[发明专利]一种极端环境下多点测量的光纤光栅温度传感器

说明书

本发明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。本发明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。

技术领域

本发明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。

发明内容