CN102401702A - 光纤光栅温度传感探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅温度传感探头，包括：介质封装筒；悬空在所述介质封装筒中的用来测量温度的光纤光栅；封装所述介质封装筒两端的封装装置；以及穿过所述封装装置的所述光纤光栅两侧的光纤；其中所述介质封装筒由绝缘塑料制成。本发明的光纤光栅温度传感探头低成本、小体积、高响应速度、方便生产，并且封装结构简单，能有效消除因封装结构形变对测量精度的影响，具有较高的测量精度。

Description

光纤光栅温度传感探头

技术领域

本发明涉及一种温度传感器，特别涉及一种用于测量线型温度参数的光纤光栅温度传感探头

背景技术

外界温度改变会引起光纤光栅Bragg波长的移位。从物理本质看，引起波长移位的原因主要有3个方面：光纤热膨胀效应、光纤热光效应以及光纤内部热应力引起的弹光效应。为了能得到光纤光栅温度传感器更详细的数学模型，对研究的光纤光栅可以作以下假设：

(1)仅研究光纤自身各种热效应，忽略外包层以及披层物体由于热效应而引发的其它物理过程。很显然，热效应与材料本身密切相关，不同的外包层(如弹性塑料包层、金属包层等)、不同的被测物体经历同样的温度变化将对光栅产生极为不同的影响。

(2)仅考虑光纤的线性热膨胀区，忽略温度对热膨胀系数的影响。由于石英材料的软化点在2700℃右，所以在常温范围完全可以忽略温度对热膨胀系数的影响，认为热膨胀系数在测量范围内始终保持为常数。

(3)在1.3--1.5μm的波长范围内，认为热光效应在研究的温度范围内保持一致，即光纤折射率温度系数保持为常数。

(4)仅研究温度均匀分布情况，忽略光纤光栅不同位置之间的温差效应。因为一般光纤光栅的尺寸仅10mm左右，所以认为它处于一均匀温场并不会引起较显著的误差，这样就可以忽略由于光栅不同位置之间的温差而产生的热应力影响。

基于以上几点假设，可得出单纯光纤光栅的温度传感数学模型。

从光栅Bragg方程λ_B＝2n_effΛ出发，当外界温度改变时，对Bragg方程进行展开，可得温度变化ΔT导致光纤光栅的相对波长移位为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B=2[\frac{\∂n_{\mathrm{eff}}}{\∂T}\mathrm{\ΔT}+{\left(\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}\right)}_{\mathrm{ep}}+\frac{\∂n_{\mathrm{eff}}}{\∂a}\mathrm{\Δa}]\mathrm{\Λ}+2n_{\mathrm{eff}}\frac{\∂\mathrm{\Λ}}{\∂T}\mathrm{\ΔT}---\left(1\right)$

式中，代表光纤光栅的热光系数；(Δn_eff)_ep代表热膨胀引起的弹光效应；

代表由于热膨胀导致光纤芯径变化而产生的波导效应；

代表光纤的线性热膨胀系数。这样可将式(1)改写为如下形式：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B\mathrm{\ΔT}}=\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}[n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\α}}_n+{\left(\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}\right)}_{\mathrm{ep}}+\frac{\∂n_{\mathrm{eff}}}{\∂a}\frac{\mathrm{\Δa}}{\mathrm{\ΔT}}]+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\Λ}}---\left(2\right)$

利用应力传感模型分析中得到的弹光效应及波导效应引起的波长移位灵敏度系数表达式，并考虑到温度引起的应变状态为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rr}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ\θ}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α\ΔT}\\ \mathrm{\α\ΔT}\\ \mathrm{\α\ΔT}\end{array}\right]---\left(3\right)$

由此可得光纤温度灵敏度系数的完整表达式为：

$S_T=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B\mathrm{\ΔT}}=\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}[n_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\α}}_n-\frac{n_{\mathrm{eff}}^3}{2}(p_{11}+2p_{12}){\mathrm{\α}}_{\mathrm{\Λ}}+S_{\mathrm{wg}}\frac{\mathrm{\Δa}}{\mathrm{\ΔT}}]+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\Λ}}---\left(4\right)$

式中，S_wg表示波导效应引起的Bragg波长移位系数。可以明显看出，当材料确定后，光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上为一与材料系数相关的常数，这就从理论上保证了采用光纤光栅作为温度传感器的光学传感元件可以得到很好的输出线性。

对熔融石英光纤，其热光系数为0.86×10^-5/℃，线性热膨胀系数为5.5×10^-7/℃，若忽略波导效应时，光纤光栅相对温度灵敏度系数为0.6965×10^-5/℃，对1550nm波长可得单位温度变化下引起的波长移位为10.8pm/℃。由于线性热膨胀系数较折射率温度系数小两个数量级，并且波导效应本身对波长移位的影响较弹光效应小许多，故在分析光纤光栅温度灵敏度系数时可以完全忽略波导效应产生的影响。

综上所述，对于纯熔融石英光纤，当不考虑外界因素的影响时，其温度灵敏度系数取决于材料的折射率温度系数，而弹光效应以及波导效应将不对光纤光栅的波长移位造成显著影响。则光纤的温度灵敏度系数可表示为：

$S_T=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B\mathrm{\ΔT}}={\mathrm{\α}}_n+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\Λ}}---\left(5\right)$

由此可见，光纤的温度灵敏度系数主要取决于光纤热光系数和光纤的热膨胀系数。

中国专利文件CN1563916A公开了一种光纤光栅传感器，包括金属腔体、腔体内的光纤光栅，以及光纤引出端，其中光纤光栅的两端固定在金属腔体的两端，在金属腔体与光纤光栅之间的空腔内填充导热流动性粉体或膏体。

由此可见，上述现有技术利用金属腔体和填充在金属腔体内的填充物作为光纤光栅的封装结构，由于金属腔体的热膨胀系数高于光纤材料的热膨胀系数，起到对温度变化的增敏作用，以及金属腔体内填充的导热流动性粉体或膏体对光纤光栅的温度增敏作用，使得上述的光纤光栅传感器并不是依据光纤热光系数α_n和光纤的热膨胀系数α_Λ来检测温度，从而影响测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高测量精度的光纤光栅温度传感探头。

本发明提供的光纤光栅温度传感探头包括：

介质封装筒；

悬空在所述介质封装筒中的用来测量温度的光纤光栅；

封装所述介质封装筒两端的封装装置；以及

穿过所述封装装置的所述光纤光栅两侧的光纤；

其中所述介质封装筒由绝缘塑料制成。

本发明使用的绝缘塑料的热变形温度应当在250℃以上，抗电压强度大于20KV/mm²，耐电弧性大于160s，因此本发明的光纤温度传感探头适合在电力系统中使用。

其中，所述封装装置为安装在所述介质封装筒两端的两个穿孔挡板，其中所述光纤分别从穿孔挡板的小孔穿过并胶粘在所述小孔中。

其中，所述穿孔挡板的圆周边缘通过胶粘剂连接介质封装筒内表面。

其中，所述介质封装筒两端均连接尾套，用于固定由所述光纤为线芯的光缆。

其中，在所述尾套与所述穿孔挡板之间装有用于定位穿孔挡板的堵头。

其中，所述光纤光栅为刻有FBG栅区的光纤。

其中，所述光纤光栅在介质封装筒内形成圆弧形状，其弧高小于介质封装筒的内径。

其中，穿孔挡板小孔具有面向介质封装筒空腔的喇叭口，以便于形成圆弧形的光纤光栅。

其中，所述光纤光栅的材质为石英玻璃，以及所述绝缘塑料为ABS耐高温塑料或硅橡胶。

相对于现有技术，本发明的技术效果是：1)适合在电力系统使用；2)光纤光栅温度传感探头封装结构简单；3)能有效消除封装结构形变对测量精度的影响，具有较高的测量精度。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明的本发明的光纤光栅传感探头的示意图；

图2是图1中的穿孔挡板的示意图；

图3是本发明的光纤光栅形状示意图。

具体实施方式

图1显示了本发明的光纤光栅温度传感探头的结构，如图1所示，本发明的光纤光栅温度传感探头包括：

介质封装筒1；

悬空在介质封装筒1中的用来测量温度的光纤光栅2；

封装介质封装筒1两端的封装装置3；以及

穿过封装装置3的光纤光栅2两侧的光纤4；

其中介质封装筒1由绝缘塑料制成。

光纤光栅2为刻有FBG栅区的光纤，因此光纤光栅2两侧的光纤4与光纤光栅2为一体结构。

图2显示了本发明的封装装置3的结构，如图2所示，封装装置3为安装在介质封装筒1两端的两个穿孔挡板，其中所述光纤分别从穿孔挡板的小孔31穿过并胶粘在所述小孔31中。

参见图1，穿孔挡板的圆周边缘通过胶粘剂连接介质封装筒1内表面上，从而将光纤光栅密封在介质封装筒1中。

另外，介质封装筒1两端均连接有尾套5，用于固定以光纤4为线芯的光缆6，由于光缆6被尾套5牢牢固定，从而确保穿过小孔31的光纤4可以牢固地胶粘在小孔5中，使得光纤光栅2悬空在介质封装筒1中。

此外，在尾套5与穿孔挡板之间装有用于定位穿孔挡板的堵头7，以防止胶粘在介质封装筒1内表面上的穿孔挡板松动。

本发明的光纤光栅1的材质最好为石英玻璃；介质封装筒1的材质最好为ABS耐高温塑料或硅橡胶。

另一方面，为了避免光线光栅4受到非光纤光栅部分的热膨胀或者收缩导致的机械应力的影响，本发明的光纤光栅2在介质封装筒1内形成圆弧形状，其弧高小于介质封装筒1的内径r。

为此，如图2所示，穿孔挡板小孔31设有面向介质封装筒空腔的喇叭口311，以便于形成圆弧形的光纤光栅。

参见图1，本发明的光缆4由内至外分别为：光纤、松套管、螺纹钢、披覆材料，以确保光缆的强度和机械性能。

此外，本发明的介质封装筒1的截面形状包括但不限于圆形、方形、三角形或者多边形。

图3显示了本发明的光线光栅的形状，下面参照图3对本发明的光线光栅的形状作进一步讨论，其中设介质封装筒为封装圆筒。

封装圆筒的长度按照以下模拟计算得出：

按照传感探头的使用温度范围，总计跨越温度250℃，封装圆筒材料的热膨胀系数为α₁，封装圆筒长度为L，在跨越正测温范围时，封装圆筒的长度为L，极限伸长长度为ΔL，则：

ΔL/L＝α₁×ΔT    (6)

光纤光栅的热膨胀系数α₂约为0.7×10^-5/℃，总计跨越温度250℃，因此需要使光纤光栅封装在筒体里面的部分保持松弛状态，而不受到由于温度变化引起材料热膨胀而产生的应变，保证封装圆筒在极限伸长量的情况下光纤光栅在封装圆筒内部依然是存在微弯的。

光纤光栅跨越温度250℃的时候，光栅本身的极限伸长量为ΔL_FBG，则：

ΔL_FBG/L＝α₂×ΔT    (7)

光纤光栅在封装圆筒里需要预留的微弯长度的确定，取决于以下的模拟计算：

首先，光纤光栅需要预留的长度为：

L′＝ΔL-ΔL_FBG

根据本发明的总体设计，以及光纤光栅自身的性质和光学特性，及筒体长度L和筒体内径r，以及光纤光栅与中心线最大偏移量H，相互之间关系的数学模型，可以得出以下结论：

1、光纤光栅折弯半径R应不小于30mm；

2、光纤光栅的极限伸长长度与预留的光纤长度之和，应不小于封装筒体的极限伸长长度ΔL；

3、封装在圆筒内的光纤光栅由于微弯造成的在筒体内部形成圆弧，弧高H应不大于筒体内径r；

由于封装圆筒的内径设计相对较小，与封装圆筒的长度设计相比，两者有数量级上的差距，所以我们可以简略的将圆弧BC的长度，近似的看作是线段BC的长度，光纤的长度近似可以算作两倍的BC的长度。因此通过以下的模拟计算可得：

${L^2}_{\mathrm{BC}}=H^2+{\left(\frac{L}{2}\right)}^2$

制作本发明的光纤光栅温度传感探头的具体操作方法步骤为：

1、将两个个穿孔挡板分别放进介质封装筒体1中，并用介质胶进行粘接固定；

2、将光纤光栅2穿过固定好的穿孔挡板上的小孔，并且和穿孔挡板用介质胶将光纤光栅两侧的光纤4固定；

3、给予一定的环境让介质胶达到完全固化；

4、将两端的堵头4和尾套5安装，涂防水胶并给予相应的环境使之完全固化。

综上所述，本发明通过将光纤光栅形成圆弧形，以避免介质封装筒的结构导致的机械应力对光纤光栅的影响，从而提高了测量精度。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤光栅温度传感探头，包括：

介质封装筒；

悬空在所述介质封装筒中的用来测量温度的光纤光栅；

封装所述介质封装筒两端的封装装置；以及

穿过所述封装装置的所述光纤光栅两侧的光纤；

其中所述介质封装筒由绝缘塑料制成。

2.根据权利要求1所述的传感探头，其中所述封装装置为安装在所述介质封装筒两端的两个穿孔挡板，其中所述光纤分别从穿孔挡板的小孔穿过并胶粘在所述小孔中。

3.根据权利要求1所述的传感探头，其中所述穿孔挡板的圆周边缘通过胶粘剂连接介质封装筒内表面。

4.根据权利要求3所述的传感探头，其中所述介质封装筒两端均连接尾套，用于固定由所述光纤为线芯的光缆。

5.根据权利要求4所述的传感探头，其中在所述尾套与所述穿孔挡板之间装有用于定位穿孔挡板的堵头。

6.根据权利要求4所述的传感探头，其中所述光纤光栅为刻有FBG栅区的光纤。

7.根据权利要求6所述的传感探头，其中所述光纤光栅在介质封装筒内形成圆弧形状，其弧高小于介质封装筒的内径。

8.根据权利要求7所述的传感探头，其中，所述穿孔挡板小孔具有面向介质封装筒空腔的喇叭口，以便于形成圆弧形的光纤光栅。

9.根据权利要求1所述的传感探头，其中，所述光纤光栅的材质为石英玻璃。

10.根据权利要求1所述的传感探头，其中，所述绝缘塑料为ABS耐高温塑料或硅橡胶。

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