[發明專利]適用于真空環境下的管狀光纖光柵傳感器設計方法

在審

• 申請號: 201710196282.0
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN106969853A
• 公開（公告）日: 2017-07-21
• 發明（設計）人: 祝連慶;閆光;劉鋒;婁小平;姚齊峰;董明利;何巍
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 北京律恒立業知識產權代理事務所(特殊普通合伙)11416
• 代理人: 顧珊,龐立巖

技術領域

本專利涉及一種適用于真空環境下的封裝氣體的光纖光柵傳感器，屬于光纖傳感領域。

背景技術

光纖傳感技術自20世紀70年代以來經過40年的發展，已經不斷成熟，得到世界范圍內的廣泛關注。作為光纖傳感原理中的優秀代表，基于光纖光柵的傳感技術成為傳感領域內發展最快的技術之一，涌現出各種基于光纖光柵原理的新型光纖傳感器，并已在諸多領域取得了廣泛的應用。光纖光柵傳感器具有纖細質輕、抗電磁干擾、靈敏度高、耐環境、強度高、穩定性好，可植入復合材料等諸多優點，特別是支持多種編碼復用，支持多參量、可編程、自檢測，易于實現大規模、高密集、多點網絡化和分布式測量。

1978年，加拿大通信研究中心K.O.Hill等人發現并制作出第一根光纖光柵。1989年，Morey提出將光纖光柵用于傳感元件，使得光纖光柵在光纖傳感領域備受關注。光纖光柵溫度傳感器以其抗電磁干擾、體積小、質量輕等特點，廣泛被應用于航空航天、石油管道等領域的溫度測量。國內相關領域的專家學者對光纖光柵溫度傳感器也進行了許多研究工作。2007年，武漢理工大學郭明金等人設計了兩種光纖光柵溫度傳感器封裝，并對它們的低溫特性進行了實驗研究，溫度靈敏度系數分別為28.2pm/℃和21.3pm/℃；2010年，燕山大學張燕君等人研制了一種分布式光纖光柵電纜溫度傳感器，在20～100℃范圍內線性度良好，達99.8％；2013年，中國地震局馬曉川等人對高靈敏度穩定光纖光柵溫度傳感器進行了研究，測得其靈敏度系數達345.9pm/℃；2014年，北京信息科技大學對管式封裝的光纖光柵溫度傳感器進行了研究，增敏性封裝溫度靈敏度系數達29.97pm/℃。

發明內容

本申請的目的在于提供了一種適用于真空環境下的管狀光纖光柵傳感器設計方法，其特征在于，包括光纖光柵溫度傳感器的封裝、傳感器設計與有限元分析以及溫度傳感理論分析。

優選地，所述溫度傳感理論分析方法為：

外界溫度變化會引起光纖光柵中心波長的漂移，主要是由于溫度變化使得光纖發生熱膨脹效應、熱光效應以及光纖內部熱應力引起的彈光效應。根據式：

λ_B＝2n_effΛ(1.1)

當外部溫度改變時，可得式：

Δλ_B＝2n_effΔλ+2Δn_effΛ(1.2)

將其展開變形可得：

式中：代表折射率溫度系數，可用ξ表示；(Δn_eff)_ep代表熱膨脹引起的彈光效應；代表由于膨脹導致光纖纖芯直徑發生變化而產生的波導效應；代表光纖的線性熱膨脹系數，可用a表示。則可將式(1.3)改寫為：

根據各向同性胡可定律一般形式可知，光纖光柵各方向應變為：

可知由溫度引起的應變狀態為：

得到光纖光柵溫度靈敏度系數表達式為：

式中：代表波導效應引起的布拉格波長漂移系數。

優選地，所述光纖光柵溫度傳感器的封裝材料為鈹青銅材料。

優選地，所述有限元分析的方法為施加約束及邊界條件時不對光纖光柵溫度傳感器施加三向約束，只對左右兩側施加等量的拉伸應力。

應當理解，前述大體的描述和后續詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當用作對本發明所要求保護內容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發明更多的目的、功能和優點將通過本發明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出了根據本發明的光纖光柵溫度傳感器的封裝設計圖；

圖2示出了根據本發明的光纖光柵傳感器的ANSYS模擬應力分布圖；

圖3示出了根據本發明的光纖光柵傳感器的實物圖；

圖4示出了根據本發明的光纖光柵傳感器的標定示意圖；

圖5示出了根據本發明的光纖光柵傳感器的中心波長與溫度關系曲線。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發明的目的和功能以及用于實現這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發明的具體細節。

在下文中，將參考附圖描述本發明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。