CN206387513U - 一种耐高温的光纤光栅温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型旨在克服现有光纤光栅温度传感器无法耐受200℃高温及高温环境下稳定性较差的问题，提供了一种耐高温的光纤光栅温度传感器，感温金属外壳内有温度传感件，温度传感件内有一根聚酰亚胺涂覆层光纤，聚酰亚胺涂覆层光纤中有一段耐高温光纤光栅，温度传感件的圆形开孔用高温防水胶密封，感温金属外壳与锥形堵头圆柱端螺纹连接，感温金属与温度座螺纹连接，感温金属外壳中的聚酰亚胺涂覆层光纤从卡套的圆形通孔中引出，引出的聚酰亚胺涂覆层光纤穿入高温光缆，高温光缆卡在卡套端面的圆形通孔，卡套的圆形通孔用高温防水胶密封，温度座与卡套螺纹相连；该传感器可在300℃的高温下长期稳定使用，稳定性强，测量效果好，易于推广。

Description

一种耐高温的光纤光栅温度传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种耐高温的光纤光栅温度传感器。

背景技术

传统传感器因其易受电磁干扰，无法在恶劣环境下工作等缺点，近年来逐渐的被光纤光栅传感器所取代，但随着光纤光栅传感器应用范围的不断扩大，人们对其性能的要求也越来越高，工业领域中有时需要用其测量较高的温度，例如测井中的温度会随着开采深度的增加而不断升高，6000米深井温度可达200 ℃以上；航空航天领域中，在200千米高度，气温可达400℃。但普通的光纤光栅温度传感器在100℃以上时，光栅的反射率会降低，表现出非线性效应，无法长时间工作；当超过200℃时，光纤光栅的折射率调制效应会被擦除，涂覆层会被烧掉，导致传感器失效。

发明内容

本实用新型提供一种耐高温的光纤光栅温度传感器，克服了现有的光纤光栅温度传感器无法耐受200℃高温及高温环境下稳定性较差的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案实现的：

一种耐高温的光纤光栅温度传感器，包括一个圆柱形筒状感温金属外壳，感温金属外壳两端带有开口，两端的开口处均带有相同的内螺纹，感温金属外壳的中部为一个圆柱形空腔，感温金属外壳内有温度传感件，其特征在于，温度传感件是一个整体为长方体且一端封闭、另一端中心处带有一个圆形开孔的中空管，中空管的长度小于感温金属外壳的长度，温度传感件内有一根聚酰亚胺涂覆层光纤，位于温度传感件内部的聚酰亚胺涂覆层光纤中有一段耐高温光纤光栅，温度传感件的圆形开孔用高温防水胶密封，一个锥形堵头是一端为圆锥、另一端为圆柱的金属棒，锥形堵头的圆柱端带有外螺纹，感温金属外壳一端的内螺纹与所述锥形堵头圆柱端的外螺纹连接，一个温度座由两个不同直径的圆柱组成，温度座直径较小一端带有外螺纹，温度座带有外螺纹的一端端面中间有方形通孔，温度座直径较大的一端带有内螺纹，感温金属外壳另一端开口处的内螺纹与所述温度座带有外螺纹的一端连接，温度传感件与方形通孔通过高温防水胶固定，一个卡套的一端直径较小且带有外螺纹，卡套另一端直径较大、无螺纹，卡套无螺纹的一端的端面有圆形通孔，感温金属外壳中的聚酰亚胺涂覆层光纤从卡套的圆形通孔中引出，引出的聚酰亚胺涂覆层光纤穿入高温光缆，高温光缆卡在卡套无螺纹一端的端面的圆形通孔中，卡套的圆形通孔用高温防水胶密封，温度座的内螺纹端与所述卡套一端的外螺纹相连。

进一步的技术方案包括：

所述的高温防水胶为经过紫外线照射固化的紫外胶；

所述的温度传感件为陶瓷材质；

所述的耐高温光纤光栅是经过300℃以上高温退火的光纤光栅。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：

目前普通的光纤光栅温度传感器无法在200℃以上的温度，使得在一些特殊领域下无法使用光纤光栅温度传感器。本实用新型选用的聚酰亚胺涂覆层光纤，其特点是涂覆层采用聚酰亚胺材料，在300℃仍可保证稳定的化学性质；在制作高温光栅的时候，需要剥除涂覆层才能制作光栅，而聚酰亚胺涂覆层相比于普通涂覆层，硬度要高，一般的光纤剥线钳难以将其剥除，反复使用热拨钳可以剥除涂覆层，但会对光纤产生机械损伤，机械损伤后光栅产生永久裂纹，随着时间推移，裂纹侵入水气，雾气等，纤芯会逐渐膨胀，降低了光纤的使用寿命及稳定性，长期运行在高温环境下非常容易断裂；而采用浓硫酸加热的方式剥除时，浓硫酸可起到软化聚酰亚胺涂覆层的作用，剥除涂覆层仍需使用剥线钳，还是会对光纤产生机械损伤，同时对操作者产生一定的危险性，所以本实用新型利用光纤熔接机来去除聚酰亚胺涂覆层，通过手动控制熔接机内部的电极放电，进而去除聚酰亚胺涂覆层，既可以控制剥除的长度，又可以保证不会对光纤产生损伤；在刻制高温光栅的过程中，需在刻制完成后将其送入高温炉中，进行高温退火，光纤光栅长期处于300℃的高温环境下，反射率经过衰退后稳定在一个固定值，此数值与退火前的光栅反射率相关，退火前的光栅反射率越高，则退火后的光栅反射率也越高，经退火后的光栅便可以在300℃的高温下长期的稳定使用。

温度传感件采用陶瓷管，陶瓷在高温环境下相比于金属而言硬度强，化学稳定性更好；同时，光纤光栅在陶瓷管内封装，光栅处于自由状态，消除了轴向应力的影响，对光栅起到了很好的保护作用。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种在高温下可以长期测试的光纤光栅温度传感器的正视图；

图2为本实用新型一种在高温下可以长期测试的光纤光栅温度传感器的各部件连接关系正视图；

图3为使用本实用新型所述的传感器测量出的同一环境下温度与波长关系的曲线图；

图4为使用本实用新型所述的传感器与铂电阻温度传感器在同一环境下，测量出的温度与时间关系的曲线图；

图中：1、锥形堵头，2、金属感温外壳，3、温度传感器件，4、温度座，5、卡套，6、耐高温光纤光栅，7、聚酰亚胺涂覆层光纤，8、高温光缆。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做详细的描述：

如图1和图2所示，一种耐高温的光纤光栅温度传感器，包括一个圆柱形筒状感温金属外壳2，感温金属外壳2两端带有开口，两端的开口处均带有M6的内螺纹，感温金属外壳2中部为一个圆柱形空腔，感温金属外壳2内有温度传感件3，温度传感件3是一个整体为长方体的中空管且一端封闭、另一端中心处带有一个直径为3.5mm的圆形开孔，中空管的长度小于感温金属外壳2的长度，温度传感件3内有一根聚酰亚胺涂覆层光纤7，位于温度传感件3内部的聚酰亚胺涂覆层光纤7中有一段耐高温光纤光栅6，温度传感件3直径3.5mm的圆形开孔用高温防水胶密封，一个锥形堵头1是一端为圆锥，另一端为圆柱的金属棒，锥形堵头的圆柱端带有M6外螺纹，感温金属外壳2一端的M6内螺纹与锥形堵头1圆柱端的M6外螺纹连接，直径较小一端带有M6外螺纹，一个温度座4 由两个不同直径的圆柱组成，温度座4带有外螺纹的一端端面中间有一个 3.5mm*3.5mm的方形通孔，温度座4直径较大的一端带有M10内螺纹，感温金属外壳2另一端开口处的M6内螺纹与所述温度座4的带有M6外螺纹的一端连接，卡套5一端直径较小，带有M10外螺纹，卡套5另一端直径为12mm，无螺纹，卡套5的12mm直径端端面有直径为3mm的圆形通孔，感温金属外壳2中的聚酰亚胺涂覆层光纤7从3mm直径的圆形通孔中引出，引出的聚酰亚胺涂覆层光纤7 穿入高温光缆8，高温光缆8卡在卡套5无螺纹一端的端面的直径为3mm圆形通孔中，卡套5的圆形通孔用高温防水胶密封，温度座4的M10内螺纹端与卡套5 一端的M10外螺纹相连，其中所述的温度传感件3为陶瓷材质，所述耐高温光纤光栅6是经过300℃以上高温退火的光纤光栅。

结合图3所示，图3为使用本实用新型所述的传感器测量出的同一环境下温度与波长关系的曲线图，其中横坐标代表波长值，范围为1529nm到1532.5nm，纵坐标代表温度，范围为-50℃到350℃。图中为两条测试曲线，一条为-5℃测试到+300℃的波长与温度的关系，另一条为+300℃到-5℃的波长与温度的关系，两条曲线的重合度很高，说明本实用新型的重复性很好，温度与波长可以相互对应。

结合图4所示，图4为使用本实用新型所述的传感器与铂电阻温度传感器在同一环境下，测量出的温度与时间关系的曲线图。横坐标代表时间，范围为0 天到180天，纵坐标代表温度，范围为+299℃到+301℃。图中为两条曲线，一条为使用本实用新型所述的传感器在180天内，对300℃进行测量得到的曲线，另一条为使用铂电阻温度传感器在180天内，对300℃进行测量得到的曲线。对比两条曲线，可得出本实用新型与铂电阻温度传感器对同一时期，相同温度的测量偏差。从图中可以看出，测量的偏差不大，说明在300℃的高温下，长时间测量温度的稳定性良好，且可以保证测量的精准度。

耐高温的保证：首先为了保证本实用新型可以耐受300℃的高温，采用的是聚酰亚胺涂覆层的光纤，替代了普通的丙烯酸酯涂覆层光纤，实验证明聚酰亚胺涂覆层在300℃时不会烧掉，且光纤光栅没有因高温被抹除，在200℃～300℃之间，仍呈线性关系；其次，本实用新型中使用的耐高温防水胶均为紫外胶。紫外胶可在350℃的高温下不被碳化，保持稳定的化学性质，常温下不可固化，需使用紫外灯照射一段时间后，才能固化，固化后可防水；最后，在处理尾纤保护时，采用耐高温的金属光缆取代普通的铠装光缆，可在300℃的高温时保护内部的光纤。

可以长期测试的保证：在制作本实用新型的过程中，刻制光栅时采用熔接机电极放电的方法去除聚酰亚胺涂覆层，避免在剥除涂覆层时对光纤纤芯产生的机械损伤，不会产生裂纹，提高光纤的稳定性及使用寿命，操作简单，且不会对操作人员产生危险；刻制完成后需将光栅送入高温炉中，进行高温退火，光纤光栅长期处于300℃的高温环境下，反射率经过退火后稳定在一个固定值，此数值与退火前的光栅反射率相关，退火前的光栅反射率越高，则退火后的光栅反射率也越高，经退火的光栅，稳定性比没有退火的光栅高，可长期在300 ℃的高温环境下长期使用；温度传感件采用陶瓷管，相比于金属材料，陶瓷的硬度更大，更不易受到外力的冲击，再减小陶瓷管内部体积，使光栅的振动空间减小，最终能更好的保证陶瓷内部的光栅的稳定性，让0℃的波长无漂移，在高温环境下，陶瓷的化学性质更稳定。

本实用新型所述的一种耐高温的光纤光栅温度传感器，适用于-5℃到+300 ℃的环境，可应用于深井、火山等恶劣环境下高温的测量，利用光纤光栅对温度的敏感性，实现对温度的测量。在实际测量时，感温金属外壳2与被测的环境或物体接触，通过热传导，将外界温度传送到位于温度传感件3内部的耐高温光纤光栅6，耐高温光纤光栅6将因温度变化导致的波长变化延聚酰亚胺光纤 7传送到上位机进行解调，锥形堵头1可以方便传感器直接插入到泥土或者岩石中，感温金属外壳2、温度传感器件3起到保护耐高温光纤光栅6的作用，锥形堵头1、温度座4、卡套5及高温防水胶使传感器的整体密封性得到了保障，进一步保证了耐高温光纤光栅6不会受除温度以外的环境因素的影响。聚酰亚胺光纤7穿入高温光缆8，确保传感器的信号可以安全传送到上位机进行解调。最终实现被测环境或物体的温度在上位机的实时观测。

Claims (4)

1.一种耐高温的光纤光栅温度传感器，包括一个圆柱形筒状感温金属外壳(2)，感温金属外壳(2)两端带有开口，两端的开口处均带有相同的内螺纹，感温金属外壳(2)的中部为一个圆柱形空腔，感温金属外壳(2)内有温度传感件(3)，其特征在于，温度传感件(3)是一个整体为长方体且一端封闭、另一端中心处带有一个圆形开孔的中空管，中空管的长度小于感温金属外壳(2)的长度，温度传感件(3)内有一根聚酰亚胺涂覆层光纤(7)，位于温度传感件(3)内部的聚酰亚胺涂覆层光纤(7)中有一段耐高温光纤光栅(6)，温度传感件(3)的圆形开孔用高温防水胶密封，一个锥形堵头(1)是一端为圆锥、另一端为圆柱的金属棒，锥形堵头(1)的圆柱端带有外螺纹，感温金属外壳(2)一端的内螺纹与所述锥形堵头(1)圆柱端的外螺纹连接，一个温度座(4)由两个不同直径的圆柱组成，温度座(4)直径较小一端带有外螺纹，温度座(4)带有外螺纹的一端端面中间有方形通孔，温度座(4)直径较大的一端带有内螺纹，感温金属外壳(2)另一端开口处的内螺纹与所述温度座(4)带有外螺纹的一端连接，温度传感件(3)与方形通孔通过高温防水胶固定，一个卡套(5)的一端直径较小且带有外螺纹，卡套(5)另一端直径较大、无螺纹，卡套(5)无螺纹的一端的端面有圆形通孔，感温金属外壳(2)中的聚酰亚胺涂覆层光纤(7)从卡套(5)的圆形通孔中引出，引出的聚酰亚胺涂覆层光纤(7)穿入高温光缆(8)，高温光缆(8)卡在卡套(5)无螺纹一端的端面的圆形通孔中，卡套(5)的圆形通孔用高温防水胶密封，温度座(4)的内螺纹端与所述卡套(5)一端的外螺纹相连。

2.按照权利要求1所述的一种耐高温的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述的高温防水胶为经过紫外线照射固化的紫外胶。

3.按照权利要求1所述的一种耐高温的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述的温度传感件(3)为陶瓷材质。

4.按照权利要求1所述的一种耐高温的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述的耐高温光纤光栅(6)是经过300℃以上高温退火的光纤光栅。