CN111413006A

CN111413006A - 真空低温光纤光栅温度传感器及其封装方法

Info

Publication number: CN111413006A
Application number: CN202010226481.3A
Authority: CN
Inventors: 秦凡; 王晶
Original assignee: Beijing Institute Of Space Science And Technology Information
Current assignee: Beijing Institute Of Space Science And Technology Information
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2020-07-14

Abstract

本发明实施例提供一种真空低温光纤光栅温度传感器及其封装方法。该真空低温光纤光栅温度传感器包括：封装外壳和光纤光栅，所述封装外壳的外表面为半圆柱形，所述封装外壳的内表面在纵向上具有槽体，所述光纤光栅固定于所述槽体中，所述封装外壳的内表面紧贴待测机件固定，所述封装外壳由与待测机件相同的材料制作而成。该温度传感器结构简单，在真空中可靠性好，导热效率高，响应速度快。

Description

真空低温光纤光栅温度传感器及其封装方法

技术领域

本发明涉及航空、航天领域，具体地，涉及一种真空低温光纤光栅温度传感器及其封装方法。

背景技术

光纤光栅是一种新型光无源器件。它不仅在通信领域有重要应用，本身也是一种信息转换元件，不需要任何外部设备就可以将被测量与光信号的性质联系起来。

当今，光纤光栅传感器的应用范围非常广泛，在工业、国防军事、科研、医疗等等各个领域有着广泛的应用。相比传统的电、磁传感器，光纤光栅传感器具有以下优点：

1、传感器结构简单、体积小，外形柔软可变，能够贴付到被测结构表面也可埋入到结构内部中。

2、电绝缘，基本不影响被测物，抗腐蚀、抗电磁干扰，能够在恶劣、极端、危险条件下工作。

3、与光纤天然耦合，损耗低，可靠性好，能实现传感网络的全光化。

4、以光作为信息载体，灵敏度好，分辨率高，精度高。

5、光信号不易受电、磁信号干扰，可靠性好，稳定性高。

光纤光栅的传感原理是环境的变化改变光栅本身的固有属性，引起在其中传导的光信号的改变，获取传感信息。Bragg光纤光栅是最常见的一种光栅，其基本原理是使用某种手段使光纤内部折射率以某种固定周期分布，当一束光通过时，满足Bragg波长条件的光被反射回来。Bragg条件为：

λ_B＝2n_effΛ (1)

式中，λ_b称为Bragg波长，是光纤光栅反射波的波峰，n_eff是光栅的有效折射率，Λ是光栅的周期。任何使n_eff和Λ发生改变的物理量都将引起波长调制，都可以作为待测物理量。

光纤光栅测温的原理是外界温度的改变引起热光效应以及光栅本身的热膨胀，进而Bragg波长改变。热光效应造成光栅有效折射率n_eff改变，热膨胀改变光栅周期Λ，可用下式描述：

(dλ_B)/dT＝2n_effΛ(ξ+α)＝(ξ+α)λ_b (2)

α＝1/Λ·dΛ/dT是光纤的热膨胀系数，它代表的是光纤光栅自身的热膨胀引起的波长调制效应。ξ＝1/n_eff·(dn_eff)/dT，是光纤光栅的热光效应系数。因此，通过检测Bragg波长的变化就能获知温度的改变，实现温度实时测量。

当前，真空低温光纤光栅温度传感器的应用非常广泛，市面上也很容易够得。但大多数传感器都是为常温下普通应用而设计的。现有的封装方式，主要有两种：基片式和管式，其他大部分是这两种方式的延伸和改进。目前的技术至少存在如下缺陷：

1、两种方式基本上是使用各种普通胶将光栅固定在封装体上，在常温下大气环境中普通胶水是可靠的，但到了真空环境下普通胶体的稳定性无法保证，低温也会使胶体发生蠕变和老化。

2、在真空中只有热辐射没有热传导，传统方法封装后的光栅传热、收集热的能力太差。

目前普遍应用的传感器或是直接依赖光纤本身的热膨胀，例如专利CN2697593Y，在温度低于50K以下时，光纤光栅本身的热膨胀系数变得非常小，且随温度明显变化，这造成传感器分辨率下降，线性度降低，乃至完全无法使用。另外一些传感器使用其他膨胀系数较大的材料进行增敏，某些材料在接近0K时仍有可观的膨胀系数。但是，这种传感器在封装过程中，会使用某些有机材料作为胶粘剂或导热剂。专利CN107290076A，使用了环氧树脂作为结构粘合剂，专利CN101413831A使用了导热硅脂作为导热剂，而这些材料，在真空中的可靠性尚存疑。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种能在真空环境下测量温度的一种真空低温光纤光栅温度传感器及其封装方法，能够在真空环境下保持稳定，并且灵敏度高、准确性好。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种真空低温光纤光栅温度传感器，其特征在于，该真空低温光纤光栅温度传感器包括：封装外壳和光纤光栅，所述封装外壳的外表面为半圆柱形，所述封装外壳的内表面在纵向上具有槽体，所述光纤光栅固定于所述槽体中，所述封装外壳的内表面紧贴待测机件固定，所述封装外壳由与待测机件相同的材料制作而成。

可选的，所述封装外壳由金属材料制成。

可选的，所述光纤光栅通过将石英粉掺入低温特种树脂中形成的填充物固定于所述槽体中。

可选的，所述封装外壳的槽体两端通过低温胶和石英粉的混合物固定。

可选的，所述槽体的角度为90°，所述槽体的深度＜5mm。

可选的，所述石英粉的目数为100-5000目。

另一方面，本发明实施例还提供了一种真空低温光纤光栅温度传感器封装方法，其特征在于，该方法包括：步骤一，制作封装外壳，所述封装外壳的外表面为半圆柱形，所述封装外壳的内表面在纵向上具有槽体；步骤二，将光纤光栅固定于所述槽体中，所述封装外壳由与待测机件相同的材料制作而成，将封装外壳的内表面紧贴待测机件固定。

可选的，在所述步骤二中，通过以下方式将光纤光栅固定于所述槽体中：将石英粉掺入低温特种树脂中，形成填充物填充槽体中的空隙，从而将所述光纤光栅固定在所述槽体中，封装外壳的槽体两端通过低温胶和石英粉的混合物固定。

可选的，所述槽体的角度为90°，所述槽体的深度＜5mm。

可选的，所述石英粉的目数为100-5000目。

通过上述技术方案，能够带来的有益效果是：

1、真空中可靠性好。本传感器结构简单，填充石英粉提升了稳定性，避免了传统传感器中胶的老化变性问题，同时，目前使用的各种胶粘剂在真空下的可靠性尚存疑，本方案提出的新型胶保证了在真空条件下的稳定性。

2、导热效率高，响应速度快。本传感器实际上是利用了待测零件的外壳作为封装的一部分，而且，封装外壳的材料与待测外壳一致，这样，温度变化时两者的膨胀程度相同，而且提高了热交换面积。因真空中不存在对流，只能通过此种方式导热，从而避免了传统的三层封装的传感器中热接触面积小、导热慢、响应速度慢的问题。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是根据本发明的真空低温光纤光栅温度传感器的俯视图；

图2为根据本发明的真空低温光纤光栅温度传感器的主视图；

图3为根据本发明的真空低温光纤光栅温度传感器的左视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本发明提供了一种用于真空环境下低温测量的真空低温光纤光栅温度传感器，如图一所示，包括封装外壳2和光纤光栅1，所述封装外壳2的外表面201为半圆柱形，所述封装外壳2的内表面202在纵向上具有槽体，所述光纤光栅1固定于所述槽体中，所述封装外壳2的内表面202紧贴待测机件固定，所述封装外2壳由与待测机件相同的材料制作而成。

具体来说，所述光纤光栅1位于所述封装外壳2的内部，封装外壳2的内表面202在纵向上具有槽体，将光纤光栅1放在所述槽体中。封装时，将光纤光栅1施加预应力，再将光纤光栅1压入并固定在槽体中。将封装外壳2的开槽的一面(内表面202)紧贴待测机件固定好。

当待测机件温度变化时，热量传导到封装外壳2上，由于两者为相同材料，膨胀缩小的程度相同，提高了测量的准确性。同时，热量传导到封装外壳2上，相当于形成了一个包围光纤光栅1的温度场。光纤光栅1所处温度场发生变化，其布拉格波长也发生改变，起到温度传感的作用。根据本发明的封装外壳2的内表面是开口的，只封装了一半的光纤光栅1，实际上，是待测机件材料也作为了封装的另外一部分，相比传统的设计，导热速度要快。这种结构也避免了前文所述的传统光纤光栅传感器在真空中应用的缺陷，专为真空中使用而优化。

优选的，所述封装外壳2由金属材料制成，所述金属材料包括但不限于铝合金，从而具有较好的热传导性。

根据一种优选实施例，所述光纤光栅1通过将石英粉掺入低温特种树脂中形成的填充物3固定于所述槽体中。所述封装外壳2的槽体两端通过低温胶和石英粉的混合物固定。采用该优选实施方式，结构简单，填充石英粉提升了稳定性，避免了传统传感器中胶的老化变性问题。

为了使得光纤光栅1能够较好地埋入槽体中，以及便于封装外壳2的内表面202紧贴待测机件，根据一种优选实施例，如图3所示，所述槽体的角度为90°，所述槽体的深度＜5mm，槽体的大小以使光纤光栅1在其中能够保持自由状态为限，深度恰好使光纤光栅1埋入，光纤光栅1的表面能够紧密贴合待测机件。

进一步优选的，所述石英粉的目数为100-5000目。

通过上述技术方案，能够带来的有益效果是：

同时，本发明还提供了一种真空低温光纤光栅温度传感器封装方法，其特征在于，该方法包括：

步骤一，制作封装外壳，所述封装外壳的外表面为半圆柱形，所述封装外壳的内表面在纵向上具有槽体；

步骤二，将光纤光栅固定于所述槽体中，所述封装外壳由与待测机件相同的材料制作而成，将封装外壳的内表面紧贴待测机件固定。

优选的，在所述步骤二中，通过以下方式将光纤光栅1固定于所述槽体中：

将石英粉掺入低温特种树脂中，形成填充物3填充槽体中的空隙，从而将所述光纤光栅1固定在所述槽体中。封装外壳的槽体两端通过低温胶和石英粉的混合物固定。采用该优选实施方式，制造的真空低温光纤光栅温度传感器的结构简单，通过填充石英粉提升了真空低温光纤光栅温度传感器的稳定性，避免了传统传感器中胶的老化变性问题。

进一步优选的，所述石英粉的目数为100-5000目。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种真空低温光纤光栅温度传感器，其特征在于，该真空低温光纤光栅温度传感器包括：

封装外壳和光纤光栅，所述封装外壳的外表面为半圆柱形，所述封装外壳的内表面在纵向上具有槽体，所述光纤光栅固定于所述槽体中，所述封装外壳的内表面紧贴待测机件固定，所述封装外壳由与待测机件相同的材料制作而成。

2.根据权利要求1所述的真空低温光纤光栅温度传感器，其特征在于，

所述封装外壳由金属材料制成。

3.根据权利要求1所述的真空低温光纤光栅温度传感器，其特征在于，

所述光纤光栅通过将石英粉掺入低温特种树脂中形成的填充物固定于所述槽体中。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的真空低温光纤光栅温度传感器，其特征在于，

所述封装外壳的槽体两端通过低温胶和石英粉的混合物固定。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的真空低温光纤光栅温度传感器，其特征在于，

所述槽体的角度为90°，所述槽体的深度＜5mm。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的真空低温光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述石英粉的目数为100-5000目。

7.一种真空低温光纤光栅温度传感器封装方法，其特征在于，该方法包括：

8.根据权利要求7所述的真空低温光纤光栅温度传感器封装方法，其特征在于，在所述步骤二中，通过以下方式将光纤光栅固定于所述槽体中：

将石英粉掺入低温特种树脂中，形成填充物填充槽体中的空隙，从而将所述光纤光栅固定在所述槽体中，封装外壳的槽体两端通过低温胶和石英粉的混合物固定。

9.根据权利要求7或8所述的真空低温光纤光栅温度传感器封装方法，其特征在于，

所述槽体的角度为90°，所述槽体的深度＜5mm。

10.根据权利要求7或8中任一项所述的真空低温光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述石英粉的目数为100-5000目。