光纖光柵溫度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光纖光柵溫度傳感器，包括光纖光柵和基材，所述光纖光柵粘接在所述基材上，所述基材由將碳纖維依次相互平行排列并通過環(huán)氧樹脂粘接起來制成。本發(fā)明中的光纖光柵溫度傳感器可以在較高的溫度下工作，而且在大的量程范圍具有高的靈敏度；傳感器基材為碳纖維-環(huán)氧樹脂復合材料，機械強度高，耐腐蝕；傳感器中沒有金屬部件，不受電磁影響，可以在強電磁場環(huán)境下工作。
【專利說明】光纖光柵溫度傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及溫度傳感器領(lǐng)域，具體而言，涉及一種光纖光柵溫度傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]光纖光柵作為一種光纖無源器件，具有抗電磁干擾、耐高溫、體積小等優(yōu)點，以光纖布拉格光柵為主的光纖光柵傳感器，以光纖光柵制作的傳感器傳感信號為波長調(diào)制，抗干擾能力強，測量信號不受光纖損耗、光源波動和探測器老化等因素的影響，易于波分復用技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成光纖光柵傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)分布式多點實時在線傳感，廣泛應用于溫度、應變、壓力等物理量的測量。溫度測量是光纖光柵傳感器最主要的應用之一。
[0003]然而，裸光纖光柵溫度傳感器的靈敏度約為0.010nm/°C，在測量范圍為O?100°C時，傳感器的波長變化僅有l(wèi)nm，如果用一般的分辨力為0.06nm的光譜分析儀進行測量，分辨力只有6°C，這不能滿足實際測量的需要。如果改用其他專用波長解調(diào)器，在滿足溫度分辨力0.1°C的條件下，解調(diào)器的波長分辨力必須達到0.0Olnm，這樣，對波長解調(diào)器的性能要求過高。
[0004]為了增加其靈敏度，人們對此進行了各種設計，將光纖光柵粘貼于不同的基底材料和結(jié)構(gòu)上構(gòu)成了各種新型的溫度傳感器。目前，提高光纖光柵溫度傳感器靈敏度的方法通常有兩種:一是直接將光纖光柵粘貼在同一種材料的實心基底上，基底材料為金屬或聚合物；二是設計一種機械機構(gòu)，將光纖光柵兩端粘接或焊接到結(jié)構(gòu)上，例如利用高溫度膨脹系數(shù)的金屬和低溫度膨脹系數(shù)的金屬構(gòu)成雙金屬增敏結(jié)構(gòu)，將光纖光柵的一端固定在高溫度膨脹系數(shù)的金屬上，另一端固定在低溫度膨脹系數(shù)的金屬上以提高器件的靈敏度，或者是制作金屬圓柱空心管并將光纖光柵的兩端分別固定在金屬管的兩端。第一種方式中，由于金屬材料溫度膨脹系數(shù)有限，所以光纖光柵傳感器的增敏程度不高；而單一的聚合物材料機械強度不高，影響傳感器的應用。第二種方式主要是以溫度變化時機械機構(gòu)對光纖光柵產(chǎn)生軸向應力，該應力引起光纖光柵的波長偏移來提高傳感器靈敏度。由于光纖光柵所能承受的最大應變量約為4000微應變，對應的波長變化約為4800pm，所以這種方式的溫度傳感器如果具有高的靈敏度，那么量程范圍則不大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種新的光纖光柵溫度傳感器。
[0006]因此，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種光纖光柵溫度傳感器，包括光纖光柵和基材，所述光纖光柵粘接在所述基材上，所述基材由將碳纖維依次相互平行排列并通過環(huán)氧樹脂粘接起來制成。
[0008]其中，可以將光纖光柵粘接在基材的表面，也可以將基材加工成一中空的殼體，將光纖光柵粘接在基材的內(nèi)部，基材可以為長方體或圓柱體；還可以增加外殼保護光纖光柵和基材不受外力影響，增加光纖保護管保護引出光纖，使整個傳感器具備更好的環(huán)境適應性。
[0009]在該技術(shù)方案中，采用碳纖維-環(huán)氧樹脂復合材料作為基材，其熱膨脹系數(shù)大，碳纖維沿一個方向均勻分布，環(huán)氧樹脂將碳纖維粘接成一體，光纖光柵粘接在基材上，光纖光柵軸向與碳纖維軸向垂直。該技術(shù)方案中的光纖光柵溫度傳感器可以在較高的溫度下工作，而且在大的量程范圍具有高的靈敏度；傳感器為碳纖維-環(huán)氧樹脂復合材料，機械強度高，耐腐蝕；傳感器中沒有金屬部件，不受電磁影響，可以在強電磁場環(huán)境下工作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的光纖光柵溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的光纖光柵傳感器的光纖光柵波長隨溫度變化的示意圖。

【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0013]如圖1所不,根據(jù)本發(fā)明的實施例的光纖光柵溫度傳感器,包括光纖光柵I和基材2，所述光纖光柵I粘接在所述基材2上，所述基材2由將碳纖維3依次相互平行排列并通過環(huán)氧樹脂4粘接起來制成。
[0014]其中，可以將光纖光柵I粘接在基材2的表面，也可以將基材2加工成一中空的殼體，將光纖光柵I粘接在基材的內(nèi)部，基材2可以為長方體或圓柱體；還可以增加外殼7保護光纖光柵I和基材2不受外力影響，增加光纖保護管6保護引出光纖5，使整個傳感器具備更好的環(huán)境適應性。
[0015]在該技術(shù)方案中，采用碳纖維-環(huán)氧樹脂復合材料作為基材，其熱膨脹系數(shù)大，碳纖維3沿一個方向均勻分布，環(huán)氧樹脂4將碳纖維3粘接成一體，光纖光柵I粘接在基材2上，光纖光柵I軸向與碳纖維3軸向垂直。該技術(shù)方案中的光纖光柵溫度傳感器可以在較高的溫度下工作，而且在大的量程范圍具有高的靈敏度；傳感器基材為碳纖維-環(huán)氧樹脂復合材料，機械強度高，耐腐蝕；傳感器中沒有金屬部件，不受電磁影響，可以在強電磁場環(huán)境下工作。
[0016]本發(fā)明具體原理如下:
[0017]碳纖維-環(huán)氧樹脂復合材料在與碳纖維軸向垂直的方向上的溫度膨脹系數(shù)α τ可以表示為:
[0018]ατ= a f.Vf+(1+ vm).a m.Vm (I)
[0019]其中a f為碳纖維的溫度膨脹系數(shù)，Vf為碳纖維在碳纖維-環(huán)氧樹脂復合材料中的體積比，VmS環(huán)氧樹脂的泊松比，CIm為環(huán)氧樹脂的溫度膨脹系數(shù)，Vm為環(huán)氧樹脂在復合材料材料中的體積比。
[0020]另一方面，裸光纖光柵的溫度系數(shù)為:
[0021]-γ- = {ξ + αα)'^Τ
4(2)
[0022]其中Λ λ為光纖光柵波長變化量，λ B為光纖光柵工作波長，ξ為光纖的熱光系數(shù)，％為光纖的溫度膨脹系數(shù)。對于石英光纖，aQ~0.5X10_6/°C，ξ。6.7X10_6/°C。
[0023]當把光纖光柵粘接到另一種材料上時，其溫度系數(shù)可以表示為

【權(quán)利要求】
1.一種光纖光柵溫度傳感器，其特征在于，包括光纖光柵(I)和基材(2),所述光纖光柵(I)粘接在所述基材(2)上，所述基材(2)由將碳纖維(3)依次相互平行排列并通過環(huán)氧樹脂(4)粘接起來制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵溫度傳感器，其特征在于，所述基材(2)為一中空的殼體，所述光纖光柵(I)粘接在所述基材的內(nèi)部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖光柵溫度傳感器，其特征在于，所述基材(2)為長方體或圓柱體。
【文檔編號】G01K11/32GK104198083SQ201410413278
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】楊先輝, 韋占雄, 杜成良, 朱禮斌, 劉鎮(zhèn)領(lǐng), 賈文義, 楊皓 申請人:中國石油集團渤海鉆探工程有限公司