CN112304469A

CN112304469A - 基于双金属悬臂梁的fbg温度传感器及其应用

Info

Publication number: CN112304469A
Application number: CN202010954557.4A
Authority: CN
Inventors: 杨爽; 汤玉泉; 张志荣; 胡洲畅
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2021-02-02
Also published as: CN111174933A

Abstract

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体地说，涉及一种基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器及其应用。该FBG温度传感器包括采用热双金属片构成的热双金属悬臂梁，热双金属片主动层的外侧设有光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅在热双金属悬臂梁固定端与自由端之间的方向上进行延伸。该应用通过上述的FBG温度传感器实现。本发明能够较佳地对现有FBG温度传感器进行增敏。

Description

基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器及其应用

本申请要求于2019年12月10日提交至中国知识产权局的名称为“基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器及其应用”的发明专利申请201911260950.7的优先权，其全部内容结合于此供参考。

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体地说，涉及一种基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器及其应用。

背景技术

温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产和科学实验中需要经常测量和控制的主要参数之一，也是与人们日常生活最密切关联的一个重要的物理量。目前，最为常用电学类温度传感器是热电偶温度传感器和热敏电阻温度传感器，但是这两类传感器均具有测量精度低、长期稳定性差、无法长距离传输以及不抗电磁干扰等缺点，无法满足在如强电磁干扰辐射等恶劣环境下的工作使用需求。

加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人在1978年首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤布拉格光栅(FBG)。随后又发现了FBG的温度敏感特性，逐渐演变出一种将FBG用于温度测量的传感技术，由FBG作为主要核心器件的温度传感器称为FBG温度传感器。FBG温度传感器具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、带宽大等优点，并能实现多点分布式测量，在工农业生产和科学实验中应用广泛，研究成果丰硕。

然而，温度测量的实际应用需求一直推动着研究学者们不断提高温度测量分辨率和灵敏度，如对FBG进行保护性封装和敏化封装。保护性封装和增敏封装主要有：金属基片式封装，将FBG的两端分别固定在基底材料的表面，起到保护FBG的作用，若基底的热膨胀系数大于光纤的热膨胀系数，则会提高传感器的温度灵敏度；聚合物封装，选用热膨胀系数较大的聚合区材料(如聚酰纤维)作为基底，相比于金属基底封装，其制成的FBG温度传感器灵敏度更高。无论是金属基片式封装还是聚合物封装，在抗破坏性上仍有不足，因此通常还会在金属基片式封装或聚合物封装的基础上，在外部再用金属管装物或盒状物进行保护性封装，以满足实际使用需求。除此之外，还有金属化涂覆封装、微纳加工封装、特种光纤等方式提高传感器的灵敏度，但是这些技术成本较高，距离实际应用较远。

随着社会经济的迅速发展，各行各业对温度传感器灵敏度要求越来越高。因此，不断研究提高FBG温度传感器灵敏度的方法和结构，并研制出高温度灵敏度的FBG传感器，对工农业生产和科学实验发展有着重大意义。

发明内容

本发明提供了一种基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其包括采用热双金属片构成的热双金属悬臂梁，热双金属片主动层的外侧设有光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅在热双金属悬臂梁固定端与自由端之间的方向上进行延伸。

相较于传统仅采用光纤布拉格光栅进行温度测量的传感器结构，本发明中，利用热双金属片受热形变的特性，能够为光纤布拉格光栅引入额外的形变量，从而能够较佳地提升光纤布拉格光栅的传感灵敏度。另外，通过搭建热双金属悬臂梁且使得光纤布拉格光栅在热双金属悬臂梁的固定端与自由端之间的方向上进行延伸，能够教案地保证光纤布拉格光栅传感过程中的线性。通过上述构造使得本发明的FBG温度传感器能够具备较佳抗干扰、长期稳定性好、测量精度高等优点，进而能够在高温高压和强电磁干扰的恶劣环境下进行高精度和高分辨率的温度测量。

此外，相较于传统针对FBG温度传感器的增敏方式，本发明中不需要特殊的封装结构，其在具体使用时，能够将热双金属片的一端直接固定于测量面处或是通过下文所述的固定结构处，进而实现热双金属悬臂梁的搭建，从而便于生产、制造和使用。

作为优选，热双金属片的形状为长方形，热双金属片沿长度方向的一端构造成热双金属悬臂梁的固定端，热双金属片沿长度方向的另一端构造成热双金属悬臂梁的自由端。通过设置热双金属片的形状为长方形，且使得热双金属片沿长度方向的一端为固定端A、另一端为自由端B，同时保持光纤布拉格光栅沿热双金属片的长度方向设置，能够较佳地保证通过热双金属片引入的额外应变与温度变化间的线性关系，从而能够较佳地保证FBG温度传感器的线性。

作为优选，还包括设于热双金属悬臂梁固定端处的固定结构，固定结构与热双金属片的对应端固定连接。从而能够较佳地实现热双金属悬臂梁的固定。

作为优选，固定结构包括固定板或固定面。从而便于设置。

作为优选，光纤布拉格光栅敷设于热双金属片处。从而能够较佳地便于应变的传递。

作为优选，光纤布拉格光栅与热双金属片焊接连接。从而能够较佳便于固定。

基于任一上述的双金属悬臂梁的FBG温度传感器，本发明还提供了一种采用任一上述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器对温度进行测量的应用。从而能够较佳地便于对温度的测量。

作为优选，对FBG温度传感器进行标定后对温度进行测量。从而能够较佳地对FBG温度传感器进行校准。

基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器的应用，其包括采用任一上述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器对管道温度进行测量，其中，将FBG温度传感器的双金属悬臂梁的固定端直接安装在管道内的钢管壁上，通过金属热传导性，测量得到钢管的实际温度。

作为优选，在管道上多个关键节点布置多个传感器阵列，沿液体输送方向，一次测量温度分布情况。

附图说明

图1为实施例1中的FBG温度传感器在热双金属片未发生形变时的示意图；

图2为实施例1中的FBG温度传感器在热双金属片发生形变时的示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

如图1和2所示，本实施例提供了一种基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其包括采用热双金属片110构成的热双金属悬臂梁120，热双金属片110的主动层111的外侧设有光纤布拉格光栅130，光纤布拉格光栅130在热双金属悬臂梁120的固定端A与自由端B之间的方向上进行延伸。

本实施例中的热双金属片110采用现有结构即可，现有技术中，热双金属片是一种极为重要的热敏元件，其主要由两种或两种以上热膨胀系数不同的金属材料组成的复合材料，其中拥有较大热膨胀系数的金属材料层作为主动层，较低热膨胀系数的金属材料层作为被动层。

本实施例中的热双金属片110为双层结构，其包括主动层111和被动层112。其中，主动层111的材质能够为镍、黄铜或镍铜锰铬铁的合金等；被动层112的材质能够为含镍34％～50％的因瓦合金。

本实施例中，通过将热双金属片110的一端进行固定即可较佳地形成热双金属悬臂梁120，其中，热双金属悬臂梁120被固定的一端为固定端A、与之相对的另一端即为自由端B。

相较于传统仅采用光纤布拉格光栅130进行温度测量的传感器结构，本实施例中，利用热双金属片110受热形变的特性，能够为光纤布拉格光栅130引入额外的形变量，从而能够较佳地提升光纤布拉格光栅130的传感灵敏度。另外，通过搭建热双金属悬臂梁120且使得光纤布拉格光栅130在热双金属悬臂梁120的固定端A与自由端B之间的方向上进行延伸，能够教案地保证光纤布拉格光栅130传感过程中的线性。通过上述构造使得本实施例中的FBG温度传感器能够具备较佳抗干扰、长期稳定性好、测量精度高等优点，进而能够在高温高压和强电磁干扰的恶劣环境下进行高精度和高分辨率的温度测量。

此外，相较于传统针对FBG温度传感器的增敏方式，本实施例中不需要特殊的封装结构，其在具体使用时，能够将热双金属片110的一端直接固定于测量面处或是通过下文所述的固定结构处，进而实现热双金属悬臂梁120的搭建，从而便于生产、制造和使用。

结合图1所示，为本实施例中的FBG温度传感器在热双金属片110未发生形变时的示意图。其中，主动层111的厚为h₁、长为l、宽为c、热膨胀系数为α₁，杨氏模量为E₁；被动层112的厚为h₂，长为l，宽为c，热膨胀系数为α₂，杨氏模量为E₂。

在温度发生变化时，由于主动层111和被动层112的热膨胀系数不同和热应力分布不均，故热双金属片110会产生弯曲变形，即将热能转化为机械能。其中，由于主动层111的热膨胀系数大，故热双金属片110会向被动层112侧弯曲；同时，由于热双金属悬臂梁120的构造，故自由端B会向被动层112侧产生一定量的位移。

结合图2所示，假定图1中所示状态的温度为T₀，图2中所示状态的温度为T，温度改变量为ΔT＝T-T₀，悬臂梁自由端位移为d。

根据耦合模理论可知，FBG传感测量的基本公式为：

上式中，λ_B为光纤布拉格光栅130的中心反射波长，Δλ_B为λ_B的改变量，α_F为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，p_e为光纤的弹光系数，Δε为轴向应变的改变量。

现有的FBG温度传感器在进行温度测量时，不引入额外的应变，即测量公式为：

故现有的FBG温度传感器的灵敏度系数为：K_T＝α_F+ξ。

结合图1和2，设定本实施例中的光纤布拉格光栅130的中心设于距热双金属悬臂梁120的自由端B为x的位置处。

由材料力学知识可知，自由端B的位移为d与温度改变量ΔT的关系为：

上式中，K＝4+6n+4n²+βn³+1/βn，n＝h₁/h₂，β＝E₁/E₂。

光纤布拉格光栅130设置位置处的应变与自由端B处的位移d的关系为：

故可以得到，光纤布拉格光栅130设置位置处的应变与温度改变量ΔT的关系为：

上式中，ε_x即为温度为T时相对于T₀时的应变改变量Δε。

从而，本实施例中的FBG温度传感器的温度传感表达式为：

故可以知晓，本实施例中的FBG温度传感器的灵敏度系数为：

根据K_T和K’_T的表达式可知，本实施例中，通过热双金属悬臂梁120能够为光纤布拉格光栅130在温度测量时引入额外的应变，从而能够有效地提升其温度灵敏度系数，进而能够有效地提高温度测量的分辨率和灵敏度。

本实施例中，热双金属片110的形状为长方形，热双金属片110沿长度方向的一端构造成热双金属悬臂梁120的固定端A，热双金属片110沿长度方向的另一端构造成热双金属悬臂梁120的自由端B。

本实施例中，通过设置热双金属片110的形状为长方形，且使得热双金属片110沿长度方向的一端为固定端A、另一端为自由端B，同时保持光纤布拉格光栅130沿热双金属片110的长度方向设置，能够较佳地保证通过热双金属片110引入的额外应变与温度变化间的线性关系，从而能够较佳地保证FBG温度传感器的线性。

本实施例的FBG温度传感器还能够包括设于热双金属悬臂梁120固定端处的固定结构，固定结构与热双金属片110的对应端固定连接。从而能够较佳地实现热双金属悬臂梁120的固定。

其中，本实施例中的固定结构包括固定板140，热双金属片110与固定板140连接形成热双金属悬臂梁120，固定板140能够与被测工件进行连接。

本发明的另一较佳实施例中，固定结构还能够包括固定面，固定面能够为被测工件处的连接面，也能够为一保护壳体的内侧壁。

本实施例中，光纤布拉格光栅敷设于热双金属片处。从而能够较佳地便于应变的传递。

本实施例中，光纤布拉格光栅130与热双金属片110焊接连接。从而能够较佳便于固定，且能够较佳地便于热双金属片110处应变向光纤布拉格光栅130的传递。

基于本实施例中的FBG温度传感器，本实施例还给出了将其用于对温度进行检测的具体应用。

此外，在实际进行应用时，还能够对FBG温度传感器进行标定后对温度进行测量。由于在实际制作过程中，很难精确设置光纤布拉格光栅130的位置(即本实施例中的x很难精确设置)，通过标定，即可较佳地对FBG温度传感器进行校准。

通过本实施例中的FBG温度传感器，能够较佳地提升现有FBG温度传感器的灵敏度，且实现简单。

本实施例中的FBG温度传感器在具体使用时，能够将光纤布拉格光栅130接入现有的数据采集或处理单元中，并根据标定结果和/或其温度传感表达式设置相关参数，即可较佳地实现对温度的监测。

应用实例

管道可以输送液体、气体和浆体等，既方便快捷又有利于控制管理，安全密闭，运输量大，成本费用较低。由于其独特的优势，目前已成为继公路、铁路、水运和航运之后的第五大运输方式。随着经济的发展，管道运输越来越重要，特别是在石油、天然气的输送以及市政给排水和供热供气等方面。

随着管线敷设距离的延长，服役期的增长，由于运行磨损、设备老化、腐蚀，地质和气候环境变化以及人为损坏等，管道泄漏时有发生。目前我国大部分管道已经运行了20年以上，我国油田管道穿孔率0.66次每km每天左右，大中城市自来水的损失率在20％左右。

管道泄漏不仅影响管道正常运输，当运输有毒有害易燃易爆物质时，还会污染环境，已发爆炸。管道泄漏将直接威胁人们的生活和生存环境，影响社会安定，造成较大的经济损失和不良的社会影响。

热力管网正常运行过程中，由于管道腐蚀，外力作用，施工质量等因素的影响，管道可能会产生泄露，特别是微小的渗漏情况，如能及时发现，将为管道及时维修、保养提供科学的预测信息，以便预防大泄露甚至破坏事故的发生，降低经济损失和社会不良影响。因此，需要稳定可靠的检测技术来实现管道泄漏的监测与预警。

分布式光纤拉曼温度传感器(Raman distributed optical fiber temperaturesensor，RDTS)是近20多年来发展起来的一种实时、连续测量空间温度分布的技术。在能源领域，RDTS可用于长距离气液管道(石油、热力、天然气)的泄漏监测，由于泄漏的物质与土壤介质之间会有温度梯度，通过RDTS对管道周围的温度场变化进行监测，再通过建模分析即可实现泄漏点判断和定位。

RDTS技术利用与管道同沟敷设的光缆，监测管道周围的温度分布，但是无法测量管道内壁甚至管道内部输送液体的温度。本发明所述的传感器，可以在除去(例如剥离)管道表面防腐层和保温层的情况下，将双金属悬臂梁的固定端直接安装在管道内钢管壁上，通过良好的金属热传导性，即可测量得到钢管的实际温度，甚至估算管道内输送液体温度。

在管道上多个关键节点布置多个传感器阵列，沿液体输送方向，一次测量温度分布情况，即可估算热力管网输送时的热量损失情况和实际输送温度。根据管网内液体温度分布及热损情况，综合实际供热需求，可以合理调配管网实际输送比例，进行热力输送的合理调配，达到节能减排的效果。也可根据温度分布情况，判断热力管网故障范围，有利于管网检修。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其包括采用热双金属片构成的热双金属悬臂梁，热双金属片主动层的外侧设有光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅在热双金属悬臂梁固定端与自由端之间的方向上进行延伸。

2.根据权利要求1所述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其特征在于：热双金属片的形状为长方形，热双金属片沿长度方向的一端构造成热双金属悬臂梁的固定端，热双金属片沿长度方向的另一端构造成热双金属悬臂梁的自由端。

3.根据权利要求1所述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其特征在于：还包括设于热双金属悬臂梁固定端处的固定结构，固定结构与热双金属片的对应端固定连接。

4.根据权利要求3所述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其特征在于：固定结构包括固定板或固定面。

5.根据权利要求1所述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其特征在于：光纤布拉格光栅敷设于热双金属片处。

6.根据权利要求6所述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其特征在于：光纤布拉格光栅与热双金属片焊接连接。

7.基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器的应用，其包括采用任一上述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器对温度进行测量。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：对FBG温度传感器进行标定后对温度进行测量。

9.基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器的应用，其包括采用任一上述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器对管道温度进行测量，其中，将FBG温度传感器的双金属悬臂梁的固定端直接安装在管道内的钢管壁上，通过金属热传导性，测量得到钢管的实际温度。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：在管道上多个关键节点布置多个传感器阵列，沿液体输送方向，一次测量温度分布情况。