CN112567219B - 利用光纤光栅传感器的温度测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用光纤光栅传感器的温度测定装置，本发明包括：光纤，使一部分旋转一次来在以预设直径形成的环部卷绕一圈以上并维持规定的形状；外罩，在内部配置上述光纤；以及光纤光栅传感器，设置于上述光纤中的形成直线的部分，从而，即使因外部温度变化而导致外罩发生变形，也防止在外罩内部隔开规定距离配置的光纤及光纤光栅传感器的变形，由此，能够以没有温度误差的方式精密地测定温度。

Description

利用光纤光栅传感器的温度测定装置

技术领域

本发明涉及利用光纤光栅传感器的温度测定装置，更详细地，涉及如下的利用光纤光栅传感器的温度测定装置，即，根据温度等的外部条件变化，检测从各个光栅反射的光的波长的变化来测定温度。

背景技术

通常，光纤传感器(optical fiber sensor)利用经过光纤的光的强度、光纤的折射率及长度、模式以及偏光状态的变化等来推定被测定量的传感器。

光纤的主要成分由石英玻璃形成，光纤传感器由作为光纤中心的芯部分和作为用于保护中心的保护层的覆盖部分，上述芯部分以稍微提高折射率的方式添加锗。

向光纤芯入射的光在折射率高的芯层与折射率低的覆盖层的边界面反射并沿着光纤维芯部分传播。

上述光纤传感器根据用途，分为强度型、相位型、衍射光栅型、模式调制型、偏振型、分布测定型等，提供电压、电流、温度、压力、应变、旋转率、音响、气体浓度等多种测定值。

光纤传感器可以测定超精密宽带，不受到电磁波的影响，远程测定轻松，传感器部不使用电，通过硅胶材质的卓越的耐腐蚀性，几乎不受到使用环境的限制。

在光纤传感器中的代表为光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating Sensor，以下称之为“光纤光栅传感器”)型的光纤传感器。

光纤光栅传感器为如下的传感器，即，在一束光纤，沿着规定的长度刻上多个光纤布拉格光栅之后，利用根据温度或强度等的外部条件变化，从各个光栅反射的光的波长改变的特性。

因此，在光纤光栅传感器中，当因向形成有光栅(grating)的光纤施加物理的力而发生变形时，在光栅中的光折射发生变化，测定这种折射变化来测定光纤的变形率，由此，测定光纤固定的结构物的变形率来得知作用于结构物的负荷及应力。

而且，光纤光栅传感器为如下的检测传感器，即，在光纤内，当光从折射率高的物质向折射率低的物质传播时，利用在上述边界面中均反射规定角度内的光的全反射的原理来检测变形率、角度、加速度、位移、温度、压力变化等。

例如，本申请人在以下的专利文献1及专利文献2等揭示利用光纤光栅传感器的技术并进行申请来授权。

另一方面，在现有技术的利用光纤光栅传感器的测定装置中，向直线型的保护管内部插入配置有光纤光栅传感器的光纤，保护管两端部与固定部件相结合来固定光纤，从而，通过固定部件，保护管内部的光纤不会因外部的应力而发生变形。

因此，在现有技术的利用光纤光栅传感器的测定装置中，为了可以实现准确地计测，外部的温度只能通过保护管来向内部的光纤传递，根据温度变化，仅有保护管的光纤发生变形。

通常，光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器的变形范围为极微细的－0.5nm至+0.5nm。

但是，在现有技术的利用光纤光栅传感器的测定装置中，根据外部温度的变化，保护管拉伸或缩短，随着通过固定部件固定光纤，与保护管的伸缩变化联动而发生光纤也将伸缩的现象。

如上所述，在光纤伸缩变形的情况下，除基于外部温度的变形值之外，还存在基于伸缩的误差值，因此，发生测定值的误差。

图1为现有技术的利用光纤光栅传感器的测定装置的结构图，图2为例示将光纤维弯曲的状态的图。

为了解决上述问题，如图1所示，在专利文献3中揭示了如下的测定装置结构，即，包括：保护管，包括至少一个弯曲部；光纤，与保护管的内壁隔开配置；以及温度测定用光纤光栅传感器，配置于光纤的一侧。

另一方面，为了在形成于保护管的弯曲部内部配置光纤，光纤也以具有与弯曲部相同的曲率的方式弯曲。

为此，在使一束光纤弯曲的情况下，随着光纤具有固有的刚性及弹性，即使最大程度弯曲，光纤维能够以弯曲的状态维持的曲率受限。

如图2所示，即使固定光纤的两端，弯曲的光纤因沿着如图2所示的箭头方向弯曲的光纤的外侧，即，上下方向作用的光纤的弹性，弯曲的曲率将增加，从而，弯曲的光纤的直径也将增加。

因此，在使一束光纤弯曲来制造测定装置的情况下，很难以比能够将光纤以弯曲的状态维持的限制直径小的大小来将测定装置小型化。

尤其，在将实际弯曲的光纤设置在保护管内部的情况下，光纤无法维持∩形状。

因此，专利文献3存在很难适用于实际产品的问题。

并且，随着仅有在光纤的两端中的一端与现有技术的利用光纤光栅传感器的测定装置的一端相连接，存在利用测定装置的两端无法测定温度的问题。

现有技术文献

专利文献1：韩国专利授权号第10-1057309号(2011年8月16日公告)专利文献2：韩国专利授权号第10-0992628号(2010年11月5日公告)

专利文献3：韩国专利授权号第10-1504028号(2015年3月18日公告)

发明内容

要解决的技术问题

本发明的目的用于解决上述问题，本发明的目的在于，提供如下的利用光纤光栅传感器的温度测定装置，即，利用光纤光栅传感器来对测定对象的温度进行测定。

本发明的再一目的在于，提供如下的利用光纤光栅传感器的温度测定装置，即，可通过使光纤弯曲来减少弯曲部分的直径，从而可以将温度测定装置最小化。

本发明的另一目的在于，提供如下的利用光纤光栅传感器的温度测定装置，即，根据测定对象的形状及大小，调节光纤弯曲部分的直径来以多种方式改变温度测定装置的大小。

解决问题的技术方案

为了实现上述目的，本发明的利用光纤光栅传感器的温度测定装置的特征在于，包括：环部，具有预设直径；光纤，卷绕在上述环部并维持规定形状；外罩，在内部配置上述光纤；以及光纤光栅传感器，设置于上述光纤中的相互平行配置的部分。

发明的有益效果

如上所述，根据本发明的利用光纤光栅传感器的温度测定装置，本发明具有如下的效果，即，光纤光栅传感器并不受到外部外罩的伸缩的影响，可根据传感器固有的温度特性准确地测定温度。

即，根据本发明，本发明具有如下的效果，即，在具有规定直径的环卷绕规定圈数的光纤来以∩形状弯曲的弯曲部和相互平行配置的一对平行部或直线形状的区间等维持规定形状，以在外罩内部，与内壁面隔开规定距离来设置。

由此，根据本发明，本发明具有如下的效果，即，即使因外部温度变化而导致外罩发生变形，也可以防止在外罩内部隔开规定距离配置的光纤及光纤光栅传感器的变形，由此，能够以没有误差的方式精密地测定温度。

而且，根据本发明，本发明具有如下的效果，即，可通过使光纤弯曲来减少弯曲部分的直径来以此将温度测定装置小型化，可根据测定对象的形状及大小，调节光纤弯曲部分的直径来以多种方式调节温度测定装置的大小。

并且，根据本发明，本发明具有如下的效果，即，在光纤的两侧分别设置一对光纤光栅传感器，均可利用光纤的两端来测定温度。

并且，根据本发明，本发明具有如下的效果，即，分别在光纤的两侧设置温度测定用光纤光栅传感器和湿度测定用来同时测定温度和湿度。

附图说明

图1为现有技术的利用光纤光栅传感器的测定装置的结构图。

图2为例示使光纤弯曲的状态的图。

图3为本发明优选实施例的利用光纤光栅传感器的温度测定装置的结构图。

图4至图6为示出在环部卷绕光纤的过程的图。

图7为本发明再一实施例的利用光纤光栅传感器的温度测定装置的结构图。

图8为本发明另一实施例的利用光纤光栅传感器的温度测定装置的结构图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细说明本发明优选实施例的利用光纤光栅传感器的温度测定装置。

图3为本发明优选实施例的利用光纤光栅传感器的温度测定装置的结构图。

以下，如“左侧”、“右侧”、“前方”、“后方”、“上方”及“下方”的指示方向的术语以各个图中所示的状态为基准指示各个方向。

在本发明中，可在具有预设直径的环部卷绕光纤来形成管线的弯曲部，将弯曲部的直径最小化，由此可以将温度测定装置小型化，以可根据测定温度的对象或设置测定装置的对象(以下，称之为“对象”)的形状及大小来实现小型化。

详细地，如图3所示，本发明优选实施例的利用光纤光栅传感器的温度测定装置10包括：光纤20，卷绕在具有预设直径的环部21来以∩形状弯曲而成；以及外罩30，在内部配置光纤20。

光纤20可包括：环部21，以具有预设直径的方式呈换形状，以与对象的形状及大小对应；弯曲部22，在环部21卷绕至少一圈以上并维持弯曲的形状；一对平行部23，沿着弯曲部22的两侧延伸，相互平行地配置；以及一对固定部24，分别从一对平行部23延伸，固定于外罩30。

随着在一对平行部23之间形成弯曲部22，可以维持相互平行的状态。

在一对平行部23延伸的一对固定部24可分别固定于外罩30，通过所固定的我找30的一端引出来与测定终端(未图示)相连接。

其中，在一对平行部23设置光纤光栅传感器40，光纤光栅传感器40根据对象的温度变化改变长度或折射率。

因此，上述测定终端可通过检测从光纤光栅传感器40输出的光的波长变化来测定温度。

一对固定部24为固定于外罩30的部分，以防止因外部的冲击或振动所导致的损伤的方式在一对固定部24可形成用于保护固定部24的涂层25。

外罩30可大致呈六面体形状，在外罩30的内部可形成设置光纤20的环部21和弯曲部22及平行部23的设置空间。

优选地，上述设置空间的体积大于光纤20的体积，以使外罩30的内壁面与光纤20相互隔开。

而且，在外罩30的一侧端，例如，图3所示的左侧端固定一对固定部24。

外罩30的另一侧端,即,图3所示的右侧面可呈以具有比光纤20的环部21及弯曲部22的直径更大直径的半圆形状圆弧曲面。

在外罩30的右侧部可形成直径小于光纤20的环部21及弯曲部22的直径的圆形状的贯通孔。

即，环部21及弯曲部22和外罩30的右侧面及上述贯通孔以隔开规定距离的方式呈相互不同直径的圆形状或半圆形状。

如上所述，在本发明中，将光纤卷绕在环部来形成弯曲形状，在外罩内部，与外罩的内壁面隔开规定距离配置。

接着，参照图3至图6，说明本发明优选实施例的利用光纤光栅传感器的温度测定装置的结合结构及工作方法。

图4至图6为示出卷绕光纤的过程的图。

图4和图5的(a)部分和(b)部分分别示出在环部卷绕一圈、2圈光纤的状态和固定光纤的两端的状态，图6示出在环部卷绕3圈光纤的状态。

首先，工作人员旋转光纤20的一部分来形成环部21之后，将光纤20的一端卷绕在环部21规定圈数来形成弯曲部22和平行部23。

例如，在本实施例中，环部21的直径可以为10mm至15mm。

当然，本发明并不局限于此，根据需要测定的对象或附着温度测定装置的对象的形状及大小，能够以多种方式改变来设定环部的直径。

如图4的(a)部分所示，若将光纤20的一端卷绕在环部21一圈，则光纤20的两端分别沿着上方及下方展开接近180°的角度。

因此，如图4的(b)部分所示，即使固定光纤20的两端，光纤20以卷绕在环部21的弯曲部22为中心，呈比环部21的曲率更大的曲率，即，以与环部21的直径相比，具有更大直径的弧形状的弯曲形状。

而且，如图5的(a)部分所示，若将光纤20的一端卷绕在环部21两圈，则光纤20的两端分别沿着上下方向展开90°左右的角度。

而且，如图5的(b)部分所示，即使固定光纤20的两端，光纤20以卷绕在环部21的弯曲部22为中心，呈曲率大于环部21的曲率，即，以与环部21的直径相比，具有更大直径的弧形状弯曲的形状。

相反，如图6所示，若将光纤20的一端卷绕在环部21三圈，则光纤20的两端相互平行地配置。

即，如图4及图5所示，在环部21卷绕一圈或两圈的光纤20的情况下，光纤20的两端分别形成规定角度并沿着上下方向展开。

由此，即使将光纤20卷绕在环部21，也无法获得平行部23，从而无法实现温度测定装置10的小型化。

但是，如图6所示，在环部21卷绕3圈光纤的情况下，光纤20的两端可以相互平行地配置并获得平行部23。

当然，本发明并不局限于此，根据环部21的直径，将光纤20卷绕在环部21的圈数以多种方式改变，由此可以获得平行部23。

因此，在本实施例的测定装置10中，若外部的温度上升，则外罩30通过热膨胀发生微细的长度变形，因此，外罩30的上端部微细地向上方拉伸。

即使发生这种外罩30的变形，在外罩30的内壁面与光纤20之间存在隔开距离，因此，光纤20不会与外罩30的内壁面接触，基于外罩30的变形的光纤20的固有长度不会改变。

相反，随着外部温度的降低，在外罩30收缩的情况下，光纤20的固有长度也不会改变。

因此，在本发明中，即使因外部温度变化而导致外罩发生变形，也可以防止在外罩内部隔开规定距离配置的光纤及光纤光栅传感器的变形，由此，能够以没有温度误差的方式精密地测定温度。

而且，在本发明中，在光纤的两侧分别设置一对光纤光栅传感器，均利用光纤的两端来测定温度。

另一方面，图7为本发明再一实施例的利用光纤光栅传感器的温度测定装置的结构图。

如图7所示，在本案发明另一实施例的利用光纤光栅传感器的温度测定装置10中，在一对平行部中的一个设置温度测定用光纤光栅传感器40，在另一个设置湿度测定用光纤光栅传感器50。

湿度测定用光纤光栅传感器50可以在光纤光栅传感器的外部面涂炭来形成。

因此，若外部的湿气被碳所吸附，则湿度测定用光纤光栅传感器50的体积将会增加，由此，光纤20的长度也将增加。

因此，与湿度测定用光纤光栅传感器50相连接的光纤20的一端可以与测定终端相连接，通过基于光纤20的长度变形的光的波长变化测定湿度。

为了提高这种湿度测定用光纤光栅传感器50的功能，在外罩30中，与湿度测定用光纤光栅传感器50相对应的位置形成通气部31，以使外部的空气可以顺畅地流入。

通气部31可以由至少一个通孔形成。

上述通气部31也可以形成于与光纤光栅传感器40对应的位置。

如上所述，在本发明中，在光纤的两侧可分别设置温度测定用光纤光栅传感器和湿度测定用光纤光栅传感器来同时测定温度和湿度。

图8为本发明另一实施例的利用光纤光栅传感器的温度测定装置的结构图。

如图8所示，本发明另一实施例的利用光纤光栅传感器的温度测定装置10以将光纤20的一端卷绕在环部21 4圈的方式改变。

即，在上述实施例中，通过卷绕3圈光纤20来形成一对平行部23。

相反，在本实施例中，如图8所示，卷绕4圈以上来将光纤20的上部大致维持半圆形状，将光纤20的下部大致维持V形状。

如上所述，在本发明中，无需平行地配置光纤的两端，通过增加卷绕在环部的圈数来防止光纤的上部和下部分别流动，并维持规定形状。

因此，光纤光栅传感器40和湿度测定用光纤光栅传感器50可设置于在光纤20的两侧分别以直线维持的直线区间26。

而且，在上述实施例中，使一束光纤20旋转一次来形成环部21，光纤20的一端卷绕在环部21，但本发明并不局限于此。

即，在本发明中，以呈环形状的方式单独制造环部21，以将光纤20再次卷绕在环部21的方式变更。

其中，环部21可利用多种材质来具有多个直径。

只是，在利用温度测定装置10来测定温度的过程中，利用额外的光纤20来制造环部21，以具有与基于温度变化的光纤20的热膨胀率相同的热膨胀率。

以上，根据上述实施例，具体说明了本发明人员的发明，本发明并不局限于上述实施例，在不超出上述主旨的范围内，本发明可以具有多种变更。

产业上的可利用性

本发明适用于如下的利用光纤光栅传感器的测定装置技术，及，即使因外部温度变化而导致外罩发生变形，也能够放置在外罩内部以规定距离隔开配置的光纤及光纤光栅传感器的变形，由此，能够以没有误差的方式精密地测定温度。

Claims (5)

1.一种利用光纤光栅传感器的温度测定装置，其特征在于，

包括：

环部，具有预设直径；

光纤，在上述环部卷绕一圈以上并维持规定的形状；

外罩，在内部配置上述光纤；以及

光纤光栅传感器，设置于上述光纤中的形成直线的部分，

上述光纤配置在上述外罩内部，且与上述外罩隔开配置来对测定对象的温度进行测定，

上述光纤包括：

弯曲部，在上述环部卷绕一圈以上并维持弯曲的形状；

一对平行部，沿着上述弯曲部的两侧延伸，相互平行地配置；以及

一对固定部，分别从上述一对平行部延伸，固定于上述外罩，

上述一对平行部通过形成在上述一对平行部之间的上述弯曲部维持相互平行地配置的状态。

2.根据权利要求1所述的利用光纤光栅传感器的温度测定装置，其特征在于，

上述环部利用热膨胀率与上述光纤相同的材质来分开单独制造。

3.根据权利要求1所述的利用光纤光栅传感器的温度测定装置，其特征在于，

上述环部由上述光纤的一部分旋转形成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的利用光纤光栅传感器的温度测定装置，其特征在于，

上述环部的直径以与测定对象或需要附着上述温度测定装置的对象的形状及大小相对应的方式设定，

上述光纤根据上述环部的直径来以不同的圈数卷绕在上述环部。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的利用光纤光栅传感器的温度测定装置，其特征在于，

还包括湿度测定用光纤光栅传感器，设置于在上述光纤的两侧形成直线的一对区间中的一个。