CN102147294A - 一种基于光纤微弯损耗的温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤微弯损耗的温度传感器，包括由双金属片或记忆合金构成的梳状主动元件，和由其他材料构成的具有变形齿的被动元件，所述的主动元件的梳齿根部和被动元件固定在一起，所述的主动元件的梳齿和被动元件上的变形齿交错布设，所述的主动元件的未固定的梳齿自由端部和被动元件的变形齿间夹有信号光纤。本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，并通过光时域反射计等测试仪器做到分布式温度测量。

Description

一种基于光纤微弯损耗的温度传感器

技术领域

本发明涉及一种温度传感器，特别是涉及一种利用双金属片或记忆合金的温度特征，和光纤的微弯损耗进行温度传感的装置。

背景技术

传统的测温传感器，如热敏电阻和热电偶在强电场、强磁场下，会受到很大的影响，同时不宜远距离测量，这样会带来有很大的偏差，不利于在防爆场合使用。而光纤温度传感器具有诸多优点，受到人们的关注。如光纤光栅温度传感器，人们研究的较多，光纤光栅解调成本较高，应用受到限制。

光纤微弯传感器是1980年J.N.Fields和J.H.Cole首次提出的，属于光强调制型光纤传感器。它的工作原理是基于光纤的微弯而产生的光强损耗。当光纤微弯时，发生模式藕合，导模散射为辐射模，从而产生微弯损耗。光纤微弯传感器除了有一般光纤传感器所具有的灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、本质安全等的优点以外，还有结构简单、所需部件少、造价低、容易装配等优点。特别是利用光时域分析仪技术还能组成分布式光纤测试系统，具有非常重要的应用价值和现实意义。

热双金属片和记忆合金都是一种用于实现温度控制的比较简单的自控元件。特别是双金属片，它是由两层热膨胀系数不同的金属(或合金)组成。膨胀系数大的一层为主动层，热膨胀系数小的一层称为被动层。热双金属片受热时，主动层自由膨胀的长度大于被动层，但由于两层牢固地结合在一起，使热双金属片弯曲成弧形。冷却时则相反。利用热双金属片在温度变化时弯曲的特点，能起到控制和调节温度的作用，达到自动控制的目的。

双金属温度计应用于生产现场对温度需自动控制和报警。可以直接测量各种生产过程中的-80℃-+500℃范围内液体、蒸汽和气体介质温度。

中国发明专利CN95204281.9公开了一种“采用双金属片作为感温元件的温度计”，其是利用一丝轴和指针构成指针式温度表，缺点不便于温度信号的选取，不利于分布式测量。

中国专利93244153.X公开了一种“数字式双金属片光纤温度传感器”，其特点是探测头为双金属片，与其相连的栅盘，分置在栅盘上下的两根输入光纤及两根输出光纤组成的测温单元，由两个光探测器及判相倍频电路组成的检测单元。由于是利用两组透镜将光纤的输出光聚焦在栅盘上成两个光点，缺点是体积大，调试困难，稳定性差。

中国专利申请200310111511.2公开了一种“微弯光纤温度传感器”，该微弯光纤温度传感器，在温度变化时，温度感应器的几何尺寸因为热胀冷缩发生变化而推动光纤弯曲变形器运动，改变信号光纤的弯曲程度，从而实现对信号光纤中光强的调制，其缺点是灵敏度低，体积大等缺点。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种利用热双金属片或记忆合金在温度变化时发生弯曲，以及光纤弯曲时产生光强损耗，温度变化通过双金属片或记忆合金的作用改变光纤弯曲损耗的光纤微弯温度传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于光纤微弯损耗的温度传感器，其包括由双金属片或记忆合金构成的梳状主动元件，和由其他材料构成的具有变形齿的被动元件，所述的主动元件的梳齿根部和被动元件固定在一起，所述的主动元件的梳齿和被动元件上的变形齿交错布设，所述的主动元件的未固定的梳齿自由端部和被动元件的变形齿间夹有信号光纤。

本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的被动元件是由轧纹金属带构成的。

本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的被动元件是由其他材料构成的梳状结构，所述的主动元件和被动元件的梳齿根部固定在一起，所述的主动元件和被动元件的梳齿交错布设，所述的主动元件和被动元件的未固定的梳齿自由端部间夹有信号光纤。

本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的被动元件也是由双金属片或记忆合金构成的梳状结构，并且其自由端随温度变化运动的方向与所述的主动元件的梳齿自由端的运动方向是相对或相反的。

本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的主动元件和被动元件的梳齿根部固定在一起，并固定于套管壁上。

本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的主动元件和被动元件的未固定的梳齿自由端部的夹有信号光纤部分的横截面形状为圆弧形、U字形、V字形、三角形或圆形。

本发明解决进一步技术问题的方案是：一个套管将所述的主动元件、被动元件以及，所述的主动元件和被动元件的间夹持的信号光纤整体包裹，在该套管的空隙中填充有导热材料；

本发明解决进一步技术问题的方案是：一根参考光纤在所述的套管内。

本发明解决进一步技术问题的方案是：在所述套管的外部有外护层，该外护层可以是高分子材料，也可以是金属材料。

本发明解决进一步技术问题的方案是：在外护层里或外护层与套管之间有加强元件。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单、加工制作方便且结构形式多样，使用方式灵活。

2、使用操作简便且各组件间连接关系设计合理，通过本温度传感器和常规光源光功率测试仪器配合使用，实现对较大范围温度进行实时准确、可靠且快速测试的目的，若通过本温度传感器和常规光时域反射计测试仪器配合使用，可实现对较大范围温度的分布式实时准确、可靠且快速的。

3、利用双金属片或记忆合金，以及现有的成熟光缆制造技术就可以大批量生产本光纤温度传感器，所以其制作及运行成本低、使用效果好、实用价值高且经济效益显著，在简化现有测试装置结构、减少制作及运行成本的同时，也能减少环境因素对测试结果的影响，因而测试效果准确，简单易行。

综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，相较于现有技术，本发明的基于光纤微弯损耗的温度传感器的双金属片或记忆合金，随着温度变化而弯曲和伸展，产生挠度变化，双金属片或记忆合金直接作用于光纤上使光纤产生弯曲变形，从而改变光纤的弯曲损耗。这样将温度信号转化为光信号，通过光纤传输，可以实现远端测量或分布式测量，并且精度高，可靠性好。

下面通过附图和实施例，对发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的基于光纤微弯损耗的温度传感器的第一具体实施方式的结构示意图。

图2为图1中梳状元件的结构示意图。

图3为本发明得第二具体实施方式的结构示意图。

图4为本发明得第三具体实施方式的结构示意图。

图5为本发明得第四具体实施方式的结构示意图。

图6为本发明得第五具体实施方式的结构示意图。

附图标记说明：

1-信号光纤；    2-梳状的主动元件；3-梳状主动元件的梳齿根部；

4-被动元件齿板；5-轧纹金属带；    6-梳状的被动元件；

10-套管；       20-导热材料；

具体实施方式

实施例1

如图1、图2所示，本发明包括由双金属片或记忆合金构成的梳状主动元件2，和由其他材料构成的具有变形齿的被动元件4，所述的主动元件2的梳齿根部3和被动元件4固定在一起，所述的主动元件2的梳齿和被动元件4上的变形齿交错布设，所述的主动元件2的未固定的梳齿自由端部和被动元件4的变形齿间夹有信号光纤1。实际加工制作时，所述主动元件2的未固定的梳齿自由端部的夹有信号光纤1部分的横截面形状为圆弧形、U字形、V字形、三角形或圆形。

本实施例中，所述由双金属片或记忆合金构成的梳状主动元件2作为测温元件，在温度变化时，该梳状主动元件2感应温度的变化，随着温度变化而弯曲和伸展，产生挠度变化，该梳状主动元件2直接作用于信号光纤1上，并与被动元件4配合，使信号光纤1产生弯曲变形，从而改变信号光纤1的弯曲损耗，从而实现对信号光纤1中光强的调制。这样将温度信号转化为光信号，通过光纤传输，可以实现远端测量或分布式测量，并且精度高，可靠性好。同时解决一些例如电磁干扰等问题，从而也进一步提高传感器的精度、可靠性并降低成本，再者也可以将其与数字化、集成化和自动化结合，研制出简便且可以广泛应用的传感器。

实施例2

如图3所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述被动元件4是由轧纹金属带构成；实际加工制作时，充分利用光缆厂家现有的轧纹机来制作轧纹金属带，可根据需要调整轧纹的深度和节距，从而进一步降低本专利的实施成本。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例3

如图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述被动元件4也做成梳状结构，并且被动元件4得梳状结构的梳齿根部与主动元件2的梳齿根部3是固定在一起的。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例4

如图5所示，本实施例中，与实施例3不同的是：所述被动元件4也是由双金属片或记忆合金构成的梳状结构，并且其自由端随温度变化运动的方向与所述的主动元件2的梳齿自由端的运动方向是相对或相反的。

本实施例中，所述由双金属片或记忆合金构成的梳状主动元件2和由双金属片或记忆合金构成的梳状被动元件4均作为测温元件，在温度变化时，该梳状主动元件2和梳状被动元件4均感应温度的变化，并随着温度变化而弯曲和伸展，产生挠度变化，且梳状主动元件2和梳状被动元件4直接作用于信号光纤1上，在相同的温度变化下，会使信号光纤1产生比实施例3更大的弯曲变形，从而本温度传感器的测试结果更准确可靠。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例3相同。

实施例5

如图6所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述套管10将所述的主动元件2、被动元件4以及，所述的主动元件2和被动元件4的间夹持的信号光纤1整体包裹，在该套管10的空隙中填充有导热材料20。

本实施例中，由于所述套管10将主动元件2和被动元件4，及信号光纤1整体包裹，从而使本传感器可以在实际环境使用时，抵御外界拉力、压力、鼠咬等破坏力的影响，从而真正可以使用的传感器，为提高对温度变化的灵敏度，在套管的内部填充有导热材料20。其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光纤微弯损耗的温度传感器，其特征在于：其包括由双金属片或记忆合金构成的梳状主动元件，和由其他材料构成的具有变形齿的被动元件，所述的主动元件的梳齿根部和被动元件固定在一起，所述的主动元件的梳齿和被动元件上的变形齿交错布设，所述的主动元件的未固定的梳齿自由端部和被动元件的变形齿间夹有信号光纤。

2.按照权利要求1所述一种基于光纤微弯损耗的温度传感器，其特征在于：所述的被动元件是由轧纹金属带构成的。

3.按照权利要求1所述一种基于光纤微弯损耗的温度传感器，其特征在于：所述的被动元件是由其他材料构成的梳状结构，所述的主动元件和被动元件的梳齿根部固定在一起，所述的主动元件和被动元件的梳齿交错布设，所述的主动元件和被动元件的未固定的梳齿自由端部间夹有信号光纤。

4.按照权利要求3所述一种基于光纤微弯损耗的温度传感器，其特征在于：所述的被动元件也是由双金属片或记忆合金构成的梳状结构，并且其自由端随温度变化运动的方向与所述的主动元件的梳齿自由端的运动方向是相对或相反的。

5.按照权利要求1所述一种基于光纤微弯损耗的温度传感器，其特征在于：所述的主动元件的未固定的梳齿自由端部的夹有信号光纤部分的横截面形状为圆弧形、U字形、V字形、三角形或圆形。

6.按照权利要求3和4所述的任意一种基于光纤微弯损耗的温度传感器，其特征在于：所述的被动元件的未固定的梳齿自由端部的夹有信号光纤部分的横截面形状为圆弧形、U字形、V字形、三角形或圆形。

7.按照权利要求1至5所述任意一种基于光纤微弯损耗的温度传感器，其特征在于：一个套管将所述的主动元件、被动元件以及，所述的主动元件和被动元件的间夹持的信号光纤整体包裹，在该套管的空隙中填充有导热材料。

8.按照权利要求7所述一种基于光纤微弯损耗的温度传感器，其特征在于：所述的主动元件和被动元件的固定在一起的部分同时固定于套管壁上。

9.按照权利要求7所述一种基于光纤微弯损耗的温度传感器，其特征在于：一根参考光纤在所述的套管内。

10.按照权利要求4所述一种基于光纤微弯损耗的温度传感器，其特征在于：在所述套管的外部有外护层，在外护层里或外护层与套管之间有加强元件。

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