CN110567608B - 一种基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置，属于传感器标定装置技术领域。包括储液桶的顶部设有储液桶桶盖，绝热装置设于储液桶的底部，绝热装置的上方设置调温桶；调温桶内设有隔离管，隔离管的下端贯穿调温桶的底部并连通绝热装置；固定棒贯穿隔离管，并可活动的插入绝热装置内；光纤光栅传感器及温度参考传感器设于固定棒内；储液桶桶盖上设有第一管道和第二管道，分别为储液桶和调温桶内加入液氮。本发明通过液氮传导制冷方式对光纤光栅传感器进行标定，实现了在77‑293K温度区间内的光纤光栅传感器的标定；可以方便、安全的将光纤光栅传感器及温度参考传感器铺设进变温装置，通过隔离，减少了漏热，使传感器的温度更容易达到77K。

Description

一种基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置

技术领域

本发明涉及传感器标定装置技术领域，具体涉及一种基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置。

背景技术

光纤光栅传感器因为体积小、质量轻、抗电磁干扰、易于复用等特点，被认为是可以替代传统电信号传感器应用于高温超导磁体领域的传感器件。光纤光栅传感器在超导领域的应用主要是进行温度和应变的测量。

根据传感器的原理，在利用传感器进行绝对温度测量时，都要对传感器进行温度标定。不同于其他类型的光纤传感器，光纤光栅传感器是波长解调的传感器，宽带光源打出一束光，这束光经过传输光纤到达光纤光栅部位，经过光纤光栅后，满足布拉格条件波长的光将会被反射回检测电路，被反射回的光带有温度、应变等物理信息，通过解调反射光的波长，即可得到被测点的温度、应变等信息。因此，光纤光栅温度传感器的标定，就是通过实验找出其温度和波长之间的关系，并根据波长温度曲线进行拟合得到光纤光栅传感器的灵敏度系数。

因此，要想实现光纤光栅传感器在77-293K温度区间内的标定，就要有一种能使温度从77到293K之间缓慢变化的变温装置，并且该装置还要便于光纤光栅传感器与温度参考传感器的铺设。目前商业可用的制冷机，能够实现温度在77-293K之间的缓慢变化，是可以用于光纤光栅传感器77-293K温度区间标定的一种选择。但是，一般制冷机价格都比较昂贵，升降温耗时特别长，并且没有专门为传感器铺设所具有的独特设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于液氮传导冷却的针对在77-293K温度区间内的光纤光栅传感器标定装置，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供的一种基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置，包括储液桶，所述储液桶的顶部设有储液桶桶盖，所述储液桶内设有绝热装置、调温桶、光纤光栅传感器及温度参考传感器；所述绝热装置设于所述储液桶的底部，所述绝热装置的上方设置所述调温桶；

所述调温桶内设有隔离管，所述隔离管的下端贯穿所述调温桶的底部并连通所述绝热装置；

固定棒贯穿所述隔离管，并可活动的插入所述绝热装置内；所述光纤光栅传感器及所述温度参考传感器设于所述固定棒内；

所述储液桶桶盖上设有第一管道，所述第一管道伸入所述储液桶内；所述储液桶桶盖上还设有第二管道，所述第二管道伸入所述调温桶内。

优选的，所述绝热装置包括绝热桶，所述绝热桶置于所述储液桶的底部，所述绝热桶的顶部设有绝热桶桶盖，所述绝热桶桶盖的下表面设有隔离桶；所述调温桶设于所述绝热桶桶盖的上表面，所述隔离管穿过所述绝热桶桶盖后与所述隔离桶连通。

优选的，所述固定棒包括可相互扣合的第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分扣合后中部形成用于容置所述光纤光栅传感器及温度参考传感器的通孔；

所述固定棒的上端设有法兰，所述固定棒的下端设有外螺纹，所述固定棒通过所述外螺纹连接有保护管，所述保护管的底部设有通孔。

优选的，所述第一部分的扣合面上设有凸条，所述第二部分的扣合面上设有与所述凸条配合的条形槽。

优选的，所述绝热桶和所述隔离桶之间填充有绝热棉。

优选的，所述隔离管的上端的高度高于所述调温桶的高度。

优选的，所述储液桶内还设有第一浮漂和第二浮漂，所述第一浮漂和所述第二浮漂均包括浮杆和浮块，所述浮杆活动贯穿所述储液桶桶盖，所述浮块设于所述浮杆的底端；

所述第一浮漂伸入所述储液桶内，用于测量所述储液桶内液氮的高度，所述第二浮漂伸入所述调温桶内，用于测量所述调温桶内液氮的高度。

优选的，所述温度参考传感器为pt100温度传感器。

优选的，所述储液桶及所述储液桶桶盖均由泡沫材料制成，所述绝热桶和所述隔离管均由不锈钢制成，所述隔离桶和所述调温桶均由铝制成，所述固定棒为G10玻璃纤维棒，所述保护管由铜制成。

优选的，所述浮杆由塑料制成，所述浮块由泡沫制成。

本发明有益效果：通过液氮传导制冷的方式对光纤光栅传感器进行标定，具有经济、节约、高效的特点；传感器固定装置可以方便、安全的将光纤光栅传感器及温度参考传感器铺设进变温装置；将隔离管也浸泡在液氮当中，减少了漏热，使传感器的温度更容易达到77K，实现了在77-293K温度区间内的光纤光栅传感器的标定。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置结构图。

图2为本发明实施例所述的基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置的固定棒结构图。

图3为本发明实施例所述的基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置的固定棒俯视结构图。

图4为本发明实施例所述的利用标定装置对光纤光栅传感器进行三次标定的标定曲线示意图。

其中：1-储液桶；2-储液桶桶盖；3-调温桶；4-隔离管；5-固定棒；6-第一管道；7-第二管道；8-绝热桶；9-绝热桶桶盖；10-隔离桶；11-容置通孔；12-法兰；13-外螺纹；14-保护管；15-凸条；16-第一浮漂；17-第二浮漂；18-浮杆；19-浮块；20-横向凹槽；21-漏斗。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例

如图1至图3所示，本发明实施例提供一种基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置，包括储液桶1，所述储液桶1的顶部设有储液桶桶盖2。储液桶1与桶盖2采用环氧树脂密封，可以减小箱内与外界的温度交换。

所述储液桶1内设有绝热装置、调温桶3、光纤光栅传感器及温度参考传感器；所述绝热装置设于所述储液桶1的底部，所述绝热装置的上方设置所述调温桶3；所述调温桶3内设有隔离管4，所述隔离管4的下端贯穿所述调温桶3的底部并连通所述绝热装置。

所述绝热装置包括绝热桶8，所述绝热桶8置于所述储液桶1的底部，所述绝热桶8的顶部设有绝热桶桶盖9，所述绝热桶桶盖9的下表面设有隔离桶10；所述调温桶3设于所述绝热桶桶盖9的上表面，所述隔离管4穿过所述绝热桶桶盖9后与所述隔离桶10连通。

在绝热桶桶盖9的上表面设圆形凹槽，利用环氧树脂使调温桶与绝热桶桶盖9密封结合。调温桶将细隔离管包围，通过向调温桶内加液氮，可以减小由隔离管给传感器环境温度带来的漏热，使传感器的温度更容易达到77K。

固定棒5贯穿所述隔离管4，并可活动的插入所述绝热装置内；所述光纤光栅传感器及所述温度参考传感器设于所述固定棒5内。

所述储液桶桶盖2上设有第一管道6，所述第一管道6伸入所述储液桶1内；所述储液桶桶盖2上还设有第二管道7，所述第二管道7伸入所述调温桶3内。通过第一管道6可以为储液桶1内加入液氮，通过第二管道7可以向调温桶3内加入液氮。为了方便加入液氮，还可在第一管道和第二管道的顶端设置漏斗21，防止液氮在加入的过程中的滴漏。

在本发明的一个实施例中，采用PVC管作为第一管道和第二管道，PVC管底端处于储液桶和调温桶的底部，另一端穿过储液桶桶盖2处于空气中，这样可以使液氮从缓慢加入，减小因添加液氮时液氮喷洒带来的温度扰动。

在绝热桶桶盖9的下表面设圆形凹槽，此圆形凹槽用于固定隔离桶10，用环氧树脂将隔离桶10密封固定在绝热桶桶盖9的下方。

上述绝热桶桶盖9的圆心处有一个圆孔，圆孔的上边焊接有一个细不锈钢管(即隔离管4)，用于传感器的插入铺设。

采用G10玻璃纤维棒作为光纤传感器与温度参考传感器的固定棒，该棒可以通过隔离管4穿入隔离桶0内部。

采用液氮传导冷却对光纤光栅传感器进行标定，光纤光栅传感器通过隔离管以及绝热装置与液氮进行了隔离，不与液氮直接接触，所以，不存在由液氮挥发后产生的水滴对传感器造成损害的问题。

将光纤光栅传感器与温度参考传感器放置在隔离桶内，隔离桶可保护传感器并提供一个绝热空间。

将上述的隔离桶放置在一个绝热桶内，隔离桶与绝热桶之间的空隙处，填充绝热棉，可以减小传感器与外界的温度交换，使传感器所处空间内的温度更稳定。绝热桶与绝热桶桶盖通过环氧树脂进行密封，使液氮无法进入传感器所处空间，并且达到绝热效果。

所述固定棒5包括可相互扣合的第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分扣合后中部形成用于容置所述光纤光栅传感器及温度参考传感器的容置通孔11。所述第一部分的扣合面上设有凸条15，所述第二部分的扣合面上设有与所述凸条15配合的条形槽。在扣合时将凸条15扣如条形槽中，可完成两部分的扣合。

所述固定棒5的上端设有法兰12，该法兰可以保证G10玻璃纤维棒悬挂在铝桶中间。所述固定棒5的下端设有外螺纹13，所述固定棒5的下端通过所述外螺纹13连接有保护管14，所述保护管14的底部设有通孔。采用保护管对传感器进行保护，使得在将G10玻璃纤维棒穿入进隔离桶内时，不会破环传感器。该保护铜管内部有螺纹结构，可以通过外螺纹与G10玻璃纤维棒结合。该保护铜管底部打有孔洞，该孔洞可以防止铜管内部形成真空腔。

G10玻璃纤维棒的两部分在棒的竖向中间部位各有一个横向凹槽，该凹槽可以在铺设传感器时放置密封胶，密封胶可以固定传感器，并起到密封的作用，其中密封胶为软密封胶，方便实验后取出传感器。

所述隔离管4的上端的高度高于所述调温桶3的高度，可放止调温桶内的液氮流入隔离管4，影响温度变化。

所述储液桶1内还设有第一浮漂16和第二浮漂17，所述第一浮漂16和所述第二浮漂17均包括浮杆18和浮块19，所述浮杆18活动贯穿所述储液桶桶盖2，所述浮块9设于所述浮杆18的底端。

所述第一浮漂16伸入所述储液桶1内，用于测量所述储液桶1内液氮的高度，所述第二浮漂17伸入所述调温桶3内，用于测量所述调温桶3内液氮的高度。通过第一浮漂和第二浮漂知道密闭空间内的液氮位置。

本发明实施例所述的基于液氮传导冷却的光纤光栅温度传感器标定装置，其具体制作和使用过程如下：

先将铝制隔离桶10和调温桶3利用环氧树脂胶分别固定在不锈钢绝热桶盖9的上下表面的凹槽中，在不锈钢绝热桶8内填充绝热棉，并将绝热桶8的桶口密封连接桶盖9的槽上，将密封连接后的隔离桶10、绝热桶桶盖9、调温桶3、绝热桶8以及隔离管4构成的装置放入泡沫储液桶1中。

将光纤光栅传感器与pt100温度传感器放入G10玻璃纤维棒5中，并用铜保护管14在纤维棒底部对其进行保护。将固定棒5穿过隔离管4伸入隔离桶10中，法兰12将G10玻璃纤维棒5悬挂。

将第一管道PVC管、泡沫浮块19和塑料棒浮杆18组成的第一浮漂16，放入储液桶中。将第二管道PVC管、正方体泡沫浮块19和塑料棒浮杆18组成的第二浮漂17，放入调温桶3中。其中，正方体泡沫块19和塑料棒18由耐低温环氧树脂胶进行粘接。

在储液桶桶盖2上打孔，所打孔的大小分别适合第一管道PVC管、第二管道PVC管、第一浮漂的塑料棒浮杆18以及第二浮漂的塑料棒浮杆18穿过，并将液桶桶盖2用环氧树脂胶与储液桶1进行密封连接。

将塑料漏斗放置在第一管道PVC管上，并通过漏斗向储液桶1中缓慢加少许液氮，加入少许液氮后，铜保护管14中的温度会因为液氮传导制冷而缓慢下降，观察pt100温度传感器变化曲线，随着时间推迟，温度下降会变的越来越缓慢甚至上升，待温度基本不变甚至出现上升趋势后，继续向泡沫储液桶1加少许液氮，使铜保护管14中的温度再次下降，每次发现温度趋于不变或者开始上升就及时加液氮，如此重复，降温过程中，可以通过第一浮漂观察泡沫储液桶中液氮的位置，当液氮加至刚好淹没绝热桶桶盖9的位置时，温度可以达到79K，此时，与77K还有2K的温差，但是温度却很难再下降，这主要是由于不锈钢隔离管4的与铜保护管14内带来的热泄露导致的。

为了使铜保护管14中温度可以降至目标温度77K，在液氮加至刚好淹没绝热桶桶盖9的位置时，将塑料漏斗放置在第二管道PVC管上，向调温桶3中加满液氮，这样可以减少漏热，并保证铜保护管14中的温度达到77K。待温度降至77K后，停止向储液桶1中加液氮，使液氮自然挥发，实现温度从77-293K的升温过程。采集上述降温与升温过程中的pt100温度与光纤光栅传感器波长数据，即可实现光纤光栅传感器在77-293K之间的温度标定。

如图4所示，为光纤光栅传感器三次标定曲线，曲线显示了三次升温过程中的标定数据。横坐标为温度改变量，纵坐标为波长改变量，可以看出三次数据重合在一起，验证了此种标定装置及标定方法的可行性。

综上所述，本发明实施例所述的基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置，通过液氮传导制冷的方式对光纤光栅传感器进行标定，具有经济、节约、高效的特点；G10玻璃纤维固定棒可将光纤光栅传感器及温度参考传感器安全方便的铺设进变温装置；通过隔离管、隔离桶、以及绝热桶将传感器与液氮进行了隔离，隔离管也浸泡在液氮当中，减少了漏热，使传感器的温度更容易达到77K，实现了在77-293K温度区间内的光纤光栅传感器的标定。

本领域普通技术人员可以理解：本发明实施例中的装置中的部件可以按照实施例的描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置，其特征在于：

包括储液桶(1)，所述储液桶(1)的顶部设有储液桶桶盖(2)，所述储液桶(1)内设有绝热装置、调温桶(3)、光纤光栅传感器及温度参考传感器；所述绝热装置设于所述储液桶(1)的底部，所述绝热装置的上方设置所述调温桶(3)；

所述调温桶(3)内设有隔离管(4)，所述隔离管(4)的下端贯穿所述调温桶(3)的底部并连通所述绝热装置；

固定棒(5)贯穿所述隔离管(4)，并可活动的插入所述绝热装置内；所述光纤光栅传感器及所述温度参考传感器设于所述固定棒(5)内；

所述储液桶桶盖(2)上设有第一管道(6)，所述第一管道(6)伸入所述储液桶(1)内；所述储液桶桶盖(2)上还设有第二管道(7)，所述第二管道(7)伸入所述调温桶(3)内；

所述绝热装置包括绝热桶(8)，所述绝热桶(8)置于所述储液桶(1)的底部，所述绝热桶(8)的顶部设有绝热桶桶盖(9)，所述绝热桶桶盖(9)的下表面设有隔离桶(10)；所述调温桶(3)设于所述绝热桶桶盖(9)的上表面，所述隔离管(4)穿过所述绝热桶桶盖(9)后与所述隔离桶(10)连通；

所述绝热桶（8）与绝热桶盖通过环氧树脂进行密封；

所述隔离管(4)的上端的高度高于所述调温桶(3)的高度；

所述固定棒(5)包括可相互扣合的第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分扣合后中部形成用于容置所述光纤光栅传感器及温度参考传感器的容置通孔(11)；

所述固定棒(5)的上端设有法兰(12)，所述固定棒(5)的下端设有外螺纹(13)，所述固定棒(5)的下端通过所述外螺纹(13)连接有保护管(14)，所述保护管(14)的底部设有通孔；

所述第一部分的扣合面上设有凸条(15)，所述第二部分的扣合面上设有与所述凸条(15)配合的条形槽；所述第一部分和所述第二部分还设有横向凹槽(20)。

2.根据权利要求1所述的基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置，其特征在于：

所述绝热桶(8)和所述隔离桶(10)之间填充有绝热棉。

3.根据权利要求1所述的基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置，其特征在于：

所述储液桶(1)内还设有第一浮漂(16)和第二浮漂(17)，所述第一浮漂(16)和所述第二浮漂(17)均包括浮杆(18)和浮块(19)，所述浮杆(18)活动贯穿所述储液桶桶盖(2)，所述浮块（19）设于所述浮杆(18)的底端；

所述第一浮漂(16)伸入所述储液桶(1)内，用于测量所述储液桶(1)内液氮的高度，所述第二浮漂(17)伸入所述调温桶(3)内，用于测量所述调温桶(3)内液氮的高度。

4.根据权利要求1所述的基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置，其特征在于：

所述温度参考传感器为pt100温度传感器。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置，其特征在于：所述储液桶(1)及所述储液桶桶盖(2)均由泡沫材料制成，所述绝热桶(8)和所述隔离管(4)均由不锈钢制成，所述隔离桶(10)和所述调温桶(3)均由铝制成，所述固定棒(5)为G10玻璃纤维棒，所述保护管(14)由铜制成。

6.根据权利要求3所述的基于液氮传导冷却的光纤光栅传感器标定装置，其特征在于：所述浮杆(18)由塑料制成，所述浮块(19)由泡沫制成。

Images