CN201408093Y - 对外加应力应变不敏感的双管式光纤Bragg光栅温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种对外加应力应变不敏感的双管式光纤Bragg光栅温度传感器，属光电子测量器件技术领域。本传感器采用双层管封装，内管固定于外管内壁某处，光纤Bragg光栅封装于内管中，光纤Bragg光栅与信号处理装置光连接。外套管起到了隔离外加应力应变向内管的作用，避免了外力通过内管传递给光纤Bragg光栅；同时，由于内、外管均采用热传导性能良好的金属材料，故温度仍能通过外管和内管传递给光纤Bragg光栅，从而使得Bragg波长响应温度变化而产生移位。因此，本传感器采用双套管的结构消除了外加应力应变对温度测量过程中的干扰，保障了光纤Bragg光栅在实际应用中温度测量的系统精度。

Description

对外加应力应变不敏感的双管式光纤Bragg光栅温度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤Bragg光栅温度传感器，具体涉及一种对外加应力应变不敏感的双管式封装结构光纤Bragg光栅温度传感器，属光电子测量技术领域。

背景技术

温度传感器是确定测量对象温度的计量仪表，其中，光纤Bragg光栅温度传感器是近年来发展起来的测量对象温度的一种计量仪表。在用光纤Bragg光栅温度传感器测温过程中，光纤Bragg光栅温度传感器采用光纤材料，在信号的传输与传感中均是采用光信号，实现了现场的无电测量，提供了一种本质安全的在线测量温度的方式，适用于易燃、易爆的工况环境，比如：对石油或天然气的温度测量。但是，由于作为测温单元的光纤Bragg光栅对外加应力应变敏感，同时光纤Bragg光栅的测温方式又属于接触式测量，传统的单层管式封装和片式封装(参见文献：李川，吴晟，刘建平，龙昊波，朱黎军，“铠装光纤Bragg光栅温度传感器的研究”，《传感器技术》2005，24(4)：29～30，33；李川，吴晟，刘建平，龙昊波，李俊，“贴片式光纤Bragg光栅应变传感器”，《仪表技术与传感器》2005，7：3～4)，均不可避免的会受到外加应力应变的影响，(对光纤Bragg光栅而言，轴向的外加应力应变为10-6^-6时，将等效于温度变化～0.1℃。)从而降低温度测量的准确性。

在高压密闭容器中，压力变化范围甚至高达100MPa，这样，光纤Bragg光栅的温度测量响应可能完全淹没在压力变化引起的干扰中。因此，从实际应用出发，必须消除外加应力应变对光纤Bragg光栅干扰。

发明内容

本实用新型的目的，在于提供一种具有耐恶劣环境、对外加应力应变不敏感、能隔离外加应力应变对温度传感器产生的影响、减小和消除外加应力对光纤Bragg光栅对测温精度的干扰、保障光纤Bragg光栅在实际应用中温度测量的正常进行及其测量的系统精度、且结构简单的光纤Bragg光栅温度传感器。

本实用新型的目的是这样实现的：本双管式封装结构光纤Bragg光栅温度传感器，包括光纤5、光纤Bragg光栅7、内套管8、内套管带孔螺栓9；光纤Bragg光栅7的两端与光纤5联结后粘贴于内套管8两端的内套管带孔螺栓9上；此外，本双管式封装结构光纤Bragg光栅温度传感器还包括：外套管带孔螺栓2、紧套光纤3、外套管4、粘接剂6、密封胶10；粘贴于内套管8两端的内套管带孔螺栓9上的光纤5，松弛放置于内套管8中；内套管8通过粘接剂6固定于外套管4内壁的一侧；粘贴于内套管带孔螺栓9两端的光纤5经紧套光纤3由密封胶10共同粘贴于密封外套管的带孔螺栓2上，引入引出光缆1分别与紧套光纤3的两端联结。

本传感器还包括引入引出光缆1，该光缆分别与紧套光纤3的两端联结，以实现光纤Bragg光栅与信号处理装置光连接。

为使温度仍能通过外套管和内套管传递给光纤Bragg光栅，从而使得Bragg波长响应温度变化而产生移位，内、外套管8和4均采用热传导性能良好的金属材料。

本传感器的主要性能：双管式封装光纤Bragg光栅温度传感器对外加应力应变不敏感的技术属于机械补偿结构，仅是依靠外管保护光纤Bragg光栅不受外加应力应变的作用。

参见附图，由于封装于双管内的光纤Bragg光栅对外加应力应变不敏感，因此，该光纤Bragg光栅的心波长移位只与温度变化有关：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}$

式中Δλ_B为波长的变化；α为光纤材料的热膨胀系数，ξ为热光系数。上式表明，在消除外加应力应变作用后，光纤光栅的Bragg波长移位与温度的变化呈线性关系。

本实用新型的有益效果是：与现有的光纤Bragg光栅(FBG)温度传感器相比，由于本传感器采用双层管结构，外管承受外加应力应变，起到了保护内套管不受外加应力应变作用的效果，消除了外加应力应变对内管中光纤光栅Bragg波长的偏移值影响，保障了光纤Bragg光栅在外加应力较大的场合中也能正常应用，且能保证温度测量的系统精度。由于本温度传感器在普通单管式光纤Bragg光栅温度传感器的基础上，仅增加了一个外套管，并简单地将内套管粘贴于外套管上，故本传感器结构简单、成本低廉。

附图说明

图1为本实用新型的结构图。

图中各标号依次表示：1、光缆；2、外套管带孔螺栓；3、紧套光纤；4、外套管；5、光纤；6、粘接剂；7、光纤Bragg光栅；8、内套管；9、内套管带孔螺栓；10、密封胶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但实施例不是对本实用新型的限定。

见附图1，以铜材料为外、内套管制成的双管封装为例：

1.双管的尺寸如下：外管材料选为铜，外径取10mm，内径取9mm，长度120mm；内管材料选为铜，外径取5mm，内径取3.5mm，长度60mm。

2.按附图1配置实验，紧套光纤两端与光缆连接，以实现光纤Bragg光栅与信号处理装置光连接。

3.用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长。

4.理论计算结果表明，当光纤Bragg光栅的初始Bragg波长为1559.364nm时，该双管式光纤Bragg光栅温度传感系统灵敏度为11.26pm/℃。

5.测试结果表明：当光纤Bragg光栅的初始Bragg波长为1559.364nm时，在20～70℃的范围内，该双管式光纤Bragg光栅温度传感系统灵敏度为9.84pm/℃，线性度为99.88％F.S.，重复性误差1.55％F.S.。当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时，该光纤光栅温度传感器的分辨率为0.1℃。

6.理论与测试结果分析：理论计算结果和测试结果的灵敏度均为线性关系，利用测试结果的灵敏度比上理论计算的灵敏度，可得热传导系统为0.87。因此，对比分析结果表明，该双管式光纤Bragg光栅温度传感器具有高测量分辨率，测量误差小、重复性好等优点。

Claims (3)

1、对外加应力应变不敏感的双管式光纤Bragg光栅温度传感器，包括光纤(5)、光纤Bragg光栅(7)、内套管(8)、内套管带孔螺栓(9)；光纤Bragg光栅(7)的两端与光纤(5)联结后粘贴于内套管(8)两端的内套管带孔螺栓(9)上；其特征在于：本双管式封装结构光纤Bragg光栅温度传感器还包括：外套管带孔螺栓(2)、紧套光纤(3)、外套管(4)、粘接剂(6)、密封胶(10)；粘贴于内套管(8)两端的内套管带孔螺栓(9)上的光纤(5)松弛放置于内套管(8)中；内套管(8)通过粘接剂(6)固定于外套管(4)内壁的一侧；粘贴于内套管带孔螺栓(9)两端的光纤(5)经紧套光纤(3)由密封胶(10)共同粘贴于密封外套管的带孔螺栓(2)上。

2、根据权利要求1所述的对外加应力应变不敏感的双管式光纤Bragg光栅温度传感器，其特征在于：本传感器还包括引入引出光缆(1)，该光缆分别与紧套光纤(3)的两端联结。

3、根据权利要求1或2所述的对外加应力应变不敏感的双管式光纤Bragg光栅温度传感器，其特征在于：内、外套管(8)和(4)均采用热传导性能良好的金属材料。

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