CN103822668B - 一种应变和温度同时测量的光纤Bragg光栅低温传感器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种应变和温度同时测量的光纤Bragg光栅低温传感器及其使用方法，包括底座固定螺丝（1）、测量空腔（2）、应变光纤Bragg光栅（3）、低温胶粘剂（4）、上端光纤引出孔（5）、测温光纤Bragg光栅（6）、铜制外壳（7）、固定底座（8）、顶端盖螺丝（9）、下端光纤引出孔（10）、细铜管（11）、紧固套管（12）、输入输出光纤（13）、光纤接续点（14）和顶端盖（15）。本发明通过对光纤Bragg光栅波长移位的测量可以对77K～273K低温环境下的应变和温度同时进行在线监测。

Description

一种应变和温度同时测量的光纤Bragg光栅低温传感器及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种同时测量低温应变和温度的光纤Bragg光栅低温应变和温度传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。

背景技术

超导磁储能装置是利用超导线圈作储能线圈，由电网经变流器供电励磁，将电能以LI2/2的电磁能形式储存于线圈磁场中，需要时经逆变器将电磁能转换成交流电能送回电网或提供给其他负载用的新型储能装置。高温超导磁储能装置主要由超导磁体、低温容器、冷却装置及变流装置和测控系统组成，工作在低温（液氮温区）、强磁场（T级）、大电流（A级）的超导环境下。超导磁体是磁储能装置中的关键部件，只有当超导磁体的低温运行参数在临界值以内，超导磁体才能正常投入运行。随着微电网技术和超导磁储能技术的研究与应用，超导磁体各部位、电流引线关键部位、冷屏、制冷机冷头、循环水等处温度以及磁体应力应变分布情况的在线监测成为影响超导磁储能发展的关键问题。而在超导环境中测量时，常规测量中忽略的问题，在低温下慎重考虑，比如：测量引线的导热、辐射等因素，现有的检测方法和传感装置在超导电力装置特殊的超低温、强磁场等极端环境下的适用性和选型布局方面存在很多技术难题。加快研发低成本、高精度的新型温度传感器和应变传感器，解决超导磁储能装置温度和应力应变检测过程中传感器固化、低温环境、强磁场、实时性、防辐射、出线端少等技术难点，成为该领域的技术研发方向。

与本发明接近的技术是基片封装光纤Bragg光栅应变传感器（参见文献：周建华等，《低温环境下光纤光栅啁啾异常现象研究》，武汉理工大学学报·信息与管理工程版，2010年10月）和细不锈钢管封装的光纤Bragg光栅低温传感器（参见文献：郭明金等，《两种封装的光纤光栅温度传感器的低温特性》，光学精密工程，2007年3月。基片封装光纤Bragg光栅应变传感器采用聚酰亚胺薄膜聚合物基片对裸光纤Bragg光栅进行封装，由于传感器内部没有设置温度补偿光栅，需要另外串接光纤光栅温度传感器实现温度补偿；细不锈钢管封装的光纤Bragg光栅低温传感器只是采用热膨胀系数大的细不锈钢管对裸光纤Bragg光栅进行封装，其外部缺少抵抗外力影响的有效封装保护。

发明内容

本发明的目的是提供一种应变和温度同时测量的光纤Bragg光栅低温传感器，利用光纤光栅信息材料的质轻、柔韧、体积小、成本低、非电量传感传输、波分复用、高精度、电绝缘、抗电磁干扰和使用寿命长等特殊物理属性优势，实现对高温超导环境下超导磁储能装置磁体应变和温度的同时在线检测。

实现本发明的上述目的所采取的技术方案是：所述光纤Bragg光栅低温传感器由底座固定螺丝、测量空腔、应变光纤Bragg光栅、低温胶粘剂、上端光纤引出孔、测温光纤Bragg光栅、铜制外壳、固定底座、顶端盖螺丝、下端光纤引出孔、细铜管、紧固套管、输入输出光纤、光纤接续点和顶端盖组成；其结构为：顶端盖和铜制外壳由顶端盖螺丝连接构成测量空腔，铜制外壳由固定底座和底座固定螺丝固定于被测物体；应变光纤Bragg光栅和测温光纤Bragg光栅用细铜管和低温胶粘剂封装；应变光纤Bragg光栅用低温胶粘剂沿铜制外壳底部轴线方向粘贴，测温光纤Bragg光栅用低温胶粘剂沿铜制外壳底部垂直轴线方向粘贴，应变光纤Bragg光栅的一端经上端光纤引出孔引出，并用低温胶粘剂固定于铜制外壳，另一端和测温光纤Bragg光栅经下端光纤引出孔引出，用低温胶粘剂和紧固套管固定于铜制外壳，并在光纤接续点处接续，最后经输入输出光纤连接于光纤光栅信号解调仪。

根据本发明容器的使用方法为：被测物体通过固定底座使得铜制外壳产生轴向形变，导致粘贴在其底部轴线方向上的应变光纤Bragg光栅产生波长移位；被测物体温度通过铜制外壳传递，导致粘贴在其底部垂直轴线方向的测温光纤Bragg光栅产生波长移位，该波长移位同时作为应变检测的温补。通过对光纤Bragg光栅波长移位的测量，利用公式

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}$ 、

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=[(a_f+\mathrm{\ξ})+(1-P_e)(a_s-a_f)]\mathrm{\ΔT}$ 和可以对77K～273K低温环境下的应变和温度同时进行在线监测。

本发明的数学模型如下：

150K～273K时，光纤Bragg光栅的中心波长变化由热膨胀系数决定，应变光纤Bragg光栅因均匀轴向应变和温度共同引起的中心波长移位量为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}+[(a_f+\mathrm{\ξ})+(1-P_e)(a_s-a_f)]\mathrm{\ΔT}---\left(1\right)$

式（1）中，λ_B1为应变光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B1为应变光纤Bragg光栅中心波长移位量，P_e=0.22为有效弹-光系数，ε为轴向应变量，α_f为光纤热膨胀系数，ξ为光纤热光系数，α_s为铜热膨胀系数，ΔT为温度变化量。

测温光纤Bragg光栅由温度引起的中心波长移位量为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=[(a_f+\mathrm{\ξ})+(1-P_e)(a_s-a_f)]\mathrm{\ΔT}$

式（2）中，λ_B2为测温光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B2为测温光纤Bragg光栅中心波长移位量。

将式（2）带入式（1）得150K～273K时应变光纤Bragg光栅均匀轴向应变与中心波长移位量的关系为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}$

77K～150K时，光纤Bragg光栅中心波长变化由有效折射率和热膨胀系数共同决定，测温光纤Bragg光栅由有效折射率引起的中心波长移位量为：

Δλ_B21=k₁+k₂(T₀+ΔT)（4）

式（4）中，k₁和k₂为修正系数，可由标定试验测得，T₀为标定时测温光纤Bragg光栅基准中心波长对应的基准温度。

测温光纤Bragg光栅由热膨胀系数引起的中心波长移位量为：

由式（4）和式（5）得77K～150K时测温光纤Bragg光栅由温度引起的中心波长移位量为：

应变光纤Bragg光栅因均匀轴向应变和温度共同引起的中心波长移位量为：

（7）

将式（6）代入式（7）得应变光纤Bragg光栅均匀轴向应变与中心波长移位量的关系为：

式（2）、（3）、（6）和（8）表明了低温传感器所受到的均匀轴向应变ε和温度T与应变光纤Bragg光栅和测温光纤Bragg光栅的中心波长移位量之间的数学模型，通过测量应变光纤Bragg光栅和测温光纤Bragg光栅的中心波长移位量可以计算出低温传感器所受到的均匀轴向应变和温度。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用铜制外壳和细铜管等特殊的封装设计，实现了光纤Bragg光栅在高温超导液氮温区低温环境下对磁体应变和温度的在线测量，且可以通过改变封装材料结构尺寸和属性等来调整传感器的具体性能指标。

2、本发明充分利用光纤Bragg光栅质轻、柔韧、体积小、成本低、非电量传感传输、波分复用、高精度、电绝缘、抗电磁干扰和使用寿命长等特殊物理属性，提高了磁体应变和温度的测量准确度。

3、本发明采用一个传感器实现了磁体应变和温度两种参数的同时在线监测，其中测温光纤Bragg光栅同时作为应变光纤Bragg光栅的温补光栅，从而解决了高温超导磁储能装置磁体应变和温度检测过程中传感器固化、低温环境、强磁场、实时性、防辐射、出线端少等技术难题。

附图说明

图1为本发明结构俯视图；

图2为本发明结构侧面剖视图。

图中各标号依次表示：底座固定螺丝（1）、测量空腔（2）、应变光纤Bragg光栅（3）、低温胶粘剂（4）、上端光纤引出孔（5）、测温光纤Bragg光栅（6）、铜制外壳（7）、固定底座（8）、顶端盖螺丝（9）、下端光纤引出孔（10）、细铜管（11）、紧固套管（12）、输入输出光纤（13）、光纤接续点（14）和顶端盖（15）。

具体实施方式

参见图1～2，顶端盖15和铜制外壳7由顶端盖螺丝9连接构成测量空腔2，铜制外壳7由固定底座8和底座固定螺丝1固定于被测物体，应变光纤Bragg光栅3和测温光纤Bragg光栅6用细铜管11和低温胶粘剂4封装，应变光纤Bragg光栅3用低温胶粘剂4沿铜制外壳7底部轴线方向粘贴，测温光纤Bragg光栅6用低温胶粘剂4沿铜制外壳7底部垂直轴线方向粘贴，应变光纤Bragg光栅3的一端经上端光纤引出孔5引出，并用低温胶粘剂4固定于铜制外壳7，另一端和测温光纤Bragg光栅6经下端光纤引出孔10引出，用低温胶粘剂4和紧固套管12固定于铜制外壳7，并在光纤接续点14处接续，最后经输入输出光纤13连接于光纤光栅信号解调仪，从而实现高温超导液氮温区低温环境下对磁体应变和温度的同时在线监测。

本发明将被测物体通过固定底座8使得铜制外壳7产生轴向形变，导致粘贴在其底部轴线方向上的应变光纤Bragg光栅3产生波长移位；被测物体温度通过铜制外壳7传递，导致粘贴在其底部垂直轴线方向的测温光纤Bragg光栅6产生波长移位，该波长移位同时作为应变检测的温补；通过对光纤Bragg光栅波长移位的测量，利用公式 $\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}$ 、

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=[(a_f+\mathrm{\ξ})+(1-P_e)(a_s-a_f)]\mathrm{\ΔT}$ 和能够对77K～273K低温环境下的应变和温度同时进行在线监测；

式中，λ_B1为应变光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B1为应变光纤Bragg光栅中心波长移位量，λ_B2为测温光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B2为测温光纤Bragg光栅中心波长移位量，P_e=0.22为有效弹-光系数，ε为轴向应变量，α_f为光纤热膨胀系数，ξ为光纤热光系数，α_s为铜热膨胀系数，ΔT为温度变化量，k₁和k₂为修正系数，可由标定试验测得，T₀为标定时测温光纤Bragg光栅基准中心波长对应的基准温度。

本发明的数学模型如下：

150K～273K时，光纤Bragg光栅的中心波长变化由热膨胀系数决定，应变光纤Bragg光栅因均匀轴向应变和温度共同引起的中心波长移位量为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}+[(a_f+\mathrm{\ξ})+(1-P_e)(a_s-a_f)]\mathrm{\ΔT}---\left(1\right)$

式（1）中，λ_B1为应变光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B1为应变光纤Bragg光栅中心波长移位量，P_e=0.22为有效弹-光系数，ε为轴向应变量，α_f为光纤热膨胀系数，ξ为光纤热光系数，α_s为铜热膨胀系数，ΔT为温度变化量。

测温光纤Bragg光栅由温度引起的中心波长移位量为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=[(a_f+\mathrm{\ξ})+(1-P_e)(a_s-a_f)]\mathrm{\ΔT}---\left(2\right)$

式（2）中，λ_B2为测温光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B2为测温光纤Bragg光栅中心波长移位量。

将式（2）带入式（1）得150K～273K时应变光纤Bragg光栅均匀轴向应变与中心波长移位量的关系为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

77K～150K时，光纤Bragg光栅中心波长变化由有效折射率和热膨胀系数共同决定，测温光纤Bragg光栅由有效折射率引起的中心波长移位量为：

Δλ_B21=k₁+k₂(T₀+ΔT)（4）

式（4）中，k₁和k₂为修正系数，可由标定试验测得，T₀为标定时测温光纤Bragg光栅基准中心波长对应的基准温度。

测温光纤Bragg光栅由热膨胀系数引起的中心波长移位量为：

由式（4）和式（5）得77K～150K时测温光纤Bragg光栅由温度引起的中心波长移位量为：

应变光纤Bragg光栅因均匀轴向应变和温度共同引起的中心波长移位量为：

将式（6）代入式（7）得应变光纤Bragg光栅均匀轴向应变与中心波长移位量的关系为：

式（2）、（3）、（6）和（8）表明了低温传感器所受到的均匀轴向应变ε和温度T与应变光纤Bragg光栅和测温光纤Bragg光栅的中心波长移位量之间的数学模型，通过测量应变光纤Bragg光栅和测温光纤Bragg光栅的中心波长移位量可以计算出低温传感器所受到的均匀轴向应变和温度。

本发明具体参数为：

1、铜制外壳材料尺寸：黄铜，热膨胀系数α_s=1.89×10^-5m/℃；外部长度l=50mm，宽度w=40mm，高度h=20mm；内腔长度l=40mm，宽度w=30mm，高度h=10mm；上端光纤引出孔直径Φ=2mm，下端光纤引出孔直径Φ=5mm；固定底座宽度w=5mm，高度h=5mm。

2、细铜管材料尺寸：黄铜，热膨胀系数α_s=1.89×10^-5m/℃，直径Φ=1mm。

3、低温胶粘剂材料：美国Bond-M610（温度范围-269℃～+200℃）。

4、紧固套管材料尺寸：黄铜，外径Φ=8mm，内径Φ=4mm

5、光纤Bragg光栅技术参数：应变光纤Bragg光栅中心波长λ_B1=1547.000nm，测温光纤Bragg光栅中心波长λ_B2=1552.000nm，有效弹-光系数p_e=0.22，热膨胀系数α_f=5.50×10^{- 7}m/℃，热光系数ξ=6.67×10^-6m/℃；修正系数k₁和k₂由标定试验测得。

6、按附图1～2配置实验。

7、用光纤光栅分析仪获取应变光纤Bragg光栅和测温光纤Bragg光栅的中心波长。

Claims (2)

1.一种应变和温度同时测量的光纤Bragg光栅低温传感器，其特征是：所述光纤Bragg光栅低温传感器由底座固定螺丝（1）、测量空腔（2）、应变光纤Bragg光栅（3）、低温胶粘剂（4）、上端光纤引出孔（5）、测温光纤Bragg光栅（6）、铜制外壳（7）、固定底座（8）、顶端盖螺丝（9）、下端光纤引出孔（10）、细铜管（11）、紧固套管（12）、输入输出光纤（13）、光纤接续点（14）和顶端盖（15）组成；其结构为：顶端盖（15）和铜制外壳（7）由顶端盖螺丝（9）连接构成测量空腔（2），铜制外壳（7）由固定底座（8）和底座固定螺丝（1）固定于被测物体；应变光纤Bragg光栅（3）和测温光纤Bragg光栅（6）用细铜管（11）和低温胶粘剂（4）封装；应变光纤Bragg光栅（3）用低温胶粘剂（4）沿铜制外壳（7）底部轴线方向粘贴，测温光纤Bragg光栅（6）用低温胶粘剂（4）沿铜制外壳（7）底部垂直轴线方向粘贴，应变光纤Bragg光栅（3）的一端经上端光纤引出孔（5）引出，并用低温胶粘剂（4）固定于铜制外壳（7），另一端和测温光纤Bragg光栅（6）经下端光纤引出孔（10）引出，用低温胶粘剂（4）和紧固套管（12）固定于铜制外壳（7），并在光纤接续点（14）处接续，最后经输入输出光纤（13）连接于光纤光栅信号解调仪。

2.一种根据权利要求1所述的一种应变和温度同时测量的光纤Bragg光栅低温传感器的使用方法，其特征是：被测物体通过固定底座（8）使得铜制外壳（7）产生轴向形变，导致粘贴在其底部轴线方向上的应变光纤Bragg光栅（3）产生波长移位；被测物体温度通过铜制外壳（7）传递，导致粘贴在其底部垂直轴线方向的测温光纤Bragg光栅（6）产生波长移位，该波长移位同时作为应变检测的温补；通过对光纤Bragg光栅波长移位的测量，利用公式 $\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}$ 、、 $\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=[(a_f+\mathrm{\ξ})+(1-P_e)(a_s-a_f)]\mathrm{\ΔT}$ 和能够对77K～273K低温环境下的应变和温度同时进行在线监测；

式中，λ_B1为应变光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B1为应变光纤Bragg光栅中心波长移位量，λ_B2为测温光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B2为测温光纤Bragg光栅中心波长移位量，P_e=0.22为有效弹-光系数，ε为轴向应变量，α_f为光纤热膨胀系数，ξ为光纤热光系数，α_s为铜热膨胀系数，ΔT为温度变化量，k₁和k₂为修正系数，可由标定试验测得，T₀为标定时测温光纤Bragg光栅基准中心波长对应的基准温度；

数学模型为：

150K～273K时，光纤Bragg光栅的中心波长变化由热膨胀系数决定，应变光纤Bragg光栅因均匀轴向应变和温度共同引起的中心波长移位量为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}+[(a_f+\mathrm{\ξ})+(1-P_e)(a_s-a_f)]\mathrm{\ΔT}---\left(1\right)$

式（1）中，λ_B1为应变光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B1为应变光纤Bragg光栅中心波长移位量，P_e=0.22为有效弹-光系数，ε为轴向应变量，α_f为光纤热膨胀系数，ξ为光纤热光系数，α_s为铜热膨胀系数，ΔT为温度变化量；

测温光纤Bragg光栅由温度引起的中心波长移位量为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}---\left(2\right)$

式（2）中，λ_B2为测温光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B2为测温光纤Bragg光栅中心波长移位量；

将式（2）带入式（1）得150K～273K时应变光纤Bragg光栅均匀轴向应变与中心波长移位量的关系为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

77K～150K时，光纤Bragg光栅中心波长变化由有效折射率和热膨胀系数共同决定，测温光纤Bragg光栅由有效折射率引起的中心波长移位量为：

Δλ_B21=k₁+k₂(T₀+ΔT)（4）

式（4）中，k₁和k₂为修正系数，可由标定试验测得，T₀为标定时测温光纤Bragg光栅基准中心波长对应的基准温度；

测温光纤Bragg光栅由热膨胀系数引起的中心波长移位量为：

由式（4）和式（5）得77K～150K时测温光纤Bragg光栅由温度引起的中心波长移位量为：

应变光纤Bragg光栅因均匀轴向应变和温度共同引起的中心波长移位量为：

将式（6）代入式（7）得应变光纤Bragg光栅均匀轴向应变与中心波长移位量的关系为：

式（2）、（3）、（6）和（8）表明了低温传感器所受到的均匀轴向应变ε和温度T与应变光纤Bragg光栅和测温光纤Bragg光栅的中心波长移位量之间的数学模型，通过测量应变光纤Bragg光栅和测温光纤Bragg光栅的中心波长移位量可以计算出低温传感器所受到的均匀轴向应变和温度。