CN106441634B - 一种用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置，该装置主要由温度场发生装置、控制电路两个模块构成，其中，温度场发生装置主要由电触头+、样品平台、电触头‑、底座支撑点动装置、位置传感器和温度传感器组成，控制电路主要由MCU模块、功放模块0、功放模块1、电触头控制单元、调理电路、串口模块、显示单元和输入单元组成；输入单元通过MCU模块将电触头的水平间距和样品的垂直位置调整每个电触头对应的初始位置，位置的调整通过X轴左侧电控位移平台、X轴右侧电控位移平台和Y轴电控位移平台实现，调节的距离通过输入单元输入，水平相对位置调节范围在1mm‑5cm之间。

Description

一种用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置
技术领域
本发明属于传感性能参数测量、计量领域，尤其涉及一种用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置。
背景技术
应用于海洋仪器如CTD、XBT等产品的热敏电阻温度传感器其响应时间通常在毫秒量级，如CTD温度传感器时间常数一般在70ms左右，最快在40ms左右；XBT温度传感器时间常数在100ms左右。目前正在研究的光纤温度剖面仪(光纤XBT)，其快速响应温度传感器基于光纤布拉格光栅(FBG)传感原理，时间常数在150-200ms之间，较常规热敏电阻温度传感器时间常数高出50％-100％，限制了光纤XBT探头的设计下降速度，不利于海洋温深剖面的快速测量，需要进一步提高其热响应速度，减小时间常数。
在快速响应FBG温度传感器研制过程中，对光纤布拉格光栅(FBG)本身的温度响应特性的研究非常重要。摸清FBG的温度响应特性，将对研究和设计快速响应FBG温度传感器提供理论依据和有效支撑。目前尚未见对FBG温度响应特性进行研究的相关报道。FBG主要材料是二氧化硅，其本身尺寸很小，一般FBG的长度为10mm，直径0.25mm。FBG很容易变形，操作稍有不慎即可能损坏，加上其自身的热容量有限，所以很难用传统的校准和测试工况对其时间常数进行测试。需要寻求其他的测试手段和方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置，该装置主要由温度场发生装置、控制电路两个模块构成，其中，温度场发生装置主要由电触头+、样品平台、电触头-、底座支撑点动装置、位置传感器和温度传感器组成，控制电路主要由MCU模块、功放模块0、功放模块1、电触头控制单元、调理电路、串口模块、显示单元和输入单元组成；；控制电路模块用于阶跃温场产生所需脉冲电压及电流的输出控制，温度场发生装置模块则用于阶跃温场的产生，根据对温场阶跃范围的不同需求，选择配置不同类型的电触头以及控制不同的脉冲电压和电流输出；MCU模块输出控制信号到电触头控制单元，产生的模拟控制信号输入待电触头+和电触头-中，实现瞬时高温的产生；同时MCU模块输出控制信息到底座支撑电动装置和样品平台的空间位置信息，位置信息通过位置传感器输入到MCU模块中，实现温度梯度场和样品空间位置的调节；MCU模块接收温度传感器的监测的温度信息，接收的温度信息经过调理电路进行处理，输入到MCU模块进行处理。
更进一步，输入单元通过MCU模块将电触头的水平间距和样品的垂直位置调整每个电触头对应的初始位置，位置的调整通过X轴左侧电控位移平台、X轴右侧电控位移平台和Y轴电控位移平台实现，调节的距离通过输入单元输入，水平相对位置调节范围在1mm-5cm之间。
更进一步，温度场发生装置、控制电路两个模块在同一支撑底座上分层排布，或在同一底座上平铺排布。
更进一步，电触头+和电触头-左右对称排布，电触头采用有点式电触头、线式电触头或面式电触头，电触头+和电触头-采用高导电率的材料，电触头表面可镀锡或铅锡。
更进一步，控制电路模块的核心为MCU模块，输入单元控制输入电压及电流，显示单元显示输入单元相关参数、温度场发生装置的温场分布情况；MCU模块输出控制信号给电触头控制单元，产生控制信号给电触头+和电触头-，使电触头间产生空间异常区而形成高温梯度场，此时温度传感器将监测出温度场通过显示单元进行显示；输入单元通过MCU模块控制电触头控制单元设置阶跃温度场时间长度。
更进一步，位置传感器和温度传感器实时分析温度梯度场，同时将反馈的位置信息通过MCU模块对样品的位置进行修正，修正值输入给DA模块和功放模块，驱动底座支撑电动装置和样品支撑平台进行自适应调整。
本发明的有益效果为：具有阶跃温度范围广(室温至数百摄氏度)、阶跃温场可控、阶跃温度和阶跃时间可控以及操作简单、适用性强等特点，能有效解决各种光纤光栅，如光纤布拉格光栅(FBG)、长周期光纤光栅(LPG)、chirped光纤光栅等时间常数测量问题，并可有效解决基于MEMS技术及其他技术的小、微型传感器的时间常数测量问题。
附图说明
图1为一种用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置系统总体图；
图2为温度发生装置结构图。
图3为点式电触头示意图；
图4为线式电触头示意图；
图5为面式电触头示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
本发明所述的这种用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置，该装置主要由温度场发生装置1、控制电路2两个模块构成，控制电路2模块用于阶跃温场产生所需脉冲电压及电流的输出控制，温度场发生装置1模块则用于阶跃温场的产生。根据对温场阶跃范围的不同需求，可选择配置不同类型的电触头以及控制不同的脉冲电压和电流输出。其中，温度场发生装置1主要由电触头+3、样品平台4、电触头-5、底座支撑点动装置6、位置传感器7和温度传感器8组成，控制电路2主要由MCU模块9、功放模块0-10、功放模块1-11、电触头控制单元12、调理电路13、串口模块14、显示单元15和输入单元16组成；装置主要由温度监测电路、控制电路、触头间距调节电路和可操作控制平台组成。MCU模块9输出控制信号到电触头控制单元12，产生的模拟控制信号输入待电触头+3和电触头-5中，实现瞬时高温的产生；同时MCU模块9输出控制信息到底座支撑电动装置6和样品平台4的空间位置信息，位置信息通过位置传感器7输入到MCU模块9中，实现温度梯度场和样品空间位置的调节；MCU模块9接收温度传感器8的监测的温度信息，接收的温度信息经过调理电路13进行处理，输入到MCU模块9进行处理。
输入单元16通过MCU模块9将电触头的水平间距和样品的垂直位置调整每个电触头对应的初始位置，位置的调整通过X轴左侧电控位移平台601、X轴右侧电控位移平台602和Y轴电控位移平台401实现，调节的距离通过输入单元16输入，水平相对位置调节范围在1mm-5cm之间。
本专利提出的一种用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置整体方案见图1，温度发生装置结构及各型放电电极见图2-5。各功能模块在基座上的位置分布原则上要整洁、简约。被测FBG取放方便，整体装置操作程序简单。被测FBG能有效地利用电极放电产生的阶跃温场，能够根据阶跃温场的温度分布特性合理地调节FBG和放电电极之间的距离，或者对控制电路2模块进行脉冲放点电压和电流调解，防止超过FBG的最高使用温度，造成FBG损坏。
温度场发生装置1、控制电路2两个模块在同一支撑底座上分层排布，或在同一底座上平铺排布。电触头+3和电触头-5左右对称排布，其中，为了适应各种尺寸的样品的温度响应试验，电触头可选择有点式电触头、线式电触头和面式电触头几种，电触头+3和电触头-5选用高导电率的材料，比如铜、黄铜或青铜等；为防止氧化，电触头表面可镀锡或铅锡。控制电路2模块的核心为MCU模块9，输入单元16控制输入电压及电流，显示单元15显示输入单元16相关参数、温度场发生装置1的温场分布情况；MCU模块9输出控制信号给电触头控制单元12，产生控制信号给电触头+3和电触头-5，使电触头间产生空间异常区而形成高温梯度场，此时温度传感器8将监测出温度场通过显示单元15进行显示；输入单元16通过MCU模块9控制电触头控制单元12设置阶跃温度场时间长度。位置传感器7和温度传感器8实时分析温度梯度场，同时将反馈的位置信息通过MCU模块9对样品的位置进行修正，修正值输入给DA模块11和功放模块10，驱动底座支撑电动装置6和样品支撑平台4进行自适应调整。
具体实施方式如下：
(1)MCU模块9输出控制信号给电触头控制单元12，产生控制信号给电触头+3和电触头-5，使电触头间产生空间异常区而形成高温梯度场，此时温度传感器8将监测出温度场通过显示单元15进行显示；其中，电触头+3和电触头-5选用高导电率的材料，比如铜、黄铜或青铜等；为防止氧化，电触头表面可镀锡或铅锡；
(2)被测样品放置在样品支撑平台4上，如光纤光栅传感器，需通过标准夹具进行固定；
(3)输入单元16通过MCU模块9将电触头的水平间距和样品的垂直位置调整每个电触头对应的初始位置，位置的调整通过X轴左侧电控位移平台601、X轴右侧电控位移平台602和Y轴电控位移平台401实现，调节的距离可通过输入单元16输入，水平相对位置调节范围在1mm-5cm之间；其中，为了适应各种尺寸的样品的温度响应试验，电触头可选择有点式电触头、线式电触头和面式电触头几种。
(4)输入单元16通过MCU模块9控制电触头控制单元12设置阶跃温度场时间长度，
(5)位置传感器7实时分析温度梯度场，同时将反馈的位置信息通过MCU模块9对样品的位置进行修正，修正值输入给DA模块11和功放模块10，驱动底座支撑电动装置6和样品支撑平台4进行自适应调整。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置，其特征在于：该装置主要由温度场发生装置(1)、控制电路(2)两个模块构成，其中，温度场发生装置(1)主要由电触头+(3)、样品平台(4)、电触头-(5)、底座支撑电动装置(6)、位置传感器(7)和温度传感器(8)组成，控制电路(2)主要由MCU模块(9)、功放模块0(10)、功放模块1、电触头控制单元(12)、调理电路(13)、串口模块(14)、显示单元(15)和输入单元(16)组成；控制电路(2)模块用于阶跃温场产生所需脉冲电压及电流的输出控制，温度场发生装置(1)模块则用于阶跃温场的产生，根据对温场阶跃范围的不同需求，选择配置不同类型的电触头以及控制不同的脉冲电压和电流输出；MCU模块(9)输出控制信号到电触头控制单元(12)，产生的模拟控制信号输入电触头+(3)和电触头-(5)中，实现瞬时高温的产生；同时MCU模块(9)输出控制信息到底座支撑电动装置(6)，样品平台(4)的空间位置信息通过位置传感器(7)输入到MCU模块(9)中，实现温度梯度场和样品空间位置的调节；温度传感器(8)监测的温度信息经过调理电路(13)进行处理后输入到MCU模块(9)进行处理。
2.根据权利要求1所述的用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置，其特征在于：温度场发生装置(1)、控制电路(2)两个模块在同一支撑底座上分层排布，或在同一底座上平铺排布。
3.根据权利要求1所述的用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置，其特征在于：电触头+(3)和电触头-(5)左右对称排布，电触头采用有点式电触头、线式电触头或面式电触头，电触头+(3)和电触头-(5)采用高导电率的材料，电触头表面镀锡或铅锡。
4.根据权利要求1所述的用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置，其特征在于：控制电路(2)模块的核心为MCU模块(9)，输入单元(16)控制输入电压及电流，显示单元(15)显示输入单元(16)相关参数、温度场发生装置(1)的温场分布情况；MCU模块(9)输出控制信号给电触头控制单元(12)，产生控制信号给电触头+(3)和电触头-(5)，使电触头间形成高温梯度场，此时温度传感器(8)将监测出的温度场通过显示单元(15)进行显示；输入单元(16)通过MCU模块(9)控制电触头控制单元(12)设置阶跃温度场时间长度。
5.根据权利要求1所述的用于光纤光栅时间常数测量的阶跃温场发生装置，其特征在于：位置传感器(7)和温度传感器(8)实时分析温度梯度场，同时将反馈的位置信息通过MCU模块(9)对样品的位置进行修正，修正值输入给DA模块0、DA模块1和功放模块0、功放模块1，驱动底座支撑电动装置(6)和样品平台(4)进行自适应调整。
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