[实用新型]一种串联式光纤光栅高灵敏温度传感器

说明书

一、技术领域

本实用新型涉及光纤传感器，尤其是光纤光栅温度传感器。

二、技术背景

光纤光栅具有许多其它传感器无法比拟的优点：全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰；零点无漂移，长期稳定；以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响；绝对量测量，系统安装及长期使用过程中无需定标；使用寿命长等等。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光栅发生耦合作用，光栅对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；其余宽带光则直接透射过去。反射回的窄带光的中心波长值(也叫Bragg波长)为：

λ_B＝2n_effΛ

上式中，n_eff为FBG的有效反射系数，Λ为FBG的相邻两个栅隔之间的几何距离。当温度变化时，引起返回波长变化量相对温度变化量的灵敏度为：

Δλ_B/ΔT＝[(1-P_e)ε+ζ]λ_B        (1)

其中，P_e为FBG的有效弹光常数；ε为单位温度变化下FBG的应变量；ζ为FBG的热光系数。

FBG固有的温度分辨率很低，约0.1℃/pm。这在很多应用领域都无法满足要求。因此，很多研究人员就提高其温度灵敏度做了很多工作。FBG温度传感器增敏的原理是利用FBG对温度和应变同时敏感的特性，通过合理的结构设计，把FBG和高热膨胀系数材料封装在一起。当被测温度变化时，通过高热膨胀系数材料的形变向FBG施加一个应变量，使得FBG的返回波长变化量加大。最初，研究人员通过将FBG直接粘贴在大膨胀系数材料上进行温度增敏。这种方法取得的增敏效果有限，受到材料的热膨胀系数制约。1999年3月，Jeahooh Hung等人在Applied Optics期刊上，提出了通过双金属实现温度增敏，效果明显。双金属温度增敏原理：温度变化时，把两种热膨胀系数不同的金属长度变化量的差转化成光栅长度的变化量，使得光纤光栅的返回中心波长的变化量增加。

三、实用新型内容

在测量过程中，若双金属光纤光栅传感器的连接处产生滑动，将严重影响测量结果。为了减小其影响，本实用新型采取了一种串联式的结构，即把金属基底的中部与金属长条的中部固定在一起，并在它们的端点之间各连接一根光栅，形成两个测量点，如附图所示。这样，当某连接处发生滑动时，两个测量点的观测值会不一致；当所有连接处都没发生滑动，并且温度发生变化时，两个测量点的观测值一致。因此，该传感器可以判断连接处是否发生了滑动。

本实用新型提供了一种串联式光纤光栅高灵敏温度传感器，包括具有热膨胀系数为α₁的金属底座、具有热膨胀系数为α₂的金属长条和两根光栅，所述金属底座的中部与所述金属长条的中部固定在一起，所述光栅的两端分别固定在所述金属底座和所述金属长条上。

四、附图说明

附图是本实用新型的结构示意图。

其中，1为光栅，2为金属底座，3为金属长条，4为固定点。

五、具体实施方案

下面结合举例对本实用新型做更详细的描述：

该传感器主要由以下部分组成：两根光栅、具有热膨胀系数为α₁的金属底座和具有热膨胀系数为α₂的金属长条，金属基底的中部与金属长条的中部固定在一起，并在它们的端点之间各连接一根光栅，形成两个测量点，如附图所示。根据传感器设计的灵敏度，选择α₁，α₂，光栅长度，金属底座长度及金属长条的长度；根据传感器设计的工作温度区间，设置两光栅的预松长度或预拉应变。为了方便控制预松长度和预拉应变，可采取如专利200810105788.7所示的方法，在光栅和底座的连接点加入带有长条孔的金属长条。为了在防暴场合下使用，传感器的金属材料也可以用非金属材料代替。

传感器安装后，当某连接处发生滑动时，两个测量点的观测值会不一致；当所有连接处都没发生滑动，并且温度发生变化时，两个测量点的观测值一致。因此，该传感器可以判断连接处是否发生了滑动，并通过数据分析，得出更可靠的结果。