[發明專利]一種極端環境下多點測量的光纖光柵溫度傳感器

有效

• 申請號: 201710572131.0
• 申請日: 2017-07-13
• 公開（公告）號: CN107290076B
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 楊韜略;王省哲
• 申請（專利權）人: 蘭州大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 北京中恒高博知識產權代理有限公司 11249
• 代理人: 宋敏

本發明公開了一種極端環境下多點測量的光纖光柵溫度傳感器，包括外管和設置于外管內的內管，外管和內管均為圓柱形管，光纖位于內管內，外管和內管兩端均通過連接部剛性連接，內管包括中部的封裝區和與封裝區兩端分別連接的毛細金屬管，其中光纖與毛細金屬管不粘連，光柵區與封裝區理想連接。本發明的光纖光柵溫度傳感器通過對材料和結構進行設計，顯著提升了傳感器的可測溫度范圍并具有高靈敏度，可以達到超低溫、強電磁場等極端環境下的溫度測量效果，也很便于實現單根光纖分布式多點測量。

技術領域

本發明涉及溫度傳感器領域，具體的說是一種極端環境下多點測量的光纖光柵溫度傳感器。

背景技術

光纖光柵作為一種新型的傳感器件，在核電、超導、聚變、航空航天、超低溫等高精尖領域扮演的角色越來越重要，甚至有取代傳統電阻傳感器的趨勢。其優秀的抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、信號損耗小、單纖多點性能，使其在現代工業苛刻的測量環境下也能應對自如。

傳統的電測法在超低溫強磁場環境下有無法克服的缺陷，大大限制了其使用范圍。在20K以下近藤效應會使得溫度探頭電阻明顯上升。強電磁場下，霍爾效應、磁阻效應使得絕大多數電子元件讀數受到強烈干擾。對于復雜工況下多點測量，電測法的限制更大，每個探頭需要連接2根或3根電纜，大量的線纜無疑將嚴重影響待測系統的性質。例如，低溫超導磁體溫度測試過程中，液氦杜瓦內臃腫的線纜會帶走大量的熱量，高達5T的強大磁場導致電測法失效，狹小的空間也不允許大量測量導線的布置。一般來說，只要是以電流和電壓作為信號載體的傳感器，在超低溫強電磁場的環境下都會受到極大的限制，甚至完全不能使用。

光纖光柵是以反射波長作為信號載體，即波長調制，這就完全避免了相應電測法帶來的弊端。光纖布拉格光柵是最常用的光纖光柵，在普通光纖上周期性地改變纖芯的折射率，從而能夠反射特定波長的光，這套反射理論可以由布拉格公式來解釋，所以稱之為光纖布拉格光柵。折射率改變在空間上的最小重復尺度我們稱之為光柵周期，一個波長之間光纖的平均折射率我們稱之為有效折射率。只要被測物理量能夠使得光柵的反射波長發生變化，并且該波長變化可分離出來，都可以采用光纖光柵作為測量器件。并且通過在光柵區涂覆或者包覆某種對相應物理量敏感并單調伸縮量的材料，也可以使用光纖光柵進行測量。

光纖光柵最大的測量優勢在于能夠在單根光纖上刻入多個光柵，只要單個光柵的布拉格波長能夠被很好的區分，理論上可以在單條光纖上刻入多個不同反射波長的光柵，采用寬帶光源，可以實現一條光纖測量上幾十個點，這給測試帶來了極大的便利。

一般光纖的主要成分是二氧化硅，其物理性質主要由二氧化硅承擔，在超低溫50K以下其熱膨脹數很低，對溫度不再敏感，所以裸光纖光柵在50K以下其光柵周期隨溫度不再變化，并且其熱光系數也變得極低，兩個因素加起來，使得裸光柵在50K以下不再具有溫度敏感性，溫度檢測失效。所以必須加入相應的超低溫響應增敏機制，使其在50K以下仍然具有溫度敏感性，這就是低溫下光纖光柵溫度傳感器的基本原理。

一般的增敏機制都是在光柵區包覆低溫下溫度敏感的材料(即低溫下熱膨脹系數較大的材料)使得光柵區隨該包覆材料一同熱脹冷縮來實現光柵周期的變化，通過解調器識別出波長的漂移，進而得出相應的溫度。低溫下溫度敏感材料通常來說包括：聚四氟乙烯、環氧樹脂、聚酰亞胺等有機聚合物，也有鉛、銅、鋁等金屬或合金，其中有機聚合物的熱膨脹系數通常是金屬的10倍左右。所以低溫下，采用增敏材料包覆的增敏方法，其增敏極限就是相應材料的熱膨脹極限，無法獲得突破。然而對于傳感器來說，更大的測量范圍和更高的敏感度是傳感器性能優秀與否的重要指標。

目前現有技術中至少存在以下缺陷：

⑴超低溫環境下現在方法原理上僅僅是從包覆增敏材料的方法實現超低溫下的溫度測量，而在超低溫下(50K以下)材料的熱膨脹率非常小，極大的限制了這種方法的增敏效果。

⑵現有專利從結構上來說不利于實現多個傳感器串聯，也就是不能很好地實現單根光纖分布式多點測量，并沒有很好的發揮光纖光柵的特點。

發明內容