一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器及其制作方法

摘要

本发明公开了一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器及其制作方法，装置包括支架和微纳光纤；微纳光纤内刻制有微纳光纤光栅；微纳光纤外壁上镀有金属层；所述支架为柱体；柱体上设有贯穿柱体侧壁的通槽；柱体一端设有右端固定区，另一端设有与右端固定区相对应的左端固定区；带有金属层的微纳光纤安装在右端固定区和左端固定区中，微纳光纤光栅位于通槽内；本发明不仅可实现高速动态测温，还具有较好的结构强度，以及耐高温能力。

权利要求

1.一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器，其特征在于：包括支架(1)和微纳光纤(4)；

所述微纳光纤(4)内刻制有微纳光纤光栅(2)；所述微纳光纤(4)外壁上镀有金属层(3)；

所述支架(1)为柱体；所述柱体上设有贯穿柱体侧壁的通槽(101)；所述柱体一端设有右端固定区(5)，另一端设有与右端固定区(5)相对应的左端固定区(6)；所述右端固定区(5)和左端固定区(6)上均设有供带有金属层(3)的微纳光纤(4)穿过的通孔；

带有所述金属层(3)的微纳光纤(4)安装在右端固定区(5)和左端固定区(6)中；带有所述金属层(3)的微纳光纤(4)穿入在右端固定区(5)的通孔和左端固定区(6)的通孔中，通过电镀固定；所述微纳光纤光栅(2)位于通槽(101)内；

工作时，温度场变化使微纳光纤(4)产生热光效应，温度变化使热光效应的程度发生变化，使微纳光纤光栅(2)的折射率调制程度发生变化。

2.根据权利要求1所述的一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器，其特征在于：所述微纳光纤光栅(2)是通过紫外掩模光刻、飞秒激光或聚焦等离子体刻制。

3.根据权利要求1所述的一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器，其特征在于：所述支架(1)的材质为不锈钢。

4.一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在支架(1)的两端上设置右端固定区(5)和左端固定区(6)；其中，所述支架(1)为柱体；所述柱体上设有贯穿柱体侧壁的通槽(101)；

2)将普通石英光纤置于光纤拉锥机上，进行加热熔融拉锥，将普通石英光纤，拉至10μm量级以下，形成微纳光纤(4)；

3)将微纳光纤(4)区域进行刻栅处理，在微纳光纤(4)内形成微纳光纤光栅(2)；

4)将微纳光纤(4)进行镀层处理，在微纳光纤(4)外壁形成金属层(3)；

5)将镀有金属层(3)的微纳光纤(4)穿入在右端固定区(5)和左端固定区(6)中，使微纳光纤光栅(2)位于右端固定区(5)和左端固定区(6)之间；

6)将镀有金属层(3)的微纳光纤(4)与左端固定区(6)和右端固定区(5)的配合位置进行电镀。

5.根据权利要求4所述一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于：在步骤4)中，将微纳光纤(4)进行镀层处理的方式为蒸镀或磁控溅射。

说明书

一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及温度传感测量领域，具体涉及一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器及其制作方法。

背景技术

[0002] 瞬态温度是燃烧、高速传热等应用场合下高温流场及耐温器件热力学分析的重要参数，对瞬态温度的高速动态准确测量在航空、国防、工业等诸多领域具有至关重要的作
用。如航空发动机燃烧室温度超过1600℃，为便于飞行控制，高机动性战机发动机的测温响
应时间需小于10ms；导弹燃气射流、弹药爆炸、枪炮管内外壁等武器研究中也都涉及瞬态温
度测量，测温范围达数千摄氏度，瞬态响应要求在μs甚至更低。这些场合具有温度高、温变
范围大且变化速度快、测量环境恶劣、难以重复等特点，对测量要求极高，难度极大。目前普
遍采用的热电偶测温方式，在抗电磁干扰、体积、响应速度等方面，均存在不足。采用热丝热
线的方式，测温上限仅在150℃，不能满足高温测量需求。而光纤传感技术则具有抗干扰、体
积小、高精度、高可靠性等优势，可适应一些恶劣环境条件下温度测量的需求。但普通光纤
直径为125μm，进行高速动态温度测量时，由于自身热容的限制，响应时间仅能在10ms量级，
不能进行更高速的温度测量。

[0003] 因此，现有技术中需要一种能够解决上述问题的测温传感器。

发明内容

[0004] 为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器，包括支架和微纳光纤。

[0005] 所述微纳光纤内刻制有微纳光纤光栅。所述微纳光纤外壁上镀有金属层。

[0006] 所述支架为柱体。所述柱体上设有贯穿柱体侧壁的通槽。所述柱体一端设有右端固定区，另一端设有与右端固定区相对应的左端固定区。

[0007] 带有所述金属层的微纳光纤安装在右端固定区和左端固定区中。所述微纳光纤光栅位于通槽内。

[0008] 工作时，温度场变化使微纳光纤产生热光效应，温度变化使热光效应的程度发生变化，使微纳光纤光栅的折射率调制程度发生变化。

[0009] 进一步，所述微纳光纤光栅是通过紫外掩模光刻、飞秒激光或聚焦等离子体刻制。

[0010] 进一步，所述右端固定区和左端固定区上均设有供带有金属层的微纳光纤穿过的通孔。

[0011] 进一步，带有所述金属层的微纳光纤穿入在右端固定区的通孔和左端固定区的通孔中，通过电镀固定。

[0012] 进一步，所述支架的材质为不锈钢。

[0013] 本发明还公开一种基于高速动态测温的微纳光纤光栅传感器的传感系统，所述微纳光纤光栅传感器与测量仪相连。所述测量仪包括光源、耦合器、光谱仪和计算机。

[0014] 所述耦合器的输入端通过光纤与光源连接。所述耦合器的耦合端通过光纤与微纳光纤光栅传感器连接。所述耦合器的输出端通过光纤连接光谱仪。所述光谱仪与计算机网
络连接。

[0015] 在测量时，所述微纳光纤光栅传感器置于测温环境中。入射光从光源中输出，进入耦合器的输入端后，经耦合器的耦合端传播至微纳光纤光栅传感器。光被微纳光纤光栅反
射和折射后，输出光谱至耦合器。所述耦合器的输出端输出光谱至光谱仪。所述光谱仪解调
后将光谱信息转化为温度数据，并将温度数据传输至计算机。

[0016] 本发明还公开一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器的制作方法，包括如下步骤：

[0017] 1)在支架的两端上设置右端固定区和左端固定区。其中，所述支架为柱体。所述柱体上设有贯穿柱体侧壁的通槽。

[0018] 2)将普通石英光纤置于光纤拉锥机上，进行加热熔融拉锥，将普通石英光纤，拉至10μm量级以下，形成微纳光纤。

[0019] 3)将微纳光纤区域进行刻栅处理，在微纳光纤内形成微纳光纤光栅。

[0020] 4)将微纳光纤进行镀层处理，在微纳光纤外壁形成金属层。

[0021] 5)将镀有金属层的微纳光纤穿入在右端固定区和左端固定区中，使微纳光纤光栅位于右端固定区和左端固定区之间。

[0022] 6)将镀有金属层的微纳光纤与左端固定区和右端固定区的配合位置进行电镀。

[0023] 进一步，在步骤4)中,将微纳光纤进行镀层处理的方式为蒸镀或磁控溅射。

[0024] 本发明的技术效果是毋庸置疑的，不仅可实现高速动态测温，还具有较好的结构强度，以及耐高温能力，具体如下：

[0025] 1)通过光纤拉锥微纳化处理：减小传感区域体积，可减小热容量，加快热传导过程，从而有效提高响应速度；

[0026] 2)通过刻栅处理：温度变化时，光纤材料因热光效应引起折射率变化，相比因热膨胀效应引起的栅距变化，热光效应的响应时间会更快，从而实现测温快速响应；

[0027] 3)通过镀金属层：提升光纤结构强度，更具环境耐受性和适用性；微纳光纤直径很小，容易产生倏逝波，不仅会影响光强输出，在表面空气浓度变化时，还会对光纤内的光信
号产生影响；增加金属层，可与空气隔离，有效避免倏逝波影响；表面的金属材料与光纤本
体衔接紧密，有利于对快速温升变化做到快速实时响应；金属材料的热膨胀系数大于本体
石英材料，可有效提升传感器的灵敏度；增加光纤表面导电性，为后续电镀工艺做铺垫；

[0028] 4)通过在支架上设置右端固定区和左端固定区，便于微纳光纤限位安装；

[0029] 5)通过电镀处理，实现光纤与支架的金属化粘接，使传感器与支架牢固结合，增加其可靠性。

附图说明

[0030] 图1为本发明的结构示意图；

[0031] 图2为本发明的制作流程示意图；

[0032] 图3为本发明的工作原理示意图；

[0033] 图4为本发明的工作时信号前后变化示意图。

[0034] 图中：支架1、通槽101、微纳光纤光栅2、金属层3、微纳光纤4、右端固定区5、左端固定区6、光源7、耦合器8、光谱仪9和计算机10。

具体实施方式

[0035] 下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯
用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

[0036] 实施例1：

[0037] 本实施公开一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器，参见图1，包括支架1和微纳光纤4。

[0038] 所述微纳光纤4内刻制有微纳光纤光栅2。所述微纳光纤光栅2是通过紫外掩模光刻法刻制而成。所述微纳光纤4外壁上镀有金属层3。本实施例中，该金属层为铜层。

[0039] 所述支架1为不锈钢制成的矩形柱体，矩形柱体中部加工有通槽101。将所述支架1的四个侧壁依次记为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所述第三侧壁上加工有连
通通槽101的孔，该孔内固定有右端固定区5，所述第一侧壁上加工有连通通槽101的孔，该
孔内固定有与右端固定区5相对应的左端固定区6。所述右端固定区5和左端固定区6上均设
有供带有金属层3的微纳光纤4穿过的通孔。

[0040] 带有所述金属层3的微纳光纤4穿入在右端固定区5的通孔和左端固定区6的通孔中，通过电镀固定，将带有所述金属层3的微纳光纤4牢固结合在右端固定区5和左端固定区
6上。所述微纳光纤光栅2位于通槽101内。

[0041] 工作时，将微纳光纤光栅传感器置于测温环境中，温度场变化使微纳光纤4产生热光效应，由于采用微纳光纤4处理，表面至纤芯的热传导时间可至微秒量级，温度变化使热
光效应的程度发生变化，使微纳光纤光栅2的折射率调制程度发生变化，参见图4，当温度从
T1变化到T2时，波形随之发生偏移。

[0042] 本实施例提供的高速动态测温的微纳光纤光栅传感器，通过刻栅，实现高速动态测温，通过镀金属层3，将微纳光纤与空气隔离，有效避免倏逝波影响，同时表面的金属材料
与光纤本体衔接紧密，有利于对快速温升变化做到快速实时响应。通过在支架1上设置右端
固定区5和左端固定区6，便于微纳光纤4限位安装；通过电镀，实现光纤与支架1的金属化粘
接，使光纤与支架1牢固结合，增加其可靠性。

[0043] 实施例2：

[0044] 本实施例提供一种较为基础的实现方式，一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器，包括支架1和微纳光纤4。

[0045] 所述微纳光纤4内刻制有微纳光纤光栅2。所述微纳光纤4外壁上镀有金属层3。

[0046] 所述支架1为圆柱体，圆柱体侧壁上加工有贯穿整个侧壁的通槽101。所述圆柱体的两个底面上均加工有连通通槽101的孔，两个底面的孔内分别固定有右端固定区5和左端
固定区6。

[0047] 带有所述金属层3的微纳光纤4安装在右端固定区5和左端固定区6中。所述微纳光纤光栅2位于通槽101内。

[0048] 工作时，将微纳光纤光栅传感器置于测温环境中，温度场变化使微纳光纤4产生热光效应，由于采用微纳光纤4处理，表面至纤芯的热传导时间可至微秒量级，温度变化使热
光效应的程度发生变化，使微纳光纤光栅2的折射率调制程度发生变化，参见图4，当温度从
T1变化到T2时，波形随之发生偏移。

[0049] 实施例3：

[0050] 本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述微纳光纤光栅2是通过飞秒激光刻写法刻制而成。

[0051] 实施例4：

[0052] 本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述微纳光纤光栅2是通过飞聚焦等离子体法刻制而成。

[0053] 实施例5：

[0054] 本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述支架3的材质为不锈钢。

[0055] 实施例6：

[0056] 本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述右端固定区5和左端固定区6上均设有供带有金属层3的微纳光纤4穿过的通孔。

[0057] 实施例7：

[0058] 本实施例主要结构同实施例6，进一步，带有所述金属层3的微纳光纤4穿入在右端固定区5的通孔和左端固定区6的通孔中，通过电镀固定，将带有所述金属层3的微纳光纤4
牢固结合在右端固定区5和左端固定区6上。

[0059] 实施例8：

[0060] 本实施例公开一种基于高速动态测温的微纳光纤光栅传感器的传感系统，所述微纳光纤光栅传感器与测量仪相连。参见图3，所述测量仪包括光源7、耦合器8、光谱仪9和计
算机10。

[0061] 所述耦合器8的输入端通过光纤与光源7连接。所述耦合器8的耦合端通过光纤与微纳光纤光栅传感器连接。所述耦合器8的输出端通过光纤连接光谱仪9。所述光谱仪9与计
算机10网络连接。

[0062] 在测量时，所述微纳光纤光栅传感器置于测温环境中，温度场变化使光纤材料产生热光效应。由于采用微纳光纤处理，表面至纤芯的热传导时间可至微秒量级。入射光从光
源7中输出，进入耦合器8的输入端后，经耦合器8的耦合端传播至微纳光纤光栅传感器。光
被微纳光纤光栅2反射和折射后，输出光谱至耦合器8。所述耦合器8的输出端输出光谱至光
谱仪9。所述光谱仪9解调后将光谱信息转化为温度数据，并将温度数据传输至计算机10。由
于温度变化将导致热光效应的程度发生变化，微纳光纤光栅2的折射率调制程度也将不一
样，使得微纳光纤光栅2反射和折射的光谱发生变化，通过光谱仪7实时将光谱信息转化为
温度数据，可实时获得当前环境温度。

[0063] 实施例9：

[0064] 本实施例公开一种高速动态测温的微纳光纤光栅传感器的制作方法，包括如下步骤：

[0065] 1)在支架1的侧壁上安装右端固定区5和左端固定区6。其中，矩形柱体中部加工有通槽101。将所述支架1的四个侧壁依次记为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所
述第三侧壁上加工有连通通槽101的孔，该孔内固定有右端固定区5，所述第一侧壁上加工
有连通通槽101的孔，该孔内固定有与右端固定区5相对应的左端固定区6。所述右端固定区
5和左端固定区6上均设有供带有金属层3的微纳光纤4穿过的通孔。

[0066] 2)参见图2，将普通石英光纤置于光纤拉锥机上，进行加热熔融拉锥的方式，将普通125μm直径的石英光纤，拉至10μm量级或更细，形成微纳光纤4。

[0067] 3)将微纳光纤4区域进行刻栅处理，在微纳光纤4内形成微纳光纤光栅2。所述微纳光纤光栅2是通过紫外掩模光刻、飞秒激光或聚焦等离子体刻制。本实施例中，采用紫外掩
模光刻法。

[0068] 4)将微纳光纤4进行镀层处理，在微纳光纤4外壁传感区域形成金属层3。

[0069] 5)将镀有金属层3的微纳光纤4穿入在右端固定区5和左端固定区6中，使微纳光纤光栅2位于通槽101内。

[0070] 6)将镀有金属层3的微纳光纤4与左端固定区6和右端固定区5的配合位置进行电镀，使镀有金属层3的微纳光纤4和右端固定区5、微纳光纤4和左端固定区6紧密结合，形成
牢固结构。

[0071] 本实施例提供的高速动态测温的微纳光纤光栅传感器的制作方法优点如下：

[0072] I)通过光纤拉锥微纳化处理：减小传感区域体积，可减小热容量，加快热传导过程，从而有效提高响应速度；

[0073] II)通过刻栅处理：温度变化时，光纤材料因热光效应引起折射率变化，相比因热膨胀效应引起的栅距变化，热光效应的响应时间会更快，从而实现测温快速响应；

[0074] III)通过镀金属层3：提升光纤结构强度，更具环境耐受性和适用性；微纳光纤直径很小，容易产生倏逝波，不仅会影响光强输出，在表面空气浓度变化时，还会对光纤内的
光信号产生影响；增加金属层3，可与空气隔离，有效避免倏逝波影响；表面的金属材料与光
纤本体衔接紧密，有利于对快速温升变化做到快速实时响应；金属材料的热膨胀系数大于
本体石英材料，可有效提升传感器的灵敏度；增加光纤表面导电性，为后续电镀工艺做铺
垫；

[0075] IV)通过电镀处理，实现光纤与支架的金属化粘接，使传感器与支架牢固结合，增加其可靠性。

[0076] 实施例10：

[0077] 本实施例主要结构同实施例9，进一步，在步骤4)中,将微纳光纤4进行镀层处理的方式为蒸镀。通过蒸镀在微纳光纤4外壁形成金属层3。

[0078] 实施例11：

[0079] 本实施例主要结构同实施例9，进一步，在步骤4)中,将微纳光纤4进行镀层处理的方式为磁控溅射。通过磁控溅射在微纳光纤4外壁形成金属层3。