CN102494802A

CN102494802A - 用于快速海洋测温的光纤温度传感器

Info

Publication number: CN102494802A
Application number: CN2011104304750A
Authority: CN
Inventors: 王永杰; 李芳�; 刘育梁; 赵强; 戴兴; 刘鹏飞; 刘元辉
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: CN102494802B

Abstract

一种用于快速海洋测温的光纤温度传感器，包括：一长周期光纤光栅；一外壳，为圆柱体，该外壳的中间为圆形镂空状的容置部，该容置部的两端的中心分别有一小孔，在两小孔的外侧为一直径大于小孔的开放状的圆孔，所述长周期光纤光栅容置于外壳的容置部内，且长周期光纤光栅通过其两端的光纤穿出小孔；拉伸结构，位于外壳的一端内，用于固定长周期光纤光栅，并提供恒定拉力，确保长周期光纤光栅一直处在拉伸状态；两个堵头，为圆柱体，其直径与外壳两端的圆孔相同，该堵头的中心有一可容许光纤通过的孔洞，所述光纤穿过该孔洞。

Description

用于快速海洋测温的光纤温度传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器技术，特别是用于海水温度高精度、快速测量的测温传感器。区别于传统电子测温技术，该传感器可无源工作，不存在电子绝缘、海水渗漏等问题，且传感器敏感单元为光纤，具有大的表面积/体积比，具有快速响应的能力，该技术发明为海洋测温领域提供一种全新的高精度测温方法。

背景技术

海水温度是海水最重要的物理参数。测量海水温度对于科学调查、国防军事、海上油气开采、渔业生产等有重要的作用。

温度传感器的核心：精度高、响应快、稳定性好。如对于海洋测温技术要求而言，要求测温的范围较小(-5℃-35℃)，但要求的测试精度高，一般为±0.003℃，高精度要求达到0.001℃以上。

虽然基于电桥的温度传感器技术已经成熟，且已经大批量应用，但其固有有技术缺点带来在海洋技术领域的种种不便：

价格高：目前常用的技术基于热敏电阻或者铂电阻，系统刷新周期一般为60ms左右，整体成本较高，0.01℃的高精度电桥高近2万元，而精度达到0.001℃更超过10万元。

绝缘要求高：热敏电阻需要进行绝缘封装，以避免短路的同时屏蔽海水的侵蚀。如当前对热敏电阻采用不锈钢管封装的形式，其工艺复杂，且引入较大的体积和热容量，进而限制温度响应时间。

响应时间慢：热敏电阻在海水中需要绝缘和耐压保护。因此其导热过程慢而采用光纤技术则可以直接将光纤暴露在海水中，且石英光纤体积纤细(0.125mm)，比热小，导热快，因此响应时间短。

除此之外，日趋成熟的普通光纤光栅测温技术也不能满足海洋测温需求。普通的光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感技术范围较宽，一般可以从-30℃-150℃，但分辨率仅达到0.01℃灵敏度一般仅为10pm/℃，且往往由于金属铠装保护结构和温度增敏物质的热容量较大，对温度的瞬态响应时间没有得到足够重视，远不能满足海洋测温之需求。

长周期光纤光栅(Long Period Grating)相对短周期而言，具有更长的周期，具有更加灵敏的温度敏感性，经过简单的封装可以裸露在海水中，避免了保护封装使得传感头热容量增大而降低反应速度。且远比FBG灵敏，是测量海水温度优势方案。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于快速海洋测温的光纤温度传感器，其是为海洋测温的一种手段，具有快速、高精度的测温优点。

本发明提供一种一种用于快速海洋测温的光纤温度传感器，包括：

一长周期光纤光栅；

一外壳，为圆柱体，该外壳的中间为圆形镂空状的容置部，该容置部的两端的中心分别有一小孔，在两小孔的外侧为一直径大于小孔的开放状的圆孔，所述长周期光纤光栅容置于外壳的容置部内，且长周期光纤光栅通过其两端的光纤穿出小孔；

拉伸结构，位于外壳的一端内，用于固定长周期光纤光栅，并提供恒定拉力，确保长周期光纤光栅一直处在拉伸状态；

两个堵头，为圆柱体，其直径与外壳两端的圆孔相同，该堵头的中心有一可容许光纤通过的孔洞，所述光纤穿过该孔洞。

其中长周期光纤光栅包括一纤芯；一包层，该包层包覆于纤芯；一金属屏蔽层，该金属屏蔽层包覆于包层，该金属屏蔽层可排除环境折射率的影响，且提高温度传感器的灵敏度。

其中外壳的材料为耐海水腐蚀的钛合金、海军铜、不锈钢合金。

其中拉伸结构位于外壳的一端内，用于固定长周期光纤光栅，并提供拉力保持光栅不弯曲，该拉伸结构包括一弹簧，一销钉，和比圆孔稍大圆孔构成，弹簧放在稍大圆孔中用于限制弹簧的横向移动，销钉的细端插入在弹簧中，光纤通过销钉并固定，光纤通过销钉对弹簧施加拉力，以保持长周期光纤光栅始终处在拉伸状态。

本发明的有益效果是：

测温精度高：测温精度达到±0.003℃以上；

测温速度快：常规高精度CTD的测温速度能够达到50ms，为了更好的符合当前的技术要求，LPG的测温速度应高于50ms；

测温不受其他因素干扰：除了对温度敏感，LPG对包层外的环境折射率比较敏感，因此在测温时容易受到环境变化的影响。首先，不同的海水有着不同的盐度，即不同的海水有着不同的折射率，因此会对LPG的波长进行干扰；其次，不同深度的海水对传感器产生不同的压力，特别对于有预应力的封装而言，海水压力导致光纤松弛甚至弯曲，因此会对长周期光栅的谐振波长产生附加的影响，因此，LPG测温需要消除掉类似干扰因素。

附图说明

为进一步描述本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明长周期光纤光栅温度传感器示意图；

图2是图1的局部放大示意图；

图3是本发明长周期光纤光栅的结构示意图；

图4是图3的断面示意图；

图5是本发明应用于反射式解调光路的示意图；

图6是传统透射式解调光路的示意图；

图7是长周期光纤光栅未加金属屏蔽的测试曲线图；

图8是长周期光纤光栅加有金属屏蔽的测试曲线图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种一种用于快速海洋测温的光纤温度传感器，包括：

一长周期光纤光栅1，所述长周期光纤光栅1包括一纤芯101；一包层102，该包层102包覆于纤芯101；一金属屏蔽层103，该金属屏蔽层103包覆于包层102。长周期光纤光栅用于感测海水的温度，金属屏蔽层103可以屏蔽海水对长周期光纤光栅的影响，并可以增加长周期光纤光栅的1温度敏感性，且不损失长周期光纤光栅1同海水的温度交换效率。请参阅图3、图4所示。

请参阅图2，一外壳2，为圆柱体，该外壳2的中间为镂空状的容置部21，以便于海水与长周期光纤光栅1的热量交换；该容置部21的两端的中心分别有一小孔22，在两小孔22的外侧为一直径大于小孔22的开放状的圆孔23，所述长周期光纤光栅1容置于外壳2的容置部21内，且长周期光纤光栅1通过其两端的光纤11穿出小孔22，该外壳2的材料为耐腐蚀、耐高压的金属合金材料，如钛合金、海军铜、不锈钢；外壳2作为封装外壳，对长周期光纤光栅1起保护作用，以免长周期光纤收到撞击、阻碍等外力损伤，外壳的容置部21提供传感器外界海水与长周期1热交换的通道；

请参阅图2所示，本发明提供一种拉伸结构3，位于外壳2的一端内，用于固定长周期光纤光栅1，并提供拉力保持光栅不弯曲，该拉伸结构3包括一弹簧301，一销钉302，和比圆孔21稍大圆孔31构成，弹簧301放在稍大圆孔303中用于限制弹簧301的横向移动，销钉302的细端插入在弹簧301中，光纤11通过销钉302并固定，光纤11通过销钉302对弹簧301施加拉力，以保持长周期光纤光栅1始终处在拉伸状态；

两个堵头4，为圆柱体，其直径与外壳2两端的圆孔23相同，该堵头4的中心有一可容许光纤11通过的孔洞41，所述光纤11穿过该孔洞41。堵头用于光纤11伸出堵头4后，铠装护套同传感器的连接固定。

请参阅图示6所示，一般长周期光纤光栅在作为传感器使用时，采用探测透射谱的方案，由宽带光源601、波长解调模块602和长周期光纤光栅1及延长光纤611、622构成，宽带光源601发出的宽带光，经过长周期光栅1后，部分包层模被消逝掉后，剩余的透射光谱被解调仪602探测。在实际应用中，特别是在海上温度测量中，需要将光源和解调装置放在岸上或者船上，因此如图6所示的透射型需要两根光纤，对实用带来不便。

本发明采用反射型的光路结构，如图5所示。由宽带光源501、波长解调模块502和耦合器503、端面反射镜504及长周期光纤光栅1构成。从光源5.1发出的宽带光经过耦合器503后，入射近长周期光纤光栅1，部分光被泄露到长周期光纤光栅1中的包层并被消逝掉，剩余的光从长周期光纤光栅1后继续向前传播，直到端面反射镜504后原路返回，并在此进入长周期光纤光栅1中并再次损失部分包层模，剩余的光谱继续前行直到耦合器503后进入波长解调模块502。因此，该种光路结构使得光谱两次经过长周期光纤光栅1，得到的光谱中的谐振光谱较一次通过更为陡峭、幅值更大，利于后续解调性能的提升；且该种光路结构在实际应用中，只需要一根光纤，便于实际应用。端面反射镜504是在光纤断面上镀膜的方案实现，镀膜的方案为磁控溅射、真空镀膜、化学镀膜。

请参阅图7，没有经过金属屏蔽和增敏的长周期光纤光栅1的温度灵敏度为0.224nm/℃；请参阅图8，没有经过金属屏蔽和增敏的长周期光纤光栅1的温度灵敏度为0.309nm/℃。温度敏感度得到明显的提升。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的的限制，凡是依据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims

1.一种用于快速海洋测温的光纤温度传感器，包括：

一长周期光纤光栅；

2.根据权利要求1所述的用于快速海洋测温的光纤温度传感器，其中长周期光纤光栅包括一纤芯；一包层，该包层包覆于纤芯；一金属屏蔽层，该金属屏蔽层包覆于包层，该金属屏蔽层可排除环境折射率的影响，且提高温度传感器的灵敏度。

3.根据权利要求1所述的用于快速海洋测温的光纤温度传感器，其中外壳的材料为耐海水腐蚀的钛合金、海军铜、不锈钢合金。

4.根据权利要求1所述的用于快速海洋测温的光纤温度传感器，其中拉伸结构位于外壳的一端内，用于固定长周期光纤光栅，并提供拉力保持光栅不弯曲，该拉伸结构包括一弹簧，一销钉，和比圆孔稍大圆孔构成，弹簧放在稍大圆孔中用于限制弹簧的横向移动，销钉的细端插入在弹簧中，光纤通过销钉并固定，光纤通过销钉对弹簧施加拉力，以保持长周期光纤光栅始终处在拉伸状态。