CN102494802B - 用于快速海洋测温的光纤温度传感器 - Google Patents
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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
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 (4)
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;
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。
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。
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