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无隔膜光纤的气体压力传感器对于高温环境的应用


发布日期:[2018-08-23]    作者:昊明压力传感器


无隔膜光纤气体压力传感器的设计和实验验证本文,将切割好的光纤布拉格光栅制作了FP腔(FBG)和二氧化硅空心管(HST)从两侧进入石英套管。的SMF和HST与气体密度变化的两端之间的FP腔的长度。使用温度解耦方法改善在高温环境下压力传感器的精度。在不同温度下的压力测量实验系统验证了该传感器的性能。FP的气体压力传感器的压力灵敏度为4 nm/MPa具有高线性压力响应在0.1–MPa范围内,和对温度的敏感性是14.8点/°C 20–800°C.传感器具有小于1.5非线性用温度解耦方法不同温度范围。制造工艺简单、低成本的传感器将帮助保持在高温应用中的压力测量所需的优良特性。

与传统的传感器相比,光纤压力传感器被广泛用于气体压力测量在高温下由于其具有抗恶劣环境、抗电磁干扰、体积小、灵敏度高的。光纤压力传感器主要是基于Mach森德干涉仪,迈克尔逊干涉仪,和FP干涉仪技术。与其他类型相比,FP干涉压力传感器,其灵敏度高的优点,体积小,结构紧凑,已广泛用于测量压力。研究者们重视基于Fabry Perot光纤压力传感器的膜片。Fabry Perot微光学传感腔由激光直接对一个标准的电信光纤,被证明为追踪常见有机溶剂蒸气的端面写制作。一种廉价的全硅光纤Fabry Perot干涉仪的压力传感器的外部与一个光纤布拉格光栅在传感头接近补充说,这可能与0.5°C精度补偿温度变化。一种光纤Fabry Perot干涉仪和光纤布拉格光栅复用传感系统压力和温度与压力和温度的测量精度在温度变化范围为0.03 MPa和0.5°C 18 C和300°°C. Duraibabu等人之间。提出了一种新的微型压力传感器,结合光纤光栅具有约0.01–0.03 m分辨率的~ 0.5厘米深度精度的海洋环境。
然而,考虑到膜片式压力传感器会在高温下的塑性变形,无隔膜的传感器可以工作在较高的温度下,有一个广泛的压力测量范围。例如,维拉度路等。报道在反射光子晶体光纤干涉仪具有高灵敏度不同的挥发性有机化合物。跑等。证明无隔膜压力传感器实现了从室温到700°C通过剪接SMF到光子晶体光纤(PCF)进行压力测量,用157 nm激光在光子晶体光纤的一端制孔。费雷拉等人。提出了一种用于压力测量的拼接hcr-pcf部分标准单模光纤制造的灵敏度为0.82 nm/MPa FP干涉传感器。徐某等人。通过剪接与喂养一小段毛细管主毛细管的一端和另一处高4.15 nm/MPa气敏制作的微腔光纤Fabry Perot干涉仪。上述传感器的测量结果容易受和材料的弹性模量变化的热膨胀时,应用于高温环境严重影响传感器精度。此外,这些传感器通常有一个复杂的生产过程中常见的缺点,成本高,事实上他们的工作温度不够高,等等。
本文提出了一种无隔膜光纤Fabry Perot(FP)干涉气体压力传感器。根据这一原理,气体密度随压力的变化而变化,压力可从室温到800°C.传感器材料是二氧化硅具有极低的温度漂移测试。此外,温度补偿结构中的传感器来抵消对传感器的压力测量结构之间的热膨胀效应设计的,这进一步降低了传感器的温度漂移。光纤光栅是由飞秒激光内接用于温度解耦。温度解耦的方法提高在高温应用中的传感器的精度。本文提出的传感器不受塑性变形提供了一种在高温压力测量方法存在的问题。该传感器具有结构简单、成本低、制作简单、低温度系数、高精度、可稳定工作在高温800°C并希望被用在更高的温度。

2。工作原理

该光纤FP气体压力传感器的结构示图1。该传感器由单模光纤光栅和HST被集成到一个硅从两端套管。SMF和HST固定采用硅胶套管和FP腔连接是光纤两端之间形成(S一)和HST(S二),如图所示图1。HST的孔提供了外部气体容易进入。
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图1原理的光纤FP传感器高温。

2.1。光学干涉原理

当入射光沿光纤的传感器,光线通过光纤光栅反射的部分,一,S二和HST的外表面(S三),如图所示图1。随着入射光强度的IIN最初反映在光纤光栅,然后传播的光被反射在两反射面一,S二的FP和S三,三反射光互相干扰并返回到光纤光栅。然而,反射的光三形成一个更大的对比,对干涉谱影响小周期条纹。因此,为了得到更好的干扰频谱,蚀刻的三用HF酸,光反射的三不能进入SMF可忽略。所以光回到了FBG的FP干涉光。输出光的强度IoUT可以定义为:
IoUT=IIN⋅【FFBG (一−FFBG)二⋅FFP],
(1)
哪里FFBG和FFP是反射系数的光纤光栅和FP腔。他们被定义为:
FFBG=R一⋅口【−(λ−λFBG)二/W二],
(2)
FFP=二R二⋅【一 余弦(四问l/λ 问)],
(3)
哪里R一是FBG峰值反射率,λFBG是FBG中心波长,W是FBG的反射峰值带宽,R二对光纤端面反射率,和l是FP腔的长度:
l=λ一⋅λ二二(λ二−λ一),
(4)
哪里λ一,λ二是相邻峰值的波长(或谷)。
该传感器的干涉谱模拟显示图2,可以看出温度监测的光纤光栅中心波长对应点(λFBG),根据温度传感原理的光纤光栅,温度可通过光纤光栅中心波长偏移,最终达到解耦的目的计算温度。
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图2气体压力传感器的光纤F-P干涉光谱模拟。

2.2。温度解耦原理

目前,压力传感器材料的热膨胀,在高温环境下弹性模量的变化普遍存在的问题,这直接影响了压力传感器的温度漂移和灵敏度。这显然限制了这些压力传感器中的应用。
为了消除高温下不同材料之间的热膨胀的影响,温度补偿结构本文设计的。之间的距离的一左边的融合点是L三,和之间的距离一和S二是我一,如图所示图1。在我们以前的研究,实验结果表明,通过设置L之比三和L一为9:1,由于的SMF和二氧化硅壳之间的热膨胀系数不同的传感器的影响可以消除。温度补偿结构大大降低了在高温环境下的零漂移。
对高温下弹性模量的变化的问题,本文提出了一种温度解耦方法。最初,拟合在不同温度下的FBG中心波长,该传感器的温度可以由中心波长的计算。下一步,该传感器是在一个特定的温度校准,拟合得到的温度和灵敏度之间的关系的敏感性。最后,气体的压力可以通过光纤光栅中心波长对应的计算、灵敏度和温度。通过温度解耦方法,该光纤FP气体压力传感器的精度可以在高温环境明显改善。

三.传感器的制作

传感器的显微图像显示图3。光纤光栅峰值反射率、带宽和中心波长分别为65%、0.5和1575 nm处,分别。对光纤端面与望远镜之间的距离,和HST的内径对频谱的影响很大。的干扰频谱降低对比度的内直径的增大而增大。经过综合考虑,我们选择了HST与5μ米规格的SMF内径的硅胶套管,传感器和HST中列出表1。由于二氧化硅套管保护,两反射表面的一和S二保持平行。融合点在壳体的两端,可以较好地保护两反射面被损坏。在一定温度下,硅胶套管防止HST崩溃由于过热。通过控制HST的插入长度的FP腔的长度可灵活控制。
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图3该光纤FP气体压力传感器的显微图像。
表1用于传感器部件的规格。
Table
图4阐述了传感器的制作工艺。该传感器的制备如下。首先,光纤和石英套管切割光纤切割刀,如图所示图4A.插入光纤到二氧化硅的捻接器手动融合过程中套管(FITEL,S183 2版,东京,日本)。出院1–2倍左右的融合点,如图所示图4B.空气捻接器的参数设置为:硅胶套管切割从显微镜下以光纤切割刀的SMF的结束一个合适的距离,如图所示图4C下,裂解的HST和光纤切割刀、插HST的硅胶的捻接器手动融合过程中套管的另一端,如图所示图4D.保持合适的距离与单模光纤的末端形成FP腔。出院1–2次在合适的融合点,如图所示图4E.捻接参数被设置为最后,HST的过剩被切掉的显微镜下,如图4F.融合参数显示在表2
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图4制造过程的示意图。(一)裂SMF和石英套管。(B)融合的SMF和二氧化硅外壳一起最后的石英套管。(C切割的石英套管)。(DHST)裂。(E二氧化硅套管和HST)融合在一起,在另一端的石英套管。(F)裂解的HST的过剩。
表2融合参数
Table
由光纤光栅反射的入射光的一,S二和S三形成干扰的频谱,这是显示在黑色的图5。结果,为了不影响到干扰频谱,蚀刻的三用氢氟酸的干扰频谱显示红色图5。波的叠加干涉光谱之间存在的微小的距离一与FBG裂解时显微镜下。结果与模拟显示一致图2
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图5与FP干涉仪和光纤光栅的光纤F-P干涉光谱气体压力传感器。

4.。实验结果

实验测试系统设置了计算机、频谱分析仪、压力罐、控制柜、气瓶,如图6。光束传播从频谱分析仪(光栅、微米光学有限公司,亚特兰大,GA,美国),并传送到传感器提出了压力和温度检测。传感器被放置在压力罐的压力测试在不同温度稳定。加热器产生的温度与温度控制柜控制,和压力是由气缸调整。罐内温度和压力进行校准的温度传感器和压力传感器的标定精度±0.1 %和5‰MPa±F.。通过的一项决议一时1510 nm范围内下1590 nm频谱分析仪记录数据的处理与PC.
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图六实验装置的压力和高温试验。
在氮气环境下的传感器的标定过程如下。把传感器在油箱和接近加热器可以检测温度,罐内压力的高纯氮气灌装坦克变化。调整压力油箱中从约0.1兆帕(0.7兆帕气压)在20、200、400、600和800°C.每0.1兆帕,记录的干涉谱后5分钟。实验结果保持温度显示干扰的频谱转移到长波长稳定在20,200 400,压力的增加,600和800°C.图6一个显示在0.1压力谱移,0.4和0.7 MPa下20°C.图7一是转变时的频谱压力稳定在0.1,0.4和0.7兆帕20°C.图7一,可以看出,传感器对压力敏感的反应。由于温度保持在20°C,FBG的中心波长没有变化。压力监测点和监测点所示的温度图6A.初始FPI的“峰”和光纤光栅中心波长λ零=一千五百六十三点零五二四和λFBG=一千五百七十四点八六五八nm,分别。在20, 200, 400种不同压力下的波长拟合曲线,600和800°C所示图7B.从图7B,可以看出,波长与压力有良好的线性关系,和重复的实验结果是一个很好的协议。这证明了该传感器在不同温度下有较好的线性度和重复性。在20, 200, 400的敏感性,600和800°C的4.28,2.62,1.83,1.41和1.15 nm/MPa,分别。
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图7干涉谱:(一FP干涉仪)(血糖稳定;B)与压力在20, 200, 400波长的变化,600和800°C.
压力在0.1下测量了本文提出的传感器的稳定性,0.4和0.7兆帕800°C约100分钟,结果显示图8,可以看出,本文提出的传感器和至少100分钟的波长响应的细微变化有很好的稳定性
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图80.1该传感器的稳定性试验结果表明,0.4和0.7 MPa下800°C 100分钟。
在传感器中使用的光纤光栅已退火并达到一个稳定点。光纤光栅中心波长与温度之间的关系如图9a. It can be seen that the FBG center wavelength has a good linear relationship with the temperature and shifts to a long wavelength as the temperature rises from 20 to 800 °C. The FBG center wavelength can be fitted with the relationship of the Equation (5) with A = 1574.7756, B = 0.0125, C = 3.8889 × 10−6and D = −1.6458 × 10−9,在那里λFBG是FBG的中心波长。拟合度为99.98 %。从图7B、波长和压力之间的关系,在20, 200, 400,600和800°C可以得到波长在0.1 MPa,在相应的温度敏感性。在20、200、400压力监测点的波长,600 800°C下0 MPa,由波长和压力之间的关系计算1562.6064,1562.5912,1562.5987,1562.5856和1562.5966 nm,分别。波长几乎没有漂移的温度补偿结构的有效证明。的平均1562.5957 nm波长。从图7b, we can fit the wavelength values corresponding to the pressure monitoring point at each step from 0.1 Mpa to 0.7 Mpa to get the sensitivities of the sensor at 20, 200, 400, 600 and 800 °C. The sensitivities of the sensor at different temperatures are fitted with the relationship of Equation (6) with a = 1.5087, b = −0.0029 and c = 1.5703 × 10−6。灵敏度的拟合显示图9B.图9B,可以看出,灵敏度与温度的拟合度指数的关系99.74%。
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图9关系的拟合曲线:(一)光纤光栅中心波长与温度;(B)的灵敏度和温度
λFBG=一 B⋅T C⋅T二 D⋅T三
(5)
Y=E一 B⋅T C⋅T二,
(6)
利用温度解耦方法,计算值和计算值在20, 400和800°C拟合曲线分别显示图10和交流图10,由高温压力复合平台的压力表测量压力的实际值。从图10,可以看出,计算值与实际值吻合较好,并有计算值与实际值之间只有轻微的错误。在20计算值的拟合曲线的斜率,400和800°C 1.00071,分别0.9887和0.99497,,这是非常接近1。这证明了传感器是相当可靠的。所计算出的值在20, 400和800°C的最大误差分别为5.3、7.6和8.1 kPa。计算值的非线性误差分别为%,%,%为1.34,,这是低于市场上的常规气体压力传感器。为什么计算值与实际值随温度的增加,偏差可能是由于增加的敏感性的拟合偏差的温度升高。在今后的工作中,我们将进行更好的拟合方法研究。我们相信,这将是更好的提高解耦方法温度精度。
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图10温度解耦结果:(一在°C(20);B在°C(400);C)在800°C.
由于压力测试结果是气体的折射率有关,该传感器可用于单组分气体或混合成分不变气体检测中的应用,例如,在一个火电站管道高温蒸汽压力监测,并在实验室条件下的压力测量。总之,该传感器可用于监测的单组分或混合成分不变的气体环境中通过校准传感器根据应用环境。如果在测量混合气体成分的变化,传感器不适合这样的环境,除非我们意识到情况后的变化。

5 .2 .结论

总结,无隔膜的光纤气体压力传感器用于高温环境下基于压力的变化与气体的密度,它提供了一种在高温压力的测量方法。它采用光纤光栅实现现场温度测量。该光纤FP气体高温压力传感器的压力灵敏度为4.28 nm/MPa具有高线性压力响应在0.1–0.7 MPa,温度灵敏度范围为14.8点/°C在20–800°C系列。该传感器具有小于1.5%的非线性在利用温度解耦方法不同温度。该传感器具有极低的温度系数,结构紧凑,体积小,制作简单,成本低,这将有助于传感器提供在高温应用的压力测量所需的优良特性。