[发明专利]一种分布式温度与压强一体化光学测量系统

说明书

一种分布式温度与压强一体化的光学测量系统，包括光学压强检测模块和温度检测模块，传感探头可分布式连续测量同一轴线上的温度梯度变化，并可实现压强的一体化测量。如使用单晶晶体作为传感器材料，则探头可在超高温，强腐蚀性等极端恶劣环境中使用。在探头处于超高温区域的情形下，由普通光学元件组成的光学准直系统可布置在远程低温安全区域。

技术领域

本发明属于光传感，空间光，材料科学和材料加工技术的交叉领域，涉及一种光电检测技术，具体为一种采用级联光干涉腔的方式实现分布式温度和压强一体化测量的传感器系统。

背景技术

温度与压强是工业生产中最重要的两种物理特征参数，尤其在重工业及军工领域，经常需要在极端环境下测量这两个参数。所谓的极端环境通常指超高温，强腐蚀性，超高压、强电磁干扰等环境。例如，在石油化工合成，航空、航天发动机的运行，冶炼，石油钻井等作业中经常会遇到极端环境的情况。

现阶段，超高温环境（如超过1200摄氏度）的温度测量主要有三种技术，它们是高温热电偶、热辐射计和示温材料。高温热电偶是一种测量单点温度的器材，主要成分为铂、铑、钯等贵金属。如需要进行多点测量，例如温度梯度，这是高温反应炉中一个重要参数，需要使用多个贵金属热电偶，成本极高。除此以外，热电偶存在长期处于高温环境下测量结果漂移的问题。采用热辐射光谱原理的热辐射温度计，精确的温度测量对测试环境要求相当高，从高温区至安装光电探头的整个空间区域，不能有干扰热辐射光谱的其它物质存在，例如荧光材料等，否则会导致结果产生偏差。示温材料是一种非即时的温度探测手段，在降温后，该材料将通过颜色显示热循环过程中材料经历的最高温度。因此，示温材料仅仅是一种非实时的，检测最高温度的辅助手段。

以上介绍三种超高温的测量方法，都仅限于单点测温。对于分布式温度测量，例如航空发动机从内核至外壳的温度梯度测量，现有技术中普遍采用的方法是使用多个单点的热电偶。这种解决方案，除了贵金属热电偶的高成本，还存在需要大量布线的缺点。

超高温区域原位压强测量，是一个世界级难题。常用的电学压强计，例如MEMS压强计，压电陶瓷，应变类压强计等，都面临材料耐高温特性差，尤其是导电线和导电膜无法耐高温的缺点。高温下原位压强测量可选择光学方法，例如基于光弹效应，光学应变薄膜，或光学双折射效应等原理工作的光学压力传感器。光学高温原位测压的优势在于，可使用耐高温光学晶体，特别是单晶光学晶体，具备耐受高温及强腐蚀的特性，能够在极端环境下使用。

现有技术中，存在大量相关专利文献。诸如专利文献1（CN103644988 A）公开了一种传感器探头的技术方案，包括探头本体，探头本体底部固定在光纤的末端，探头本体包括F-P真空腔2，膜片1采用单晶硅晶圆，位于传感头的最前端，用来感受外界压力的变化，温度测量层实现压力测量过程中的温度补偿。硅层沉积厚度可通过改变反应气体流量和反应时间进行控制。由光源发出的光经由光纤耦合器注入光纤，之后进入传感器 端部，然后分别经过温度测量层和膜片后反射回来，形成干涉条纹。

再诸如专利文献2（US2011190640 A1），公开了一种基于干涉晶体温度补偿的光纤压力传感器的技术方案，包括探头本体，探头本体底部固定在光纤的末端，探头本体包括法珀微腔，玻璃薄膜，位于传感头的最前端，用来感受外界压力的变化，光纤布拉格光栅对温度敏感，位于微腔底部，在玻璃薄膜内表面13发生反射。

还诸如专利文献3（CN103234672 A），公开了一种基于双折射晶体温度补偿的光纤压力传感器的技术方案，包括探头本体，探头本体底部固定在光纤的末端，探头本体包括法珀微腔，单晶硅片，位于传感头的最前端，用来感受外界压力的变化，双折射晶体对温度敏感，位于微腔底部，双折射晶体透射光到达法珀压力传感头芯片中的法珀微腔，在浅坑底部和单晶硅片内表面两次发生反射。

该专利文献1-3即是属于上述的一种光学高温原位测压技术。然而这些技术方案的测量装置复杂，成本高，耐高温性能不稳定，不能实现远程测量。