CN110307914A - 一种光纤温度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光纤温度传感器及其制备方法，包括：光纤、内护套以及外护套；所述内护套包裹于光纤上，所述内护套的材料为耐低温的热塑性弹性体或耐低温的热固性弹性体，使得所述内护套在低温下仍保持弹性，且所述内护套还用于消减外护套材料低温下收缩变形对光纤的影响；所述外护套包裹于内护套上，用于增强光纤温度传感器的机械强度。本发明提供的光纤温度传感器及其制备方法，使用耐低温硅胶作为光纤内护套，其导热性能良好、低温下保持弹性和柔软度，有效消减了外护套低温下收缩变形对光纤的影响；所述耐极低温紧套光纤温度传感器采用非金属封装，不会对超导电缆、超导磁体等装置产生电磁干扰、不影响装置绝缘性能。
Description
技术领域
本发明涉及低温温度传感器领域，更具体地，涉及一种光纤温度传感器及其制备方法。
背景技术
基于拉曼散射的分布式光纤测温方法具有耐高压、抗电磁干扰、光纤尺寸小、可长距离连续测温等优点，因而被广泛应用于常规电力电缆、变压器和石油管道等的温度监测和火灾报警中。由于光纤裸芯纤细、易折断，纤芯外会附加特定封装以增加其强度以适用于实际工程项目中。
在超导电缆、超导磁体和超导磁悬浮列车等大型超导电力设备中，超导带材的一部分因为热扰动等干扰因素而发生失超，积累的焦耳热会导致带材温度上升使超导设备发生故障，因此，需要对带材沿线温度进行实时监控，以便及时发现带材故障并进行保护动作。而传统的温度传感器如热电阻等无法沿超导带材沿线多点布置、易受电磁干扰。因此，尺寸小、可长距离连续测温、不受电磁干扰的光纤温度传感器在大型超导电力设备温度测量方面优势明显且受到了越来越多的关注。
目前，光纤温度传感器测量超导带材沿线温度分布的应用研究仍处于实验阶段、未形成大规模地商业化应用。其原因在于超导带材的临界温度(保证其零电阻特性的上限温度)极低，一般在液氮温度(-196℃)以下。普通测温光纤的工作温度大多在-60℃以上，其封装材料多适用于火灾报警等高温环境中，耐低温性能差，在-196℃的极低温环境下光纤的封装材料容易收缩变形和脆化，其收缩变形会对光纤纤芯产生力的作用导致纤芯微弯损耗甚至断裂，即-196℃低温下光纤测温性能不稳定、不可靠。
因此，需要一种能耐极低温的光纤温度传感器解决上述问题、满足大型超导电力设备的测温需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有光纤温度传感器在极低温环境下光纤的封装材料容易收缩变形和脆化，其收缩变形会对光纤纤芯产生力的作用导致纤芯微弯损耗甚至断裂，使得低温下光纤测温性能不稳定、不可靠的技术问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种光纤温度传感器，包括：光纤、内护套以及外护套；
所述内护套包裹于光纤上，所述内护套的材料为耐低温的热塑性弹性体或耐低温的热固性弹性体，使得所述内护套在低温下仍保持弹性，且所述内护套还用于消减外护套材料低温下收缩变形对光纤的影响；
所述外护套包裹于内护套上，用于增强光纤温度传感器的机械强度。
可选地，所述光纤表层涂覆有耐低温材料。
可选地，所述光纤表层涂覆的耐低温材料是聚酰亚胺或丙烯酸酯。
可选地，所述热固性弹性体为耐低温硅胶，所述耐低温硅胶的特性需满足在温度为-196℃及其以下温度时，该耐低温硅胶仍具有弹性和粘合力。
可选地，所述耐低温硅胶为单组份室温硫化硅橡胶，该单组份室温硫化硅橡胶包含二氧化硅和末端含羟基的聚二甲基硅氧烷两种填料，该单组份室温硫化硅橡胶在-253℃温度下仍具有弹性和粘合力。
可选地，所述外护套为光纤塑料套管。
另一方面，本发明提供一种光纤温度传感器的制备方法，包括如下步骤：
对光纤进行预热；
将融化的耐低温的热塑性弹性体或耐低温的热固性弹性体涂覆在预热后的光纤上，作为包裹在光纤上的内护套；
将融化的外护套的材料涂覆在所述内护套上，得到光纤温度传感器，所述外护套用于增强光纤温度传感器的机械强度。
可选地，所述热固性弹性体为耐低温硅胶，所述耐低温硅胶的特性需满足在温度为-196℃及其以下温度时，该耐低温硅胶仍具有弹性和粘合力。
可选地，所述耐低温硅胶为单组份室温硫化硅橡胶，该单组份室温硫化硅橡胶包含二氧化硅和末端含羟基的聚二甲基硅氧烷两种填料，该单组份室温硫化硅橡胶在-253℃温度下仍具有弹性和粘合力。
可选地，所述外护套为光纤塑料套管。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明提供的光纤温度传感器及其制备方法，其整个光纤温度传感器采用非金属封装，不会对超导电缆、超导磁体等装置产生电磁干扰、不影响装置绝缘性能。
2)本发明提供的光纤温度传感器及其制备方法，使用耐低温硅胶作为光纤内护套，其导热性能良好、低温下保持弹性和柔软度，有效消减了外护套低温下收缩变形对光纤的影响。
3)本发明提供的光纤温度传感器及其制备方法，二次披覆的塑料外护套可有效增加光纤机械强度，相对于金属封装光纤来说可更灵活地布置在超导线圈、超导电缆上。
附图说明
图1为本发明提供的耐极低温光纤温度传感器封装结构示意图；
图2为本发明提供的光纤温度传感器的制备方法流程图；
图3为本发明提供的光纤生产线配置结构示意图；
图4a为普通铁氟龙紧套光纤温度传感器和本发明的耐极低温光纤温度传感器在液氮温度下的测温曲线示意图；
图4b为普通铁氟龙紧套光纤温度传感器和本发明的耐极低温光纤温度传感器在液氮温度下的沿线拉曼比值变化曲线示意图；
图5a为本发明的耐极低温光纤温度传感器升温过程中的温度变化曲线示意图；
图5b为本发明的耐极低温光纤温度传感器升温过程中的拉曼比值-温度曲线示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1为光纤，2为内护套，3为外护套。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对上述问题，本发明设计了一种可耐极低温(液氮温度-196℃以下)的紧套光纤温度传感器，并介绍了其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种耐极低温紧套光纤温度传感器，其结构包括：
光纤纤芯，所述光纤纤芯为50/125μm多模、一次涂敷光纤；内护套，所述内护套包裹于光纤上，所用材料耐低温性能优越，其在低温下的收缩变形和脆化几乎不会对光纤纤芯产生影响；外护套，所述外护套用于增强测温光纤机械强度，选用一般的光纤塑料套管材料即可。
所述光纤为单芯、多模的通信级50/125μm光纤，且涂敷以特殊耐低温材料如聚酰亚胺或丙烯酸酯，使光纤能在液氮温度下正常测温。
所述耐低温材料优选聚酰亚胺，可增加光纤在低温下的温度灵敏度。
所述内护套为热塑性或热固性耐低温弹性体，在-196℃极低温环境下仍可保持一定的弹性、较柔软，可有效消减光纤外护套封装材料低温下收缩变形对光纤的影响。
所述内护套在光纤和外护套之间起了缓冲作用，隔绝了外护套热胀冷缩对纤芯的影响。所述内护套优选热固性弹性体。其中，热固性弹性体可以为耐低温硅胶，要求在-196℃及其以下仍具有弹性、较好的粘合力和一定柔软度，可有效消减外护套在低温下收缩变形对光纤产生影响。
所述内护套具体为耐低温单组份室温硫化硅橡胶，单组份室温硫化硅橡胶包含二氧化硅和末端含羟基的聚二甲基硅氧烷，还包含其他填料和固化剂。经实验验证，其在超导磁体-253℃极低温环境下仍保持较好的粘合度和弹性，可作为耐低温光纤内护套使用。
所述外护套为一般的光纤塑料套管，旨在增强光纤机械强度，其在低温下的收缩变形和脆化由于内护套的缓冲作用而不会引起光纤的微弯损耗。
所述外护套优选铁氟龙塑料套管，其耐温范围广，低温下仍然具有一定粘合力。
结合上述部件，提供了一种耐极低温紧套光纤温度传感器的制备方法，步骤如下：
1、光纤放线架上的光纤通过光纤预热装置；
2、预热后的光纤经过挤塑机，挤塑机将融化的耐低温单组份室温硫化硅橡胶挤出，光纤带动硅胶流体离开挤塑机头；
3、光纤离开挤塑机头后进入热/冷水槽，完成硅胶流体的冷却定型；
4、使用吹干机对冷却后的光纤进行干燥处理，完成光纤一次披覆(内护套完成)；
5、使用测径仪检测光纤外径尺寸是否达标，后通过收线装置完成光纤收线；
6、更换挤塑机摸具尺寸，将步骤2和3中的低温硅胶流体换为铁氟龙塑料流体，重复步骤1至5，完成光纤二次披覆(外护套完成)；
7、收线完成后，对光纤外观、尺寸、光学性能进行检测，以检验产品是否合格。
优选的，步骤1中光学预热装置的预热装置需略低于挤塑材料(低温硅胶和铁氟龙)的融化温度；
优选的，步骤2中的挤塑机使用常规的单螺杆挤塑机，螺杆采用普通三段式螺杆。
值得注意的是，步骤2中挤塑机温度设置根据具体使用的材料来确定，即披覆内护套(一次披覆)和外护套(二次披覆)时挤塑机温度设置不同，具体见实施例。
优选的，步骤2和步骤3中为降低内、外护套材料成型后的收缩、抑制过多的残余应力，可适当提高挤塑机头与热/冷水槽之间的空气间隙，取250mm左右。
优选的，步骤3中为减少材料冷却收缩时的应力，热/冷水槽使用热水、冷水分段冷却，热水温度不宜低于60℃。
优选的，步骤5中收线装置牵引速度需根据封装材料来设置，一次披覆后牵引速度设为370/200(转/分)、二次披覆后牵引速度设为382/230(转/分)。
如图1所示，本实施例提供的光纤温度传感器的结构包括：光纤1，涂敷特殊耐低温材料、可在液氮低温下正常传输光信号；内护套2，直接与光纤纤芯粘接，作为光纤纤芯1和外护套3之间的缓冲层，消减外护套3在低温下收缩变形对纤芯1的影响；外护套3，其主要功能是增强光纤机械强度。
所述光纤1为单芯、多模的通信级50/125μm光纤，本实施例中优选聚酰亚胺作为其涂敷材料，可增加光纤在低温下的温度灵敏度。
所述内护套2为热塑性或热固性弹性体，低温下保持弹性和柔软度，在外护套和光纤之间起缓冲作用，本实施例中优选耐低温单包室温硫化硅胶，由末端含羟基的聚二甲基硅氧烷、二氧化硅等填料和特制固化剂所组成。
所述外护套3为塑料套管，可有效增强测温光纤机械强度，本实施例中优选铁氟龙作为外护套。
图2为本发明提供的光纤温度传感器的制备方法流程图，如图2所示，包括如下步骤：
S101，对光纤进行预热；
S102，将融化的耐低温的热塑性弹性体或耐低温的热固性弹性体涂覆在预热后的光纤上，作为包裹在光纤上的内护套；
S103，将融化的外护套的材料涂覆在所述内护套上，得到光纤温度传感器，所述外护套用于增强光纤温度传感器的机械强度。
在一个实例中，本实施例提供的耐极低温光纤温度传感器，其制备方法如下：
1、光纤放线架上的光纤1通过光纤预热装置；
由于挤塑机中热塑性聚合物挤出时温度较高，若和未经预热的光纤1直接接触会导致聚合物过早冷却而使聚合物在光纤1表面的定型收缩不均匀产生应力。因此，光纤1需要经过预热处理，预热温度略低于材料的融化温度。
2、预热后的光纤1经过挤塑机，挤塑机将融化的耐低温硅胶流体挤出，光纤1带动硅胶流体离开挤塑机头；
一次披覆耐低温硅胶时，挤塑机各部位温度设置为：
二次披覆铁氟龙时，挤塑机各部位温度设置为：
3、光纤离开挤塑机头后进入热/冷水槽，完成硅胶流体的冷却定型；
为减少材料冷却收缩时的应力，热/冷水槽使用热水、冷水分段冷却，热水温度不宜低于60℃。
4、使用吹干机对冷却后的光纤进行干燥处理，完成光纤一次披覆(内护套完成)；
5、使用测径仪检测光纤外径尺寸是否达标，后通过收线装置完成光纤收线；
一次披覆时，牵引速度设为370/200(转/分)；
二次披覆时，牵引速度设为382/230(转/分)。
6、更换挤塑机摸具尺寸，将步骤2和3中的低温硅胶流体换为铁氟龙塑料流体，重复步骤1至5，完成光纤二次披覆(外护套完成)；
7、收线完成后，对光纤外观、尺寸、光学性能进行检测，以检验产品是否合格。
将本发明提供的耐极低温紧套光纤温度传感器和普通铁氟龙紧套光纤温度传感器一同放置于液氮(-196℃)中进行温度测量，所得测温曲线和光纤沿线拉曼比值变化曲线如图4a和图4b所示，将耐极低温光纤温度传感器和普通铁氟龙紧套光纤各取28m(33～62m区域)放置于液氮中：图4a中，普通铁氟龙紧套光纤在其31m位置后的温度测量值突变为-273℃，严重偏离准确值(-196℃)，而图4b中光纤31m位置后其对应的拉曼比值突变为0，说明在31m处普通铁氟龙光纤断裂，光信号无法传输，进而导致温度测量值产生严重偏差。而导致光纤断裂产生严重偏差的原因主要是铁氟龙在-196℃低温环境中会剧烈收缩，并在光纤上产生收缩应力，使光纤弯曲产生裂纹甚至断开；而本发明提供的耐极低温光纤温度传感器则正常测温，在该传感器中，由于内护套-耐低温硅胶在低温下具有一定的弹性、且较柔软，有效地消减了外护套-铁氟龙的收缩变形对光纤的影响，保证光纤可在低温下正常测温。
如图5a所示，在-196～24℃的动态温升过程中，本设计所产的耐极低温紧套光纤温度传感器温度测量效果同PT100铂电阻一致、测温精度较高；图5b中本设计所产的耐极低温紧套光纤温度传感器内光信号拉曼比值随温度的变化而变化、具有较高的温度灵敏度，说明本设计所产的耐极低温光纤温度传感器的测温性能稳定、可靠，满足超导电缆、超导磁体等设备极低温下的温度监测需求。
本发明提供的耐极低温紧套光纤温度传感器，包括光纤，低温硅胶内护套、铁氟龙外护套。所述耐极低温紧套光纤温度传感器可用于-196℃以下极低温温度环境中对超导电缆、超导磁体等大型超导电力设备的温度监测中。其制备方法包括首先将预热后的光纤引入挤塑机中披覆上低温硅胶流体，接着光纤进入热/冷水槽中完成内护套-低温硅胶的冷却定型，然后使用测径仪检验光纤尺寸完成一次披覆-低温硅胶内护套的封装；在挤塑机中装入铁氟龙流体，更改挤塑机温度设置，重复上述步骤，完成二次披覆-铁氟龙外护套的封装。所述耐极低温紧套光纤温度传感器采用非金属封装，不会对超导电缆、超导磁体等装置产生电磁干扰、不影响装置绝缘性能；使用耐低温硅胶作为光纤内护套，其导热性能良好、低温下保持弹性和柔软度，有效消减了外护套低温下收缩变形对光纤的影响；二次披覆的铁氟龙塑料外护套可有效增加光纤机械强度，相对于金属封装光纤来说可更灵活地布置在超导线圈、超导电缆上。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤温度传感器，其特征在于，包括：光纤、内护套以及外护套；
所述内护套包裹于光纤上，所述内护套的材料为耐低温的热塑性弹性体或耐低温的热固性弹性体，使得所述内护套在低温下仍保持弹性，且所述内护套还用于消减外护套材料低温下收缩变形对光纤的影响；
所述外护套包裹于内护套上，用于增强光纤温度传感器的机械强度。
2.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤表层涂覆有耐低温材料。
3.根据权利要求2所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤表层涂覆的耐低温材料是聚酰亚胺或丙烯酸酯。
4.根据权利要求1至3任一项所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述热固性弹性体为耐低温硅胶，所述耐低温硅胶的特性需满足在温度为-196℃及其以下温度时，该耐低温硅胶仍具有弹性和粘合力。
5.根据权利要求4所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述耐低温硅胶为单组份室温硫化硅橡胶，该单组份室温硫化硅橡胶包含二氧化硅和末端含羟基的聚二甲基硅氧烷两种填料，该单组份室温硫化硅橡胶在-253℃温度下仍具有弹性和粘合力。
6.根据权利要求4所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述外护套为光纤塑料套管。
7.一种光纤温度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
对光纤进行预热；
将融化的耐低温的热塑性弹性体或耐低温的热固性弹性体涂覆在预热后的光纤上，作为包裹在光纤上的内护套；
将融化的外护套的材料涂覆在所述内护套上，得到光纤温度传感器，所述外护套用于增强光纤温度传感器的机械强度。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述热固性弹性体为耐低温硅胶，所述耐低温硅胶的特性需满足在温度为-196℃及其以下温度时，该耐低温硅胶仍具有弹性和粘合力。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述耐低温硅胶为单组份室温硫化硅橡胶，该单组份室温硫化硅橡胶包含二氧化硅和末端含羟基的聚二甲基硅氧烷两种填料，该单组份室温硫化硅橡胶在-253℃温度下仍具有弹性和粘合力。
10.根据权利要求7至9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述外护套为光纤塑料套管。
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