[發明專利]一種超低溫及大幅變溫下的光纖光柵溫度傳感器自動與批量標定系統

在審

• 申請號: 201910880079.4
• 申請日: 2019-09-18
• 公開（公告）號: CN110631741A
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 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: G01K15/00
• 分類號: G01K15/00;G01K11/32
• 代理公司: 11249 北京中恒高博知識產權代理有限公司
• 代理人: 劉震

本發明公開了一種超低溫及大幅變溫下的光纖光柵溫度傳感器自動與批量標定系統，計算機分別與測溫控溫儀、FBG解調儀相連；紫銅導熱塊連接冷頭，將熱量快速導出并附著有加熱片，通過冷熱平衡來控制溫度；FBG溫度片和低溫溫度片粘貼于紫銅導熱塊表面，所述測溫控溫儀分別與低溫溫度片和加熱片相連接，低溫真空箱的內部設有冷屏，所述冷屏設于紫銅導熱塊外面。本發明提出了一種超低溫光纖光柵溫度傳感器標定系統和方法，系統能夠實現10^?3K級別到室溫的溫度標定范圍，并實現該范圍內的任意溫度控制并恒定保持。

技術領域

本發明屬于光纖技術領域，尤其涉及一種超低溫及大幅變溫下的光纖光柵溫度傳感器自動與批量標定系統。

背景技術

隨著人類低溫技術的不斷進步，實現mK級的低溫已成為非常廉價的技術，利用3He-4He稀釋致冷機能夠實現1.5mK的低溫，坡密朗丘克冷卻和絕熱核去磁技術能達到更低的溫度。實用廉價的超低溫技術給許多重大科學領域帶來了突破，尤其是超導技術。在能源領域，超導輸電可將電能傳輸損耗降至幾乎為零；超導儲能功率大、質量輕、體積小、損耗小、反應快等得到廣泛應用；超導電機的體積和重量也將比傳統電機大大減小。此外低溫超導技術也在交通(磁懸浮列車、船舶磁推進器)，醫療衛生(核磁共振成像、生物磁儀器等)，電子技術(超導微波技術應用、各類超導傳感技術、半導體—超導體集成電路、超導計算元件等)，重大科學工程(加速器、受控熱核裝置等)和國防技術(超導反潛、掃雷、飛船載入、電磁推進、通訊及制導等)等領域有著重要應用。目前我國正以前所未有的力度投入重大科學儀器的研發，其中以加速器技術為主的重大科學裝置為首要方向，包括第3代、第4代同步輻射光源、大型加速器等。

低溫測量是保證各類低溫裝置安全有效運行的前提保障，溫度的監測對超導結構來說至關重要，低溫是實現超導態的必要條件。大載流運行下的超導磁體一旦由于溫度升高失去超導態電阻突升，將產生大量焦耳熱，威脅人員的財產安全。對超導磁體的溫度監測成為其安全運行的首要任務。低溫溫度測量通常采用熱電阻和熱電偶式溫度計，可在接近絕對零度(0K)附近使用，例如Lakeshore公司的cernox系列溫度傳感器能夠實現mK量級的溫度測量。這類溫度傳感器廣泛應用于深低溫運行的裝置中，如大型對撞機中的超導磁體、超導電機、超導電纜等。這類設備通常需要液氦進行冷卻，而液氦沸點僅為4.2K，環境溫度的升高將導致液氦急速揮發導致設備內部壓力過大引起破壞，造成人員財產損失，此類事故曾經發生在歐洲大型強子對撞機中，一次事故損失達到6000萬美金。

然而這類基于電測法進行測量的溫度傳感器，測量回路中若存在強電磁場時其精度和測量范圍將大打折扣，甚至無法使用。而超導磁體運行時產生的強磁場毫無疑問將導致電阻式傳感器嚴重失效，迫切需要一種能夠在超低溫強電磁干擾下正常工作的溫度傳感器。光纖光柵作為一種新型的傳感器件，利用光頻信號進行傳感。相較于傳統電、磁傳感器件而言具有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小及信號損耗小等顯著優點。光纖布拉格光柵(FBG)是使用較廣和較為成熟的一種光纖光柵，通過外界物理參量對FBG布拉格波長的調制來獲取傳感信息。由于FBG以反射波長作為信號載體，克服了傳統電測法的弊端，使其作為應變、溫度傳感器件在土木工程領域得到廣泛應用。此外，通過在單根光纖上刻入多個不同布拉格波長的光柵，可實現光纖的準分布式測量。

光纖纖芯主要由二氧化硅組成，熱膨脹系數小，對溫度不敏感，低溫下敏感性更低，需要將光纖光柵粘貼到對溫度更為敏感的材料上實現低溫溫度傳感，通常是熱膨脹系數較大的金屬或高分子聚合物。通過材料的伸縮帶動光纖光柵變形來實現溫度敏感性的提高。這一結構對溫度的響應需要通過標定來實現，而與傳統的電學溫度傳感器標定方法和裝置不同，由于光纖傳導的是光學信號，需要對傳統電學溫度標定裝置重新進行系統地設計，來實現光纖光柵溫度傳感器的標定。

本專利提出的這一裝置和標定方法系統有效地解決低溫光纖光柵溫度計標定問題，并已形成實物，可行性得到驗證。

發明內容