本發(fā)明涉及到溫度傳感領(lǐng)域，特別是涉及一種無應(yīng)力封裝光纖光柵溫度傳感串。

背景技術(shù)：

光纖光柵傳感器相比于傳統(tǒng)傳感器，具有體積小、重量輕、不產(chǎn)生且不受電磁干擾、耐腐蝕、傳感精度高等特點。光纖光柵中心波長與溫度之間存在線性變化的關(guān)系，故使用光纖光柵傳感器可以很好地實現(xiàn)對環(huán)境溫度的實時監(jiān)測。但未經(jīng)保護的光纖光柵在實際應(yīng)用時易受到包括碰撞、振動、溫度沖擊和濕氣侵蝕等帶來的損傷，影響其傳感精度和靈敏度。所以在工程應(yīng)用中，常采用各種封裝方法將光纖光柵封裝起來，既能保證傳感精度，也能保證傳感器的使用壽命。

目前的光纖光柵封裝技術(shù)有很多種類，如保護性封裝，增敏封裝等。其中保護性封裝是最常見的一種光纖布拉格光柵傳感器封裝形式，也是其他類型封裝的基本載體。具體為使用一種或多種材料包裹裸光柵，以增強光柵抗拉、抗剪切的強度。常見的有兩種保護性封裝。一種是將光柵沿其中心軸向用膠或焊接等固定在金屬管中，稱之為管式封裝。另一種是將光柵置于特定結(jié)構(gòu)的金屬片或碳纖維片等材料中，使用膠或焊接等方式固定，稱之為片式封裝。在保護性封裝的基礎(chǔ)上，通過腐蝕光柵，或者使用不同材料的基底，設(shè)計不同形狀的基底，就可以達到應(yīng)力增敏，溫度增敏或者壓力增敏的封裝效果?；驹矶际抢梅庋b基底的帶動作用來增強光柵的靈敏度。對光柵溫度傳感器而言，目前的封裝方法僅能盡可能的分離應(yīng)變對其傳感的影響，而不能完全消除應(yīng)變交叉干擾的問題。致使光纖光柵溫度傳感器在傳感的過程中對溫度的測量結(jié)果與實際值相比誤差較大，影響傳感器在實際應(yīng)用中的可靠性。同時，在光柵溫度傳感器的實際安裝過程中，往往使用膠等將其與待測環(huán)境固連，這會改變傳感器本身的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致模型參數(shù)偏離標定參數(shù)，引起一定的誤差。此外，光柵溫度傳感器的增敏封裝會引入較大預(yù)應(yīng)力。而預(yù)應(yīng)力隨著傳感器的長期使用而緩慢釋放，會引起標度的變化，導(dǎo)致傳感器長期穩(wěn)定性不佳。目前已有的無應(yīng)力影響的光柵溫度傳感器封裝技術(shù)為僅固定光柵一端，是一種單點封裝。該種封裝方式存在著無法成串的問題，使得傳感器整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實際工程應(yīng)用價值不高。

因此，本發(fā)明設(shè)計出一種封裝結(jié)構(gòu)簡單、能有效消除溫度-應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵溫度傳感串，不受安裝狀態(tài)影響，制作和調(diào)試簡單、可靠性高、復(fù)用性好，具備微小尺寸、高精度和長壽命特點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：已有光纖光柵溫度傳感探頭在封裝時會引入應(yīng)力，進而影響測溫精度；已有的無應(yīng)力封裝光纖光柵溫度傳感探頭為單點封裝，無法連接成串，難以實現(xiàn)多點測量。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供一種無應(yīng)力封裝光纖光柵溫度傳感串，由多個無應(yīng)力封裝光纖光柵溫度傳感頭連接在一起形成光纖光柵溫度傳感串，無應(yīng)力封裝光纖光柵傳感頭由光纖光柵柵區(qū)段、光纖和毛細管組成，柵區(qū)段端面和光纖端面磨斜適當角度，在內(nèi)徑匹配的毛細管中端端耦合，斜面平行、間隙為設(shè)定值，保證低損耗耦合且互相不干涉，在毛細管兩端采用焊接或膠粘方式固定兩段光纖，形成溫度傳感頭。

進一步的，所述光纖光柵柵區(qū)段端面和光纖端面使用光纖拋磨機磨斜制成，其斜面傾斜角為但不僅限于8°或15°。

進一步的，所述光纖光柵與光纖在毛細管中端端耦合，斜面平行、間隙小。

進一步的，光纖光柵與光纖在毛細管中端端耦合，斜面平行、間隙為設(shè)定值d(@25℃)，設(shè)定值大小計算公式為：

ε≤d≤d_max-ε (1)

ε＝[α_c·L_c-α_s·(L+L′)]·△T (3)

其中：d_max為間隙量的最大值，為工作波長，Δλ為解調(diào)儀測量帶寬，ε為溫度引起的間隙變化量，α_c為毛細管的熱膨脹系數(shù)，L_c為毛細管的長度，α_s為石英熱膨脹系數(shù)，L為光纖光柵長度，L'為光纖長度，ΔT取測溫上限和下限與25℃溫差的大值。

進一步的，所述毛細管可為石英、銅、不銹鋼、陶瓷毛細管等，管內(nèi)徑與光纖外徑匹配，其內(nèi)徑與光纖外徑差為但不僅限于2-5μm。

進一步的，所述毛細管兩端采用焊接或膠粘方式固定兩段光纖，形成無應(yīng)力封裝光纖光柵溫度傳感頭。

進一步的，所述多個光纖傳感頭連接在一起，形成串接多個無應(yīng)力封裝傳感頭的光纖光柵傳感串。

本發(fā)明的原理在于：

所述空氣間隙量設(shè)置應(yīng)保證在設(shè)計溫度測量范圍內(nèi)，保證低損耗耦合且互相不干涉。耦合的間隙d與形成的法布里-珀羅干涉條紋的條紋間距FSR關(guān)系模型為：

其中，為平均波長；為了保證在解調(diào)儀譜寬Δλ范圍內(nèi)沒有法布里-珀羅干涉條紋，需要條紋間距FSR大于解調(diào)儀譜寬Δλ，即FSR的最小值為Δλ。則根據(jù)該公式可計算出空氣間隙量的最大值d_max的表達式為：

此外，溫度變化時，光纖和毛細管的長度均會發(fā)生改變，且光纖的熱膨脹系數(shù)與毛細管的熱膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)致二者長度變化不一致，故空氣間隙量的變化量是由這兩部分共同決定，記溫度引起的空氣間隙量變化為ε，則可用公式(3)表示：

ε＝[α_c·L_c-α_s·(L+L′)]·△T (3)

其中，α_c為毛細管的熱膨脹系數(shù)，L_c為毛細管的長度，α_s為石英熱膨脹系數(shù)，L為光纖光柵長度，L'為光纖長度，ΔT為測量溫度上限和下限與25℃的最大差值。

為了避免溫度變化引起的間隙變化影響傳感頭性能，則在室溫下(25℃)空氣間隙量的初始值d應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

ε≤d≤d_max-ε (4)

可根據(jù)溫度測量范圍設(shè)計封裝時光柵與光纖之間的空氣間隙量。

本發(fā)明一種無應(yīng)力的光纖光柵傳感串封裝結(jié)構(gòu)的有益效果是：

(1)本發(fā)明封裝過程中光柵與光纖之間留有間隙，處于自由狀態(tài)，保證光柵傳感過程中不受溫度-應(yīng)力交叉敏感的影響，適用于對溫度傳感精度要求較高的場合。

(2)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，并可將多個無應(yīng)力封裝傳感頭串接成光纖光柵傳感串，可實現(xiàn)多點同時測量。

附圖說明

圖1為無應(yīng)力封裝光纖光柵溫度傳感串；

圖2為無應(yīng)力封裝光纖光柵溫度傳感頭；

圖3為端面耦合部分的放大圖；

圖中附圖標記含義為：1為光纖，2為無應(yīng)力封裝光纖光柵溫度傳感頭，3為粘膠點或焊接點，4為毛細管，5為光纖光柵柵區(qū)段，6為毛細管中端端耦合處。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明內(nèi)容作進一步詳細說明。

參考圖1所示，一種無應(yīng)力封裝光纖光柵溫度傳感串，由光纖1、無應(yīng)力封裝光纖光柵溫度傳感頭2組成。無應(yīng)力封裝光纖光柵傳感頭2由光纖光柵柵區(qū)段5、光纖1和毛細管4組成，柵區(qū)段端面和光纖端面磨斜適當角度，在內(nèi)徑匹配的毛細管中端端耦合處6，斜面平行、間隙為設(shè)定值，保證低損耗耦合且互相不干涉，在毛細管兩端采用焊接或膠粘方式3固定兩段光纖，形成溫度傳感頭。將多個光纖光柵溫度傳感頭連接在一起，形成光纖光柵溫度傳感串。

所述光纖光柵柵區(qū)一端和耦合光纖端磨成斜面，其斜面傾斜角為但不僅限于8°或15°。

光纖光柵與光纖在毛細管中端端耦合6，斜面平行、間隙為設(shè)定值d(@25℃)，設(shè)定值大小計算公式為：

ε≤d≤d_max-ε (1)

ε＝[α_c·L_c-α_s·(L+L′)]·△T (3)

其中：d_max為間隙量的最大值，為工作波長，Δλ為解調(diào)儀測量帶寬，ε為溫度引起的間隙變化量，α_c為毛細管的熱膨脹系數(shù)，L_c為毛細管的長度，α_s為石英熱膨脹系數(shù)，L為光纖光柵長度，L'為光纖長度，ΔT取測溫上限和下限與25℃溫差的大值。

所述毛細管可為石英、銅、不銹鋼、陶瓷毛細管等，管內(nèi)徑與光纖外徑匹配。

在毛細管兩端采用焊接或膠粘方式3固定兩段光纖，形成無應(yīng)力封裝光纖光柵溫度傳感頭2。

將多個光纖傳感頭2連接在一起，形成串接多個無應(yīng)力封裝傳感頭的光纖光柵串。

參考圖2所示，本發(fā)明內(nèi)容具體實施方式采用石英毛細管作為封裝材料，長度L_c＝15mm，熱膨脹系數(shù)α_c＝5.5×10^-7/℃；所選寬譜光源譜寬Δλ＝40nm，平均波長光纖光柵長度L＝10mm，光纖長度L'＝2mm，光纖的熱膨脹系數(shù)α_s＝5.5×10^-7/℃；溫度初始值T₀＝25℃。

第一步：計算空氣間隙量的最大值d_max。根據(jù)公式(2)，可得d_max＝30μm。

第二步：根據(jù)溫度變化范圍計算空氣間隙量的變化量ε。本發(fā)明內(nèi)容具體實施方式中溫度變化范圍為±120℃，則ΔT＝145℃，根據(jù)公式(3)，可得ε＝2.4μm。

第三步：確定空氣間隙量的初始值d范圍。根據(jù)公式(4)可得2.4μm≤d≤27.6μm，則最終本發(fā)明內(nèi)容具體實施方式中選擇空氣間隙量的初始值d＝15μm。

第四步：若封裝材料選用不銹鋼、銅或陶瓷毛細管等，在確定材料的熱膨脹系數(shù)后均可采用上述相同步驟計算得到空氣間隙量的初始值d，保證低損耗耦合且互相不干涉，在毛細管兩端采用膠粘方式固定兩段光纖，形成溫度傳感頭。

參考圖3所示，將所述光纖光柵柵區(qū)段端面和光纖端面使用光纖拋磨機磨斜制成，其斜面傾斜角為15°。保證光纖光柵與光纖在毛細管中端端耦合，斜面平行、間隙為15μm。

本發(fā)明未詳細闡述的技術(shù)內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。