CN1563916A - 一种光纤光栅温度传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅温度传感器及其制造方法，特别是涉及一种对外界应力或应变不敏感的光纤光栅温度传感器及其制造方法，属光纤传感领域。所述的传感器包括金属腔体，腔体内的光纤光栅或粘贴在金属棒或金属管上的光纤光栅，以及光纤引出端和在腔体与光纤光栅之间空隙填充的导热的粉体或膏体构成。所述的制造方法是将光纤光栅置入金属腔体内，将光纤光栅的两端固定于腔体的两端，然后向腔体与光纤光栅之间的空隙，或向金属腔体与金属棒或金属管之间的空隙，填充导热流动性的粉体或膏体。本发明的优点在于，从根本上解决了现有光纤光栅温度传感器对外界应变产生交互敏感问题，测试温度精度高。

Description

一种光纤光栅温度传感器及其制造方法

                            技术领域

本发明涉及一种光纤光栅温度传感器及其制造方法，特别是一种对外界应力或应变不敏感的光纤光栅温度传感器及其制造方法，属光纤传感领域。

                            背景技术

作为一种全光纤器件，布拉格光栅(简称FBG)已被越来越广泛地用于光纤通信和光纤传感等领域。FBG传感器具有抗电磁干扰，耐腐蚀，使用寿命长，体积小，可以光波长复用方式实现多点分布测量等显著的优点，因而在无法使用传统传感器的场合发挥了巨大作用。近年来，随着FBG传感技术的不断发展，其应用范围也在日益扩大，并开始在有些领域取代传统的传感系统。

FBG传感是通过确定被光纤光栅反射或透射的布拉格波长实现对被测物理量值的绝对测量。尽管FBG传感器可测量的物理量有多种，但FBG直接感应的量主要是温度和应变两种。我们知道，布拉格波长λ_B由光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率n_eff决定，即λ_B＝2Λn_eff。当FBG受到轴向应力的作用时，不仅光栅周期Λ会因几何变形而发生变化，而且有效折射率n_eff也会因光纤的弹光效应而产生变化。由轴向应力或应变变化Δε引起的布拉格波长λ_B的变化可表示为Δλ_B＝λ_B(1-P_e)Δε，其中P_e为光纤的弹光系数。热膨胀和热光效应使得Λ和n_eff同时又是温度的函数。由温度变化ΔT引起的布拉格波长λ_B的变化可表示为Δλ_B＝λ_B(α+ξ)ΔT，其中α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数。当应变和温度变化同时存在时，λ_B的变化则为Δλ_B＝λ_B(1-P_e)Δε+λ_B(α+ξ)ΔT＝K_εΔε+K_TΔT，其中K_ε＝λ_B(1-P_e)，K_T＝λ_B(α+ξ)分别为光纤光栅对应变和温度的敏感系数。由上式可知，布拉格波长λ_B是对应变和温度交互敏感的，即在应变和温度变化同时存在时，仅从测得的布拉格波长λ_B中无法分辩应变和温度的贡献。

由于未经封装的光纤光栅极易损坏，所以作为传感器使用的光纤光栅都要经过某种形式的封装，以达到保护光纤光栅的目的。封装后的光纤光栅传感器将具有与光纤光栅本身不同的对外界应变和温度的敏感系数。为描述封装的影响，可以引入应变传递系数χ_ε和温度传递系数χ_T，此时布拉格波长λ_B的变化为Δλ_B＝χ_εK_εΔε+χ_TK_TΔT。由此可见，通过使用不同的材料和采用不同的封装结构可达到使FBG传感器对外界应变和温度变化增敏或减敏的作用。

已有的光纤光栅温度传感器采用粘接剂将光纤光栅固定在金属管内，这种封装方式的特点是结构简单，同时由于金属材料的热膨胀系数高于光纤材料的热膨胀系数，金属管起到了对温度变化的增敏作用。但是，因为光栅与金属粘接在一起，所以当传感器与被测物体固定在一起或预埋在如混凝土等结构中时，被测物体所产生的应变将通过金属和固化的粘接剂传递到光纤光栅，使之对外界应变产生交互敏感，从而对温度测量造成影响。

                            发明内容

本发明的目的就是提供一种光纤光栅温度传感器，该温度传感器能有效地排除外界应力或应变对温度测量精度的影响，从而具有测试温度精度高的特点。

为克服现有技术的不足，本发明是通过下述技术方案加以实现的。包括由金属腔体3，腔体内的光纤光栅4，或者粘贴于金属棒或金属管6的光纤光栅4，以及光纤引出端1构成的光纤光栅温度传感器，其特征在于，光纤光栅4的两端固定在金属腔体的两端2，固定于腔体内的光纤的长度大于两固定点2之间的距离；在金属腔体3与光纤光栅4之间的空隙，或在金属腔体3与粘贴光纤光栅4的金属棒或金属管6之间的空隙，填充导热流动性的粉体或膏体5。

上述的导热流动性的粉体是银粉，铜粉，石墨粉等。

上述的导热流动性的膏体是导热硅胶。

上述的光纤光栅温度传感器制造方法，其特征在于包括下列步骤：

1.将光纤光栅4，或者粘贴在金属棒上或金属管6内的光纤光栅4置入金属腔体3内，用包括环氧树脂在内的固化剂将光纤光栅4的两端用粘接剂固定在一个金属腔体的两端2；

2.向光纤光栅4与金属腔体3之间的空隙，或者向粘贴有光纤光栅4的金属棒或金属管6与金属腔体3之间的空隙填充导热流动性的粉体或膏体5。

具有流动性和良好导热性的填充材料同时起到了对受压状态的光纤光栅的支撑作用，对外界环境的振动起到了缓冲作用。本发明所提供的光纤光栅温度传感器从根本上解决了现有光纤光栅温度传感器对外界应变产生交互敏感问题。

                                附图说明

图1为光纤光栅未加金属棒或金属管固定时的本发明结构示意图。图2为光纤光栅被固定在金属棒上或金属管内时的本发明结构示意图。

图1中，1为光纤引出端，2为光纤引出端与金属腔体的固定连接点，3为金属腔体，4为光纤光栅；5为导热性流动性填充物，6为固定光纤光栅的金属棒或金属管。

                            具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如附图1所示，在具有光敏性的光纤1的一段将光纤涂敷层除去并使用掩模或干涉法将光纤光栅4写入。为使光纤光栅4具有良好的温度稳定性和长的使用寿命可对光纤光栅4进行退火或其它老化处理。将具有良好导热性和机械性能的金属如不锈钢加工成内部有空腔的形状，将光纤光栅4的光纤引出端用粘接剂牢固地粘接在金属腔体3的两端，粘接时应使在空腔内且包含光纤光栅4的部分不受轴向拉伸力，或是产生轻微轴向压缩，使在空腔内但不包含光纤光栅4的光纤产生轻微弯曲。在光纤光栅4被牢固地粘接在金属腔体3的两端后，在金属空腔与光纤光栅之间填充具有流动性的导热材料5，所述导热材料可为具有良好导热作用的粉末或胶状体。所述粉末可为由良导体金属(如银，铜等)，非金属(如石墨)或氧化物制成的细颗粒粉末。所述具有良好导热作用胶状体可为市售的导热硅胶。为获得大的导热系数，可将金属或氧化物制成的细颗粒粉末与有机试剂混合成胶状或膏状。如用使用99.8％的纯银粉(银的含量是62％至65％)可制成导热系数大于7.5W/mK的导热膏。在密封条件下导热膏处于流动状态。

当金属腔体3受到外界轴向力的作用时，金属腔体3将产生相应的应变，使之拉伸或压缩，但由于在金属腔体3内的光纤光栅4两端的光纤处于轻微弯曲状态，所以无论金属腔体3是受拉还是受压，都没有沿轴向的应力传递到光纤光栅4。具有流动性的导热填充材料的存在使金属腔体3感受到的温度变化传递到光纤光栅4，使光纤光栅4能快速响应光纤光栅温度传感器外界温度变化。此外，具有流动性的导热填充材料还同时起到了对处于轻微弯曲状态光纤的支撑作用，并对可能产生的外界的振动起到缓冲和吸收作用。

如前所述，对封装后的光纤光栅温度传感器，布拉格波长λ_B的变化为Δλ_B＝χ_εK_εΔε+χ_TK_TΔT。采用本发明所提供的方法制成的光纤光栅温度传感器，上述方程中的应变传递系数χ_ε将等于零，而温度传递系数χ_T将等于1。

为保证光纤光栅4在金属腔体3内保持固定的形状，可先将光纤光栅4与一管状或棒状体6粘接，如附图2所示。在种情况下，上述方程中的应变传递系数χ_ε将等于零，而温度传递系数χ_T将不等于1。当管状或棒状体6热膨胀系数高于光纤材料的热膨胀系数时，传递系数χ_T将大等于1，此时管状或棒状体6将对光纤光栅4起到温度增敏作用。

本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式以外的其它方式实现。同时本发明还适用于光纤光栅应变传感器，以及光纤光栅用于光通信器件时的无源温度补偿。

Claims (4)

1.一种光纤光栅温度传感器，包括由金属腔体(3)，腔体内的光纤光栅(4)，或者粘贴于金属棒或金属管(6)的光纤光栅(4)，以及光纤引出端(1)构成的光纤光栅温度传感器，其特征在于，光纤光栅(4)的两端固定在金属腔体的两端(2)，固定于腔体内的光纤的长度大于两固定点(2)之间的距离；在金属腔体(3)与光纤光栅(4)之间的空隙，或在金属腔体(3)与粘贴光纤光栅(4)的金属棒或金属管(6)之间的空隙，填充导热流动性的粉体或膏体(5)。

2.按权利要求1所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，导热流动性的粉体是银粉，铜粉，石墨粉。

3.按权利要求1所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，导热流动性的膏体是导热硅胶。

4.一种按权利要求1所述的光纤光栅温度传感器制造方法，其特征在于包括下列步骤：将光纤光栅(4)，或者粘贴在金属棒上或金属管(6)内的光纤光栅(4)置入金属腔体(3)内，用包括环氧树脂在内的固化剂将光纤光栅(4)的两端用粘接剂固定在一个金属腔体的两端(2)；向光纤光栅(4)与金属腔体(3)之间的空隙，或者向粘贴有光纤光栅(4)的金属棒或金属管(6)与金属腔体(3)之间的空隙填充导热流动性的粉体或膏体(5)。

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