CN110864830A - 一种适于宽温度范围的光纤光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器技术领域，涉及一种适于宽温度范围的光纤光栅传感器。所述光纤光栅传感器是由相位掩膜法制成的光纤布拉格光栅；所述光纤布拉格光栅的中央部分封装在聚合物内，然后整体再封于金属套管内；所述金属套管设有导热胶；所述聚合物按质量份计，包括80份的聚氨酯丙烯酸酯、15份的二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、5份的水翁花橙酮。与现有技术相比，本发明所述的适于宽温度范围的光纤光栅传感器由于对聚合物进行了改进，在其它性能不受影响的情况下，使其弹性模量在较宽的温度范围内保持相对稳定，从而测量时压力响应灵敏度系数不易受到温度的影响，提高了结果的准确性。
Description
技术领域
本属于传感器技术领域，涉及一种适于宽温度范围的光纤光栅传感器。
背景技术
光纤光栅传感器属于光纤传感器，是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息。光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用2个二元一次方程解出温度与应变。
按测量技术大体可分为两类，即多光纤光栅测量和单光纤光栅测量。多光纤光栅测量主要包括混合FBG/长周期光栅法、双周期光纤光栅法、光纤光栅/F-P腔集成复用法、双FBG重叠写入法。各种方法各有优缺点。单光纤光栅测量主要包括用不同聚合物材料封装单光纤光栅法、利用不同的FBG组合和预制应变法等。用聚合物材料封装单光纤光栅法是利用某些有机物对温度和应力的响应不同增加光纤光栅对温度或应力灵敏度，克服交叉敏感效应。这种方法的制作简单，但选择聚合物材料困难。
聚合物封装光纤光栅的温度与压力响应灵敏度由封装材料的特性；主要是弹性模量和热膨胀系数来决定，而聚合物的弹性模量被看成是常数，因此光纤光栅的温度与压力响应为独立分量，即彼此互不影响。所以，在使用聚合物封装实现温度和压力区分测量时，可采用两种不同的材料对单个或两个光纤光栅进行封装，改变其温度与压力响应系数，保证产生的两个光纤光栅反射峰中心波长的温度与压力响应灵敏度系数不同，然后，建立光纤光栅响应灵敏度矩阵，便可同时得出温度与压力。
但聚合物材料的弹性模量实际上不为常数，而是一个随温度不同而变化的变量。当温度测量的范围较小时，弹性模量变化不大，引起聚合物封装光纤光栅传感器的压力响应系数变化较小，测量值与实际值偏差不大，可以近似将弹性模量作为常量来对待。当温度变化范围较大时，材料会由初始的玻璃态转化为高弹态。材料的弹性模量也会随之下降。在这种情况下，通过聚合物对光纤光栅进行封装后，光纤光栅灵敏度系数矩阵中的矩阵元不再是常数，而是温度的函数，这是测出的数据则不再准确。
发明内容
本发明公开了一种适于宽温度范围的光纤光栅传感器，能克服温度相对较高时因弹性模量下降而导致出现测量误差的技术问题。
本发明所述的适于宽温度范围的光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器是由相位掩膜法制成的光纤布拉格光栅；所述光纤布拉格光栅的中央部分封装在聚合物内，然后整体再封于金属套管内；所述金属套管设有导热胶；所述聚合物按质量份计，包括80份的聚氨酯丙烯酸酯、15份的二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、5份的水翁花橙酮。
本发明所述的适于宽温度范围的光纤光栅传感器，所述导热胶为有机硅导热胶。
本发明所述的适于宽温度范围的光纤光栅传感器，所述金属套管为铝制的金属套管。
本发明所述的适于宽温度范围的光纤光栅传感器，所述聚合物的制备方法为：取配方量的聚氨酯丙烯酸酯、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、水翁花橙酮装于烧瓶中，在机械搅拌下惰性气氛中于70℃维持24h,再转移至钢瓶，于140℃、7MPa下搅拌维持4h，即得。
与现有技术相比，本发明所述的适于宽温度范围的光纤光栅传感器由于对聚合物进行了改进，在其它性能不受影响的情况下，使其弹性模量在较宽的温度范围内（10℃-160℃）保持相对稳定，从而测量时压力响应灵敏度系数不易受到温度的影响，提高了结果的准确性。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明所述的宽温度范围的光纤光栅传感器做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
适于宽温度范围的光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器是由相位掩膜法制成的光纤布拉格光栅；所述光纤布拉格光栅的中央部分封装在聚合物内，然后整体再封于金属套管内；所述金属套管设有导热胶；所述聚合物按质量份计，包括80份的聚氨酯丙烯酸酯、15份的二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、5份的水翁花橙酮。所述导热胶为有机硅导热胶。所述金属套管为铝制的金属套管。所述聚合物的制备方法为：取配方量的聚氨酯丙烯酸酯、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、水翁花橙酮装于烧瓶中，在机械搅拌下惰性气氛中于70℃维持24h,再转移至钢瓶，于140℃、7MPa下搅拌维持4h，即得。
对照组1
光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器是由相位掩膜法制成的光纤布拉格光栅；所述光纤布拉格光栅的中央部分封装在聚合物内，然后整体再封于金属套管内；所述金属套管设有导热胶；所述聚合物按质量份计，包括80份的聚氨酯丙烯酸酯、15份的二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、5份的DMC。所述导热胶为有机硅导热胶。所述金属套管为铝制的金属套管。所述聚合物的制备方法为：取配方量的聚氨酯丙烯酸酯、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、DMC装于烧瓶中，在机械搅拌下惰性气氛中于70℃维持24h,再转移至钢瓶，于140℃、7MPa下搅拌维持4h，即得。2’,4’-二羟基-6’-甲氧基-3’,5’-二甲基查耳酮（即DMC），（Z）-6-羟基-4-甲氧基-5,7-二甲基橙酮（即水翁花橙酮）。
性能测试
分别取实施例1及对照组1的聚合物，固化成膜。取上述膜， 在25℃和50%相对湿度下调理24小时，接着利用DMTA，以1 Hz频率和5℃/min加热速率在10℃至200℃之间的温度范围内，对其进行拉伸弹性模量值的测量。所得结果如表1所示。
表1 伸弹性模量值
将封装光纤光栅放入液压罐，将液压罐置于加温室中，以实现对温度与压力的同时施加。宽带光源发出的光经3 dB耦合器入射到光纤光栅中，被反射后又经3 dB耦合器送到光谱分析仪，通过光谱分析仪观察光纤光栅反射峰中心波长的变化。掺铒光纤激光器的工作电流为15mA，峰值波长为λ= 1530 nm，带宽40 nm。采用逐步升温法，先通过加温室对光纤光栅升温至不同温度，待光纤光栅反射峰中心波长稳定后，以液压在不同温度下对光纤光栅施加压力，得到一系列光纤光栅的压力响应灵敏度系数。所得结果如表2所示。
表2压力响应灵敏度系数（nm/MPa）
| 温度/℃ | 10 | 25 | 60 | 100 | 120 | 160 | 180 | 200 |
| 实施例1 | 0.121 | 0.121 | 0.123 | 0.123 | 0.124 | 0.126 | 0.153 | 0.171 |
| 对照组1 | 0.031 | 0.031 | 0.033 | 0.035 | 0.052 | 0.164 | 0.192 | 0.194 |
数据结果表明，压力响应灵敏度系数的变化趋势与弹性模型的变化趋势大致负相关，与预期结果相符。实施例1所述聚合物，在弹性模量在10℃-160℃保持相对稳定，压力响应灵敏度系数也相对恒定。对照组1所述聚合物，在弹性模量在10℃-100℃保持相对稳定，压力响应灵敏度系数相对恒定，但是，其压力响应灵敏度系数在0.031左右，此值又相对偏小，灵敏度也就相对较低。
Claims (4)
1.一种适于宽温度范围的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器是由相位掩膜法制成的光纤布拉格光栅；所述光纤布拉格光栅的中央部分封装在聚合物内，然后整体再封于金属套管内；所述金属套管设有导热胶；所述聚合物按质量份计，包括80份的聚氨酯丙烯酸酯、15份的二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、5份的水翁花橙酮。
2.根据权利要求1所述的适于宽温度范围的光纤光栅传感器，其特征在于，所述导热胶为有机硅导热胶。
3.根据权利要求1所述的适于宽温度范围的光纤光栅传感器，其特征在于，所述金属套管为铝制的金属套管。
4.根据权利要求1所述的适于宽温度范围的光纤光栅传感器，其特征在于，所述聚合物的制备方法为：取配方量的聚氨酯丙烯酸酯、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、水翁花橙酮装于烧瓶中，在机械搅拌下惰性气氛中于70℃维持24h,再转移至钢瓶，于140℃、7MPa下搅拌维持4h，即得。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200306 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |