CN103076109B - 一种磁吸式片状光纤光栅温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁吸式片状光纤光栅温度传感器，包括光纤光栅、细钢管以及护纤套管，所述光纤光栅两端的信号传输光纤套入所述护纤套管内，所述护纤套管粘贴固定在细钢管内，其特点是：还包括基底，所述光纤光栅通过胶黏剂粘贴固定在基底上，所述细钢管固定在所述基底两端。本发明与现有的温度测量和监测传感器相比具有如下突出特点：采用磁吸的方式进行安装，方便快捷，易于更换测量位置，片状结构更适合于物体表面温度的测量；利用热膨胀系数高的基底材料对光纤光栅进行温度增敏，传感器的灵敏度高，响应速度快；结构简单，体积小，受外应力影响小，串接方便，易于实现温度的多点分布式测量和远程在线监测。

Description

一种磁吸式片状光纤光栅温度传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是一种磁吸式片状光纤光栅温度传感器。

背景技术

光纤光栅具有尺寸小、重量轻、本质安全、抗电磁干扰、耐腐蚀、寿命长、易于复用等一系列优点，近年来成为发展最为迅速的光纤无源器件之一，在光纤传感技术领域备受青睐。光纤光栅传感器，能够实现对温度、应变、压力、振动、位移、电流等多物理量、多参数的多点分布式测量和长期远程在线监测，得到了广泛的研究和应用。

目前，温度传感器在实验测量和状态监测中被大量应用。传统的电类温度传感器，如热电阻、热电偶等，采用金属导线传输信号，易受电磁干扰、稳定性较差、信号传输距离短、不能满足多点分布式测量的需要，很难在强电磁干扰、易燃、易爆等恶劣的工作环境中实现对温度的精确测量和长期监测。而光纤光栅温度传感器克服了传统温度传感器的缺点，具有本质安全防爆，抗电磁干扰，耐腐蚀，信号传输距离远，易于实现温度的多点分布式测量和远程在线监测等优点。

由于光纤光栅本身的温度分辨率较低且同时对温度和应变敏感，人们围绕光纤光栅温度传感器增敏以及排除外界应力对温度测量的干扰等方面做了大量的研究工作。詹亚哥等人提出一种利用金属槽封装光纤光栅的温度传感器（参看文献“高分辨率光纤光栅温度传感器的研究”，来自期刊《中国激光》，2005年1月，32卷第1期），该传感器利用热膨胀系数较大的铝槽进行温度增敏，温度灵敏度系数较裸光栅提高了3.6倍， 但是该传感器在测量过程中容易受到外界应力的影响；李阔等人设计制作了一款满足地震前兆观测中地温观测精度要求的双金属光纤光栅温度传感器（参看文献“一种高温下高灵敏光纤光栅温度传感器的制作方法”，来自期刊《光学学报》，2009年1月，29卷第1期），该传感器采用双金属结构的方法实现温度增敏，即当温度变化时，双金属结构把两种热膨胀系数不同的金属长度变化量的差值转化为固定在两金属上的光纤光栅长度的变化量，从而获得较高的温度分辨率；J.L. Cruz等人利用聚合物封装光纤光栅温度传感器（参看文献“Improved thermal sensitivity of fiber Bragggratings using a polymer overlayer”，来自期刊《Electronics Letters》，1996年2月，32卷第4期；文献“聚合物封装的高灵敏度光纤光栅温度传感器及其低温特性”，来自期刊《光学学报》，2004年10月，24卷第10期），该类型的传感器将光纤光栅封装在热膨胀系数较大的有机聚合物基底中，得到的温度传感器的灵敏度系数可达普通裸光纤光栅的十几倍，但是光纤光栅在封装在聚合物的过程中，容易出现啁啾现象，且在长期测量过程中稳定性不好；Li Wei等人将光纤光栅封装在细钢管中，参看文献“The study of enhancing temperature sensitivity for FBG temperature sensor”，来自《Proceeding of the Eighth International Conference on Machine Learning and Cybernetics》，2009年7月；文献“金属管封装光纤光栅温度传感器特性的实验研究”，来自期刊《黑龙江大学自然科学学报》，2011年10月，28卷第5期），该传感器利用胶黏剂将光纤光栅封装在细钢管内，并让钢管内的光纤保持松弛状态，得到的光纤光栅温度传感器受外界作用力影响较小，光纤光栅不容易损坏，但是该传感器温度增敏效果不明显。

专利号为201210216498.6的中国发明专利“一种模块化结构的光纤光栅温度传感器”，将光纤光栅呈松弛的圆弧状固定后，放置在保护管内，整个形成一个光纤光栅模块，该传感器不受应力影响，装配简单，适合大批量生产。但温度灵敏度较低，不适用于物体表面温度的测量。专利号为201110308013.1的中国发明专利“一种耐腐蚀的光纤光栅温度传感器”，采用外表面设有耐腐蚀层的钢管直接封装光纤光栅，该温度传感器结构简单，耐腐蚀性较好，但易受外应力的影响，灵敏度较低。

发明内容

本发明的目的在于针对光纤光栅温度传感器在现代工业生产中的实际需要和现有技术的不足，提出了一种磁吸式片状光纤光栅温度传感器。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种磁吸式片状光纤光栅温度传感器，包括光纤光栅、细钢管以及护纤套管，所述光纤光栅两端的信号传输光纤套入所述护纤套管内，所述护纤套管粘贴固定在细钢管内，其特点是：还包括基底，所述光纤光栅通过胶黏剂粘贴固定在基底上，所述细钢管固定在所述基底两端。

所述传感器还包括一个盖，所述盖通过两端固定在粘贴有所述光纤光栅一面的基底上，在所述盖与基底之间形成空腔。

所述基底未粘贴有所述光纤光栅的一面上设置有永磁体。

所述传感器呈片状结构。

本发明与现有的温度测量和监测传感器相比具有如下突出特点：

1.采用磁吸的方式进行安装，方便快捷，易于更换测量位置，片状结构更适合于物体表面温度的测量。

2.利用热膨胀系数高的基底材料对光纤光栅进行温度增敏，传感器的灵敏度高，响应速度快。

3.结构简单，体积小，受外应力影响小，串接方便，易于实现温度的多点分布式测量和远程在线监测。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为图1的A-A向视图。

图3为本发明实施例1的外形图。

图4为本发明实施例2的结构示意图。

图5为本发明实施例2的外形图。

图中：1—光纤，2—护纤套管，3—细钢管，4—基底，5—光纤光栅，6—空腔，7—盖，8—永磁体，9—胶黏剂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明所涉及的光纤光栅温度传感器是一种片式结构，主要用于铁磁性材料表面温度的测量和在线监测。光纤光栅通过胶黏剂粘贴固定在热膨胀系数较高的基底材料（如铝等）上面，如果不考虑光纤光栅应变与温度的耦合作用，光纤光栅波长随温度的变化关系为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\β}}_0)\·\mathrm{\ΔT}$

式中，Δλ_B为光纤光栅的波长变化，λ_B为光纤光栅的初始波长，α₀为热膨胀系数，β₀为热光系数，ΔT为温度变化。

对于1550nm波长的光纤光栅温度变化100℃时，波长漂移约为1.1nm，温度灵敏度和分辨率较低。光纤光栅粘贴在增敏基底材料上后，将随着基底材料热胀冷缩，利用基底较高的热膨胀系数可对光纤光栅进行温度增敏，其波长变化与温度变化之间的关系为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}[{\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\β}}_0+(1-P_e)({\mathrm{\α}}_{\mathrm{sub}}-{\mathrm{\α}}_0)]\·\mathrm{\ΔT}$

式中，P_e为弹光系数，α_sub为基底材料的热膨胀系数。

在与被测物体相接触的传感器基底感温面上镶嵌固定有永磁体，传感器在测量物体温度时，通过该永磁体将传感器吸附固定在被测物体的表面上。传感器的基底结构和盖之间形成了一个容纳有光纤光栅的空气腔，该空腔可以减少周围的环境温度对粘贴在基底上光纤光栅的波长影响，提高了传感器的测温精度。

实施例1：本发明的结构如图1所示，包括基底4，光纤光栅5，盖7，永磁体8，胶黏剂9，空腔6，护纤套管2和细钢管3。传感器呈片状结构，适合于物体表面温度的测量。其中：光纤光栅5通过胶黏剂9粘贴固定在基底4上，利用基底4较高的热膨胀系数对光纤光栅5进行温度增敏。两端各设有两个永磁体8对称安装固定在基底4上面，利用该永磁体将传感器吸附在被测物体的表面上。盖7与基底4之间形成了一个空腔6，该空腔可以减少周围的环境温度对光纤光栅5波长的影响。细钢管3固定在基底4的两端，护纤套管2粘贴固定在细钢管3内，光纤光栅5两端的信号传输光纤1经过护纤套管2和细钢管3后进行保护输出。

实施例2：如图2所示，实施例2与实施例1的区别在于实施例2中的永磁体对称安装固定在传感器的中间两侧部位。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种磁吸式片状光纤光栅温度传感器，包括光纤光栅、细钢管以及护纤套管，所述光纤光栅两端的信号传输光纤套入所述护纤套管内，所述护纤套管粘贴固定在细钢管内，其特征在于：还包括基底，所述光纤光栅通过胶黏剂粘贴固定在基底上，所述细钢管固定在所述基底两端；所述传感器还包括一个盖，所述盖通过两端固定在粘贴有所述光纤光栅一面的基底上，在所述盖与基底之间形成空腔；所述基底未粘贴有所述光纤光栅的一面上设置有永磁体。

2.如权利要求1所述的磁吸式片状光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述传感器呈片状结构。

3.如权利要求1所述的磁吸式片状光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述永磁体为4个，基底两端各设有两个永磁体对称安装固定。

4.如权利要求1所述的磁吸式片状光纤光栅温度传感器，其特征在于：所述永磁体为2个，所述2个永磁体对称安装固定在传感器的中间两侧部位。