CN107907241B - 一种基片式fbg温度增敏传感器及性能测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基片式应变解耦FBG温度增敏传感器，包括基片、第一固定耳和第二固定耳，所述第一固定耳焊接在基片上端的右侧，且第二固定耳焊接在基片下端的右侧；所述基片上开设有基片槽，基片槽用于放置FBG；一种基片式应变解耦FBG温度增敏传感器性能测试方法，S1中所述的测试系统包括环形器、Fluke水浴箱、宽带光源和解调仪，所述宽带光源的输出端与环形器的输入端电性连接；所述环形器的输出端与解调仪的输入端电性连接；所述Fluke水浴箱内放置的FBG传感器通过导线与环形器电性连接；该基片式FBG温度增敏传感器及性能测试方法，与其它FBG传感器，本发明结构简单，易于工程使用，实现高精度温度测量，实用性强，易于推广使用。

Description

一种基片式FBG温度增敏传感器及性能测试方法
技术领域
本发明涉及FBG温度传感器技术领域，具体为一种基片式FBG温度增敏传感器及性能测试方法。
背景技术
光纤材料是二氧化硅，一种脆性易碎材料，韧性差、剪切能力弱，对其进行保护显得尤为重要，封装工艺对FBG传感性能有很大影响。探索FBG温度增敏应变解耦的可能方式、以及封装、粘附技术和新结构工艺尤为重要。
FBG为是Fiber Bragg Grating的缩写，即光纤布拉格光栅；在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。目前应用主要集中在光纤通信领域(光纤激光器、光纤滤波器)和光纤传感器领域(位移、速度、加速度、温度的测量)。
现有的FBG温度传感器，其对温度具有较强的敏感性，在生产过程中不易对其性能进行控制，从而不能实现高精度温度的测量，满足不了用户的需求，使用具有局限性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基片式FBG温度增敏传感器及性能测试方法，解决了背景技术中提出的困难问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基片式应变解耦FBG温度增敏传感器，包括基片、第一固定耳和第二固定耳，所述第一固定耳焊接在基片上端的右侧，且第二固定耳焊接在基片下端的右侧；所述基片上开设有基片槽，基片槽用于放置FBG。
作为本发明的进一步优选方案，一种基片式应变解耦FBG温度增敏传感器，其传感器封装包括如下步骤：
步骤1、首先选取中心波长为1525.001nmFBG，同时将基片放置在加热台面板上；
步骤2、通过熔焊设备对选取的FBG进行熔接，并将熔接好的FBG放置于基片上开设的基片槽内，FBG两端用调整架固定，调整微分头使FBG处于预紧力状态；
步骤3、开启加热台，将温度设置为80℃，温度稳定后，为了防止高温下353ND固化后预紧力会减少，FBG中心波长变1526.523nm，用353ND以全覆盖式固定FBG；
步骤4、固化完成后，关闭加热台，并将调整架卸载，待调整架及传感器冷却至室温，读取中心波长。
作为本发明的进一步优选方案，所述基片为铝合金材料制成。
作为本发明的进一步优选方案，一种基片式应变解耦FBG温度增敏传感器性能测试方法，具体包括如下步骤：
S1、首先选取需要检测的FBG传感器，将FBG传感器接入测试系统中，即将FBG传感器置于Fluke水浴箱中；
S2、通过控制器控制Fluke水浴箱中的温度值，使其Fluke水浴箱中的水温控制在10℃-60℃；
S3、在FBG传感器置于Fluke水浴箱过程中，工作人员每隔30分钟对Fluke水浴箱内的水进行升温，并记录稳定后FBG传感器的中心波长值；
S4、通过统计不同温度值下FBG传感器的中心波长值，并将统计后的数据值属于计算公式进行计算对比，即完成了FBG传感器性能测试的整个过程。
作为本发明的进一步优选方案，一种基片式应变解耦FBG温度增敏传感器性能测试方法，S1中所述的测试系统包括环形器、Fluke水浴箱、宽带光源和解调仪，所述宽带光源的输出端与环形器的输入端电性连接；所述环形器的输出端与解调仪的输入端电性连接；所述Fluke水浴箱内放置的FBG传感器通过导线与环形器电性连接。
作为本发明的进一步优选方案，一种基片式应变解耦FBG温度增敏传感器性能测试方法，对S3中形成的中心波长线随温度变化进行处理，截取每段温度对应的中心波长后平均，与对应的温度拟合，如下：
Figure BDA0001526754040000031
可以看出温度灵敏度系数在40.1pm/℃左右。
传感器只受温度影响，实验测得FBG传感器中心波长随温度变化，利用最小二乘法拟合可得：
y＝0.04012·x+1525.946
温度灵敏度系数40.12pm/℃，线性度达0.999以上，此传感器灵敏度系数是裸FBG传感器的4倍，将第二次循环及第三次循环减去第一次循环对应温度的中心波长值，拟合对应温度的差值，从图6可以看出每点的温度对应的中心波长差不超过11pm，相当于0.27℃的差异。
有益效果
本发明提供了一种基片式FBG温度增敏传感器及性能测试方法。具备以下有益效果：
该基片式FBG温度增敏传感器及性能测试方法，与其它FBG传感器，本发明结构简单，易于工程使用，且同时达到温度增敏作用，实现高精度温度测量，实用性强，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明的温度传感器的工程图；
图2为本发明的传感器温度标定系统图；
图3为本发明的传感器检测过程中波长随温度循环变化曲线；
图4为本发明的传感器检测过程中3次循环升温与降温与波长拟合曲线；
图5为本发明的传感器检测过程中平均6次后拟合曲线图；
图6为本发明的传感器两次循环各温度点与第一次波长差曲线图；
图中：1-基片、2-第一固定耳、3-第二固定耳、4-基片槽、5-环形器、6-Fluke水浴箱、7-宽带光源、8-解调仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种基片式应变解耦FBG温度增敏传感器，包括基片1、第一固定耳2和第二固定耳3，所述第一固定耳2焊接在基片1上端的右侧，且第二固定耳3焊接在基片1下端的右侧；所述基片1上开设有基片槽4，基片槽4用于放置FBG。
温度增敏封装形式会使得封装以后的传感器温度灵敏度系数大，而解调仪的分辨率不变的话，相应的提高了温度测量精度。防止基片发生热致变形时出现啁啾失稳现象，在对FBG封装时，施加1.5nm预紧封装力封装，基片工程图如图1所示；
一种基片式应变解耦FBG温度增敏传感器，其传感器封装包括如下步骤：
步骤1、首先选取中心波长为1525.001nmFBG，同时将基片1放置在加热台面板上；
步骤2、通过熔焊设备对选取的FBG进行熔接，并将熔接好的FBG放置于基片1上开设的基片槽4内，FBG两端用调整架固定，调整微分头使FBG处于预紧力状态；
步骤3、开启加热台，将温度设置为80℃，温度稳定后，为了防止高温下353ND固化后预紧力会减少，FBG中心波长变1526.523nm，用353ND以全覆盖式固定FBG；
步骤4、固化完成后，关闭加热台，并将调整架卸载，待调整架及传感器冷却至室温，读取中心波长；所述基片1为铝合金材料制成。
一种基片式应变解耦FBG温度增敏传感器性能测试方法，具体包括如下步骤：
S1、首先选取需要检测的FBG传感器，将FBG传感器接入测试系统中，即将FBG传感器置于Fluke水浴箱中；
S2、通过控制器控制Fluke水浴箱中的温度值，使其Fluke水浴箱中的水温控制在10℃-60℃；
S3、在FBG传感器置于Fluke水浴箱过程中，工作人员每隔30分钟对Fluke水浴箱内的水进行升温，并记录稳定后FBG传感器的中心波长值；
S4、通过统计不同温度值下FBG传感器的中心波长值，并将统计后的数据值属于计算公式进行计算对比，即完成了FBG传感器性能测试的整个过程；
对三次循环的升温与降温阶段进行波长随温度变化处理，截取每段温度对应的中心波长后平均，与对应的温度拟合，如下：
Figure BDA0001526754040000051
可以看出温度灵敏度系数在40.1pm/℃左右。
传感器只受温度影响，实验测得FBG传感器中心波长随温度变化，利用最小二乘法拟合可得：
y＝0.04012·x+1525.946
温度灵敏度系数40.12pm/℃，线性度达0.999以上，此传感器灵敏度系数是裸FBG传感器的4倍，将第二次循环及第三次循环减去第一次循环对应温度的中心波长值，拟合对应温度的差值，从图6可以看出每点的温度对应的中心波长差不超过11pm，相当于0.27℃的差异；
S1中所述的测试系统包括环形器5、Fluke水浴箱6、宽带光源7和解调仪8，所述宽带光源7的输出端与环形器5的输入端电性连接；所述环形器5的输出端与解调仪8的输入端电性连接；所述Fluke水浴箱6内放置的FBG传感器通过导线与环形器5电性连接，传感器温度标定系统图2所示。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基片式应变解耦FBG温度增敏传感器性能测试方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、首先选取需要检测的FBG传感器，将FBG传感器接入测试系统中，即将FBG传感器置于Fluke水浴箱中，其中，
所述基片式应变解耦FBG温度增敏传感器，包括基片(1)、第一固定耳(2)和第二固定耳(3)，其特征在于，所述第一固定耳(2)焊接在基片(1)上端的右侧，且第二固定耳(3)焊接在基片(1)下端的左侧，所述第一固定耳和第二固定耳呈中心对称；所述基片(1)上开设有基片槽(4)，基片槽(4)用于放置FBG；所述第一固定耳(2)和所述第二固定耳(3)为具有开孔的长条结构，并且与所述基片槽(4)平行；
所述的测试系统包括环形器(5)、Fluke水浴箱(6)、宽带光源(7)和解调仪(8)，所述宽带光源(7)的输出端与环形器(5)的输入端电性连接；所述环形器(5)的输出端与解调仪(8)的输入端电性连接；所述Fluke水浴箱(6)内放置的FBG传感器通过导线与环形器(5)电性连接；
S2、通过控制器控制Fluke水浴箱中的温度值，使其Fluke水浴箱中的水温控制在10℃-60℃；
S3、在FBG传感器置于Fluke水浴箱过程中，工作人员每隔30分钟对Fluke水浴箱内的水进行升温，并记录稳定后FBG传感器的中心波长值；
通过统计不同温度值下FBG传感器的中心波长值，对三次循环的升温与降温阶段进行波长随温度变化处理，截取每段温度对应的中心波长后平均，与对应的温度拟合，如下：
Figure FDA0002643524800000011
利用最小二乘法拟合可得：
y＝0.04012·x+1525.946
其中，将第二次循环及第三次循环减去第一次循环对应温度的中心波长值，拟合对应温度的差值；
S4、通过统计不同温度值下FBG传感器的中心波长值，并将统计后的数据值属于计算公式进行计算对比，即完成了FBG传感器性能测试的整个过程。
2.根据权利要求1所述的一种基片式应变解耦FBG温度增敏传感器，其特征在于，其传感器封装包括如下步骤：
步骤1、首先选取中心波长为1525.001nmFBG，同时将基片(1)放置在加热台面板上；
步骤2、通过熔焊设备对选取的FBG进行熔接，并将熔接好的FBG放置于基片(1)上开设的基片槽(4)内，FBG两端用调整架固定，调整微分头使FBG处于预紧力状态；
步骤3、开启加热台，将温度设置为80℃，温度稳定后，为了防止高温下353ND固化后预紧力会减少，FBG中心波长变1526.523nm，用353ND以全覆盖式固定FBG；
步骤4、固化完成后，关闭加热台，并将调整架卸载，待调整架及传感器冷却至室温，读取中心波长。
3.根据权利要求1所述的一种基片式应变解耦FBG温度增敏传感器，其特征在于，所述基片(1)为铝合金材料制成。
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