CN204831618U - 气象用高灵敏度温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气象用高灵敏度温度传感器，包括：金属基体、光纤光栅和金属管；光纤光栅封装在金属基体上，与金属基体固定为一体结构，光纤光栅一端从金属基体一端伸出作为尾纤；封装光纤光栅的金属基体设在金属管内，尾纤从金属管一端伸出。该温度传感器通过金属基体对光纤光栅有效增敏，且具有抗电磁干扰特性，灵敏度较高、测量准确、响应快、成本低，可用于气象测量温度，很好的解决现有气象用温度传感器因电磁干扰导致测量不准确的问题。

Description

气象用高灵敏度温度传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，特别是涉及一种气象用高灵敏度温度传感器。

背景技术

温度是气象中重要的测试要素之一。气象测温是一个特殊的领域，对温度测量精度要求高，因此，测温元件应具有较高的灵敏度，对气象环境中的高速流体的测量有较高的可靠性和适应性，而且要求体积小、重量轻，用电池供电时功耗较低。因此，测温元件的选型和对测试方法的研究十分重要。

目前气象测温常用的是地面百叶箱里安装铂电阻温度传感器，铂电阻传感器的具体应用方式是：根据温度不同电阻不同，将铂电阻接入电路中，通过观察电流的变化就可以知道电阻的变化。在把不同温度下的电流都记录下来，绘出温度-电阻图，就可以在知道电阻的情况下，推测出温度的数值。但这种应用铂电阻传感器存在的缺点是：铂电阻传感器用于气象测温容易受电磁干扰而影响测量精度。

实用新型内容

基于上述现有技术所存在的问题，本实用新型提供一种气象用高灵敏度温度传感器，能抗电磁干扰，测温准确，解决传统气象用铂电阻传感器测温电磁干扰导致测温不准确的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种气象用高灵敏度温度传感器，包括：

金属基体、光纤光栅和金属管；

所述光纤光栅封装在所述金属基体上，与所述金属基体固定为一体结构，所述光纤光栅一端从所述金属基体一端伸出作为尾纤；

封装所述光纤光栅的所述金属基体设在所述金属管内，所述尾纤从所述金属管一端伸出。

本实用新型的有益效果为：通过将光纤光栅封装于金属基体并设在金属管内形成温度传感器，光纤光栅能抗电磁干扰，能避免电磁干扰导致的测温不准确，而金属基体能对光纤光栅有效增敏，提升测温准确性，该温度传感器灵敏度较高、测量准确、响应快、成本低，可用于气象测量温度，解决了传统气象用铂电阻温度传感器测温的电磁干扰导致测温不准确的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本实用新型实施例的传感器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的金属基体与光纤光栅封装结构示意图；

图3为本实用新型实施例的计算光纤光栅温度传感器灵敏度的温度波长-曲线图；

图4为本实用新型实施例的光纤光栅温度传感器准确性实验图；

图5为本实用新型实施例的三种不同材质金属基体分别封装光纤光栅制成度温度传感器的瞬态响应速度图。

具体实施方式

下面对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种气象用高灵敏度温度传感器，能用于气象测温，抗电磁干扰，测温准确，该传感器包括：

金属基体1、光纤光栅2和金属管3；其中，光纤光栅2封装在所述金属基体1上，与金属基体1固定为一体结构，光纤光栅2一端从金属基体1一端伸出作为尾纤21；

封装光纤光栅2的金属基体1设在金属管3内，光纤光栅2的尾纤21从金属管3一端伸出。

上述传感器中，金属基体1为长条板体结构(如图2所示)，其表面设置凹槽11，光纤光栅2封装在凹槽11内，光纤光栅2通过一种环氧树脂粘合剂封装在金属基体1表面的凹槽内。金属基体1为铜基体、不锈钢基体或3J53弹性合金基体，优选采用铜基体，具有更好的增敏效果。

上述传感器中，金属管采用不锈钢管，金属管内壁涂覆有涂覆软胶层，金属管起到对封装有光纤光栅2的金属基体1的防护作用，软胶层起到导热防震的作用。

上述传感器中，光纤光栅的尾纤通过穿松套及铠装光缆设在金属管一端外部，并与跳线连接。。

下面结合具体实施例对本实用新型的传感器作进一步说明。

由光纤光栅温度传感机理可知，在没有增敏条件下的裸光纤光栅温度传感器的灵敏度只有0.010nm/℃，在测量范围为0～100℃时，传感器的波长变化为仅为1nm，无法满足气象温度测量高灵敏度的要求，而本实施例提供的用于气象的高灵敏度光纤光栅温度传感器，通过金属基体封装成温度传感器，对光纤光栅有效增敏，提高其温度灵敏度，不但增敏能力更高，而且成本低廉、抗电磁干扰。

根据光纤光栅的温度传感机理，可确定通过金属基体的增敏效果，具体如下：

光纤光栅的温度传感特性是由光纤光栅的热光效应和热膨胀效应引起的，热光效应引起光纤光栅的有效折射率的变化，而热膨胀效应引起光栅的栅格周期变化。当其所处的温度场变化时，温度与光纤光栅Bragg波长变化的关系为：

式(1)中，a为光纤的热膨胀系数，主要引起栅格的周期的变化，通常，取a＝5.5x10-7K-1；ξ为光纤的热光系数，主要引起光纤的折射率的变化，一般取ξ＝7.00x10-6K-1；ΔT为温度变化量。如果光纤光栅的Bragg波长λB取1525～1565nm的C波段时，由式(1)可以计算出光纤光栅的温度灵敏度为0.0115～0.0118nm/℃，一般取0.01nm/℃。

如图3所示，在作为金属基体的金属铜片表面粘贴光纤光栅，裸光纤光栅用环氧树脂胶固定在金属基体上，当温度变化时，通过金属基体的热膨胀来增大封装光栅的线性热膨胀，从而增大光纤光栅的温度灵敏度。

增敏后的光纤光栅的总Bragg波长变化为：

式(2)中，a₁为金属基体的热膨胀系数；a为Bragg光纤光栅的热膨胀系数，式(2)与式(1)相比多了[0.784(a₁-a)ΔT]项，这就是由于金属基体增敏作用的结果。采用热膨胀系数为铜的金属基体，其热膨胀系数为17.5x10-6K-1，则增敏后的温度传感器的灵敏度为0.03nm/℃，是裸光栅灵敏度的3倍。

标定方式如下：

如图1所示，将封装有光纤光栅的金属基体放置在一个直径为6mm的不锈钢管内，管内涂覆软胶，尾纤穿松套及铠装光缆接跳线，制成温度传感器。将该温度传感器放置在标准恒温箱中进行高低温测试，温度标定范围设置为-50℃～+80℃，每10℃记录一个波长值。绘制温度-波长曲线如图3所示，图3中分析计算出光纤光栅温度传感器的灵敏度为0.0321nm/℃。

将本实用新型的传感器与准确度为0.001℃热电偶阻输出对比实验，结果如图4所示，分析该对比数据，得出结论：与准确度为0.001℃热电偶阻输出对比实验，本实用新型的光纤光栅温度传感器的准确性可达±0.1℃。

瞬态响应测试：将铜、不锈钢、3J53弹性合金三种不同材质的金属基体分别封装光纤光栅制作成高灵敏度温度传感器。将室温下的三只温度传感器一同放置在温度为55度的温箱里，每间隔1秒记录一个波长值，绘制瞬态响应曲线。从图5中可以看到，基体为铜的温度传感器升温瞬态响应快于其他两个最先达到稳定温度值。

本实用新型光纤光栅温度传感器，通过金属基体对光纤光栅有效增敏，且具有抗电磁干扰特性，灵敏度较高、测量准确、响应快、成本低，可用于气象测量温度，很好的解决现有气象用温度传感器因电磁干扰导致测量不准确的问题。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种气象用高灵敏度温度传感器，其特征在于，包括：

金属基体、光纤光栅和金属管；

所述光纤光栅封装在所述金属基体上，与所述金属基体固定为一体结构，所述光纤光栅一端从所述金属基体一端伸出作为尾纤；

封装所述光纤光栅的所述金属基体设在所述金属管内，所述尾纤从所述金属管一端伸出。

2.根据权利要求1所述的气象用高灵敏度温度传感器，其特征在于，所述金属基体为长条板体结构。

3.根据权利要求2所述的气象用高灵敏度温度传感器，其特征在于，所述金属基体表面设有封装所述光纤光栅的凹槽。

4.根据权利要求1至3任一项所述的气象用高灵敏度温度传感器，其特征在于，所述金属基体为铜基体、不锈钢基体或3J53弹性合金基体。

5.根据权利要求1至3任一项所述的气象用高灵敏度温度传感器，其特征在于，所述光纤光栅通过一种环氧树脂粘合剂封装在所述金属基体上。

6.根据权利要求1至3任一项所述的气象用高灵敏度温度传感器，其特征在于，所述金属管采用不锈钢管，金属管内壁涂覆有涂覆软胶层。

7.根据权利要求1至3任一项所述的气象用高灵敏度温度传感器，其特征在于，所述光纤光栅的尾纤通过穿松套及铠装光缆设在所述金属管一端外部，并与跳线连接。