CN108680277B - 一种辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器 - Google Patents

一种辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器，包括温度传感器基底、第一光纤光栅、第二光纤光栅；第一光纤光栅和第二光纤光栅具有不同的波长漂移——辐射剂量灵敏度；根据辐射作用下第一光纤光栅和第二光纤光栅波长漂移的差异，对辐射导致的光纤光栅波长漂移进行补偿，减小辐射导致的光纤光栅温度传感器误差。

Description

一种辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器。
背景技术
光纤光栅温度传感器具有抗电磁干扰、体积小、信号易传输、易复用、稳定性好等优点，在恶劣环境下的温度监测中具有重要的应用。但是在空间、核电等环境下，辐射导致的光纤光栅波长漂移降低了光纤光栅温度传感器在长期使用过程中的精度。
针对辐射导致的光纤光栅波长变化，现有的降低辐射导致的光纤光栅波长漂移的方法包括：采用不载氢工艺制作光纤光栅、采用飞秒激光刻写光纤光栅、采用防辐射保护加固、对使用过程中的光纤光栅进行定期高温退火处理等，在一定程度上降低了辐射造成的光纤光栅波长漂移。但是受光纤光栅特性的限制，通过光纤材料和制作工艺进一步降低辐照导致的光纤光栅波长漂移存在较大的困难；通过防辐射保护加固降低辐照导致的光纤光栅波长漂移，受到光纤光栅温度传感器体积、重量、响应时间等性能要求的限制。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器，克服了通过光纤材料和制作工艺进一步降低辐照导致的光纤光栅波长漂移的困难大，通过防辐射保护加固降低辐照导致的光纤光栅波长漂移受到传感器体积、重量、响应时间限制的问题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器，包括：壳体、光纤、第一光纤光栅和第二光纤光栅；其中，所述光纤穿设于所述壳体；所述光纤刻写有第一光纤光栅和第二光纤光栅，第一光纤光栅和第二光纤光栅位于壳体的内部并且弯曲成弧形。
上述辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器中，第一光纤光栅的表面无涂覆层并且第二光纤光栅的表面有涂覆层或第一光纤光栅的表面有涂覆层并且第二光纤光栅的表面无涂覆层。
上述辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器中，所述光纤通过第一部分与壳体的一端固定连接，所述光纤通过第二部分与壳体的另一端固定连接。
上述辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器中，第一光纤光栅的表面无涂覆层并且第二光纤光栅的表面涂覆有聚丙烯酸酯涂覆层。
上述辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器中，第一光纤光栅的表面涂覆有聚丙烯酸酯涂覆层并且第二光纤光栅的表面无涂覆层。
上述辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器中，第一光纤光栅为紫外曝光技术制作的光纤光栅，第二光纤光栅为飞秒激光刻写的光纤光栅。
上述辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器中，第二光纤光栅为紫外曝光技术制作的光纤光栅，第一光纤光栅为飞秒激光刻写的光纤光栅。
上述辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器中，第一光纤光栅的中心波长变化与辐照剂量之间的比值为K1，第一光纤光栅的中心波长变化和辐照剂量之间的比值为KT1，第二光纤光栅的中心波长变化与辐照剂量之间的比值为K2，第二光纤光栅的中心波长变化和辐照剂量之间的比值为KT2，在环境温度变化ΔT、辐射剂量ΔG的作用下第一光纤光栅的波长变化为Δλ1，第二光纤光栅的波长变化为Δλ2，补偿辐射剂量ΔG导致的光纤光栅波长变化，获得环境温度变化ΔT为：
Figure BDA0001736117720000021
上述辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器中，所述壳体为金属材料。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明采用不同波长漂移——辐射剂量灵敏度的光纤光栅来对辐射导致的光纤光栅波长漂移进行补偿，有利于提高光纤光栅温度传感器的长期精度；
(2)本发明降低了对光纤材料和制作工艺的要求，可以采用标准的光纤光栅制作工艺，有利于降低成本和难度；
(3)本发明通过补偿辐射剂量导致的波长变化，避免了采用防辐射保护加固的方式来减小辐射剂量导致的波长变化，从而降低了对防辐射保护加固的要求，有利于减小光纤光栅温度传感器的体积和重量，有利于提高响应时间。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器的结构示意图。如图1所示，该辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器包括壳体1、光纤2、第一光纤光栅3和第二光纤光栅4。其中，
光纤2穿设于壳体1。具体实施时，光纤2通过第一部分21与壳体1的一端固定连接，光纤2通过第二部分22与壳体1的另一端固定连接。壳体1为金属材料，壳体1的作用是为光纤光栅提供保护和避免光纤光栅受力。
光纤2刻写有第一光纤光栅3和第二光纤光栅4，第一光纤光栅3和第二光纤光栅4位于壳体1的内部并且弯曲成弧形。第一光纤光栅3和第二光纤光栅4具有不同的波长漂移——辐射剂量灵敏度。
为了使第一光纤光栅和第二光纤光栅具有不同的波长漂移——辐射剂量灵敏度，第一光纤光栅3的表面无涂覆层，第二光纤光栅4的表面涂覆有聚丙烯酸酯涂覆层；或者第二光纤光栅4的表面无涂覆层，第一光纤光栅3的表面涂覆有聚丙烯酸酯涂覆层。涂覆了丙烯酸酯涂覆层的光纤光栅和无涂覆层的光纤光栅，具有不同的波长——辐射剂量灵敏度，从而可以区分和补偿辐射剂量引起的光纤光栅中心波长变化。
为了使第一光纤光栅和第二光纤光栅具有不同的波长漂移——辐射剂量灵敏度，第一光纤光栅3为紫外曝光技术制作的光纤光栅，第二光纤光栅4为飞秒激光刻写的光纤光栅；或者第二光纤光栅4为紫外曝光技术制作的光纤光栅，第一光纤光栅3为飞秒激光刻写的光纤光栅。
第一光纤光栅的波长——辐射剂量灵敏度为K1、波长——温度灵敏度为KT1，第二光纤光栅的辐射剂量灵敏度为K2、波长——温度灵敏度为KT2。具体的，波长——辐射剂量灵敏度为环境温度恒定时，光纤光栅中心波长变化和辐照剂量之间的比值；波长——温度灵敏度为辐射剂量恒定时，光纤光栅中心波长变化和环境温度变化之间的比值。
K1、KT1、K2、KT2通过试验测试获得。在环境温度变化ΔT、辐射剂量ΔG的作用下第一光纤光栅的波长变化为Δλ1，第二光纤光栅的波长变化为Δλ2，可得：
Figure BDA0001736117720000041
补偿辐射剂量导致的光纤光栅波长变化，获得待测温度变化：
Figure BDA0001736117720000042
本实施例采用不同波长漂移——辐射剂量灵敏度的光纤光栅来对辐射导致的光纤光栅波长漂移进行补偿，有利于提高光纤光栅温度传感器的长期精度；并且本实施例降低了对光纤材料和制作工艺的要求，可以采用标准的光纤光栅制作工艺，有利于降低成本和难度；并且本实施例通过补偿辐射剂量导致的波长变化，避免了采用防辐射保护加固的方式来减小辐射剂量导致的波长变化，从而降低了对防辐射保护加固的要求，有利于减小光纤光栅温度传感器的体积和重量，有利于提高响应时间。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种辐射漂移自补偿的光纤光栅温度传感器，其特征在于包括：壳体(1)、光纤(2)、第一光纤光栅(3)和第二光纤光栅(4)；其中，
所述光纤(2)穿设于所述壳体(1)；
所述光纤(2)刻写有所述第一光纤光栅(3)和所述第二光纤光栅(4)，所述第一光纤光栅(3)和所述第二光纤光栅(4)位于所述壳体(1)的内部并且弯曲成弧形；其中，
所述第一光纤光栅(3)的表面无涂覆层并且所述第二光纤光栅(4)的表面有涂覆层，或所述第一光纤光栅(3)的表面有涂覆层并且所述第二光纤光栅(4)的表面无涂覆层；其中，
所述第一光纤光栅(3)为紫外曝光技术制作的光纤光栅，所述第二光纤光栅(4)为飞秒激光刻写的光纤光栅；或所述第二光纤光栅(4)为紫外曝光技术制作的光纤光栅，所述第一光纤光栅(3)为飞秒激光刻写的光纤光栅；
所述第一光纤光栅的中心波长变化与辐照剂量之间的比值为K1，所述第一光纤光栅的中心波长变化和温度之间的比值为KT1，所述第二光纤光栅的中心波长变化与辐照剂量之间的比值为K2，所述第二光纤光栅的中心波长变化和温度之间的比值为KT2，在环境温度变化ΔT、辐射剂量ΔG的作用下第一光纤光栅的波长变化为Δλ1，第二光纤光栅的波长变化为Δλ2，补偿辐射剂量ΔG导致的光纤光栅波长变化，获得环境温度变化ΔT为：
Figure FDA0002849014240000011
其中，所述第一光纤光栅的中心波长变化与辐照剂量之间的比值K1和所述第一光纤光栅的中心波长变化和温度之间的比值KT1不相同；所述第二光纤光栅的中心波长变化与辐照剂量之间的比值为K2和所述第二光纤光栅的中心波长变化和温度之间的比值KT2不相同；
所述光纤(2)通过第一部分(21)与所述壳体(1)的一端固定连接，所述光纤(2)通过第二部分(22)与所述壳体(1)的另一端固定连接；
所述第一光纤光栅(3)的表面无涂覆层并且所述第二光纤光栅(4)的表面涂覆有聚丙烯酸酯涂覆层；
所述第一光纤光栅(3)的表面涂覆有聚丙烯酸酯涂覆层并且所述第二光纤光栅(4)的表面无涂覆层；
所述壳体(1)为金属材料。
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