金剛石套管封裝可抗海水侵蝕的光纖溫度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖溫度傳感器，特別是涉及一種金剛石套管封裝可抗海水侵蝕的光纖溫度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感技術(shù)與傳統(tǒng)電磁類(lèi)傳感技術(shù)相比，具有抗電磁干擾、本征絕緣、可復(fù)用及低傳輸損耗等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)防和民用領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，被許多國(guó)家列為重點(diǎn)發(fā)展的新型傳感技術(shù)。光纖光柵傳感器是利用光纖光柵中心波長(zhǎng)與外界環(huán)境參數(shù)成一定的函數(shù)關(guān)系的原理，通過(guò)探測(cè)波長(zhǎng)的變化從而獲得外界環(huán)境參數(shù)的一種傳感器。按照周期的大小，可分為光纖布拉格光柵(FBG)和長(zhǎng)周期光纖光柵(LPFG)，而LPFG對(duì)外界變化的靈敏度遠(yuǎn)高于 FBG。
[0003]發(fā)明人在發(fā)明專(zhuān)利ZL201110430475.0中，提出一種用于快速海洋測(cè)溫的光纖溫度傳感器，并在實(shí)用新型專(zhuān)利ZL201320665859.5提出了一種改進(jìn)的拉伸方式。然而，在長(zhǎng)期海洋測(cè)溫時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果將光纖溫度傳感器“直接暴露在海水中”或“經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單封裝可以裸露在海水中”，它們?nèi)詫⒑芸焓А０l(fā)明人在論文(Wavelength evolut1n of long-per1dfiber gratings in a water environment, Applied Optics, 52(11):2478-2483.)中石開(kāi)究了海水侵蝕光纖的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)主要是海水滲入光纖材料，造成長(zhǎng)周期光纖光柵纖芯和包層有效折射率相應(yīng)的產(chǎn)生變化，導(dǎo)致傳感器零點(diǎn)漂移并失效；同時(shí)，拉伸結(jié)構(gòu)也易受到滲入海水的腐蝕而失效，在海流的沖刷下光纖溫度傳感器彎曲變形，甚至斷裂。缺乏專(zhuān)門(mén)的防護(hù)措施，光纖傳感器將無(wú)法在海水中長(zhǎng)期有效工作。
[0004]為了解決海水侵蝕和海流沖刷對(duì)光纖溫度傳感器的不利影響，必須需找一種新的封裝材料和方法，既能避免海水的侵蝕和海流沖刷，也能保持傳感器對(duì)海水溫度變化的快速響應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提供一種金剛石套管封裝可抗海水侵蝕的光纖溫度傳感器，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0006]—種金剛石套管封裝可抗海水侵蝕的光纖溫度傳感器，其特征在于，該傳感器包括一個(gè)圓柱形外殼，該外殼軸線上開(kāi)有上下貫穿的穿孔，且外殼中部鏤空而形成中部腔體，外殼一端設(shè)有固定帽安裝槽、另一端設(shè)有堵頭；并有一個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵穿過(guò)上述穿孔，且長(zhǎng)周期光纖光柵的柵區(qū)沿軸向放置于中部腔體中央，該長(zhǎng)周期光纖光柵位于中部腔體的部分由金剛石套管封裝，且長(zhǎng)周期光纖光柵前后兩端的位于外殼穿孔內(nèi)的部分分別涂有膠水，長(zhǎng)周期光纖光柵兩端位于外殼之外的部分為尾纖，外殼的固定帽安裝槽內(nèi)還設(shè)有為長(zhǎng)周期光纖光柵提供恒定拉力的拉伸結(jié)構(gòu)，且所述的拉伸結(jié)構(gòu)通過(guò)上部端蓋封閉在固定帽安裝槽內(nèi)。
[0007]所述長(zhǎng)周期光纖光柵的封裝套管為金剛石單晶材料，既能抗海水對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵的侵蝕，又能提高傳感器對(duì)海水溫度變化的快速響應(yīng)。
[0008]所述金剛石封裝套管是利用微波等離子體氣相沉積法(MPCVD)或熱燈絲化學(xué)氣相沉積法(HFCVD)或直流熱陰極化學(xué)氣相沉積法制得。
[0009]所述金剛石封裝套管的內(nèi)徑為126±1微米，且內(nèi)壁光滑，剛好能允許去除涂覆層的普通單模光纖(直徑為125微米)通過(guò)。
[0010]所述金剛石封裝套管的壁厚為I?2微米。
[0011]所述的拉伸結(jié)構(gòu)由光纖固定帽、彈簧和金剛石套管固定帽組成，所述的金剛石套管固定帽呈圓柱形且軸線上設(shè)有穿孔、末端設(shè)有限位圓臺(tái)，且金剛石套管固定帽固定于圓柱形外殼的固定帽安裝槽內(nèi)，所述長(zhǎng)周期光纖光柵穿過(guò)金剛石套管固定帽的穿孔，所述光纖固定帽固定在長(zhǎng)周期光纖光柵上，所述彈簧套置在長(zhǎng)周期光纖光柵上且彈簧前端固定于金剛石套管固定帽、后端固定于光纖固定帽；經(jīng)過(guò)上述組裝后的光纖固定帽、彈簧和金剛石套管固定帽通過(guò)上部端蓋封閉在固定帽安裝槽內(nèi)。
[0012]所述金剛石套管固定帽為橡膠材質(zhì)，能與膠水一起緊緊卡住金剛石封裝套管，以保證拉伸結(jié)構(gòu)所在位置的水密性，防止海水滲入腐蝕彈簧。
[0013]所述彈簧的材料為耐海水腐蝕的高彈性模量的不銹鋼，以保證彈性元件在水下或潮濕環(huán)境中的長(zhǎng)期有效性。
[0014]所述外殼和帶孔端蓋的材料為耐海水腐蝕的低彈性模量鈦合金，且殼體表層必須拋光，以減少生物附著的可能性。
[0015]經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，金剛石材料有以下顯著優(yōu)點(diǎn)，特別適合海洋環(huán)境下應(yīng)用，是封裝材料的最佳選擇。
[0016]化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗海水腐蝕性能極佳。若在LPFG傳感器外面鍍一層金剛薄膜或者利用金剛石材料套管對(duì)傳感器進(jìn)行封裝，則可有效保護(hù)LPFG傳感器不受海水侵蝕；
[0017]熱導(dǎo)率大(約2000W/m.K，大約是銅的5倍，是石英材料的14.5倍)?？商岣吖饫w傳感器對(duì)海水溫度變化的響應(yīng)速率；
[0018]線性熱膨脹系數(shù)小且與石英材料相近(約lppm/K，玻璃為0.5ppm/K，水為208ppm/K)。在海水大范圍變溫時(shí)，金剛石薄膜不易脫落，金剛石套管不易碎裂。
[0019]在LPFG傳感器上應(yīng)用金剛石材料進(jìn)行封裝有鍍膜和套管封裝兩種基本方案，選擇最適合的封裝方式是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0020]鍍膜是指在光纖上直接鍍金剛石薄膜對(duì)LPFG柵區(qū)進(jìn)行保護(hù)，但是金剛石鍍膜通常溫度都要100tC左右，溫度太低會(huì)影響金剛石膜層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然而LPFG無(wú)法承受高于200°C的溫度，否則會(huì)擦除光柵。一個(gè)解決的辦法就是先在光纖上鍍金剛石膜，然后再考慮在光纖上制作光柵。紫外準(zhǔn)分子激光波長(zhǎng)一般為193nm或248nm，根據(jù)金剛石的透光特性，在248nm可能比較好，但也受到膜層厚度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素的制約，可以嘗試，但可操作性可能較差！
[0021]另一種方案就是金剛石管套封裝，充分利用了金剛石薄膜的優(yōu)異特性，不僅增強(qiáng)了光纖傳感器抗海水腐蝕能力，而且快速的導(dǎo)熱能力提高了傳感器對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)速度，同時(shí)極低的熱膨脹系數(shù)保證了在溫度大范圍變化時(shí)金剛石管套不會(huì)爆裂。管套封裝方案最大的優(yōu)點(diǎn)是解決了鍍膜方案中溫度過(guò)高擦除LPFG的問(wèn)題，同時(shí)也充分利用了金剛石薄膜的優(yōu)異特性，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案采用了金剛石套管封裝方案。
[0022]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0023]本發(fā)明提供的一種金剛石套管封裝可抗海水侵蝕的光纖溫度傳感器，通過(guò)采用金剛石套管對(duì)LPFG傳感器進(jìn)行封裝，能夠避免了海水對(duì)光纖傳感器的侵蝕，提高光纖傳感器水下成活率；進(jìn)一步提高了光纖傳感器對(duì)海水溫度變化的響應(yīng)速率；也能有效防止了水溫快速變化時(shí)封裝套管的碎裂發(fā)生。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明的金剛石套管封裝抗海水腐蝕的光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為典型的LPFG透射吸收峰譜圖。
[0026]圖3為利用MPCVD方法制作的單晶金剛石管樣品的SEM照片。
[0027]其中，101長(zhǎng)周期光纖光柵，102金剛石封裝套管，103膠水，104尾纖，201光纖固定帽，202彈簧，203金剛石套管固定帽，301外殼，302中部腔體，303堵頭，304上部端蓋。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]如圖1所示，一種金剛石套管封裝可抗海水