用於快速海洋測溫的光纖溫度傳感器的製作方法
2023-10-22 20:45:57 1
專利名稱：用於快速海洋測溫的光纖溫度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖傳感器技術，特別是用於海水溫度高精度、快速測量的測溫傳感器。區別於傳統電子測溫技術，該傳感器可無源工作，不存在電子絕緣、海水滲漏等問題，且傳感器敏感單元為光纖，具有大的表面積/體積比，具有快速響應的能力，該技術發明為海洋測溫領域提供一種全新的高精度測溫方法。
背景技術：
海水溫度是海水最重要的物理參數。測量海水溫度對於科學調查、國防軍事、海上油氣開採、漁業生產等有重要的作用。溫度傳感器的核心精度高、響應快、穩定性好。如對於海洋測溫技術要求而言，要求測溫的範圍較小(-5°C-35°C)，但要求的測試精度高，一般為士0.003°C，高精度要求達到0. 001°C以上。雖然基於電橋的溫度傳感器技術已經成熟，且已經大批量應用，但其固有有技術缺點帶來在海洋技術領域的種種不便價格高目前常用的技術基於熱敏電阻或者鉬電阻，系統刷新周期一般為60ms左右，整體成本較高，0. ore的高精度電橋高近2萬元，而精度達到0. oorc更超過10萬元。絕緣要求高熱敏電阻需要進行絕緣封裝，以避免短路的同時屏蔽海水的侵蝕。如當前對熱敏電阻採用不鏽鋼管封裝的形式，其工藝複雜，且引入較大的體積和熱容量，進而限制溫度響應時間。響應時間慢熱敏電阻在海水中需要絕緣和耐壓保護。因此其導熱過程慢而採用光纖技術則可以直接將光纖暴露在海水中，且石英光纖體積纖細(o. 125mm)，比熱小，導熱快，因此響應時間短。除此之外，日趨成熟的普通光纖光柵測溫技術也不能滿足海洋測溫需求。普通的光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)傳感技術範圍較寬，一般可以從_30°C _150°C，但解析度僅達到0. 01°C靈敏度一般僅為10pm/°C，且往往由於金屬鎧裝保護結構和溫度增敏物質的熱容量較大，對溫度的瞬態響應時間沒有得到足夠重視，遠不能滿足海洋測溫之需求。長周期光纖光柵(Long Period Grating)相對短周期而言，具有更長的周期，具有更加靈敏的溫度敏感性，經過簡單的封裝可以裸露在海水中，避免了保護封裝使得傳感頭熱容量增大而降低反應速度。且遠比FBG靈敏，是測量海水溫度優勢方案。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種用於快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，其是為海洋測溫的一種手段，具有快速、高精度的測溫優點。本發明提供一種一種用於快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，包括一長周期光纖光柵；一外殼，為圓柱體，該外殼的中間為圓形鏤空狀的容置部，該容置部的兩端的中心分別有一小孔，在兩小孔的外側為一直徑大於小孔的開放狀的圓孔，所述長周期光纖光柵容置於外殼的容置部內，且長周期光纖光柵通過其兩端的光纖穿出小孔；拉伸結構，位於外殼的一端內，用於固定長周期光纖光柵，並提供恆定拉力，確保長周期光纖光柵一直處在拉伸狀態；兩個堵頭，為圓柱體，其直徑與外殼兩端的圓孔相同，該堵頭的中心有一可容許光纖通過的孔洞，所述光纖穿過該孔洞。其中長周期光纖光柵包括一纖芯；一包層，該包層包覆於纖芯；一金屬屏蔽層，該金屬屏蔽層包覆於包層，該金屬屏蔽層可排除環境折射率的影響，且提高溫度傳感器的靈敏度。其中外殼的材料為耐海水腐蝕的鈦合金、海軍銅、不鏽鋼合金。其中拉伸結構位於外殼的一端內，用於固定長周期光纖光柵，並提供拉力保持光柵不彎曲，該拉伸結構包括一彈簧，一銷釘，和比圓孔稍大圓孔構成，彈簧放在稍大圓孔中用於限制彈簧的橫向移動，銷釘的細端插入在彈簧中，光纖通過銷釘並固定，光纖通過銷釘對彈簧施加拉力，以保持長周期光纖光柵始終處在拉伸狀態。本發明的有益效果是測溫精度高測溫精度達到士0. 0030C以上；測溫速度快常規高精度CTD的測溫速度能夠達到50ms，為了更好的符合當前的技術要求，LPG的測溫速度應高於50ms ；測溫不受其他因素幹擾除了對溫度敏感，LPG對包層外的環境折射率比較敏感， 因此在測溫時容易受到環境變化的影響。首先，不同的海水有著不同的鹽度，即不同的海水有著不同的折射率，因此會對LPG的波長進行幹擾；其次，不同深度的海水對傳感器產生不同的壓力，特別對於有預應力的封裝而言，海水壓力導致光纖鬆弛甚至彎曲，因此會對長周期光柵的諧振波長產生附加的影響，因此，LPG測溫需要消除掉類似幹擾因素。
為進一步描述本發明的具體技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如後，其中圖1是本發明長周期光纖光柵溫度傳感器示意圖；圖2是圖1的局部放大示意圖；圖3是本發明長周期光纖光柵的結構示意圖；圖4是圖3的斷面示意圖；圖5是本發明應用於反射式解調光路的示意圖；圖6是傳統透射式解調光路的示意圖；圖7是長周期光纖光柵未加金屬屏蔽的測試曲線圖；圖8是長周期光纖光柵加有金屬屏蔽的測試曲線圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發明提供一種一種用於快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，包括
一長周期光纖光柵1，所述長周期光纖光柵1包括一纖芯101 ；—包層102，該包層 102包覆於纖芯101 ；—金屬屏蔽層103，該金屬屏蔽層103包覆於包層102。長周期光纖光柵用於感測海水的溫度，金屬屏蔽層103可以屏蔽海水對長周期光纖光柵的影響，並可以增加長周期光纖光柵的1溫度敏感性，且不損失長周期光纖光柵1同海水的溫度交換效率。 請參閱圖3、圖4所示。請參閱圖2，一外殼2，為圓柱體，該外殼2的中間為鏤空狀的容置部21，以便於海水與長周期光纖光柵1的熱量交換；該容置部21的兩端的中心分別有一小孔22，在兩小孔 22的外側為一直徑大於小孔22的開放狀的圓孔23，所述長周期光纖光柵1容置於外殼2 的容置部21內，且長周期光纖光柵1通過其兩端的光纖11穿出小孔22，該外殼2的材料為耐腐蝕、耐高壓的金屬合金材料，如鈦合金、海軍銅、不鏽鋼；外殼2作為封裝外殼，對長周期光纖光柵1起保護作用，以免長周期光纖收到撞擊、阻礙等外力損傷，外殼的容置部21提供傳感器外界海水與長周期1熱交換的通道；請參閱圖2所示，本發明提供一種拉伸結構3，位於外殼2的一端內，用於固定長周期光纖光柵1，並提供拉力保持光柵不彎曲，該拉伸結構3包括一彈簧301，一銷釘302，和比圓孔21稍大圓孔31構成，彈簧301放在稍大圓孔303中用於限制彈簧301的橫向移動，銷釘302的細端插入在彈簧301中，光纖11通過銷釘302並固定，光纖11通過銷釘302對彈簧301施加拉力，以保持長周期光纖光柵1始終處在拉伸狀態；兩個堵頭4，為圓柱體，其直徑與外殼2兩端的圓孔23相同，該堵頭4的中心有一可容許光纖11通過的孔洞41，所述光纖11穿過該孔洞41。堵頭用於光纖11伸出堵頭4 後，鎧裝護套同傳感器的連接固定。請參閱圖示6所示，一般長周期光纖光柵在作為傳感器使用時，採用探測透射譜的方案，由寬帶光源601、波長解調模塊602和長周期光纖光柵1及延長光纖611、622構成， 寬帶光源601發出的寬帶光，經過長周期光柵1後，部分包層模被消逝掉後，剩餘的透射光譜被解調儀602探測。在實際應用中，特別是在海上溫度測量中，需要將光源和解調裝置放在岸上或者船上，因此如圖6所示的透射型需要兩根光纖，對實用帶來不便。本發明採用反射型的光路結構，如圖5所示。由寬帶光源501、波長解調模塊502 和耦合器503、端面反射鏡504及長周期光纖光柵1構成。從光源5. 1發出的寬帶光經過耦合器503後，入射近長周期光纖光柵1，部分光被洩露到長周期光纖光柵1中的包層並被消逝掉，剩餘的光從長周期光纖光柵1後繼續向前傳播，直到端面反射鏡504後原路返回， 並在此進入長周期光纖光柵1中並再次損失部分包層模，剩餘的光譜繼續前行直到耦合器 503後進入波長解調模塊502。因此，該種光路結構使得光譜兩次經過長周期光纖光柵1，得到的光譜中的諧振光譜較一次通過更為陡峭、幅值更大，利於後續解調性能的提升；且該種光路結構在實際應用中，只需要一根光纖，便於實際應用。端面反射鏡504是在光纖斷面上鍍膜的方案實現，鍍膜的方案為磁控濺射、真空鍍膜、化學鍍膜。請參閱圖7，沒有經過金屬屏蔽和增敏的長周期光纖光柵1的溫度靈敏度為 0. 224nm/°C ；請參閱圖8，沒有經過金屬屏蔽和增敏的長周期光纖光柵1的溫度靈敏度為 0. 309nm/°C。溫度敏感度得到明顯的提升。以上所述，僅是本發明的實施例而已，並非對本發明作任何形式上的的限制，凡是依據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案範圍之內，因此本發明的保護範圍當以權利要求書為準。
權利要求
1.一種用於快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，包括一長周期光纖光柵；一外殼，為圓柱體，該外殼的中間為圓形鏤空狀的容置部，該容置部的兩端的中心分別有一小孔，在兩小孔的外側為一直徑大於小孔的開放狀的圓孔，所述長周期光纖光柵容置於外殼的容置部內，且長周期光纖光柵通過其兩端的光纖穿出小孔；拉伸結構，位於外殼的一端內，用於固定長周期光纖光柵，並提供恆定拉力，確保長周期光纖光柵一直處在拉伸狀態；兩個堵頭，為圓柱體，其直徑與外殼兩端的圓孔相同，該堵頭的中心有一可容許光纖通過的孔洞，所述光纖穿過該孔洞。
2.根據權利要求1所述的用於快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，其中長周期光纖光柵包括一纖芯；一包層，該包層包覆於纖芯；一金屬屏蔽層，該金屬屏蔽層包覆於包層，該金屬屏蔽層可排除環境折射率的影響，且提高溫度傳感器的靈敏度。
3.根據權利要求1所述的用於快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，其中外殼的材料為耐海水腐蝕的鈦合金、海軍銅、不鏽鋼合金。
4.根據權利要求1所述的用於快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，其中拉伸結構位於外殼的一端內，用於固定長周期光纖光柵，並提供拉力保持光柵不彎曲，該拉伸結構包括一彈簧，一銷釘，和比圓孔稍大圓孔構成，彈簧放在稍大圓孔中用於限制彈簧的橫向移動，銷釘的細端插入在彈簧中，光纖通過銷釘並固定，光纖通過銷釘對彈簧施加拉力，以保持長周期光纖光柵始終處在拉伸狀態。
全文摘要
一種用於快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，包括一長周期光纖光柵；一外殼，為圓柱體，該外殼的中間為圓形鏤空狀的容置部，該容置部的兩端的中心分別有一小孔，在兩小孔的外側為一直徑大於小孔的開放狀的圓孔，所述長周期光纖光柵容置於外殼的容置部內，且長周期光纖光柵通過其兩端的光纖穿出小孔；拉伸結構，位於外殼的一端內，用於固定長周期光纖光柵，並提供恆定拉力，確保長周期光纖光柵一直處在拉伸狀態；兩個堵頭，為圓柱體，其直徑與外殼兩端的圓孔相同，該堵頭的中心有一可容許光纖通過的孔洞，所述光纖穿過該孔洞。
文檔編號G01K11/32GK102494802SQ20111043047
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者劉元輝, 劉育梁, 劉鵬飛, 戴興, 李芳 , 王永傑, 趙強 申請人:中國科學院半導體研究所