CN101334298B - 半缺口套管式高精度多功能光纤光栅传感器设计 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种高精度多功能光纤光栅传感器设计方法和制作安装工艺。该传感器在不同的安装方式下，能够实现如下特性：温度增敏，温度补偿应变增敏，温度补偿压/拉力测量和温度补偿压/拉位移同时测量。其设计包括：温度、应变增敏系数推导；应变增敏传感时温度补偿推导；其它量传感时温度补偿原理推导；各种力之间相互转换推导。制作安装工艺包括：关键的缺口设计封装；应变、位移传感器使用时，套管材料与环境热膨胀系数相同的选取方法；温度增敏传感器中配合使用导热膏；使用多栅区在内部提供温度参考的级联方式。

Description

半缺口套管式高精度多功能光纤光栅传感器设计

一、技术领域

本发明涉及光纤传感器，尤其是一种高精度多功能光纤光栅传感器设计方法和制作安装工艺。

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。

但是，光纤光栅增敏技术一直进展缓慢。在度过了直接将FBG粘贴在大膨胀系数进行温度增敏的阶段后，近期，研究人员通过双金属实现温敏，效果明显。但是，对温度补偿应力增敏的研究目前还未见报道。其主要原因就是传统双金属制作的温度补偿传感器无法把应变同时传递给栅区，更很难增敏。如本发明中的使用同一支传感器实现温度增敏和温度补偿的应变增敏，更甚少听闻。

三、发明内容

本发明提供的是一种高精度多功能光纤光栅传感器设计方法和制作安装工艺。该传感器在不同的安装方式下，能够实现如下特性：温度增敏，温度补偿应变增敏，温度补偿压/拉力测量和温度补偿位移同时测量。其设计包括：温度、应变增敏系数推导；应变增敏传感时温度补偿推导；其它量传感时温度补偿原理推导；各种力之间相互转换推导。制作安装工艺包括：关键的缺口设计封装；应变、位移传感器使用时，套管材料与环境热膨胀系数相同的选取方法；温度增敏传感器中配合使用导热膏；替换现有光纤光栅传感器内部测力、测温敏感元件的级联方式；多功能传感器直接串接，实现不同变量测量的级联方式；使用多栅区在内部提供温度参考的级联方式。

(一)基本机构：半缺口套管式结构，见图1。其中包括

a)外套管，内有一盲孔；靠近盲孔底部有一半缺，半缺可以看到部分盲孔的长度；外套管的热膨胀系数和整体长度根据待测变量特性选取，具体如下：

1.在制作高精度温度增敏传感器过程中，外套管选取大热膨胀系数材料，整体长度选取较长，具体长度根据具体工程分辨率要求确定；

2.在制作温度补偿应变增敏传感器过程中，外套管选取和待测材料相同热膨胀系数的材料，整体长度选取较长，具体长度根据具体工程分辨率要求确定；

3.在制作温度补偿拉/压力传感器过程中和在制作温度补偿位移和压/拉加速度同时测量传感器过程中，外套管选取小热膨胀系数的材料；

b)内插棒，由两节不同大小的棒构成，小棒插入外套管的内部，其上有一半缺，大小棒的交界面与外套管粘固；其热膨胀系数、截面积和整体长度根据待测变量特性选取，具体如下：

1.在制作高精度温度增敏传感器过程中，内插棒选取小热膨胀系数材料，整体长度选取较长，其半缺和外套管间的半缺距离较小，具体长度根据具体工程分辨率要求确定；

2.在制作温度补偿应变增敏传感器过程中，内插棒的热膨胀系数和内插部分长度与栅区长度比值符合特定温度补偿关系；

3.在制作温度补偿拉/压力传感器过程中和在制作温度补偿位移传感器过程中，内插棒选取小热膨胀系数的材料；

c)栅区两端分别固定在两半缺两端，并给栅区一定预拉伸量。

(二)工作原理：

1.温度增敏多功能传感器工作原理

安装时，传感器自由放置。当温度变化时，材料A和材料B均膨胀。但是，A膨胀的量比B大得多。A，B热膨胀量的差值直接传递给栅区。因此，可以通过调整A和B的长度和选用不同热膨胀系数的材料来控制栅区的形变量，从而实现高分辨率高精度的温度测量。

温度灵敏度为： $\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{\mathrm{\ΔT}}=(1-P_e)[(a1-a2)L1/L3+a2-\mathrm{\α}]{\mathrm{\λ}}_B+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ}){\mathrm{\λ}}_B$

其中，P_e为有效弹光常数；α为光栅热膨胀系数；ζ为光栅热光系数；L1为A去除光栅1cm的焊接台后的长度；L3为A、B组合后，缺口的长度，即栅区长度；a1为A的热膨胀系数；a2为B的热膨胀系数。

如果材料A选用铝，长度26cm；长度材料B选用殷刚，插入A中长度24cm，则其测温灵敏度＝(1-0.22)*[(23-2)25/1+2-0.5]*10^-6*1.550*10⁶+(6.67+0.55)*10^-6*1.550*10⁶＝625.3pm/℃

当作为压/拉力传感器工作时，因为待测变量加载的不连续性，所以套管A的形变量可以被忽略，A此时对温敏有贡献。

温度补偿符合如下关系(1-P_e)[(a1-a2)L1/L3+a2-α]λ_B-(α+ζ)λ_B＝0

4.温度补偿位移传感器工作原理

当A的一端与位移套头配合时，温度补偿位移传感器。位移套头如图2所示，特点就是内插和外管之间可以相对大幅度移动，内插和外管之间有一弹簧。弹簧把位移量转化为对半缺套管A的压力值。

当作为位移传感器使用时，位移灵敏度推导为：

上式中，条件式为温度补偿压/拉力传感器中的压/拉力公式和杨氏模量公式。

当作为位移传感器工作时，因为待测变量加载的不连续性，所以套管A的形变量可以被忽略，A此时对温敏有贡献。

温度补偿符合如下关系(1-P_e)[(a1-a2)L1/L3+a2-α]λ_B-(α+ζ)λ_B＝0

(三)其它结构：

●半缺口套管式结构，其特征在于：齐边内插棒结构，内部插棒大端和套管具有同样尺寸，直接取外部环境温度变量，热传递效果好，对高频热变量响应好，减小测量误差。同时，不传递应变。

●多个多功能传感器串行级联，实现更广泛的参量测量。例如附图3所示方式安装。

●多功能传感器替换其它类型光纤光栅传感器内敏感元件的级联，实现对原传感器的增敏或温度补偿。

●管式双金属温敏结构中导热膏设计，其特征是：用导热膏填充满管内部间隙，热传递效果好，使得温敏结构中的不同温度敏感元件共同达到待测温度的时间减小，各敏感元件间的温差更小，提高对高频热变量的响应。

(四)附图说明：

图1是多功能传感器主体的结构示意图。

图2是温度传感器的结构示意图。

图3是位移传感器的套头示意图。

图4是多功能传感器组合使用示意图。

Claims (1)

1.半缺口套管式结构，其特征在于，其中包括

a)外套管，内有一盲孔；靠近盲孔底部有一半缺，半缺可以看到部分盲孔的长度；外套管的热膨胀系数和整体长度根据待测变量特性选取，具体如下：

1.在制作高精度温度增敏传感器过程中，外套管选取大热膨胀系数材料，整体长度选取较长，具体长度根据具体工程分辨率要求确定；

2.在制作温度补偿应变增敏传感器过程中，外套管选取和待测材料相同热膨胀系数的材料，整体长度选取较长，具体长度根据具体工程分辨率要求确定；

3.在制作温度补偿拉/压力传感器过程中和在制作温度补偿位移和压/拉加速度同时测量传感器过程中，外套管选取小热膨胀系数的材料；

b)内插棒，由两节不同大小的棒构成，小棒插入外套管的内部，其上有一半缺，大小棒的交界面与外套管粘固；其热膨胀系数、截面积和整体长度根据待测变量特性选取，具体如下：

1.在制作高精度温度增敏传感器过程中，内插棒选取小热膨胀系数材料，整体长度选取较长，其半缺和外套管间的半缺距离较小，具体长度根据具体工程分辨率要求确定；

2.在制作温度补偿应变增敏传感器过程中，内插棒的热膨胀系数和内插部分长度与栅区长度比值符合特定温度补偿关系；

3.在制作温度补偿拉/压力传感器过程中和在制作温度补偿位移传感器过程中，内插棒选取小热膨胀系数的材料；

c)栅区两端分别固定在两半缺两端，并给栅区一定预拉伸量。

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