CN114088240B - 冷热伸长型光纤光栅温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷热伸长型光纤光栅温度传感器，由第一安装件、第二安装件和光纤组成，第一安装件和第二安装件的热膨胀系数不同，第一安装件开设有缺口，第二安装件的一端和第一安装件固定连接，第二安装件的另一端设有凸台，凸台将缺口分割为两个光栅安装空间，光纤设有第一光纤光栅和第二光纤光栅，第一光纤光栅安装于其中一个光栅安装空间，第一光纤光栅两端的光纤分别固定于第一安装件和凸台，第二光纤光栅安装于另一个光栅安装空间，第二光纤光栅两端的光纤分别固定于凸台和第一安装件。无论遇冷还是遇热，本发明的光纤光栅之一总是处于悬空拉伸状态，有效避免了啁啾及初始的大预应力，灵敏度仍保持较高水平，温度测量的范围还提高了二倍。
Description
技术领域
本发明涉及光传感技术领域，特别是一种冷热伸长型光纤光栅温度传感器。
背景技术
冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土(数小时/数日以至半月)，季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(数年至数万年以上)。温度作为冻土层区别于其他介质最重要的物理量，其实时、准确获取对高寒高海拔地区道路工程安全与健康具有重要的意义。从目前国内外冻土温度测量方面的研究现状和成果可以发现，所使用的温度传感器普遍采用电磁类传感器，测量精度低(±0.1℃)，寿命短，可靠性差，且传感器的数量受限，不能满足冻土地层温度梯度的高纵向分辨率需要。
光纤光栅温度传感器利用外界温度的改变会引起光栅周期和折射率的变化，从而导致光纤光栅中心波长的变化这一机理，这样，通过检测光纤光栅中心波长的变化，即可获得温度信息。光纤光栅温度传感器是波长调制型传感器，与传统的电子或机械传感器相比，除了具有传统光纤传感器的一些优点，如灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、抗腐蚀、传输损耗小、可靠性高、体积小、重量轻等特点，而且还有其自身独特的优势，如传感信号不受光源起伏、光路损耗等因素的影响；抗干扰能力强；传感探头结构简单；易于使用波分复用技术而形成准分布式测量等特点。因此，光纤光栅在温度传感领域的应用引起了人们的广泛关注和极大兴趣，具有重要的学术研究价值和市场应用前景。
受限于信号解调仪器的波长检测精度，故基于裸光纤光栅的温度传感器的测温灵敏度较低，无法直接用于高分辨率冻土地层温度的测量。目前常用的光纤光栅温度传感器增敏方法有单金属基底封装、聚合物封装和双金属基底封装等。单金属基底封装就是将光纤光栅全部或两点固定在热膨胀系数较高的金属基底表面，但其增敏效果有限，制成的光纤光栅温度传感器约为裸光纤光栅的3倍左右。聚合物封装由于其热膨胀系数更大，故相比于金属基底封装，其制成的光纤光栅温度传感器灵敏度更高，但是大多数聚合物材料均存在玻璃化温度，等温度高于玻璃化温度后，其热膨胀系数、弹性模量等都会受到很大的变化，从而使得光纤光栅温度传感器的使用范围大大受限。
专利号为CN202010954557.4的中国专利公开了一种“基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器及其应用”。它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，利用热双金属片受热形变的特性，为光纤布拉格光栅引入额外的形变量，从而提高光纤布拉格光栅的传感灵敏度。这种传感器由于光纤光栅的额外形变取决于双金属悬臂梁的热形变，因此灵敏度提升有限。专利中仅介绍了“光纤布拉格光栅敷设于热双金属片处”或“光纤布拉格光栅与热双金属片焊接连接”，而未对悬臂梁的类型及光栅粘贴的位置进行说明，存在引起光纤光栅啁啾而影响传感器正常使用的可能。
专利号为CN200810105788.7的中国专利公开了一种“工作于高、低温的高灵敏度光纤光栅温度传感器的制作方法”。它采用特殊的双金属结构，可通过调节光纤光栅的预松长度，调节传感器的开始工作的温度，故灵敏度很高。但该方法受限于普通光纤光栅的抗拉强度，故制作的传感器的量程较小，且该传感器在设置工作温度范围时的位移调整以1/100mm为单位，对封装操作的要求很高。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的传统光纤光栅温度传感器遇热拉伸、遇冷压缩容易引起光纤光栅啁啾且灵敏度较低的问题，提供一种冷热伸长型光纤光栅温度传感器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种冷热伸长型光纤光栅温度传感器，由第一安装件、第二安装件和光纤组成，所述第一安装件和所述第二安装件的热膨胀系数不同，所述第一安装件开设有缺口，所述第二安装件的一端和所述第一安装件固定连接，所述第二安装件的另一端设有凸台，所述凸台将所述缺口分割为两个光栅安装空间，所述光纤设有第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述第一光纤光栅安装于其中一个所述光栅安装空间，所述第一光纤光栅两端的光纤分别固定于所述第一安装件和所述凸台，所述第二光纤光栅安装于另一个所述光栅安装空间，所述第二光纤光栅两端的光纤分别固定于所述凸台和所述第一安装件。
本发明与普通双材料光纤光栅温度传感器相比，无论遇冷还是遇热，光纤光栅之一总是处于悬空拉伸状态，有效避免了啁啾及初始的大预应力，且灵敏度仍保持较高水平，温度测量的范围还提高了二倍。冷热伸长型光纤光栅温度传感器结构简单、易于加工、封装方便，不仅可用于高分辨率冻土地层温度的测量，还可用于其它温度测量范围大测量精度高的应用场景。
作为本发明的优选方案，所述凸台在所述缺口内的安装位置可调，从而能够调整温度传感器的响应灵敏度。
作为本发明的优选方案，所述第二安装件的一端和所述第一安装件可拆卸式连接，从而便于优化两个安装架的结构、尺寸、材料等。
作为本发明的优选方案，所述第二安装件的一端和所述第一安装件螺纹连接。
作为本发明的优选方案，所述凸台的宽度小于所述缺口的宽度，为所述凸台提供了足够大的伸缩变形空间。
作为本发明的优选方案，两个所述光栅安装空间的长度相等，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的长度相等且小于每个所述光栅安装空间的长度。
作为本发明的优选方案，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅之间的距离大于所述凸台的长度。
作为本发明的优选方案，所述第二安装件为L型结构，所述凸台的高度等于所述第一安装件的高度，所述第一安装件开设有槽口，所述第一安装件和所述第二安装件装配连接后，装配体的高度等于所述第一安装件的高度。
作为本发明的优选方案，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅预施加有预应力。
作为本发明的优选方案，所述第一安装件和所述第二安装件中其中一个为因瓦合金结构件，另一个为不锈钢结构件或铝合金结构件。当然，第一安装件和第二安装件也可以采用其他热膨胀系数差较大的材质进行制作。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、常规光纤光栅温度传感器的敏感元件在遇冷时收缩，光纤光栅要么提前需要施加很大的预应力，要么需要全粘贴，前者的长期较高应力会导致传感器的响应特性和寿命大受影响，后者可能会导致光纤光栅出现啁啾，导致传感器的中心波长不稳定。而本发明设计的传感器无论遇冷或遇热，总有一个两点封装的光纤光栅处于悬空拉伸状态，避免了啁啾并增强了传感器的稳定性和可靠性。
2、本发明设计的传感器与常规光纤光栅温度传感器相比，无须精确量化预应力的控制，只需要简单拉直光纤光栅，略微施加微小预应力即可，大大简化了封装装置、封装工艺及对封装技术人员的要求。
3、本发明采用传感器一体设计，只有两个机械部件，结构简单，易于加工。
4、本发明有效提高了光纤光栅温度传感器的响应灵敏度。
5、本发明通过双光纤光栅分别测量升温与降温，将光纤光栅温度传感器的测量范围扩大了一倍。
附图说明
图1是本发明所述的冷热伸长型光纤光栅温度传感器的结构示意图一。
图2是本发明所述的冷热伸长型光纤光栅温度传感器的结构示意图二。
图3是本发明所述的冷热伸长型光纤光栅温度传感器的俯视图。
图4是本发明所述的第一安装件的结构示意图一。
图5是本发明所述的第一安装件的结构示意图二。
图6是本发明所述的第二安装件的结构示意图。
图7是本发明所述的第二安装件的侧视图。
图标：1-第一安装件，11-缺口，12-槽口，2-第二安装件，21-凸台，3-光纤，31-第一光纤光栅，32-第二光纤光栅，4-螺纹紧固件。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-图7所示，一种冷热伸长型光纤光栅温度传感器，由第一安装件1、第二安装件2和光纤3组成。第一安装件1和第二安装件2的热膨胀系数不同，第一安装件1开设有缺口11，第二安装件2的一端和第一安装件1固定连接，第二安装件2的另一端设有凸台21，凸台21将缺口11分割为两个光栅安装空间，光纤3设有第一光纤光栅31和第二光纤光栅32，第一光纤光栅31安装于其中左侧的光栅安装空间，第一光纤光栅31两端的光纤分别固定于第一安装件1和凸台21，第二光纤光栅32安装于右侧的光栅安装空间，第二光纤光栅32两端的光纤分别固定于凸台21和第一安装件1。
当传感器所处环境温度发生变化时，一方面，两个光纤光栅受热膨胀效应及热光效应影响，其中心波长产生较小的变化。另一方面，由于第一安装件1和第二安装件2的热膨胀系数差异较大，使两个光栅安装空间一段变长一段缩短，从而拉紧或放松固定于其间的光纤光栅，由此额外应力将导致两个光纤光栅中心波长产生较大的变化。与常规光纤光栅温度传感器相比，无论外界温度变冷或变热，两个光纤光栅之一都将受拉伸长，处于工作状态。在保持高灵敏度的同时，有效避免了光纤光栅受压可能造成的啁啾。两个光纤光栅分别工作于温度降低和温度升高，传感器的测量范围比常规情况下扩大了一倍。
下面详细说明本发明的工作原理：
当传感器所处环境温度降低时，一方面，由于光纤材料的热膨胀效应及热光效应导致两个光纤光栅的中心波长的相对波长偏移为：
式中，λB为光纤光栅在自由状态下的布拉格中心波长；ΔT为温度相对初始状态的变化值；Δλ′B为由于温度降低ΔT使得光纤光栅中心波长的漂移量；ξ是光纤材料的热光系数；α是光纤材料的热膨胀系数；负号表示温度相对降低。
另一方面，由于第一安装件1和第二安装件2的热膨胀系数差异较大，这里假定第一安装件1是由热膨胀系数较小的材料一制成，第二安装件2是由热膨胀系数高的材料二制成。
当温度降低时，第一安装件1在温度降低后缩短程度较小，而第二安装件2则会产生较大的缩短。由于第一安装件1和第二安装件2的一端固定，那么，图1中原来位于缺口11中部的凸台21与第一安装件1右边之间的距离会变大，其增长量Δl为
Δl＝(l2×α2-l1×α1)×ΔT
式中，l1为第一安装件1开口区域(包括缺口11和槽口12)的总长度，l2为第二安装件2的总长度；α1为第一安装件1的材料热膨胀系数，α2为第二安装件2的材料热膨胀系数。
此时，刚性固定于二者之间的第二光纤光栅32被拉长而处于工作状态，根据光纤光栅对于应变的传感原理，这一轴向应变所引起的第二光纤光栅32的相对波长漂移量为
式中，Δλ″B为由于材料一和材料二的相对位移引起第二光纤光栅32中心波长的漂移量；Pe为光纤的有效弹光系数；ε为光纤光栅的应变；l为第二安装件2距离第一安装件1左边、右边之间的初始距离，也等于左右两个光纤光栅的有效长度。
则由于环境温度降低导致右边光纤光栅的相对波长漂移量为(1)、(2)式之和，两式一正一负，则最终相对波长漂移量为
由于结构受温度降低所施加给第二光纤光栅32的应变响应比单纯的温度响应要高约一个数量级，这样，通过优选第二安装件2和第一安装件1的尺寸及材料，缩短二者之间的初始距离l，即可大幅提高第二光纤光栅32对于温度降低的响应灵敏度，很好的解决了冻土在低温下的高精度温度测量问题。
而此时第二安装件2的凸台21与第一安装件1左边之间的距离会变小，固定于二者之间的第一光纤光栅31的预应力被释放，随着温度进一步降低直至处于完全不受力的状态，左边的第一光纤光栅31在降温时处于非工作状态。
反之，当环境温度升高时，左边的第一光纤光栅31受拉伸长处于工作状态，其除了正常的温度响应外，还将受到额外的由于结构所施加的附加应变，此时(1)、(2)式均为正值，其相对波长漂移量很大，即传感器的温度响应灵敏度也很大。而对于右边的第二光纤光栅32，其两个固定端的距离变小，因此预应力被释放，随着温度进一步升高直至处于完全不受力的状态，右边的第二光纤光栅32在升温时处于非工作状态。
通过两个光纤光栅分别在温度降低和升高时受拉伸长处于工作状态，而在相反的温度条件下则不受额外应力处于非工作状态，因此在光纤光栅抗拉力一致的情况下，冷热伸长型光纤光栅冻土温度传感器的量程比常规的扩大了一倍。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例对传感器的各个部件做进一步细化说明。
如图4-图5所示，第一安装件1整体为长方体构件，第一安装件1的右侧开设有缺口11，缺口11为长方形的通孔，第一安装件11的左侧开设有槽口12，槽口12的深度H12小于缺口11的深度H1(缺口11的深度H1即为第一安装件1的高度)，且槽口12和缺口11相连通。
如图6-图7所示，第二安装件2为L型结构，第二安装件2由平板和凸台21组成，其中，平板的高度H2等于槽口12的深度H12，凸台21的高度H21等于缺口11的深度H1。因此，当第一安装件1和第二安装件2装配完成后，第二安装件2刚好卡入第一安装件1，装配体的高度等于第一安装件1的高度，即H1。
第一安装件1和第二安装件2的装配方式为，第二安装件2的凸台21置入缺口11中，凸台21的相对侧则和第一安装件1固定连接，具体的，第二安装件2的一端和第一安装件1螺纹连接。
优选的，凸台21的宽度小于缺口11的宽度，两个光栅安装空间的长度相等，第一光纤光栅31和第二光纤光栅32的长度相等且小于每个光栅安装空间的长度。第一光纤光栅31和第二光纤光栅32之间的距离大于凸台21的长度。
通过飞秒激光在光纤3上刻写有第一光纤光栅31和第二光纤光栅32，第一光纤光栅31和第二光纤光栅32的中心波长分别为1536nm和1544nm，将光纤3施加很小预应力后紧贴置于传感器的轴线附近。
第一光纤光栅31和第二光纤光栅32分别处于左右两个光栅安装空间中间，利用粘接剂粘贴或低温玻璃焊接的方式，将第一光纤光栅31和第二光纤光栅32的左右两端光纤3的分别固定在第一安装件1的左右上表面和凸台21上。
本实施例中第一安装件1的高度H1与凸台21的高度H21均为2mm，第一安装件1左侧平台(H1-H12)的高度为0.5mm，第二安装件2左侧长方体平板的高度H2为1.5mm。第一安装件1的外框长度为30mm，宽度为10mm，左侧、上侧和下侧的外框宽度为2mm，右侧外框的宽度为3mm。第一安装件1左侧的长方形槽口12的长度为10mm，宽度为6mm。第二安装件2的整体长度为20mm，右侧凸台21为正方形，边长为5mm。第一安装件1由因瓦合金制成，其热膨胀系数为1.2×10-6/℃，第二安装件2由不锈钢制成，其热膨胀系数为1.5×10-5/℃。
取光纤3的热光系数为6.34×10-6/℃，热膨胀系数为0.55×10-6/℃，有效弹光系数为0.22，则根据上述参数，当温度升高时，冷热伸长型光纤光栅温度传感器的灵敏度约为78pm/℃；当温度降低时，冷热伸长型光纤光栅温度传感器的灵敏度约为50pm/μ。将第一光纤光栅31和第二光纤光栅32的工作波长范围保守定为5nm，则冷热伸长型光纤光栅温度传感器可覆盖约150℃的测量范围。
第一安装件1和第二安装件2的长度、宽度、高度可以根据材料及温度灵敏度要求而有所改变，以实现灵敏度及测量范围的调整。
实施例3
本实施例中，第二安装件2采用铝合金材料制成，第一光纤光栅31和第二光纤光栅32的中心波长分别为1544nm和1550nm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例2相同。
实施例4
本实施例中，第一安装件1的整体长度为35mm，其右侧长方形缺口11的尺寸及与右侧边框的距离与实施例2相同。第二安装件2的整体长度为25mm，其右侧凸台21的尺寸与实施例2相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例2相同。
实施例5
本实施例中，第一安装件1采用铝合金制成，第二安装件2采用因瓦合金制成。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例4相同。
实施例6
在以上的实施例1～5中，第一安装件1的高度H1与第二安装件2的凸台21的高度H21均为3mm，第一安装件1左侧平台的高度为1mm，第二安装件2左侧长方体平板的高度H2为2mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例2相同。
实施例7
在以上的实施例1～5中，第一安装件1的高度H1与第二安装件2的凸台21的高度H21均为3.5mm，第一安装件1左侧平台的高度为1.5mm，第二安装件2左侧长方体平板的高度H2为2mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例2相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种冷热伸长型光纤光栅温度传感器，其特征在于，由第一安装件（1）、第二安装件（2）和光纤（3）组成，所述第一安装件（1）和所述第二安装件（2）的热膨胀系数不同，所述第一安装件（1）开设有缺口（11），所述第二安装件（2）的一端和所述第一安装件（1）固定连接，所述第二安装件（2）的另一端设有凸台（21），所述凸台（21）将所述缺口（11）分割为两个光栅安装空间，所述光纤（3）设有第一光纤光栅（31）和第二光纤光栅（32），所述第一光纤光栅（31）安装于其中一个所述光栅安装空间，所述第一光纤光栅（31）两端的所述光纤（3）分别固定于所述第一安装件（1）和所述凸台（21），所述第二光纤光栅（32）安装于另一个所述光栅安装空间，所述第二光纤光栅（32）两端的所述光纤（3）分别固定于所述凸台（21）和所述第一安装件（1），所述第一光纤光栅（31）和所述第二光纤光栅（32）的中心波长不同，两个光纤光栅分别在温度降低和升高时受拉伸长处于工作状态，而在相反的温度条件下则不受额外应力处于非工作状态。
2.根据权利要求1所述的冷热伸长型光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述凸台（21）在所述缺口（11）内的安装位置可调。
3.根据权利要求2所述的冷热伸长型光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述第二安装件（2）的一端和所述第一安装件（1）可拆卸式连接。
4.根据权利要求3所述的冷热伸长型光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述第二安装件（2）的一端和所述第一安装件（1）螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的冷热伸长型光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述凸台（21）的宽度小于所述缺口（11）的宽度。
6.根据权利要求1所述的冷热伸长型光纤光栅温度传感器，其特征在于，两个所述光栅安装空间的长度相等，所述第一光纤光栅（31）和所述第二光纤光栅（32）的长度相等且小于每个所述光栅安装空间的长度。
7.根据权利要求6所述的冷热伸长型光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅（31）和所述第二光纤光栅（32）之间的距离大于所述凸台（21）的长度。
8.根据权利要求1所述的冷热伸长型光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述第二安装件（2）为L型结构，所述凸台（21）的高度等于所述第一安装件（1）的高度，所述第一安装件（1）开设有槽口（12），所述第一安装件（1）和所述第二安装件（2）装配连接后，装配体的高度等于所述第一安装件（1）的高度。
9.根据权利要求1-8任一所述的冷热伸长型光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅（31）和所述第二光纤光栅（32）预施加有预应力。
10.根据权利要求1-8任一所述的冷热伸长型光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述第一安装件（1）和所述第二安装件（2）中其中一个为因瓦合金结构件，另一个为不锈钢结构件或铝合金结构件。
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