CN108680284A - 低温环境中光纤光栅温度传感器温度标定装置和标定方法 - Google Patents

Abstract

低温环境中光纤光栅温度传感器温度标定装置和标定方法，标定装置包括筒体、盖板、等温块、引线管、加热块和标定模块，筒体上端开口、下端封闭，在筒体内有低温介质；盖板安装在筒体的上端，在盖板上有用于充入低温介质的进液口，在盖板上还有排气口和抽真空口；等温块浸没在低温介质内，在等温块上的等温线上设置有铂电阻和多个光纤光栅，各光纤光栅通过光纤串接在一起；引线管穿透盖板延伸入筒体内，光纤光栅通过光纤经引线管穿出到筒体外，铂电阻通过信号线经引线管穿出到筒体外；加热块设置在引线管的外壁上，在引线管内还有加热块电源线；标定模块与筒体外的光纤、铂电阻的信号线连接，并根据获取信号得到铂电阻温度和各光纤光栅的温度。

Description

低温环境中光纤光栅温度传感器温度标定装置和标定方法

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，具体地说，涉及一种低温环境中光纤光栅温度传感器温度标定装置和标定方法。

背景技术

在高温超导电力领域，由于强力的电磁干扰，Pt铂电阻和热电偶等温度传感器测量液氮温度存在测量精度不足问题，光纤光栅传感器作为无源传感器，通过光传输温度信号，不受电磁干扰，同时具有耐腐蚀、体积小、重量轻、测量精度高等特点，在常温环境下广泛使用，而在低温液氮环境下，由于热光系数、热膨胀系数与温度变化为非线性关系，因此对光纤光栅传感器进行温度的精准和高效标定，对其在高温超导液氮温度测量领域应用尤为重要。

现有技术中光纤光栅温度传感器标定过程中，有如下缺点：

(1)敏化处理后的光纤光栅，若直接以理论公式推导温度值，未经参考标定，导致在实际使用中误差较大；

(2)在光纤光栅标定过程中，需要经历多次在液氮温区下的升温和降温，一次只标定一个光纤光栅传感器，效率较低。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置，包括：筒体，为上端开口、下端封闭的形式，在所述筒体内填充有低温介质；盖板，安装在所述筒体的上端，以封堵筒体的开口，在盖板上设置有用于充入低温介质的进液口，并且，在盖板上还设置有排气口和对筒体内抽真空的抽真空口；等温块，浸没在所述低温介质内，在所述等温块上设置有铂电阻和多个光纤光栅，其中，铂电阻和各光纤光栅设置在等温线上，各光纤光栅通过光纤串接在一起；引线管，穿透盖板延伸入筒体内，端部的光纤光栅通过光信号输入反射光纤经引线管穿出到筒体外，铂电阻通过铂电阻温度信号线经引线管穿出到筒体外；加热块，设置在所述引线管的外壁上，在引线管内还穿设有为加热块提供电能的加热块电源线；标定模块，标定模块与筒体外的光信号输入反射光纤、铂电阻温度信号线连接，并根据获取信号得到铂电阻温度和各光纤光栅的温度。

优选地，标定模块采用以下公式来计算温度变化量，

λ_B＝2n_eff·Λ

其中，波长λ_B是入射光通过光纤光栅时反射峰值波长；

n_eff为纤芯有效折射率；

Λ为光栅周期，

波长漂移量与温度变化的关系式为：

Δλ_B/λ_B＝(X+Y)·ΔT

其中，λ_B为反射峰值波长；

X为光纤热光系数；

Y为光纤热膨胀系数；

ΔT为温度变化量。

优选地，所述筒体的筒壁和底面由双层不锈钢恒温器构成。

优选地，所述等温块设置在由绝热材料构成的支撑架上。

优选地，加热块与等温块均与筒体同轴设置。

优选地，还设置有锁紧套，在盖板上设置有中心孔，所述锁紧套套设在盖板上的中心孔内，引线管通过锁紧套穿入筒体内，在锁紧套的侧壁上设置有螺纹，通过螺栓旋入来固定引线管。

优选地，铂电阻和光纤光栅采用粘接的方式固定在等温块的上表面。

优选地，所述低温介质是液氮。

一种低温环境中光纤光栅温度传感器标定方法，利用以上所述的低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置进行以下操作：将铂电阻与待测的光纤光栅固定在等温块的同一条等温线上，并将等温块放置在筒体内；用盖板封闭筒体的开口，通过进液口补充低温介质，使低温介质淹没等温块上的铂电阻和光纤光栅；待标定装置达到热平衡后，对每个光纤光栅与铂电阻进行温度初始化标定；对筒体内进行多次的加热和抽真空降温操作，在每次温度变化后，对每个光纤光栅与铂电阻的温度进行比较，进而对每个光纤光栅进行温度标定。

本发明在低温环境下，以铂电阻为基准温度对光纤光栅温度进行精准标定，能够实现对多个不同波长的光纤光栅同时标定，提高标定效率。加热块与等温块同轴设置，确保在升温过程中，铂电阻与各光纤光栅在等温线上。采用抽真空减压的方式对筒体内制冷，低温介质的同一层面降温均匀，进而保证等温块降温均匀。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示本发明实施例的低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置的剖视图；

图2是表示本发明实施例的安装有铂电阻和光纤光栅的等温块的示意图；

图3是表示本发明实施例的光纤光栅温度标注时序图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

以下实施例中以液氮作为低温介质，但并不限于液氮，也可以是其他低温环境中的光纤光栅温度传感器标定。

如图1所示，低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置包括筒体5、盖板4、等温块9、液氮8、加热块6、支撑架7、引线管1。筒体5为上端开口、下端封闭的形式，盖板4通过螺栓安装在所述筒体5的上端，以封堵筒体5的开口。引线管1穿透盖板延伸入筒体5内，引线管1可上下滑动并固定位置。

在盖板4上还设置有进液口10，用于液氮的补充。并且，在盖板4上还设置有抽真空口3和排气口2，抽真空口3外接抽真空设备，可以对筒体5内进行减压制冷降温操作。排气口2用于排除筒体5内液氮汽化产生的部分氮气。

支撑架7放置在筒体5内，等温块9水平地设置在支撑架7上，用于铂电阻与光纤光栅温度标定测量。如图2所示，在等温块9的上表面上设置有铂电阻91、多个不同波长的光纤光栅95，并且，铂电阻91和光纤光栅95设置在等温线上，多个光纤光栅95通过光纤94串联在一起。在筒体5内填充有液氮8，使得铂电阻91和光纤光栅95都浸没在液氮中。并且，一端的光纤光栅95通过光信号输入反射光纤93穿入引线管1内，并向上穿出引线管1。同样地，铂电阻91通过铂电阻温度信号线92向上穿出引线管1。加热块6固定在引线管1的外壁上，随引线管1上下移动，以便调节加热块6与等温块9的距离。在引线管1内还穿设有加热块电源线，用于为加热块6提供电能。

下面说明一下光纤光栅串联反馈信号校准原理

波长λ_B是入射光通过光纤光栅时反射峰值波长，其计算公式如下：

λ_B＝2n_eff·Λ (1)

其中，n_eff为纤芯有效折射率；

Λ为光栅周期。

波长漂移量与温度变化的关系式为：

Δλ_B/λ_B＝(X+Y)·ΔT (2)

其中，λ_B为反射峰值波长；

X为光纤热光系数；

Y为光纤热膨胀系数；

ΔT为温度变化量。

可以通过以上公式1、2分别拟合各光纤光栅的当前温度值。

如图2、图3所示，宽带光经过耦合器后由光信号输入反射光纤93输入串联的光纤光栅95中，光信号依次进入各光纤光栅95。由于各光纤光栅95的波长不同，各光纤光栅95分别反射其对应的波长的窄带光，反射光通过光信号输入反射光纤93进入耦合器，通过耦合器分别形成各光纤光栅对应反射的波长的光波。光波进入光波解调器转换为电信号。并且，铂电阻的测量温度数据也经过铂电阻温度信号线92传入处理器中。通过多次加热块升温和抽真空降温，各光纤光栅95会分别得到多个不同波长的反馈光，应用以上公式1、2即可计算出各光纤光栅的温度值，为便于计算，可以利用电脑编程处理光波解调器的数据来获得各光纤光栅的温度数值T1、T2、T3…，再将该温度数值同铂电阻温度T0校准，从而标定各光纤光栅。

在一个可选实施例中，筒体5的筒壁和底面均为杜瓦的形式，即由双层不锈钢恒温器构成，在保温的情况下贮存液氮。

在一个可选实施例中，支撑架7由绝热材料构成，用以固定等温块，不产生热传递。

在一个可选实施例中，加热块6与等温块9与筒体同轴，确保在升温和降温过程中，等温线为同心圆。

在一个可选实施例中，在盖板4上设置有中心孔，所述锁紧套11套设在盖板4上的中心孔内，引线管1穿过锁紧套进入筒体5内，在锁紧套11的侧壁上设置有螺纹，通过螺栓旋入来固定引线管1。

在一个可选实施例中，所述等温块9距离筒体5的底面有一定的距离，以防止等温块9与筒体5的接触传递热量。

在一个可选实施例中，铂电阻和光纤光栅采用粘接的方式固定在等温块9的上表面。

本发明还提供一种低温环境中光纤光栅温度传感器标定方法，利用以上的低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置进行以下操作：

将铂电阻91与待测的光纤光栅95固定在等温块9的同一条等温线上，并将等温块9固定在支撑架7上；

用盖板4封闭筒体5的开口，通过进液口10补充液氮8；

调整引线管1，使等温块9浸泡在液氮8中；

待装置热平衡后，对每个光纤光栅与铂电阻进行温度初始化标定；

通过多次加热块9升温和抽真空降温，在每次温度变化后，对每个光纤光栅95与铂电阻91的温度进行比较，进而对每个光纤光栅95进行温度标定。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置，其特征在于，包括：

筒体，为上端开口、下端封闭的形式，在所述筒体内填充有低温介质；

盖板，安装在所述筒体的上端，以封堵筒体的开口，在盖板上设置有用于充入低温介质的进液口，并且，在盖板上还设置有排气口和对筒体内抽真空的抽真空口；

等温块，浸没在所述低温介质内，在所述等温块上设置有铂电阻和多个光纤光栅，其中，铂电阻和各光纤光栅设置在等温线上，各光纤光栅通过光纤串接在一起；

引线管，穿透盖板延伸入筒体内，端部的光纤光栅通过光信号输入反射光纤经引线管穿出到筒体外，铂电阻通过铂电阻温度信号线经引线管穿出到筒体外；

加热块，设置在所述引线管的外壁上，在引线管内还穿设有为加热块提供电能的加热块电源线；

标定模块，标定模块与筒体外的光信号输入反射光纤、铂电阻温度信号线连接，并根据获取信号得到铂电阻温度和各光纤光栅的温度。

2.如权利要求1所述的低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置，其特征在于，标定模块采用以下公式来计算温度变化量，

λ_B＝2n_eff·Λ

其中，波长λ_B是入射光通过光纤光栅时反射峰值波长；

n_eff为纤芯有效折射率；

Λ为光栅周期，

波长漂移量与温度变化的关系式为：

Δλ_B/λ_B＝(X+Y)·ΔT

其中，λ_B为反射峰值波长；

X为光纤热光系数；

Y为光纤热膨胀系数；

ΔT为温度变化量。

3.如权利要求1所述的低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置，其特征在于，所述筒体的筒壁和底面由双层不锈钢恒温器构成。

4.如权利要求1所述的低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置，其特征在于，所述等温块设置在由绝热材料构成的支撑架上。

5.如权利要求1所述的低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置，其特征在于，加热块与等温块均与筒体同轴设置。

6.如权利要求1所述的低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置，其特征在于，还设置有锁紧套，在盖板上设置有中心孔，所述锁紧套套设在盖板上的中心孔内，引线管通过锁紧套穿入筒体内，在锁紧套的侧壁上设置有螺纹，通过螺栓旋入来固定引线管。

7.如权利要求1所述的低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置，其特征在于，铂电阻和光纤光栅采用粘接的方式固定在等温块的上表面。

8.如权利要求1所述的低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置，其特征在于，所述低温介质是液氮。

9.一种低温环境中光纤光栅温度传感器标定方法，其特征在于，

利用权利要求1至8中任一项所述的低温环境中光纤光栅温度传感器标定装置进行以下操作：

将铂电阻与待测的光纤光栅固定在等温块的同一条等温线上，并将等温块放置在筒体内；

用盖板封闭筒体的开口，通过进液口补充低温介质，使低温介质淹没等温块上的铂电阻和光纤光栅；

待标定装置达到热平衡后，对每个光纤光栅与铂电阻进行温度初始化标定；

对筒体内进行多次的加热和抽真空降温操作，在每次温度变化后，对每个光纤光栅与铂电阻的温度进行比较，进而对每个光纤光栅进行温度标定。