CN207147663U - 一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器，包括外管和设置于外管内的内管，外管和内管均为圆柱形管，光纤位于内管内，外管和内管两端均通过连接部刚性连接，内管包括中部的封装区和与封装区两端分别连接的毛细金属管，其中光纤与毛细金属管不粘连，光栅区与封装区理想连接。本实用新型的光纤光栅温度传感器通过对材料和结构进行设计，显著提升了传感器的可测温度范围并具有高灵敏度，可以达到超低温、强电磁场等极端环境下的温度测量效果，也很便于实现单根光纤分布式多点测量。

Description

一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器

技术领域

本实用新型涉及温度传感器领域，具体的说是一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器。

背景技术

光纤光栅作为一种新型的传感器件，在核电、超导、聚变、航空航天、超低温等高精尖领域扮演的角色越来越重要，甚至有取代传统电阻传感器的趋势。其优秀的抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、信号损耗小、单纤多点性能，使其在现代工业苛刻的测量环境下也能应对自如。

传统的电测法在超低温强磁场环境下有无法克服的缺陷，大大限制了其使用范围。在20K以下近藤效应会使得温度探头电阻明显上升。强电磁场下，霍尔效应、磁阻效应使得绝大多数电子元件读数受到强烈干扰。对于复杂工况下多点测量，电测法的限制更大，每个探头需要连接2根或3根电缆，大量的线缆无疑将严重影响待测系统的性质。例如，低温超导磁体温度测试过程中，液氦杜瓦内臃肿的线缆会带走大量的热量，高达5T的强大磁场导致电测法失效，狭小的空间也不允许大量测量导线的布置。一般来说，只要是以电流和电压作为信号载体的传感器，在超低温强电磁场的环境下都会受到极大的限制，甚至完全不能使用。

光纤光栅是以反射波长作为信号载体，即波长调制，这就完全避免了相应电测法带来的弊端。光纤布拉格光栅是最常用的光纤光栅，在普通光纤上周期性地改变纤芯的折射率，从而能够反射特定波长的光，这套反射理论可以由布拉格公式来解释，所以称之为光纤布拉格光栅。折射率改变在空间上的最小重复尺度我们称之为光栅周期，一个波长之间光纤的平均折射率我们称之为有效折射率。只要被测物理量能够使得光栅的反射波长发生变化，并且该波长变化可分离出来，都可以采用光纤光栅作为测量器件。并且通过在光栅区涂覆或者包覆某种对相应物理量敏感并单调伸缩量的材料，也可以使用光纤光栅进行测量。

光纤光栅最大的测量优势在于能够在单根光纤上刻入多个光栅，只要单个光栅的布拉格波长能够被很好的区分，理论上可以在单条光纤上刻入多个不同反射波长的光栅，采用宽带光源，可以实现一条光纤测量上几十个点，这给测试带来了极大的便利。

一般光纤的主要成分是二氧化硅，其物理性质主要由二氧化硅承担，在超低温50K以下其热膨胀数很低，对温度不再敏感，所以裸光纤光栅在50K以下其光栅周期随温度不再变化，并且其热光系数也变得极低，两个因素加起来，使得裸光栅在50K以下不再具有温度敏感性，温度检测失效。所以必须加入相应的超低温响应增敏机制，使其在50K以下仍然具有温度敏感性，这就是低温下光纤光栅温度传感器的基本原理。

一般的增敏机制都是在光栅区包覆低温下温度敏感的材料(即低温下热膨胀系数较大的材料)使得光栅区随该包覆材料一同热胀冷缩来实现光栅周期的变化，通过解调器识别出波长的漂移，进而得出相应的温度。低温下温度敏感材料通常来说包括：聚四氟乙烯、环氧树脂、聚酰亚胺等有机聚合物，也有铅、铜、铝等金属或合金，其中有机聚合物的热膨胀系数通常是金属的10倍左右。所以低温下，采用增敏材料包覆的增敏方法，其增敏极限就是相应材料的热膨胀极限，无法获得突破。然而对于传感器来说，更大的测量范围和更高的敏感度是传感器性能优秀与否的重要指标。

目前现有技术中至少存在以下缺陷：

⑴超低温环境下现在方法原理上仅仅是从包覆增敏材料的方法实现超低温下的温度测量，而在超低温下(50K以下)材料的热膨胀率非常小，极大的限制了这种方法的增敏效果。

⑵现有专利从结构上来说不利于实现多个传感器串联，也就是不能很好地实现单根光纤分布式多点测量，并没有很好的发挥光纤光栅的特点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器，能够达到超低温、强电磁场等极端环境下的温度测量效果，且具有高灵敏度。

本实用新型的目的是这样实现的：一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器，包括外管和设置于外管内的内管，外管和内管均为圆柱形管，光纤位于内管内，外管和内管两端均通过连接部刚性连接，内管包括中部的封装区和与封装区两端分别连接的毛细金属管，光纤与毛细金属管不粘连，光栅区与封装区理想连接。

优选的，外管为低温下敏感性能高的特氟龙细管材，封装区为聚合物，光栅区为环氧树脂在常温下铸模加工而成。

进一步，单根光纤上可串联多个传感器，多个传感器用于测量光纤上复杂的温度分布，而且多个串联的温度传感器，可以通过选择不同的外管材料、封装区聚合物材料以及光栅区树脂材料实施加工，实现单个或若干个传感器不同温区或精度要求的同步测量。

本实用新型的优点在于：本实用新型的光纤光栅温度传感器采用低温材料和结构的双重增敏方法，显著提升了传感器的可测温度范围并具有高灵敏度，可以达到超低温、强电磁场等极端环境下的温度测量效果，也很便于实现单纤分布式多点测量。

附图说明

图1为本实用新型的光纤光栅温度传感器的结构示意图；

图2为本实用新型的光纤光栅温度传感器的截面A的结构图；

图3为本实用新型的光纤光栅温度传感器的截面B的结构图；

图4为本实用新型的光纤光栅温度传感器的效果图；

其中，1-外管；2-连接部；31-封装区；32-毛细金属管；4-光栅区，5-光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。

本实用新型为一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器，如附图1所示，包括包括外管1和设置于外管内的内管，外管1为特氟龙细管材，外管1和内管均为圆柱形管，光纤5位于内管内，外管1和内管两端均通过连接部2刚性连接，内管包括中部的封装区31和与封装区两端分别连接的毛细金属管32，光纤5与毛细金属管32不粘连，毛细金属管32的内孔径在允许光纤5穿过的条件下应当尽量小，光栅区4与封装区31理想连接，光栅区4是光纤5上约为1cm长度的区域，聚合物封装区31封装的是该1cm左右的光栅区4，光栅区4包覆有低温材料，该低温材料为环氧树脂在常温下铸模加工而成。

附图4为本温度传感器的安装效果图，采用单根光纤多点分布结构实现多点测量。

当本实施例中的温度传感器受到温度变化作用时，外管和内管在温度场中感受到温度变化，由于在内管上封装区的聚合物的弹性模量远小于毛细金属管，从而使得封装区的拉压刚度大大小于其两端的毛细金属管，使得整个结构在受到温度载作用时，大部分变形集中于封装区，从而使得变形增敏效果非常显著。

本实施例中还给出结构增敏与材料增敏效果的比值：

内管的毛细金属管与封装区聚合物的热膨胀系数之比为：

外管聚合物与内管聚合物的热膨胀系数之比为：

封装区与内管的毛细金属管的抗拉压刚度之比为：

封装区与外管的抗拉压刚度之比为：

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器，其特征在于，包括外管和设置于外管内的内管，所述外管和内管均为圆柱形管，光纤位于所述内管内，所述外管和内管两端均通过连接部刚性连接，所述内管包括中部的封装区和与所述封装区两端分别连接的毛细金属管，所述光纤与所述毛细金属管不粘连，所述光栅区与所述封装区连接。

2.根据权利要求1所述的一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述外管为聚合物。

3.根据权利要求2所述的一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述外管为特氟龙细管材。

4.根据权利要求1所述的一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述封装区为聚合物。

5.根据权利要求1所述的一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述光栅区包覆有低温材料，所述低温材料为环氧树脂在常温下铸模加工而成。

6.根据权利要求3所述的一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述外管受到温度作用变形后作用于内管，所述内管上封装区聚合物的拉压刚度小于毛细金属管。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器，其特征在于，单根光纤上串联多个所述传感器，多个所述传感器用于测量所述光纤上复杂的温度分布。