CN104729752A - 一种非金属光纤光栅高温传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非金属光纤光栅高温传感器，采用内层毛细玻璃封装套管、外层陶瓷封装套管两次封装形式，两套管内填充膏体，光纤光栅受毛细玻璃封装套管固定应力影响存在初始应变。其制作方法包括两大步骤：用毛细玻璃封装套管对光纤光栅进行一次封装，然后用导热陶瓷套管对光纤光栅进行二次封装。本发明公开的光纤光栅高温传感器本质安全，具有良好的抗电磁干扰和导热性能，同时消除了因材料热应力对测量结果产生的影响，提高了测量精度，可广泛应用于高电压环境下的测温。

Description

一种非金属光纤光栅高温传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤光栅的温度传感器，尤其是一种在高电压环境下测温的非金属光纤光栅的温度传感器，属光纤光栅传感技术领域。

背景技术

近年来我国电力系统正朝着高容量、高电压、大机组的方向发展，越来越多的变电站都实行了无人值班和综合自动化的管理模式，这种管理模式对于高压开关柜等设备的稳定、安全运行提出了更为严格的要求，而这些设备器件的绝缘性、老化率等参数都与温度有关，迫切需要有效地对设备温度进行监控，以提高设备的稳定性及安全性。传统的测量温度的方式如红外测温、热电阻、热电偶都无法满足电力系统实时、绝缘、抗电磁干扰以及本质安全等测温的要求。

作为一种新型的测温传感器，采用光纤光栅温度传感器进行温度测量具有精度高、体积小、抗电磁干扰、抗辐射、实时精确定位、本质安全以及可实现准分布测量等特点，可有效的监控设备的温度，广泛应用于电力领域，尤其是一些高压、高温场所。由于光纤光栅裸栅比较脆弱，工程应用中一般将光纤光栅进行封装，以达到保护光纤光栅的目的。目前已报道的电力用光纤光栅温度传感器，一般采用单层陶瓷套管进行封装，或者内部采用金属套管进行一次封装，再用陶瓷套管进行二次封装。但由于金属等封装材料与光纤材料的热膨胀系数不同，当温度升高时，会存在热应力效应，尽管起到增敏作用，但周边环境的引起的应变将通过金属传递到光纤光栅。由于光栅布拉格波长是对应变和应力交互敏感的，即在温度和应变同时存在时，无法分辨温度和应变的各自贡献。因此，受交互敏感的影响，目前现有封装方式直接降低了温度测量精度。此外，金属封装材料在高温条件下，也存在可靠性差、易受电磁干扰等不足。

发明内容

针对以上不足，本发明提供了一种非金属光纤高温传感器，解决了现有光纤高温传感器易受外界应力和应变干扰而导致测量精度下降以及可靠性差、易受电磁干扰的技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种非金属光纤光栅高温传感器，包括光纤光栅，还包括毛细玻璃封装套管、陶瓷封装套管、填充膏体、第一套管固定件和第二套管固定件；光纤光栅位于毛细玻璃封装套管内，并与毛细玻璃封装套管的两端通过胶粘剂固定，光纤光栅受两端固定应力影响存在初始应变；毛细玻璃封装套管外封装有陶瓷封装套管，毛细玻璃封装套管和陶瓷封装套管之间充满填充膏体，两套管沿其轴向的两端分别连接第一套管固定件和第二套管固定件；第一套管固定件和第二套管固定件在其横截面中心沿轴向开有通孔，光纤光栅分别穿过第一套管固定件和第二套管固定件内的通孔。

作为本发明的优选方案，光纤光栅1初始应变为500με。

作为本发明的优选方案，毛细玻璃封装套管两端对光纤光栅进行固定和密封的胶粘剂材料为环氧树脂胶。

作为本发明的优选方案，第一套管固定件、第二套管固定件与陶瓷封装套管通过环氧树脂胶进行连接。

作为本发明的优选方案，填充膏体材料为导热硅胶。

作为本发明的优选方案，第一套管固定件和第二套管固定件远离套远离毛细玻璃封装套管端有沿轴向伸出的圆柱形凸台。

一种非金属光纤光栅高温传感器的方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤S1，用毛细玻璃封装套管对光纤光栅进行一次封装：将光纤光栅穿入毛细玻璃封装套管中；将光纤光栅的尾纤一端用快干胶粘贴在微动平台的固定台上，另一端粘贴在微动平台的移动台上；通过调节微动平台的移动台，给光纤光栅施加预应力；将毛细玻璃封装套管的两端与光纤光栅固定并密封。

步骤S2，用导热陶瓷套管对光纤光栅进行二次封装：将步骤S1封装后的光纤光栅一端穿入第一套管固定件，并插入到导热陶瓷套管的一端；在陶瓷封装套管的另一端注入填充膏体；将第二套管固定件插入到陶瓷封装套管的另一端；将第一套管固定件、第二套管固定件与陶瓷封装套管粘接。

作为本发明的优选方案，步骤S1中，给光纤光栅施加预应力使得初始应变为500με。

作为本发明的优选方案，步骤S1中固定并密封毛细玻璃封装套管的材料为环氧树脂胶，固定密封后在室温环境下固化24小时；

作为本发明的优选方案，步骤S2中第一套管固定件、第二套管固定件与陶瓷封装套管粘接材料为环氧树脂胶，粘接后在室温环境下固化24小时。

本发明的有益效果如下：

(1)选用具有良好的绝缘性与导热性的玻璃和陶瓷两种非金属材料，本质安全，具有良好的抗电磁干扰和导热性能；

(2)选用的毛细玻璃封装套管的材料为二氧化硅，其与光纤光栅具有接近的热膨胀系数，巧妙的消除了因材料热应力对测量结果产生的影响，提高了测量精度。

附图说明

图1为非金属光纤光栅高温传感器结构示意图

图2为非金属光纤光栅高温传感器一次封装示意图

图3为非金属光纤光栅高温传感器二次封装示意图

具体实施方式

为使得本领域技术人员更易于理解本发明的技术方案，对本发明的非金属光纤光栅高温传感器的结构、制作方法以及原理进行说明。

本实施例所述的非金属光纤光栅高温传感器，采用双层非金属套管封装形式，包括光纤光栅1、毛细玻璃封装套管2、陶瓷封装套管4、填充膏体3、第一套管固定件5和第二套管固定件6；光纤光栅1悬空位于毛细玻璃封装套管2内，并与毛细玻璃封装套管2的两端通过胶粘剂在两固定端7固定，光纤光栅1受两固定端7应力影响存在初始应变500με；毛细玻璃封装套管2外封装有陶瓷封装套管4，毛细玻璃封装套管2和陶瓷封装套管4之间充满导热硅胶材质的填充膏体3，两套管沿其轴向的两端通过环氧树脂胶分别连接第一套管固定件5和第二套管固定件6；第一套管固定件和第二套管固定件在其横截面中心沿轴向开有通孔，光纤光栅1分别穿过第一套管固定件5和第二套管固定件6内的通孔；第一套管固定件5和第二套管固定件6远离套远离毛细玻璃封装套管2端有沿轴向伸出的圆柱形凸台5a和6a。

本实施例所述的非金属光纤光栅高温传感器的制作分为两大步骤：首先对用毛细玻璃封装套管2对光纤光栅1进行一次封装；用导热陶瓷套管4对光纤光栅1进行二次封装。

图2所示为光纤光栅一次封装示意图，首先将调好的环氧树脂胶以及经酒精清洗过的毛细玻璃封装套管以及光纤光栅备用，然后将光纤光栅穿入毛细玻璃管中，并保证光纤光栅悬空位于毛细玻璃封装套管的中间位置，此时，将光纤光栅尾纤一端用快干胶粘贴在微动平台的固定台上，另一端粘贴在微动平台的移动台上。调节位移平台，给光纤光栅施加预应力，保证光纤光栅初始应变为500με，保证光纤光栅的状态不变，用配好的环氧树脂胶将毛细玻璃封装套管的两端密封，并放置在室温环境(10℃～30℃)下24小时固化(室温为10℃～30℃)，待环氧胶固化后，将一次封装好的光纤光栅取下备用。

图3所示为光纤光栅二次封装示意图，首先将调好的环氧树脂胶以及经酒精清洗过的固定件、陶瓷导热套管以及一次封装后的光纤光栅备用，然后将一次封装后的光纤光栅一端穿入固定件，并插入到导热陶瓷套管的一端，保证光纤光栅同时位于导热陶瓷套管中间，再用注射器抽取导热硅胶在导热陶瓷套管的另一端注入，注入过程要保证速度慢，无气泡。待导热硅胶灌满后，将固定件插入到导热陶瓷套管的另一端。用环氧胶将固定件与导热套管粘接。并在室温环境(10℃～30℃)下固化24小时。

本发明中电力用非金属光纤光栅高温传感器采用毛细玻璃套管对光纤光栅进行一次封装，由于光纤光栅与玻璃的热膨胀系数相近，均为0.5×10-6/K～0.6×10-6/K。当温度升高时，光纤光栅不会受毛细玻璃封装套管热应力的影响，消除了因为温度升高材料热应力对光纤光栅的影响，提高了测量精度。

日常使用中，振动冲击会使光纤光栅振动，导致布拉格反射波长发生变化对测量结果产生的影响。当光纤光栅在施加预应力的条件下与毛细玻璃封装套管两端进行粘接，保证了两者的相对位置不变，可有效消除由于振动冲击对对测量结果产生的影响，提高传感器的重复性指标。此外，若无预应力封装，当温度变化时，毛细玻璃管两端环氧胶热胀冷缩也会造成两者相对位置发生变化，经试验研究，给光纤光栅施加500με时效果为佳。

采用导热陶瓷套管进行二次封装，导热陶瓷套管的材料选用抗电磁干扰性、刚性、绝缘性、导热性较好的氧化锆，其导热系数约为5W/m.K，即可实现对一次封装的有效保护，消除外力影响又起到导热绝缘的作用。在两个套管之间灌充导热硅胶，有利于温度快速传递到光纤光栅，提高了传感器的响应时间。陶瓷管两端采用固定件密封固定两封装套管之间的位置，防止导热硅胶流出，保证两封装套管之间的位置。第一套管固定件5和第二套管固定件6远离套远离毛细玻璃封装套管2端有沿轴向伸出的圆柱形凸台5a和6a，在后期连接光缆制作光纤接头时，便于塑套、套筒、保护套管等部件与传感器进行连接。

采用玻璃(二氧化硅)与陶瓷(氧化锆)两种非金属材料对传感器封装既满足抗电磁干扰以及本质安全的特点，又具有较好的导热性，使得传感器具有较快的响应时间，适用于电力设备中温度监测。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种非金属光纤光栅高温传感器，包括光纤光栅(1)，其特征在于还包括毛细玻璃封装套管(2)、陶瓷封装套管(4)、填充膏体(3)、第一套管固定件(5)和第二套管固定件(6)；光纤光栅(1)位于毛细玻璃封装套管(2)内，与毛细玻璃封装套管(2)的两端(2a,2b)通过胶粘剂固定和密封，光纤光栅(1)受两端(2a,2b)固定应力影响存在初始应变；毛细玻璃封装套管(2)外封装有陶瓷封装套管(4)，毛细玻璃封装套管(2)和陶瓷封装套管(4)之间充满填充膏体(3)，两套管沿其轴向的两端分别连接第一套管固定件(5)和第二套管固定件(6)；第一套管固定件和第二套管固定件在其横截面中心沿轴向开有通孔，光纤光栅(1)分别穿过第一套管固定件(5)和第二套管固定件(6)内的通孔。

2.如权利要求2所述的非金属光纤光栅高温传感器，其特征在于光纤光栅(1)初始应变为500με。

3.如权利要求1或2任一项所述的非金属光纤光栅高温传感器，其特征在于毛细玻璃封装套管(2)两端(2a,2b)对光纤光栅(1)进行固定和密封的胶粘剂材料为环氧树脂胶。

4.如权利要求1或2任一项所述的非金属光纤光栅高温传感器，其特征在于第一套管固定件(5)、第二套管固定件(6)与陶瓷封装套管(4)通过环氧树脂胶进行连接。

5.如权利要求1或2所述的非金属光纤光栅高温传感器，其特征在于填充膏体(3)材料为导热硅胶。

6.如权利要求1或2所述的非金属光纤光栅高温传感器，其特征在于第一套管固定件(5)和第二套管固定件(6)远离套远离毛细玻璃封装套管(2)端有沿轴向伸出的圆柱形凸台(5a)和(6a)。

7.一种制作权利要求1所述的非金属光纤光栅高温传感器的方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤S1，用毛细玻璃封装套管(2)对光纤光栅(1)进行一次封装：将光纤光栅(1)穿入毛细玻璃封装套管(2)中；将光纤光栅(1)的尾纤一端用快干胶粘贴在微动平台的固定台上，另一端粘贴在微动平台的移动台上；通过调节微动平台的移动台，给光纤光栅施加预应力；将毛细玻璃封装套管(2)的两端与光纤光栅(1)固定并密封；

步骤S2，用导热陶瓷套管对光纤光栅进行二次封装：将步骤S1封装后的光纤光栅一端穿入第一套管固定件(5)，并插入到导热陶瓷套管的一端；在陶瓷封装套管(4)的另一端注入填充膏体(3)；将第二套管固定件(6)插入到陶瓷封装套管(4)的另一端；将第一套管固定件(5)、第二套管固定件(6)与陶瓷封装套管(4)粘接。

8.如权利要求7所述非金属光纤光栅高温传感器的制作方法，其特征在于步骤S1中，给光纤光栅(1)施加预应力使得初始应变为500με。

9.如权利要求7或8所述非金属光纤光栅高温传感器的制作方法，其特征在于步骤S1中固定并密封毛细玻璃封装套管(2)的材料为环氧树脂胶，固定密封后在室温环境下固化24小时。

10.如权利要求7或8所述非金属光纤光栅高温传感器的制作方法，其特征在于步骤S2中第一套管固定件(5)、第二套管固定件(6)与陶瓷封装套管(4)粘接材料为环氧树脂胶，粘接后在室温环境下固化24小时。