CN107356351B - 一种在极端低温环境下使用的光栅花多功能传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在极端低温环境下(77K～4.2K)使用的光栅花多功能传感器，包括多个刻有不同初始波长的布拉格光纤光栅，多个布拉格光纤光栅的光信号通过光纤分光器汇集到输出光纤，多个布拉格光纤光栅位于二维面上或三维空间内，用于测量及监测包括平面和弧面的多方向应变和温度、空间三维方向的多方向应变和温度以及结构/材料内部的多方向应变和温度。本发明克服了在极端低温环境下(77K～4.2K)现有技术中布拉格光纤光栅传感器的力学性能差、复杂的多方向、多物理量的测量方法以及不能实现空间三维方向的应变和温度测量等不足，实现了在极端低温环境下平面和弧面、空间三维方向以及结构/材料内部的多方向应变和温度的同步测量及监测等多功能优点。

Description

一种在极端低温环境下使用的光栅花多功能传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体的说是一种在极端低温环境下使用的光栅花多功能传感器。
背景技术
布拉格光纤光栅传感器，属于光纤传感器的一种，其传感过程是通过外界物理量对布拉格光纤光栅波长的调制来获取传感信息，可实现对温度、应变等物理量的直接测量。
现有技术中，布拉格光纤光栅传感器主要针对被测结构或材料进行单一方向、单一物理量的测量或监测，使用温度范围大都在77K以上，且以结构或材料表面的物理量测量为主。综上所述，在极端低温环境(77K～4.2K)下，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下缺陷：
(1)不能实现空间三维方向和结构/材料内部的应变和温度的测量及监测：在极端低温环境(77K～4.2K)下，目前的布拉格光纤光栅传感器只是针对结构/材料表面进行单一方向、单一物理量的测量，不能实现空间三维方向和结构/材料内部的应变和温度的测量及监测；
(2)极端低温环境下(77K～4.2K)布拉格光纤光栅的力学性能不好：目前以布拉格光纤光栅传感技术为基础的应变及温度传感器，其使用的温度范围大都在77K以上，但是在极端低温环境下(77K～4.2K)，由于布拉格光纤光栅本身为脆性材料，同时使用了在极端低温环境下(77K～4.2K)力学性能较差的涂层材料(或封装材料)，会导致布拉格光纤光栅的解调信号出现“多峰现象”，甚至会损坏布拉格光纤光栅。
(3)复杂的多方向、多物理量的同步测量及监测的方法：在极端低温环境下(77K～4.2K)下，目前的布拉格光纤光栅传感器若要实现“定点”处多方向和多物理量的测量或监测，一般采用以下两种方式：
一种是运用多个单点式布拉格光纤光栅传感器(一根光纤上只有一个布拉格光栅传感器)配合/组合使用，分别以不同的角度安装在被测物体表面，用于测量应变或温度，但这种方式极大的增加了输出光纤(用来传输光信号到光纤解调仪上)的数量，给实验操作带来极大的不便；
另一种方式是运用准分布式光纤光栅传感器，这种结构的传感器是将多个布拉格光栅传感器沿着光纤每间隔一段距离，依次排列在一根光纤上，这种结构的传感器在进行“定点”测量时需要将其所有的布拉格光纤光栅“弯转移动”到“定点”位置处，但这种做法不但会导致错综复杂的光纤走线，而且极有可能在极端低温环境下(77K～4.2K),由于光纤的“弯转半径”过小而破坏光纤，给实验操作带来极大的不便；
另外，在变低温环境下，目前的布拉格光纤光栅传感器在进行应变测量或监测时需要进行温度补偿，这又为实验操作带来了极大的不便。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种在极端低温环境下(77K～4.2K)使用的光栅花多功能传感器，不仅能够在极端低温环境(77K～4.2K)下工作，而且能够实现二维面上或三维空间内的多方向、多角度的应变和温度的测量及监测。
本发明的目的是这样实现的：一种在极端低温环境下(77K～4.2K)使用的光栅花多功能传感器，包括多个刻有不同初始波长的布拉格光纤光栅，多个布拉格光纤光栅的光信号通过光纤分光器汇集到输出光纤，多个布拉格光纤光栅位于二维面上或三维空间内，多个布拉格光纤光栅使用极端低温下力学性能较好的有机聚合物进行涂层，或在此涂层基础上使用其它材料进一步进行封装，增强了布拉格光纤光栅在极端低温环境下(77K～4.2K)的力学性能，使之能够在极端低温环境下(77K～4.2K)正常工作。
进一步，多个布拉格光纤光栅位于二维面上组成二维结构的传感器，二维结构是指各个布拉格光纤光栅在同一二维平面或弧面上不同方向分布，各个布拉格光纤光栅之间的夹角可调节大小，二维结构的传感器用于测量和监测平面的多方向应变和温度。
进一步，多个布拉格光纤光栅位于三维空间内形成三维结构的传感器，三维结构是指各个布拉格光纤光栅在三维空间内不同方向分布，各个布拉格光纤光栅之间的夹角可调节大小，三维结构的传感器用于测量和监测空间三维方向的多方向应变和温度。
进一步，二维结构的传感器固定在超导磁体线圈(或超导材料)表面，用于测量和监测线圈表面(或材料表面)的环向应变、轴向应变和温度，三维结构的传感器固定在超导磁体线圈(或超导材料)上，用于测量和监测线圈(或材料)环向应变、轴向应变和径向应变。
本发明的优点在于：在极端低温环境下(77K～4.2K)，本发明克服了现有技术中布拉格光纤光栅的力学性能差、复杂的多方向、多物理量的同步测量及监测的方法以及不能实现空间三维方向的应变和温度的测量及监测的不足，实现了在极端低温环境下(77K～4.2K)的平面和弧面的多方向应变和温度、空间三维方向的多方向应变和温度以及结构/材料内部的多方向应变和温度的测量、监测及数据采集等多功能优点，而且实施方便，实验操作简单。
附图说明
图1为本发明的极端低温环境下使用的光栅花多功能传感器二维结构的结构示意图；
图2为本发明的极端低温环境下使用的光栅花多功能传感器三维结构的结构示意图；
图3为本发明的极端低温环境下使用的光栅花多功能传感器安装在超导磁体线圈上的结构示意图。
其中，1-输出光纤；2-布拉格光纤光栅；3-封装材料；4-光纤分光器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，实施例中的光栅花多功能传感器所包含的布拉格光纤光栅可以不止有三个，使用者可以根据实际需求增加或减少布拉格光纤光栅的数量，实施例为了方便起见，仅以三个布拉格光纤光栅为例。
实施例1
一种在极端低温环境下使用的二维结构光栅花多功能传感器
如附图1所示，包括三个刻有不同初始波长的布拉格光纤光栅，每个布拉格光纤光栅用极端低温下力学性能较好的有机聚合物进行涂层，或者在此涂层基础上进一步进行封装，该三个布拉格光纤光栅的光信号通过光纤分光器汇集到输出光纤，将该三个布拉格光纤光栅在二维面上组成二维结构集成在一起，二维结构是指各个布拉格光纤光栅在同一二维平面或弧面上不同方向分布，各个布拉格光纤光栅之间的夹角可以根据实验或工程的需要给定，本实施例的二维结构的传感器用于测量和监测平面的多方向应变和温度。
另外该三个布拉格光纤光栅既可以都作为应变或温度传感器使用，也可以选取其中的一些布拉格光纤光栅作为应变传感器使用，其余的作为温度传感器混合使用(或用于测量温度，或用于温度补偿)，以实现多物理量的同步测量和监测。
实施例2
一种在极端低温环境下使用的三维结构光栅花多功能传感器
如附图2所示，包括三个刻有不同初始波长的布拉格光纤光栅，每个布拉格光纤光栅用极端低温下力学性能较好的有机聚合物进行涂层，或者在此涂层基础上进一步进行封装，该三个布拉格光纤光栅的光信号通过光纤分光器汇集到输出光纤，将该三个布拉格光纤光栅在三维面上组成三维结构集成在一起，三维结构是指各个布拉格光纤光栅在三维空间内不同方向分布，各个布拉格光纤光栅之间的夹角可以根据实验或工程的需要给定，本实施例的三维结构的传感器用于测量和监测空间三维方向的多方向应变和温度。
另外，本实施例的光栅花多功能传感器的布拉格光纤光栅既可以都作为应变或温度传感器使用，也可以选取其中的一些作为应变传感器使用，其余的作为温度传感器混合使用(或用于测量温度，或用于温度补偿)，以实现多物理量的同步测量和监测。
实施例3
一种在极端低温环境下使用的光栅花多功能传感器在强磁场、超低温环境下(77K～4.2K)对超导磁体应变及温度的测量。
如附图3所示，设置在超导磁体上的传感器包括二维结构的传感器和三维结构的传感，其中二维结构的传感器的三个布拉格光纤光栅之间的夹角为45度，且位于同一弧面，该弧面与超导磁体线圈的弧面吻合，使其中一个布拉格光纤光栅沿竖直方向设置，用于测量和监测线圈表面的轴向应变，一个布拉格光纤光栅沿环向设置，用于测量和监测线圈表面的环向应变，另一个布拉格光纤光栅用于测量和监测线圈表面的温度；另外三维结构的传感器的三个布拉格光纤光栅之间两两互相垂直设置，使其中一个布拉格光纤光栅沿超导磁体线圈上沿直径方向设置，用于测量和监测线圈上的径向应变，一个布拉格光纤光栅沿超导磁体线圈上外表面竖直方向分布，用于测量和监测线圈上的轴向应变，最后一个布拉格光纤光栅沿超导磁体线圈上环向设置，用于测量和监测线圈上的环向应变；最后通过输出光纤将两个光栅花多功能传感器的光信号传输到光纤解析机上，完成数据的采集。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种在极端低温环境下使用的光栅花多功能传感器，其特征在于，包括多个刻有不同初始波长的布拉格光纤光栅，多个所述布拉格光纤光栅的光信号通过光纤分光器汇集到输出光纤，多个所述布拉格光纤光栅位于二维面上或三维空间内；多个所述布拉格光纤光栅为有机聚合物涂层的光纤光栅或封装后的光纤光栅；所述有机聚合物为极端低温环境下力学性能较好的有机聚合物；多个所述布拉格光纤光栅位于二维面上组成二维结构的传感器，所述二维结构是指各个所述布拉格光纤光栅在同一二维平面或弧面上不同方向分布，所述各个布拉格光纤光栅之间的夹角可调节大小；
多个所述布拉格光纤光栅位于三维空间内形成三维结构的传感器，所述三维结构是指各个所述布拉格光纤光栅在三维空间内不同方向分布，所述各个布拉格光纤光栅之间的夹角可调节大小。
2.根据权利要求1所述的一种在极端低温环境下使用的光栅花多功能传感器，其特征在于，所述二维结构的传感器用于测量和监测平面或弧面的多方向应变和温度。
3.根据权利要求2所述的一种在极端低温环境下使用的光栅花多功能传感器，其特征在于，所述三维结构的传感器用于测量和监测空间三维方向的多方向应变和温度。
4.根据权利要求2所述的一种在极端低温环境下使用的光栅花多功能传感器，其特征在于，所述二维结构的传感器固定在超导磁体线圈或超导材料表面，用于测量和监测线圈或材料表面的环向应变、轴向应变和温度，所述三维结构的传感器固定在超导磁体线圈或超导材料上，用于测量和监测线圈或材料环向应变、轴向应变和径向应变。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种在极端低温环境下使用的光栅花多功能传感器，其特征在于，所述光栅花多功能传感器使用温度范围为77K~4.2K。
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