型长周期光栅高温应变特性[J]. 王久玲,饶云江,朱涛. 中国激光. 2007(03)
硕士论文
[1]基于EFPI与RFBG的高温光纤应变传感技术研究[D]. 吴梦绮.武汉理工大学 2018
[2]高温光纤压力传感器的制作及其特性研究[D]. 柳珊.电子科技大学 2014
本文编号：3559254
【文章来源】：遥测遥控. 2020,41(06)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
EFPI干涉示意
对于蓝宝石高温温度传感器的研究，美国弗吉尼亚大学A Wang团队成功在蓝宝石光纤端面制作FP腔，然后与单模光纤熔接形成光纤FP温度传感器，实现了310°C～976°C温度测量，温度分辨率达到0.2°C[11]。在之后的研究中，该团队通过把蓝宝石晶片安装在蓝宝石光纤的一端形成FP腔，蓝宝石晶片产生的干涉信号经过蓝宝石光纤和石英光纤传输至分光计，随后对干涉信号进行解调。在实验室条件下实现了1593°C的高温测量，并且测试误差小于1°C[12]。电子科技大学的饶云江等通过激光微加工技术，在石英光纤和蓝宝石光纤端面制备微型FP腔，并分别与石英光纤熔接，形成的FP温度传感器均能实现100°C～1100°C温度测量，经过对比，蓝宝石FP腔的温度灵敏度是石英FP腔的5倍[13]。
天津大学刘铁根等采用蓝宝石芯片和蓝宝石光纤形成FP腔，并通过在非高温区熔接普通多模光纤的方法得到了成本可控的超高温光纤温度传感器，该传感器在130°C～1080°C范围内的灵敏度能够达到3.11nm/°C，测试温差小于±3°C[14]。该传感器结构简单，性能稳定，并且具有较高测试精度，对于航空航天等高温工业应用具有一定的参考价值。在实验室条件下，利用蓝宝石光纤已经能够对1600℃以下的温度进行监测，并且误差较小，但是距离实际工程应用还有较大的差距。工程化应用不仅需要能够在恶劣的环境下对温度变化做出快速、准确响应的传感探头，还需要针对测试环境设计可靠的安装方案。缺乏稳定、可操作性强的安装方案已经成为制约高温光纤传感器应用的重要原因之一。目前，高温环境下光纤传感器的安装方式主要分为胶粘、焊接、等离子喷涂三种。胶粘可以适用于大部分工况，但是选择一款粘接性强、性能稳定、固化简单的胶需要大量筛选实验；焊接对于安装环境要求高，可适用范围小，并且随着测试温度不断升高，传感器各组件材料热膨胀系数差异带来的影响越来越明显，焊接安装容易引入一个较大的内部应力。等离子喷涂系统庞大，难以运输到安装现场，并且不适用于狭窄的安装面。因此，在未来的一段时间内，对于FP高温温度传感器工程化应用的研究，将主要集中在传感器安装工艺方面的攻关。
【参考文献】：
期刊论文
[1]蓝宝石光纤法布里-珀罗高温传感的实验研究[J]. 江俊峰,吴凡,王双,刘琨,张伟航,张学智,刘铁根. 光电子·激光. 2017(04)
[2]非本征法布里-珀罗腔光纤压力传感器研究进展[J]. 吕涛. 仪表技术与传感器. 2015(07)
[3]热应力和残余气压对光纤法布里-珀罗压力传感器温度性能的影响[J]. 吴振海,刘铁根,江俊峰,刘琨,王双,尹金德,邹盛亮,秦尊琪,吴凡. 光学学报. 2015(03)
[4]EFPI-FBG hybrid sensor for simultaneous measurement of high temperature and large strain[J]. 熊丽,张东生,李立彤,郭永兴. Chinese Optics Letters. 2014(12)
[5]航空航天光纤传感技术研究进展[J]. 刘铁根,王双,江俊峰,刘琨,尹金德. 仪器仪表学报. 2014(08)
[6]光纤法-珀传感器在飞机发动机叶片裂纹检测中的应用[J]. 单宁,史仪凯,刘霞. 无损检测. 2009(03)
[7]激光脉冲制作的长周期光纤光栅/法布里-珀罗高温-应变组合传感器[J]. 廖弦,饶云江,冉曾令,邓洪有. 中国激光. 2008(06)
[8]用157nm激光制作的光子晶体光纤法布里-珀罗传感器[J]. 邓洪有,饶云江,冉曾令,廖弦,刘为俊. 光学学报. 2008(02)
[9]截面折变非对称型长周期光栅高温应变特性[J]. 王久玲,饶云江,朱涛. 中国激光. 2007(03)
硕士论文
[1]基于EFPI与RFBG的高温光纤应变传感技术研究[D]. 吴梦绮.武汉理工大学 2018
[2]高温光纤压力传感器的制作及其特性研究[D]. 柳珊.电子科技大学 2014
本文编号：3559254
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