CN105157873B - 圆环式光纤光栅温度传感器及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种圆环式光纤光栅温度传感器，包括光纤，光纤上设有光栅，还包括弹性变形体，弹性变形体为圆环，圆环两侧均设有通孔和盲孔，上下两面均贴有用于封装和导热的金属片；所述的通孔和盲孔相连通，通孔中套有毛细金属管，毛细金属管与圆环内壁固定，毛细金属管内穿有光纤，且光纤上的光栅位于圆环的轴心，盲孔内充满用于固定光纤的胶。本发明传感器线性度较高、灵敏度较高并且具有良好的可重复性。

Description

圆环式光纤光栅温度传感器及封装方法

技术领域

本发明涉及温度传感监测技术领域，特别是涉及一种圆环式光纤光栅温度传感器及封装方法。

背景技术

研究表明，光纤光栅中心波长变化量与温度等因素有关，且波长与温度之间呈线性关系。光纤光栅具有耐腐蚀，抗电磁干扰，光波通信，无电传输等特点，故光栅特别适用于石油、化工、采矿等要求防火防爆的场所中以实现温度的实时监测。通过对光栅进行适当封装，光纤光栅温度传感器已逐步应用到各种领域中。

裸光栅因其易损伤而一般不直接用于实际的工程传感测量中，必须对其进行适当的封装和增敏，一方面对光纤光栅起保护作用，另一方面提高其传感测量的灵敏度。一般情况下，光纤光栅传感器的增敏与封装是同时进行，相辅相成的。对于光纤光栅温度传感器，主要采用将光纤光栅嵌入热膨胀系数较大的基底材料中或粘贴于其表面，利用基底的膨胀作用来提高温敏性。但是现有的各种封装方法都难以维持光纤光栅本身所具有较高的温度线性度，致使封装后的光纤光栅温度传感器与温度之间的线性度较差，致使所测温度值存在较大误差，且难以与电测温度传感器媲美。

鉴于上述，目前所研究的光纤光栅温度传感器因可靠性及稳定性等的问题而难以准确获得温度值。因此，为了充分利用光纤光栅传感器的优点及其温度特性，亟需研究新型的光纤光栅温度封装结构，这对实现光纤光栅传感监测的测量准确性及促进光纤光栅传感的工业应用等具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种圆环式光纤光栅温度传感器及封装方法，能够解决封装后的光纤光栅中心波长与温度之间的线性度低于未封装状态时光纤光栅中心波长与温度之间的线性度的问题。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种圆环式光纤光栅温度传感器，包括光纤，光纤上设有光栅，其特征在于：还包括弹性变形体，弹性变形体为圆环，圆环两侧均设有通孔和盲孔，上下两面均贴有用于封装和导热的金属片；所述的圆环两侧通孔和盲孔的轴线平行且共线，通孔中套有毛细金属管，毛细金属管与圆环内壁固定，毛细金属管内穿有光纤，且光纤上的光栅中心位于圆环的中心，盲孔内充满用于固定光纤的胶。

按上述方案，所述的圆环内充有导热硅脂。

上述圆环式光纤光栅温度传感器的封装方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、圆环的组装：

将毛细金属管插入圆环两侧的通孔，并将其与圆环内侧固定；

S2、光纤光栅传感器的封装：

去除光栅两侧且距离光栅中心一定距离处的光纤的涂覆层；

将光纤穿过圆环的盲孔，并使光栅固定于圆环中的毛细金属管内部，且光栅中心位于圆环的轴心，去除涂覆层部分的光纤位于圆环的盲孔内；

利用光纤预紧装置对光纤两端施加一定的预紧力，在保持预紧力不变的情况下用胶将光栅两侧去除涂覆层部分的光纤固定在盲孔内，当完全固定后解除对光纤的预紧，用金属片将圆环的一面封住，然后在圆环内加入导热硅脂，直至导热硅脂完全填充圆环内部的空隙，再用另一片金属片将圆环的另一面封住；

S3、光纤光栅传感器的标定：

对光纤光栅传感器进行多次温度标定以得到反射波长与温度的函数关系，以及实际性能指标。

按上述方法，所述对光纤两端施加的预紧力低于1N。

本发明的有益效果为：

1、圆环式光纤光栅温度传感器的线性度较高：

因圆环的特殊结构，在发生热变形时，其在直径方向的热变形同温度呈线弹性变化。利用有限元分析可以得到圆环在不同温度中沿直径方向的热变形值，圆环在直径方向的热变形同温度呈线性关系，且线性度为1，在对圆环进行温度标定时，可以得到圆环式光纤光栅温度传感器的实际线性度高于99.9%且接近于1，线性度与理论近似完全相符。

2、圆环式光纤光栅温度传感器的灵敏度较高及可重复性好：

因圆环式光纤光栅温度传感器在封装过程中对光纤进行了预紧，且通过去除光栅两端用于固定光栅的光纤的涂覆层消除了预紧致使光纤纤芯与包层之间产生相对位移的现象，这可以保证光栅在解除预紧后始终保持相同的预紧状态，即使光栅温度灵敏度始终处于稳定状态，从而使光栅温度测量具有较低的重复性误差，光栅的预紧使栅距变大，增加了单位温度引起的波长变化量，即增大了光纤的温度灵敏度。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为圆环的结构示意图。

图3为图2的左视图。

图4为光纤光栅的结构示意图。

图5为圆环在不同情况下沿直径方向的热变形图。

图中：1.圆环；2.胶；3.AB胶；4.毛细金属管；5.光栅；6.无涂覆层区的光纤；7.通孔；8.盲孔；9.通孔；10.盲孔；11.光纤。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

如图1至图4所示，一种圆环式光纤光栅温度传感器，包括光纤11，光纤11上设有光栅5，还包括弹性变形体，弹性变形体为圆环1，圆环1两侧均设有通孔9和盲孔10，上下两面均贴有用于封装和导热的金属片；所述的通孔9和盲孔10相连通，通孔9中套有毛细金属管4，毛细金属管4与圆环1内壁固定（本实施例中采用AB胶3进行固定），毛细金属管4内穿有光纤11，且光纤11上的光栅5位于圆环1的中心，盲孔10内充满用于固定光纤的胶2（本实施例中采用光栅粘贴专用胶，例如EPO—TEK 353ND胶）。为了满足不同的光栅长度，圆环1的各项参数（r、R、l、t、D、d）并不是唯一确定，可以根据光栅长度而发生改变。

所述的圆环1内充有导热硅脂。

位于盲孔内的光纤为去除了涂覆层部分的光纤。

上述圆环式光纤光栅温度传感器的封装方法，包括以下步骤：

S1、圆环的组装：将毛细金属管插入圆环两侧的通孔，并将其与圆环内侧固定。

本实施例中，将直径为1mm、内径为0.5mm的毛细金属管穿过圆环的通孔内，并将毛细金属管的两端分别用AB胶粘贴到圆环内侧，通孔直径1mm，盲孔直径2mm，通孔和盲孔的深度均为2mm。光纤直径为0.125mm，可以通过毛细金属管。

S2、光纤光栅传感器的封装：

去除光栅两侧且距离光栅中心一定距离处的光纤的涂覆层；将光纤穿过圆环的盲孔，并使光栅固定于圆环中的毛细金属管内部，且光栅中心位于圆环的轴心，去除涂覆层部分的光纤位于圆环的盲孔内；利用光纤预紧装置对光纤两端施加一定的预紧力，在保持预紧力不变的情况下用胶（例如EPO—TEK 353ND胶）将光栅两侧去除涂覆层部分的光纤固定在盲孔内，当完全固定后解除对光纤的预紧，用金属片（本实施例选用铜箔，其直径与圆环外径相同，厚度为0.2mm）将圆环的一面封住，然后在圆环内加入导热硅脂，直至导热硅脂完全填充圆环内部的空隙，再用另一片金属片将圆环的另一面封住。光栅5与毛细金属管4之间存在间隙，即二者处于非接触状态，毛细金属管4仅用于保护光栅。

光纤的预紧值可以根据需求进行调整，但是一般低于1N。在对去除涂覆层部分的光纤固定前，应使光栅的中心与圆环轴线近似重合，且应首先固定光纤光栅传感器一端，待一端完全固定后，再将另一端的光纤固定。

S3、光纤光栅传感器的标定：

对光纤光栅传感器进行多次温度标定以得到反射波长与温度的函数关系，以及实际性能指标。

完成标定后的圆环式光纤光栅温度传感器即可布置于光纤光栅传感测量系统中，然后通过测量温度传感器的波长变化量即可利用标定得到的传感器反射波长与温度的函数关系得到温度值。

因圆环的特殊结构，在发生热变形时，其在直径方向的热变形同温度呈线性弹性变化。利用ansys可以得到某一尺寸的圆环在不同温度情况下沿直径方向的热变形值，如图5所示。由图5可以得到：圆环在直径方向的热变形同温度呈线性性关系，且线性度为1。在对圆环进行温度标定时，可以得到圆环式光纤光栅温度传感器的实际线性度高于99.9%且接近于1，线性度非常好。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种圆环式光纤光栅温度传感器的封装方法，其特征在于：圆环式光纤光栅温度传感器，包括光纤、光纤上设有光栅和弹性变形体，弹性变形体为圆环，圆环两侧均设有通孔和盲孔，上下两面均贴有用于封装和导热的金属片；所述的通孔和盲孔相连通，通孔中套有毛细金属管，毛细金属管与圆环内壁固定，毛细金属管内穿有光纤，且光纤上的光栅中心位于圆环的轴心，盲孔内充满用于固定光纤的胶；

本方法包括以下步骤：

S1、圆环的组装：

将毛细金属管插入圆环两侧的通孔，并将其与圆环内侧固定；

S2、光纤光栅传感器的封装：

去除光栅两侧且距离光栅中心一定距离处的光纤的涂覆层；

将光纤穿过圆环的盲孔，并使光栅固定于圆环中的毛细金属管内部，且光栅中心位于圆环的轴心，去除涂覆层部分的光纤位于圆环的盲孔内；

利用光纤预紧装置对光纤两端施加一定的预紧力，在保持预紧力不变的情况下用胶将光栅两侧去除涂覆层部分的光纤固定在盲孔内，当完全固定后解除对光纤的预紧，用金属片将圆环的一面封住，然后在圆环内加入导热硅脂，直至导热硅脂完全填充圆环内部的空隙，再用另一片金属片将圆环的另一面封住；

S3、光纤光栅传感器的标定：

对光纤光栅传感器进行多次温度标定以得到反射波长与温度的函数关系，以及实际性能指标。

2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于：所述的圆环内充满导热硅脂。

3.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于：所述对光纤两端施加的预紧力低于1N。