CN212206124U - 蓝宝石光纤光栅超高温应变测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种蓝宝石光纤光栅超高温应变测试装置，宽带光源用光导纤维与环形器相连，环形器用光导纤维与位移台和光谱仪相连，设置在高温炉内的温度应变复合传感器用光导纤维与位移台和应变计相连。本实用新型可以满足超高温恶劣环境下的温度、应变同时监测，测量灵敏度高、精度高，有效地解决温度和应变双参量交叉敏感的问题，温度检测范围为室温～1400℃，应变检测范围为0～500με，扩大了温度检测范围。
Description
技术领域
本实用新型属于温度和应变测试装置技术领域，具体涉及到蓝宝石光纤光栅超高温应变测试装置。
背景技术
航空航天、冶金工业以及石油化工等超高温环境下的应变测量一直都是传感监测领域的难点，恶劣的超高温环境会影响传统电类传感器和测量仪表的性能，光导纤维传感器具有结构简单、抗电磁干扰、测量精度高、测量动态范围大等优点，在超高温环境下的应变监测中具有广阔应用前景。目前使用光导纤维传感技术的光纤高温应变传感器存在温度应变交叉敏感、测量量程有限，1000℃以上超高温环境，材料机械强度下降，限制了超高温领域光纤传感的应用范围。
蓝宝石单晶(Al2O3)熔化温度为2040℃，具有高强度、高硬度、高耐热性、高抗腐蚀性等优点，将蓝宝石光纤经过封装后可长期应用于1400℃的超高温环境，是监测超高温度的理想部件。
现有的石英光纤复合传感器，其结构实质是EFPI应变传感器与耐高温FBG传感器的复用，但是只能满足600℃以下的温度和应变的同时监测，不能用于1400℃的温度、应变同时监测。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种灵敏度高、测量精度高、测量温度范围大、在1400℃的温度下可监测应变的蓝宝石光纤光栅超高温应变测试装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：宽带光源用光导纤维与环形器相连，环形器用光导纤维与位移台和光谱仪相连，设置在高温炉内的温度应变复合传感器用光导纤维与位移台和应变计相连。
本实用新型的温度应变复合传感器为：蓝宝石光纤的左端刻写有第一光栅、右端刻写有位于毛细玻璃管内的第二光栅，蓝宝石光纤的右端用高温陶瓷胶与毛细玻璃管粘接，高温陶瓷胶凝固后形成一层高温陶瓷胶粘层。
本实用新型的第一光栅与第二光栅之间的距离为20～30mm，高温陶瓷胶粘层位于第一光栅与第二光栅间，高温陶瓷胶粘层的左端面与毛细玻璃管的左端面在同一平面内。
本实用新型的毛细玻璃管的外径小于500μm。
本实用新型的第一光栅和第二光栅的栅区长度为10mm，第一光栅的中心波长为1520～1590nm,第二光栅的中心波长为1510～1580nm,第二光栅的中心波长小于第一光栅的中心波长。
由于本实用新型采用了温度应变复合传感器，温度应变复合传感器采用毛细玻璃管封装第二光栅，使第二光栅只响应温度，而第一光栅同时响应温度和应变，根据第二光栅的第二中心波长变化量，推导出蓝宝石光纤光栅超高温应变传感器所在的环境的温度；根据第一光栅的第一中心波长变化量和第二光栅的第二中心波长变化量，得到蓝宝石光纤光栅超高温应变传感器的应变。本实用新型可以满足超高温恶劣环境下的温度、应变同时监测，测量灵敏度高、精度高，可以有效地解决温度和应变双参量交叉敏感的问题，温度检测范围为室温～1400℃，应变检测范围为0～500με，扩大了温度检测范围。
附图说明
图1是本实用新型实施例1的结构示意图。
图2是图1中温度应变复合传感器5的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步详细说明，但本实用新型不限于下述的实施方式。
实施例1
在图1中，本实施例的蓝宝石光纤光栅超高温应变测试装置由宽带光源1、环形器2、位移台3、高温炉4、温度应变复合传感器5、应变计6、光谱仪7连接构成。
宽带光源1为本实用新型提供光源，宽带光源1用光导纤维与环形器2相连，环形器2用光导纤维与位移台3和光谱仪7相连，位移台3用于调整预应力，温度应变复合传感器5放置在高温炉4内，高温炉4用于为本实用新型提供测试时所需的温度，温度应变复合传感器5用光导纤维与位移台3和应变计6相连，位移台3用于拉紧光导纤维，对光导纤维施加预应力，应变计6显示出测试时对光导纤维施加的应变力大小，温度应变复合传感器5经高温炉4加热后将所接收到温度和应变的光信号、温度的光信号通过光导纤维经环形器2输出到光谱仪7，由光谱仪7显示出温度应变光谱曲线、温度光谱曲线。
在图2中，本实施例的温度应变复合传感器5由蓝宝石光纤5-1、第一光栅5-2、高温陶瓷胶粘接层5-3、第二光栅5-4、毛细玻璃管5-5连接构成。
在蓝宝石光纤5-1的左侧刻写有第一光栅5-2，第一光栅5-2的栅区长度为10mm、中心波长为1555nm，第一光栅5-2用于接收温度和应变信号，第二光栅5-4的栅区长度为10mm、中心波长为1545nm，第二光栅5-4用于接收温度信号，第一光栅5-2与第二光栅5-4之间的距离为30mm。蓝宝石光纤5-1的右侧用高温陶瓷胶粘接在毛细玻璃管5-5内形成高温陶瓷胶粘接层5-3，毛细玻璃管5-5的外径小于500μm，毛细玻璃管5-5用于隔离应变信号，高温陶瓷胶粘接层5-3在1700℃的超高温环境下性能稳定，使得这种应变传感器在1400℃的高温环境下能准确地接收应变信号。
实施例2
本实施例中，在蓝宝石光纤5-1的左侧刻写有第一光栅5-2，第一光栅5-2的栅区长度为10mm、中心波长为1520nm，第一光栅5-2用于接收温度和应力信号，第二光栅5-4的栅区长度为10mm、中心波长为1510nm，第二光栅5-4用于接收温度信号，第一光栅5-2与第二光栅5-4之间的距离为20mm。蓝宝石光纤5-1的右测用高温陶瓷胶粘接在毛细玻璃管5-5内形成高温陶瓷胶粘接层5-3，毛细玻璃管5-5的外径小于500μm。
其它零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例3
本实施例中，在蓝宝石光纤5-1的左侧刻写有第一光栅5-2，第一光栅5-2的栅区长度为10mm、中心波长为1590nm，第一光栅5-2用于接收温度和应变信号，第二光栅5-4的栅区长度为10mm、中心波长为1580nm，第二光栅5-4用于接收温度信号，第一光栅5-2与第二光栅5-4之间的距离为40mm。蓝宝石光纤5-1的右侧用高温陶瓷胶粘接在毛细玻璃管5-5内形成高温陶瓷胶粘接层5-3，毛细玻璃管5-5的外径小于500μm。
其它零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。
本实用新型的工作原理如下：
宽带光源1为本实用新型提供光源，温度应变复合传感器5放置在高温炉4内，高温炉4用于为本实用新型提供测试时所需的温度，位移台3将蓝宝石光纤5-1拉紧并调整蓝宝石光纤5-1的预应力，应变计6显示出测试时对蓝宝石光纤5-1施加的应变力大小，温度应变复合传感器5经高温炉4加热后将所接收到温度和应变的光信号、温度的光信号通过光导纤维经高温炉4经环形器2输出到光谱仪7，由光谱仪7显示出温度应变光谱曲线、温度光谱曲线。
从温度应变光谱曲线、温度光谱曲线上获得第一光栅5-2的中心波长变化量和第二光栅5-4的中心波长变化量，由第二光栅5-4的中心波长变化量，按下式得到温度应变复合传感器5所在的环境的温度T：
T＝T0+ΔT
其中T0为初始温度，ΔT为第二光栅5-4的温度的变化量，KT为第二光栅5-4的温度灵敏度，Δλ2为第二光栅5-4的中心波长变化量。
由第一光栅5-2的中心波长变化量和第二光栅5-4的中心波长变化量，按下式得到温度应变复合传感器5的应变ε：
ε＝ε0+Δε
其中ε0为初始应变，Δε为应变的变化量，Δλ1为第一光栅5-2的第一中心波长变化量，Δλ2为第二光栅5-4的第二中心波长变化量，Kε为第一光栅5-2的应变灵敏度。
Claims (5)
1.一种蓝宝石光纤光栅超高温应变测试装置，其特征在于：宽带光源(1)用光导纤维与环形器(2)相连，环形器(2)用光导纤维与位移台(3)和光谱仪(7)相连，设置在高温炉(4)内的温度应变复合传感器(5)用光导纤维与位移台(3)和应变计(6)相连。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石光纤光栅超高温应变测试装置，其特征在于所述的温度应变复合传感器(5)为：蓝宝石光纤(5-1)的左端刻写有第一光栅(5-2)、右端刻写有位于毛细玻璃管(5-5)内的第二光栅(5-4)，蓝宝石光纤(5-1)的右端用高温陶瓷胶与毛细玻璃管(5-5)粘接，高温陶瓷胶凝固后形成一层高温陶瓷胶粘层(5-3)。
3.根据权利要求2所述的蓝宝石光纤光栅超高温应变测试装置，其特征在于：所述的第一光栅(5-2)与第二光栅(5-4)之间的距离为20～30mm，高温陶瓷胶粘层(5-3)位于第一光栅(5-2)与第二光栅(5-4)之间，高温陶瓷胶粘层(5-3)的左端面与毛细玻璃管(5-5)的左端面在同一平面内。
4.根据权利要求3所述的蓝宝石光纤光栅超高温应变测试装置，其特征在于：所述的毛细玻璃管(5-5)的外径小于500μm。
5.根据权利要求2或3所述的蓝宝石光纤光栅超高温应变测试装置，其特征在于:所述的第一光栅(5-2)和第二光栅(5-4)的栅区长度为10mm，第一光栅(5-2)的中心波长为1520～1590nm,第二光栅(5-4)的中心波长为1510～1580nm,第二光栅(5-4)的中心波长小于第一光栅(5-2)的中心波长。
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|---|---|---|---|---|
| CN112649052A (zh) * | 2021-01-19 | 2021-04-13 | 武汉理工大学 | 基于全光纤光栅传感网络的船体多参量监测系统及方法 |
| CN114322814A (zh) * | 2021-12-28 | 2022-04-12 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种蓝宝石光纤光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器 |
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| CN114322814A (zh) * | 2021-12-28 | 2022-04-12 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种蓝宝石光纤光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器 |
| CN114322814B (zh) * | 2021-12-28 | 2024-06-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种蓝宝石光纤光栅金属浇铸的抗冲刷型高温应变传感器 |
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