CN102798484A

CN102798484A - 低迟滞特性的光纤光栅温度传感器

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Publication number: CN102798484A
Application number: CN2012102878609A
Authority: CN
Inventors: 金向朝; 李玲; 谢志杨; 林峻; 舒乃秋; 吴晓文; 梁家盛; 区伟潮; 詹清华; 麦洪; 李洪涛; 李红玲; 关向雨
Original assignee: Wuhan University WHU; Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corp
Current assignee: Wuhan University WHU; Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corp
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: CN102798484B

Abstract

本发明提供一种低迟滞特性的光纤光栅温度传感器，其包括上基底、位于上基底下方的下基底、第一光纤光栅、第二光纤光栅，该下基底为L形，该上基底设有穿孔，L形的下基底的短边嵌入穿孔，该第一光纤光栅和第二光纤光栅的一端固定在下基底的上端面，该第一光纤光栅和第二光纤光栅的另一端分别固定在上基底上端面，该上基底的热膨胀系数比下基底的热膨胀系数小，该第一光纤光栅和第二光纤光栅通过光纤串联，两者的中心波长和预拉伸长度相同。本发明所提供的降低光纤光栅温度传感器迟滞的方案，实现简单，可两倍提高现有单一材料增敏的光纤光栅温度传感器的灵敏度，同时大幅消减迟滞，满足对测温精度要求较高的应用场合的需求。

Description

低迟滞特性的光纤光栅温度传感器

【技术领域】

本发明涉及一种温度传感器，尤其涉及一种差动结构增敏的光纤光栅温度传感器。

【背景技术】

光纤光栅利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯通过紫外光曝光的方法形成空间相位光栅制作而成，具有抗干扰能力强、尺寸小巧、可靠性高以及使用寿命长等优点，其传感原理是通过外界参量对光纤光栅中心波长的调制以获取信息。根据光栅理论，宽带连续光通过光纤光栅时，与光纤光栅中心波长相匹配的光波将发生反射，其余光波则直接透射过去。

光纤光栅中心波长与纤芯有效折射率和光栅调制周期的关系表述为：

Figure 2012102878609100002DEST_PATH_IMAGE001

式中，

为光纤光栅中心波长，

Figure 2012102878609100002DEST_PATH_IMAGE003

为纤芯有效折射率，为光纤光栅调制周期。

纤芯有效折射率和光纤光栅调制周期的变化均会改变光纤光栅的中心波长，根据光纤材料的热光效应，纤芯有效折射率和光栅调制周期均随温度变化而变化。光纤光栅中心波长与温度变化关系为：

式中，为裸光纤光栅热膨胀系数，为裸光纤光栅热光系数。

由上式得知，温度变化对光纤光栅中心波长的影响是由热膨胀效应及热光效应产生的，通过检测光纤光栅入射波长与反射波长的变化即可实现波长—温度解调。

裸光纤光栅灵敏度较低，约为10pm/℃，难以满足实际测温条件的要求。通常把光纤光栅预拉伸后封装在具有更高热膨胀系数的基底材料中以达到增敏目的。通过合理的结构增敏封装，光纤光栅温度传感器的测温灵敏度能够得到显著提高。增敏后的波长温度关系为：

式中，

Figure 2012102878609100002DEST_PATH_IMAGE009

为光纤的有效弹光系数，

表示封装材料的热膨胀系数。

光纤光栅温度传感器的增敏及封装方法决定传感器内部应力、应变分布，对于传感器灵敏度、迟滞特性以及重复性存在很大影响，如何控制封装工艺是传感器制作的关键。

目前，光纤光栅的增敏方法以金属材料或聚合物为基底材料，主要采用单一结构或者双金属结构进行封装，虽然能够提高光纤光栅传感器的测温灵敏度，但普遍存在迟滞较大的特点，因此难以满足高精度测温场合的需求。

因此，提供一种灵敏度高、迟滞效应小、测温精度高的光纤光栅温度传感器尤为必要。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种灵敏度高、迟滞效应小的光纤光栅温度传感器。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明提供一种低迟滞特性的光纤光栅温度传感器，其包括上基底、位于上基底下方的下基底、第一光纤光栅、第二光纤光栅，该下基底为L形，该上基底设有穿孔，L形的下基底的短边嵌入穿孔，该第一光纤光栅和第二光纤光栅的一端固定在下基底的上端面，该第一光纤光栅和第二光纤光栅的另一端分别固定在上基底上端面，该上基底的热膨胀系数比下基底的热膨胀系数小，该第一光纤光栅和第二光纤光栅通过光纤串联，两者的中心波长和预拉伸长度相同。

本发明将两个具有完全相同的中心波长、制作工艺以及预拉伸长度的光纤光栅串联后，固定在由热胀系数不同的两种材料构成的基底上。

假设被测对象温度升高，第一光纤光栅被拉伸，其反射波长为：

第二光纤光栅被压缩，其反射波长：

由于两个光纤光栅具有完全相同的中心波长、制作工艺以及预拉伸长度，因此二者迟滞与

相等。两个光纤光栅反射波长的差值为：

Figure 2012102878609100002DEST_PATH_IMAGE015

被测对象温度降低时，分析方法同上。

由此可见，在理想情况下，光纤光栅温度传感器的灵敏度提高1倍，迟滞误差完全消除。

一些实施方式中，下基底上端面和上基底的上端面平齐，提高精确度、消除迟滞特性。

一些实施方式中，该上基底采用热膨胀系数小的钛钢基底。一些实施方式中，该下基底采用热膨胀系数大的铝合金基底。

一些实施方式中，该上基底下方设有与下基底形状相配合的凹槽，该L形的下基底的长边置于凹槽内。该结构使上、下基底在热膨胀变形中两者位置关系更稳定，使第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长差变化调谐更精确，提高该光纤光栅温度传感器的灵敏度和精确度。

一些实施方式中，该上基底为长方体，该形状使上、下基底之间的配合更好。长方体的上基底可以完全包裹下基底。

一些实施方式中，该上基底与下基底的一侧端面对齐。一些实施方式中，该上基底与下基底端面对齐的一侧用螺丝固定，该结构确定上、下基底的一侧相对位置固定，而上、下基底同时向另一侧热膨胀变形。

一些实施方式中，该第一光纤光栅和第二光纤光栅位于上基底的纵向中心轴线上。该设置使传感器精确度更高。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

本发明所提供的降低光纤光栅温度传感器迟滞的方案，实现简单，可两倍提高现有单一材料增敏的光纤光栅温度传感器的灵敏度，同时大幅消减迟滞，满足对测温精度要求较高的应用场合的需求。

【附图说明】

图1是本发明中光纤光栅温度传感器的封装结构正视图；

图2是本发明中光纤光栅温度传感器的封装结构俯视图；

图3是本发明光纤光栅温度传感器的工作原理示意图。

其中，1为上基底；2为下基底；3为第一光纤光栅；4为第二光纤光栅；5为固定点；6为光纤；7为固定螺钉。

【具体实施方式】

请参阅图1~3，本发明低迟滞特性的光纤光栅温度传感器，其包括小热膨胀系数的上基底1、位于上基底1下方的大热膨胀系数的下基底2、通过光纤6串联的第一光纤光栅3和第二光纤光栅4，该上基底1与下基底2的一侧端面对齐，该上基底1与下基底2端面对齐的一侧用固定螺钉7固定，该上基底1置于下基底2上表面，并且完全包裹下基底2。

该上基底1的热膨胀系数比下基底2的热膨胀系数小，在本实施例中，该上基底1采用热膨胀系数较小的钛钢基底，该下基底2采用热膨胀系数较大的铝合金基底。在满足加工条件情况下，上基底1和下基底2还可以灵活选择其他的热膨胀系数相差较大的材料。

该上基底1为长方体，该下基底2为L形，该上基底1下方设有与下基底2形状相配合的凹槽（未标示），以及设置有穿孔（未标示），该L形的下基底2的长边置于凹槽内，L形的下基底2的短边嵌入穿孔，长方体的上基底1完全包裹下基底2，且下基底2上端面和上基底1的上端面平齐。

该第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长、制作工艺和预拉伸长度相同。该上基底和下基底的上端面设有固定点5，第一光纤光栅3左端和第二光纤光栅4右端固定在上基底1的表面固定点5，第一光纤光栅3右端与第二光纤光栅4左端固定于下基底2的表面固定点5，粘接剂采用稳定性高的固化胶，粘接后的第一光纤光栅3与第二光纤光栅4位于上基底1和下基底2的中心轴线上。

在认为第一光纤光栅3与第二光纤光栅4其具有相同的灵敏度及迟滞特性的前提下，当被测对象的温度变化ΔT时，下基底2的伸缩量ΔL1远大于上基底1的伸缩量ΔL2，伸缩量的差值ΔL12=ΔL1-ΔL2≈ΔL1作用在单个光纤光栅的长度L3上达到一次增敏效果，灵敏度K=ΔλB/ΔT=[α+ξ+(1-Pe)ΔL12/L3]λB。此外，根据第一光纤光栅3返回波长与第二光纤光栅4返回波长的差值λ1-λ2=2KΔT+Δλ1-Δλ2解调温度信号，可以在前述增敏效果的基础上增加灵敏度至2K，同时大大降低基底迟滞为Δλ1-Δλ2，理想情况下Δλ1=Δλ2，即消除迟滞。对比之下，当采用单一基底时，灵敏度为K，迟滞为Δλ1。显然本发明的设计方案更优。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。

Claims

1.一种低迟滞特性的光纤光栅温度传感器，其特征在于，其包括上基底、位于上基底下方的下基底、第一光纤光栅、第二光纤光栅，该下基底为L形，该上基底设有穿孔，L形的下基底的短边嵌入穿孔，该第一光纤光栅和第二光纤光栅的一端固定在下基底的上端面，该第一光纤光栅和第二光纤光栅的另一端分别固定在上基底上端面，该上基底的热膨胀系数比下基底的热膨胀系数小，该第一光纤光栅和第二光纤光栅通过光纤串联，两者的中心波长和预拉伸长度相同。

2.如权利要求1所述的低迟滞特性的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述的下基底上端面和上基底的上端面平齐。

3.如权利要求1所述的低迟滞特性的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述的上基底采用热膨胀系数小的钛钢基底。

4.如权利要求1所述的低迟滞特性的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述的下基底采用热膨胀系数大的铝合金基底。

5.如权利要求1所述的低迟滞特性的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述的上基底下方设有与下基底形状相配合的凹槽，该L形的下基底的长边置于凹槽内。

6.如权利要求5所述的低迟滞特性的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述的上基底为长方体。

7.如权利要求1所述的低迟滞特性的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述的上基底与下基底的一侧端面对齐。

8.如权利要求1所述的低迟滞特性的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述的上基底与下基底端面对齐的一侧用螺丝固定。

9.如权利要求1所述的低迟滞特性的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述的第一光纤光栅和第二光纤光栅位于上基底的纵向中心轴线上。

10.如权利要求1所述的低迟滞特性的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述的第一光纤光栅和第二光纤光栅的反射波长差值为Δλ=λ ₁ - λ ₂=2KΔT。