CN102378931A - 光学传感器、系统及制作方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种光纤传感线缆。该光纤传感线缆包括光纤，所述光纤具有折射率为n₁的芯和包括纳米孔覆层的光纤的圆周表面，所述覆层具有折射率指数n₂。还公开了制备光纤传感器线缆的方法(包括形成纳米孔覆层)和结合本发明的光纤传感线缆的传感器系统。

Description

光学传感器、系统及制作方法

对相关申请的交叉引用

本申请涉及与本申请同时提交的名称为“Packaged Sensors andHarsh Environment Systems with Packaged Sensors”、案号为230172-2、序列号为12/413,641的共同未决的美国专利申请，该申请特此通过引用被结合。

背景技术

本发明一般涉及光纤传感系统和方法，并且更具体地说，涉及用于恶劣环境的光纤传感系统和方法。

在包括诸如涡轮机、燃烧池及发电厂等极端恶劣环境的各种工业应用中，要求稳定和瞬间的温度测量。恶劣环境的非限制性示例包括煤气化器和辐射合成气冷却器容器，其中的瞬间温度一般范围从1000℉到3000℉(537.7℃到1648.8℃)，压力大于500psi(3.45MPa)。由于封装、渗透和诸如高温、高压、存在高度腐蚀剂(H₂S、SO₂、H₂O)和电磁干扰等这些环境中可存在的因素，诸如热电偶和高温计等常规传感器经常难以在此类恶劣环境中使用。

光纤布拉格光栅(FBG)是在光纤中构建的高质量反射器，其反射光的特定波长和透射其它波长。这通常通过对纤芯的折射率添加周期性或准周期性变化来实现。光纤能够是蓝宝石、石英或硅光纤材料。蓝宝石光纤传感器一般由于熔点高达～3700℉(2037.7℃)而具有卓越的热生存性，而四面体光纤传感器一般可耐受高达～2100℉(1148.8℃)。无论是基于蓝宝石光纤的布拉格光栅传感器还是四面体光纤布拉格光栅传感器，FBG由于其在低质量、低比热、复用、多点分布和电磁干扰免疫性方面的优点而对多点温度剖面测量是非常理想的。具体而言，这些波长编码光纤传感器的复用能力使得能够通过一个光纤传感器线缆对热剖面映射进行多点分布传感，其中，多个布拉格光栅元件级联在一起，空间分辨率从几毫米到几厘米，波长分辨率从1纳米到几纳米。

然而，在以高温度、压力、涡流和腐蚀为特征的气化器环境内的操作不但能够影响光纤传感器的性能，而且可缩短其服务寿命。由于一般光纤材料的0.125到0.25mm的小直径，高温FBG传感器在安装或嵌入恶劣环境结构之前必须要封装。传感器的封装可能能够保护传感器，防止由于危险环境造成的损害，并提高在安装和服务寿命期间传感器的生存率。对于封装的高温FBG传感器，高温FBG传感器的耐久性和寿命不但取决于传感器本身，而且取决于封装材料、封装方法及现场安装。

此外，光缆用于将数据从传感器运送到数据采集和分析测量仪器。在恶劣环境中，此类测量仪器的位置一般离测量环境很远。光纤传感器或光缆中的透射损耗能够使得采集测量仪器接收低质量的传感器数据，导致测量不准确。在当前已知的光纤中，覆层一般用于降低透射损耗。但由于覆层材料和纤芯的热膨胀系数(CTE)不同，覆层材料一般在高温时脱层。

因此，需要为恶劣环境应用提供低损耗、现场可部署的封装的光纤传感线缆和传感系统。

发明内容

本发明的一个实施例是一种光纤传感线缆。该光纤传感线缆包括光纤，所述光纤包括具有折射率为n₁的芯和具有折射率指数为n₂的纳米孔覆层。光纤传感线缆的纳米孔覆层绕光纤的圆周表面的至少一部分而存在。

本发明的另一实施例是一种制造传感线缆的方法。该方法包括提供包括具有折射率n₁的芯的光纤，以及绕光纤的圆周表面的至少一部分而形成纳米孔覆层以创建更低的折射率n₂。

本发明的另一实施例是一种包括光纤传感线缆的温度传感器系统。光纤传感线缆包括光纤，该光纤本身包括具有折射率n₁的芯和具有折射率n₂的纳米孔覆层，其中，所述芯包括至少一个布拉格光栅结构。纳米孔覆层绕光纤的圆周表面而存在。温度传感系统还包括用于生成探询信号的探询源和信号采集与分析系统。在通过探询信号来探询光纤传感线缆时，布拉格光栅结构通过偏移其布拉格谐振波长来响应传感的温度。响应数据信号由数据采集和分析系统来采集以估计传感的温度。

附图说明

参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中类似的字符在图形各处表示类似的部分，其中：

图1是根据本发明一实施例的用于检测环境和/或元件的多个参数的光纤传感系统的图示。

图2是根据本发明一实施例的带有光纤的光纤传感线缆的图示，该光纤具有芯和带纳米孔覆层的圆周表面。

图3是根据本文中公开的一实施例的方法的图示，其提供带有芯的光纤和在至少一部分圆周表面中形成纳米孔覆层孔。

图4是根据本文中公开的一实施例的蓝宝石片上基于椭圆计的分光研究，用于评估有关蓝宝石材料表面光学属性的高能光子辐射效应。

图5是根据本文中公开的一实施例的在温度T＝2426℉(1330℃)测量的蓝宝石光纤布拉格光栅谐振波长谱的图示。

图6是根据本文中公开的一实施例的对于T＜1800℉(982.2℃)的蓝宝石光纤布拉格光栅传感器随温度的线性波长变化的图示。

图7是根据本文中公开的一实施例的对于T＞1600℉(871.1℃)的蓝宝石光纤布拉格光栅传感器的随温度的非线性波长变化的图示。

图8是根据本文中公开的一实施例的在1950℉(1065.5℃)的等温退火条件所测量的蓝宝石光纤布拉格光栅传感器随时间的波长稳定性的图示。

图9是根据本发明的一实施例的用于检测环境和/或元件的多个参数的多模式光纤传感系统的图示。

图10是根据本发明的另一实施例的光纤传感器封装的图示，其带有将两个光纤的互连固定到位的接合材料和管道。

图11是根据本发明的另一实施例的方法的图示，其提供带有将两个光纤的互连固定到位的接合材料和管道的光纤传感器封装。

图12是本文中公开的另一个实施例中煤气化辐射合成气冷却器(RSC)容器和气化系统中部署的光纤传感器线缆的图示。

具体实施方式

本发明的实施例包括具有降低的透射损耗的光纤传感器和制作方法以及用于恶劣环境应用的封装的光纤传感线缆系统。

在下面的说明书和随附的权利要求中，单数形式“一(a/an)”和“该(the)”包括复数个所指对象，除非上下文明确另有指明。

现在参照图形，图1示出用于检测环境或对象12的参数的示范光纤传感系统10。虽然本讨论集中于传感装置和系统上，但本技术不限于从气化器和煤气化的温度传感，而是也适用于诸如应变等其它模态及包括燃气涡轮、燃烧室、飞机引擎等的动态传感。相应地，随附权利要求不应限于以下讨论的示范实施例或受其限制。光纤传感系统10包括光纤传感装置14，该装置又包括光纤传感线缆16。如图所示，线缆16布置在元件12内，使元件12中的变化转换到光纤传感线缆16。线缆16包括具有布拉格光栅结构20的芯18。

此外，光纤传感系统10包括配置成照射光纤传感线缆16的芯的光源22。此照射有利于生成对应于光纤传感线缆16的光栅周期的反射信号。系统10还包括光耦合器24以管理来自光源22的进入光以及来自光纤传感线缆16的反射信号。光耦合器24将适当的反射信号引导到检测器系统26。虽然所示实施例描述传感器系统的反射模式配置，但本领域技术人员将理解，传感系统也能够在透射模式中操作。

检测器系统26接收来自光纤传感线缆16的反射光信号，并且与各种硬件和软件组件协作，分析光信号内嵌入的信息。例如，检测器系统26配置成基于从光纤传感装置14的光纤传感线缆16的多个光栅元件所生成的衍射峰，估计对象12的参数或条件。在某些实施例中，检测器系统26采用光谱分析器来分析来自光纤传感装置14的信号。根据期望的应用，检测器系统26可配置成测量环境12中的各种参数。除其它之外，此类参数的示例包括温度、气体的存在、应变和压力。检测器系统26形成的信息可传递到输出28，如显示器或无线通信装置或远程站，以便进行信息的分析。在本发明的一个实施例中，图1的系统10的光纤传感线缆16是一部分其圆周表面或子表面(sub-surface)带有修改的折射率的传感光缆。在本文中及在说明书的剩余部分各处使用时，术语“表面”和“子表面”可交换使用，并且用于表示在圆周表面或其附近光缆的薄部分或体积。虽然使用了词语圆周，但这不表示光纤的特定几何形状，实际上，可想象许多不同的几何形状。

图2示出一个此类示范光纤传感线缆30，该线缆包括折射率为n₁的芯32，其具有布拉格光栅结构34和圆周表面36。该光纤传感线缆的圆周表面36提供有纳米孔38以形成带有与芯32的折射率n₁不同的折射率n₂的纳米孔覆层。子表面中存在的纳米孔38有助于改变圆周表面36的折射率。在一个实施例中，具有纳米孔覆层的圆周表面36的折射率n₂低于纤芯32的折射率n₁。在另一实施例中，折射率n₁具有从大约1.75到大约1.78的范围中的值，并且折射率n₂具有n₁-δ的值，其中，δ在从大约10^-2到大约10^-4的范围中。此更低的折射率n₂有助于纤芯32中光的内部反射，并且又降低了光纤的透射损耗。在一个实施例中，纳米孔覆层的纳米孔38被构建为开孔。在一些实施例中，纳米孔38至少部分是开孔。在各种实施例中，纳米孔38至少部分填充有主要用于光学属性修改的媒质。在又一实施例中，纳米孔38至少部分填充有空气。在其它实施例中，纳米孔38至少部分填充有基于石英材料的纳米颗粒。在一个实施例中，薄层或膜环绕纳米孔覆层。在一示范实施例中，基于铝的膜布置在纳米孔覆层上方。预期在蓝宝石光纤的圆周表面上纳米孔覆层的上方布置基于铝的膜将有助于适应蓝宝石纤芯与膜层之间任何温度诱发的差别。

在本发明的一个实施例中，光纤传感器线缆、并且具体而言线缆的芯的材料是蓝宝石光纤材料。蓝宝石是高温熔点材料(～3700℉)，其与相比较而言更低熔点材料相比，具有许多优点，特别是对于高温应用。例如，虽然通常使用的基于硅的FBG传感器能够在一些温度范围有效地使用，但它们在诸如大于1800℉(982.2℃)的温度等升高的温度展现了不合需要的热不稳定性。这是因为在温度高于1200℉(648℃)时，光纤材料遇到从非晶玻璃网络到微晶结构的微结构形态变换。此类结构转变将大大修改光纤中存在的布拉格光栅(折射率调制的结构)。由于蓝宝石材料在结构上是结晶的，并且直到熔点不具有任何结构相位转变，因此，这可能能够实现在更高温度的光纤传感性能而无材料结构变化。

因此，具有其高熔点且结晶结构的蓝宝石光纤材料使得蓝宝石光纤在用于极高温传感的恶劣环境中可靠地操作。因此，基于蓝宝石的光纤基于布拉格光栅的传感器适用于热动态范围从大约1800℉(982.2℃)到大约3000℉(1648℃)的高温传感，并且可能能够生存于高温和高压条件。下面在表1中列出了一些典型的蓝宝石光纤材料属性(例如对于来自Photran LLC的蓝宝石光纤)。

表1蓝宝石光纤材料属性

纤芯直径(微米)	150，250，325，425
		数值孔径	0.12
透射每米	80％
		弯曲半径(mm)	20，30，60，80
长度(m)	2
		最大长度(m)	4

图3示意表示提供带有芯32(图2)的光纤和形成由纳米孔38组成的纳米孔覆层(图2)的方法40。在步骤42(图3)中提供具有折射率n₁的光纤，并且在步骤44中在光纤芯32(图2)上形成配置成在相位中反射光的波长的布拉格光栅。在步骤46(图3)中，在至少一部分圆周表面36上形成纳米孔38(图2)以创建环绕芯并具有折射率n₂的纳米孔覆层(其中n₂＜n₁)。在备选实施例中，可在纳米孔覆层的形成之后形成布拉格光栅。

在一些实施例中，纳米孔可在步骤46(图3)中在传感光纤的圆周表面上通过各种方式来形成，例如通过提供有孔的覆层，并且将该覆层与芯集成，以及在芯表面上刻划纳米孔。在一个实施例中，纳米孔的形成基于化学蚀刻工艺以形成相比芯带有更低的折射率的子表面结构。在某些其它实施例中，纳米孔在步骤46(图3)中通过高能辐射撞击在传感光纤的圆周表面上而形成。在一个示例中，通过使传感光纤形成直径小于10cm的环，能够同时在高能辐射室中形成2-4米长的传感光纤覆层。在一个实施例中，使用的高能辐射是质子辐射。在一个实施例中，使用辐射的能量在大约0.5MeV到大约5MeV的范围中。在另一实施例中，辐射的能量在大约1MeV到大约3MeV的范围中。在仍有的另一实施例中，使用的辐射的能量是大约2MeV。

除例如但不限于撞击距离、温度和周围环境等其它可能因素外，形成的纳米孔覆层的深度取决于光纤材料和入射辐射的能量。在一个实施例中，包括纳米孔的纳米孔覆层的深度在从大约1微米到大约1.5微米的范围中。在另一实施例中，纳米孔覆层的深度在介于大约1.5微米到大约5微米之间的范围中。在还有的另一实施例中，纳米孔覆层的深度是大约1.5微米。

图4是在子表面修改之前和之后蓝宝石材料的光学属性的比较图。为了更便于从辐射的样本进行分析，为光学属性研究使用了薄蓝宝石片。大约2MeV的高能质子辐射撞击在蓝宝石片上。从高能质子撞击所获得的纳米孔覆层的深度是大约1.5μm。线图50示出复折射率的实部n(左Y轴52)与复折射率的虚部k(右Y轴54)中的测量变化和波长(X轴56)。图形清晰地示出子表面修改后蓝宝石材料的属性的修改。曲线拟合的分光椭圆计数据显示，不管来自三层模型(空气/纳米孔覆层结构/蓝宝石材料)的可能拟合误差，纳米孔覆层结构中折射率的变化能够高达大约8％。表面层光学折射率的降低与纳米孔覆层结构的形成相关联。子表面附近的折射率有效地按照蓝宝石材料和高缺陷密度(high-defect-density)表面结构的平均值被降低。这显示具有纳米孔覆层的蓝宝石光纤能够减轻更长长度光纤传感装置的透射或反射损耗。此外，在覆层具有与基础材料相同的材料时，防止了在高温时由于CTE中差别而造成的脱层。另外，诸如空气或石英材料的纳米颗粒等媒质可用于填充纳米孔，并且帮助修改覆层的折射率。

布拉格光栅结构能够通过不同技术来形成。非限制性的示例包括微加工工艺，如金刚石锯切割或诸如掺杂等化学工艺，或者通过暴露于UY激光束等。在一个实施例中，布拉格光栅结构通过借助于高功率飞秒激光而诱发微晶结构、之后进行后热处理工艺来刻划。此方法构建微空(micro-void)填充的结晶光栅结构和结晶光栅结构的周期序列。

在一个示例中，使用高功率脉冲飞秒近红外激光和相位掩模技术，刻划蓝宝石光纤中的光纤布拉格光栅结构。这将构建由微空填充的结晶蓝宝石和结晶蓝宝石的区域所形成的周期调制的光栅结构。蓝宝石布拉格光栅的谐振波长由以下所示的来确定：

λ₁≈2·n_a·Λ                    [1]

和

λ₂≈2·n_c·Λ                    [2]

其中，n_a和n_c对应于蓝宝石光纤的c轴和a-b平面中的各向异性折射率，并且Λ是光栅调制的周期性。两个折射率之间的小差别将诱发带有宽剖面或离散多峰剖面的布拉格谐振峰。在一些条件下，此类双反射波能够相互干扰以叠加缓慢变化的干扰背景。

图5是蓝宝石光纤布拉格光栅结构相对于波长(X轴74)的峰值功率(Y轴72)的变化的图示70，示出了带有较宽的峰剖面的谱。图6和7是探测在不同温度和一段时期上在某个温度蓝宝石光纤布拉格光栅结构的响应度的可行性研究。蓝宝石光纤传感器长度从300mm到2000mm，光栅位置距离远端50mm。图6的图形80示出温底低于1800℉(982.2℃)时相对于温度84的布拉格光栅谐振波长偏移82，并且图7的图形90示出温度大于1600℉(871.1℃)时相对于温度94的布拉格光栅谐振波长偏移92。可行性研究已经发现，在温度低于1800℉(982.2℃)时，光纤传感器对温度的响应能够线性地被描述，具有斜率11.2pm/℉。然而，如从图7的图形90的对数据的非线性拟合能够看到的，对于更大的升高的温度范围，此类关系变得非线性。在温度大于大约1600℉(871.1℃)时，波长偏移与温度的传递函数能够描述为

Δλ(nm)＝306.894-0.483·ΔT+2.4575·ΔT²-3.877×10^-8·ΔT³  [3]

通过相对于在1950℉(1065.5℃)对于大约6.5小时的等温退火104测量布拉格谐振波长偏移102，图8进一步示出蓝宝石光纤传感器的热稳定性图100。图8的图形100清晰地示出本发明的蓝宝石光纤布拉格光栅实施例随时间过去是热稳定的。

本发明的实施例包括单模式和多模式传感器系统。这些传感器系统可操作地配置成传感温度、压力、应力、应变或其组合的变化的至少之一。在一些实施例中，可封装传感器系统的传感器线缆以便在恶劣环境中操作。在一非限制性示例中，可在基于铂-铼的壳体内密封地封装传感器线缆。

在一个实施例中，多模式温度传感器系统110包括如图9所示的宽带或可调谐的探询源112。此类系统能够探询具有高信噪比的多模式光纤传感器信号，并且还提供可能用于温度、应变和振动同时检测的多点传感测量仪器。探询源112为基于多模式的光纤传感器基于波分复用的温度测量来生成多模式探询信号。该探询信号使用分路器114来分路，并经多模式光纤被运送到光耦合器116，这些光耦合器将探询信号耦合到包括FBG 120的光纤传感线缆118中。在通过探询信号探询光纤传感线缆时，布拉格光栅结构120生成例如温度的传感参数的响应数据信号特性，该传感的参数随后通过一个或多个Fabry-Perot干扰仪122过滤，并且入射在光电检测器阵列124上，以及响应数据信号随后由数据采集和分析系统126来采集以估计传感的信号。

由于蓝宝石光缆的大直径，多模式光纤中的传播模式通过下式来确定

$V=2\mathrm{\π}\·a/\mathrm{\λ}\·\sqrt{n_2^2-n_1^2}---\left[4\right]$

其中，λ表示光的波长，2a表示纤芯的芯直径，以及n₁和n₂分别表示纤芯和覆层的折射率。总模式数由V²/2给出。为了降低透射或反射损耗，多模式光纤连接器和光耦合器/分路器及其它部分应具有匹配的V数(V-number)。在一非限制性示例中，传感器系统中使用的所有光学装置的直径是大约140μm，并带有FC/FC(光缆)连接，以及设计的谱范围是大约80nm谱范围和～30dB动态范围。

在一个实施例中，蓝宝石FBG布置在高温封装内。封装材料和封装设计有助于最小化与高温诱发的低拉力的和低弯曲的强度相关联的缺点，并由此提出用于将布拉格谐振波长偏移与温度相关的可行校准方法。

本发明的一个实施例是如图10所示的光纤传感器封装130。光纤传感器封装130包括含有FBG 134的第一光纤132、第二光纤136和第一光纤与第二光纤之间的互连138。在本文中及说明书各处使用时，术语“互连”和“光学链接”可交换使用，并且用于表示第一和第二光纤的邻接部分，可操作地定位以能够实现光纤之间光信号的转移。第一光纤用于传感，并且第二光纤一般用于信号透射和反射。第一光纤132和第二光纤136至少部分地布置在管道140内，而互连138完全存在于管道内。接合材料142布置成绕第一和第二光纤的一般为圆周的外表面的至少一部分跨互连138的边缘144而延伸。在一个实施例中，光纤传感器线缆封装可在诸如例如煤气化器和辐射合成气冷却器的气氛中的恶劣环境中操作，以用于在大于1800℉(982.2℃)的温度进行径向温度(radial temperature)剖面映射。

本文中使用的接合材料142能够将第一光纤132和第二光纤136相互接触地接合到位。接合材料142在一些实施例中是高温材料。接合材料的接合强度在传感线缆的操作温度不会降级。在一些实施例中，光纤传感器封装的接合材料142在互连138处在第一与第二光纤之间不存在，而是至少部分在互连处在第一光纤132和第二光纤136的圆周表面周围和在互连的附近存在。因此，避免了由于接合材料存在于第一光纤132与第二光纤136之间而引起的光学链接处信号的任何损耗(由于光学链接处的反射)。在一个实施例中，接合材料142是陶瓷材料，并且在另一个实施例中，接合材料142是陶瓷材料和金属粉材料的混合物。在仍有的另一个实施例中，接合材料142是陶瓷金属合成物。当接合材料142是陶瓷和金属材料的混合物时，在一个实施例中，金属材料以腻子形式引入混合物中。在非限制性示例中，接合材料具有如表2所示的属性。

表2接合材料属性

金属粘附材料	A	B	C
				最大操作温度(℉)	1200	2000	2000
基本成分	Al	Ni	不锈钢
				CTE(10-6/F)	10	4	10
接合强度200℉(psi)	500	400	600
				接合强度1200℉(psi)	1000	1200	1400
固化RT(小时)	24	24	254

接合材料142能够以许多不同方式引入传感器封装130的管道140中。在一个实施例中，接合材料142通过管道140中的孔径146以腻子的形式引入，并且被允许流过第一第二光纤(132和136)的圆周表面，并且被设定在互连138周围。在一非限制性示例中，接合材料完全环绕互连。在一个实施例中，接合材料142在大于约1200℉(648.8℃)的温度被引入管道中的互连138处，并随后被热固化以设定。热固化工艺能够在各种温度步长进行，例如，环境温度、200℉(93.3℃)、400℉(204.4℃)到600℉(315.5℃)。

在一个实施例中，上述光纤传感器封装130的管道140包括金属。在另一实施例中，管道140包括一个或多个贵金属。在一些实施例中，管道140由高温合金制成。高温合金在本文中定义为具有熔点温度大于2000℉(1093.3℃)的合金。使用的典型合金管道材料例如是Hastelloy X、因康镍铬铁合金(Inconel)、耐热镍铬铁合金(Incoloy)、钼(Mo)和钽(Ta)。适合用于封装材料的合金材料的非限制性示例包括铂(Pt)/铑(Rh)、Pt/铼(Re)、Pt/铱(Ir)、Rh/Ir及Rh/Re。在一个实施例中，管道140包括铂和铼的合金。在另一实施例中，管道140包括铼和铱的合金。在一些实施例中，管道140被密封地封住以完全封闭第一光纤。

在一个实施例中，管道140的内径范围从大约0.3mm到大约1.0mm，并且管道140的壁厚是大约0.5mm到大约1.0mm。在一个实施例中，光纤传感器封装的管道140填充有气体媒质，例如空气、氮、氩或诸如此类及其组合物。在一个实施例中，密封地封住光纤传感线缆的壳体包括例如氮等气体填充以便当环境不仅在高温而且在400-800psi(2.75-5.51MPa)的高压时保持光纤传感线缆的完整性和防止合成气或其它危险气体可能泄漏到壳体中。

在一个实施例中，第一光纤132是蓝宝石光纤，并且第二光纤136是硅光纤。在一个实施例中，第一光纤132包括具有折射率n₁的芯134和第一光纤132的圆周表面周围的具有折射率n₂的纳米孔覆层148。在又一实施例中，第二光纤136也包括芯和圆周表面，该表面作为覆层包括二氧化硅的纳米孔(未示出)。

第一和第二光纤能够在单模式或多模式模态中单独操作。因此，在一个实施例中，第一和第二光纤在用于单模式蓝宝石传感器探询的单模式中操作，在另一个实施例中，第一和第二光纤均在用于多模式蓝宝石光纤布拉格光栅探询的多模式中操作，并且在仍有的另一个实施例中，第一和第二光纤任意之一在单模式中操作，并且另一光纤在多模式中操作以用于混合的蓝宝石和硅光纤互连和信号探询。

在一个实施例中，第一光纤与第二光纤之间的透射损耗能够通过匹配模式数或V数而被控制，即：

$V\left(\mathrm{sapp}\right)=\frac{2\mathrm{\π}\·a\left(\mathrm{sapp}\right)}{\mathrm{\λ}}\·\sqrt{n_2^2\left(\mathrm{sapp}\right)-n_1^2\left(\mathrm{sapp}\right)}=\frac{2\mathrm{\π}\·a\left(\mathrm{sapp}\right)}{\mathrm{\λ}}\·\mathrm{NA}\left(\mathrm{sapp}\right)---\left[5\right]$

$V\left(\mathrm{silica}\right)=\frac{2\mathrm{\π}\·a\left(\mathrm{silica}\right)}{\mathrm{\λ}}\·\sqrt{n_2^2\left(\mathrm{silica}\right)-n_1^2\left(\mathrm{silica}\right)}=\frac{2\mathrm{\π}\·a\left(\mathrm{silica}\right)}{\mathrm{\λ}}\·\mathrm{NA}\left(\mathrm{silica}\right);---\left[6\right]$

为了降低损耗，在两个光纤互连时，应近似满足以下关系：

a(silica)·NA(silica)≈a(sapp)·NA(sapp)；        [7]

其中，NA(silica)和NA(sapp)分别是硅光纤和蓝宝石光纤的数值孔径，并且a(silica)和a(sapp)是光纤芯半径。

蓝宝石光纤的数值孔径取决于纳米孔覆层，覆层也控制透射损耗。虽然图7示出透射损耗控制条件，但它未计及纳米孔覆层的厚度远小于传播模式的波长时起到一定作用的渐逝场能的损耗。在一非限制性示例中，对于大约1.55μm的中央探询波长，为了在等式7的条件下操作，纳米孔覆层厚度将必须是探询波长的大约1-2倍或更大。

在一非限制性示例中，第一光纤132是布置在包括由纳米孔组成的纳米孔覆层148的蓝宝石毛细管内的蓝宝石光纤，并且第二光纤136是硅光纤，并且接合材料由陶瓷金属合成物制成，以及管道140由贵金属合金形成。集成蓝宝石FBG传感器和高强度CMC接合以及贵金属封装设计对传感器线缆封装提供了高拉力的和弯曲的机械强度及生存性。

图11描述形成传感线缆封装的方法160。方法160包括以下步骤：提供第一光纤162和第二光纤164并使第一光纤和第二光纤接触以形成光学链接166；提供带孔径的管道168，其中管道圆周地环绕至少一定长度的第一和第二光纤及光学链接，使得孔径在管道上交接处附近形成。方法160还包括通过孔径来布置接合材料以围绕互连跨第一和第二光纤的圆周表面的至少一部分延伸170；以及设定接合材料以形成第一和第二光纤的刚性互连172。由于此布置，当经历诸如热膨胀等热效应时，接合材料每侧上的光纤能够在升高的温度自由地向反方向移动。这为甚至带有不同热膨胀系数(CTE)的两种光纤材料提供了更可靠的互连。蓝宝石传感光纤-硅光纤互连处具有极小传感信号损耗的此热不敏感封装设计改进了极端恶劣环境中传感线缆的长期可靠操作。

在一个实施例中，公开了包括含有传感器线缆封装的辐射合成气冷却器(RSC)和气化器单元的气化系统。气化系统是用于将诸如煤、石油、石油焦或生物质(biomass)等碳质材料转换成一氧化碳、氢及二氧化碳的设备。图12描绘包括具有喂煤开口184的气化器单元182的气化系统180。煤从气化器出口188被引入RSC 186中，并且产生的合成气通过管线190输送到外部燃气涡轮。用于在RSC中传感的一些光纤传感线缆192沿RSC的压板边缘安装，而其它线缆192悬挂在辐射合成气冷却器的气流中。光纤传感线缆由接线盒194端接。传感信号探询系统196能够位于远处的控制室中。数据例如通过计算机198处理和分析。带有径向分布的FBG传感器200的分布式光纤传感系统192能够部署在煤气化环境的气化器单元180中，并且垂直分布的FBG传感器202能够部署在辐射合成气冷却器(RSC)容器中。

在气化开始时，温度提高，并且在顶部RSC入口位置达到大约2300℉(～1260℃)到大约2700℉(1426℃)的气化温度范围。温度越朝向RSC的顶部越高，并且朝向底部逐渐降低(在此特定布置中)。在一个实施例中，传感器在给定温度具有相同的响应波长。在一备选实施例中，传感器配置成具有由动态煤气化工艺所诱发的变化响应波长。在一非限制性示例中，光纤传感线缆可在几米到几千米的长度距离内在一个或多个光纤中封住几百个光纤传感器。在一个实施例中，线缆中的光纤传感器能够用于稳定的热剖面映射、动态热剖面映射及瞬态热斜变(ramping)。密封封住的光纤传感线缆也能够具有多功能能力。多功能能力的一个示例可以是热和机械应变响应特性的基本同时传感。机械应变敏感性能够用于稳定和动态的压力检测、结构应力和应变测量及结构振动传感。在一个实施例中，密封封住的光缆不限于高温和高压环境测量；它们也能够用于例如高电磁干扰噪声、高放射性核环境中。

虽然本文中只示出和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员将想到许多修改和变化。因此，要理解随附权利要求旨在涵盖落在本发明真正精神内的所有此类修改和变化。

Claims (29)

1.一种光纤传感线缆，包括：

光纤，包括：

芯，具有折射率n₁；以及

纳米孔覆层，具有折射率n₂，绕所述光纤的圆周表面的至少一部分而存在。

2.如权利要求1所述的传感线缆，其中所述芯包括至少一个布拉格光栅结构。

3.如权利要求2所述的传感线缆，其中所述纳米孔覆层的至少一部分环绕所述至少一个布拉格光栅结构。

4.如权利要求1所述的传感线缆，其中所述光纤包括蓝宝石材料。

5.如权利要求1所述的传感线缆，其中所述纳米孔覆层至少部分地包括开孔。

6.如权利要求1所述的传感线缆，其中所述纳米孔覆层的孔至少部分地填充有媒质。

7.如权利要求1所述的传感线缆，其中所述纳米孔覆层全部沿所述光纤的圆周表面而存在。

8.如权利要求1所述的传感线缆，其中所述纳米孔覆层通过高能质子辐射的撞击而形成。

9.如权利要求1所述的传感线缆，其中所述纳米孔覆层的深度在从大约1.0微米到大约1.5微米的范围中。

10.如权利要求1所述的传感线缆，其中所述纳米孔覆层的深度在从大约1.5微米到大约5微米的范围中。

11.如权利要求1所述的传感线缆，其中所述纳米孔覆层的折射率n₂小于所述芯的折射率n₁。

12.如权利要求11所述的传感线缆，其中所述折射率n₁具有从大约1.75到大约1.78的范围中的值，并且所述折射率n₂具有n₁-δ的值，其中，δ在从大约10^-2到大约10^-4的范围中。

13.如权利要求1所述的传感线缆，其中所述光纤的信号透射损耗小于大约1dB/m。

14.如权利要求1所述的传感线缆，其中所述传感线缆包括单模式光缆或多模式光缆。

15.如权利要求1所述的传感线缆，其中所述传感线缆可操作地配置成传感温度、压力、应力、应变或其组合的变化中的至少一个。

16.如权利要求15所述的传感线缆，其中所述传感线缆可操作地配置成传感从大约1800℉(～982.2℃)到大约3000℉(1650℃)的范围中的温度。

17.一种制作光纤传感线缆的方法，包括：

提供包括具有折射率n₁的芯的光纤；

绕所述光纤的圆周表面的至少一部分形成带有折射率n₂的纳米孔覆层，其中，n₂＜n₁。

18.如权利要求17所述的方法，还包括在所述光纤中形成至少一个布拉格光栅结构，所述至少一个布拉格光栅结构配置成在谐振布拉格波长反射相位中光的窄带。

19.如权利要求17所述的方法，其中所述光纤包括蓝宝石材料。

20.如权利要求17所述的方法，其中所述纳米孔覆层通过化学蚀刻方法而形成。

21.如权利要求17所述的方法，其中所述纳米孔覆层通过高能辐射的撞击而形成。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述高能辐射是质子辐射。

23.如权利要求21所述的方法，其中所述辐射具有从大约0.5MeV到大约5MeV的范围中的能量。

24.如权利要求23所述的方法，其中所述辐射具有从大约1MeV到大约3MeV的范围中的能量。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述辐射具有大约2MeV的能量。

26.如权利要求17所述的方法，其中所述纳米孔覆层具有从大约1.0微米到大约1.5微米的范围中的深度。

27.如权利要求17所述的方法，其中所述纳米孔覆层具有从大约1.5微米到大约5微米的范围中的深度。

28.一种温度传感器系统，包括：

光纤传感线缆，包括：

芯，具有折射率n₁，其中所述芯包括至少一个布拉格光栅结构；以及

纳米孔覆层，绕所述光纤的圆周表面而存在；

探询源，用于生成探询信号，其中在通过所述探询信号来探询所述光纤传感线缆时，所述布拉格光栅结构生成传感的温度的响应数据信号特性；以及

信号采集与分析系统，其中所述响应数据信号由所述数据采集和分析系统来采集以估计所述传感的温度。

29.如权利要求28所述的温度传感器系统，其中所述光纤传感线缆是多模式光纤传感线缆。

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