專利名稱：光纖光柵溫度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及溫度傳感器，特別是涉及一種光纖光柵溫度傳感器。
背景技術：
傳統(tǒng)的電類溫度傳感器易受電磁輻射干擾，精度低，穩(wěn)定性差，無法滿足在惡劣工作環(huán)境，如電力系統(tǒng)中的工作需要。光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比具有很多優(yōu)點，如靈敏度高，體積小，抗電磁輻射，長期穩(wěn)定以及信號傳輸距離長。但在實際使用中，由于裸光纖的纖芯直徑很小(125μm)，極易損壞，所以作為傳感器使用的光纖光柵都要經過某種形式的封裝，達到對其的保護目的。
公知的光纖光柵溫度傳感器一般采用將光纖光柵封裝在金屬殼體內，但應用于電力系統(tǒng)中的各種傳感器要求具有絕緣特性，因此，金屬殼體封裝的光纖光柵溫度傳感器也不適合在電力系統(tǒng)中使用。此外，由于金屬材料的熱膨脹系數(shù)高于光纖材料的熱膨脹系數(shù)，金屬殼體將對溫度測量造成影響，所以該種封裝方式均需要設計溫度補償結構，從而造成封裝工藝復雜，封裝結構尺寸大，且溫度補償?shù)男Ч簧趵硐搿?br>
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種適合在電力系統(tǒng)中使用的、具有絕緣特性的光纖光柵溫度傳感器，同時，該光纖光柵溫度傳感器封裝結構簡單，能有效消除因封裝結構變形對溫度測量精度的影響，具有較高的測量精度。
本發(fā)明的技術方案為一種光纖光柵溫度傳感器，包括封裝筒體和刻有柵區(qū)的光纖光柵，所述封裝筒體的端部設置有將所述光纖光柵密封在所述封裝筒體腔內的封裝件，其特征在于所述封裝筒體的材料為石英材料。
所述石英材料的熱膨脹系數(shù)與所述光纖光柵纖芯材料熱膨脹系數(shù)相近，為0.4×10-6/K～0.7×10-6/K。
所述封裝筒體的材料為石英玻璃材料。
所述石英玻璃材料的熱膨脹系數(shù)與所述光纖光柵包層材料熱膨脹系數(shù)相同，為0.5×10-6/K～0.6×10-6/K。
所述封裝筒體的內腔沿其長度方向設置，內腔的端部設置封裝件將光纖光柵的柵區(qū)部分密封在所述內腔內，光纖光柵引出端至少在一側伸出所述封裝筒體。
所述封裝筒體的內腔為沿其長度方向設置的通孔，所述通孔的兩端設置封裝件將光纖光柵的柵區(qū)部分密封在所述通孔內，光纖光柵引出端從所述封裝筒體的兩側伸出。
所述封裝筒體和通孔的橫截面為長方形、正方形、圓形或橢圓形。
所述橫截面為長方形的封裝筒體的外形尺寸為長20～50mm，寬4～30mm，高1.5～10mm，所述橫截面為圓形的通孔的直徑為0.2～1.5mm，光纖光柵纖芯上刻制的柵區(qū)長度為1～35mm。
所述封裝件為膠粘劑。
所述光纖光柵的柵區(qū)部分為剝離了涂覆層的光纖光柵。
本發(fā)明的技術效果為本發(fā)明光纖光柵溫度傳感器針對電力系統(tǒng)使用的絕緣需求，對光纖光柵溫度傳感器的結構，特別是其封裝結構進行了合理設計，通過采用石英材料制成的封裝筒體對光纖光柵進行封裝的技術方案，使本發(fā)明的整體結構成為絕對的非金屬絕緣體，滿足了電力設備和系統(tǒng)的使用要求。此外，本發(fā)明封裝筒體采用與光纖光柵纖芯材料熱膨脹系數(shù)相近的石英材料，消除了因封裝結構膨脹特性導致光纖光柵溫度測量精度的影響，使封裝結構十分簡單，封裝過程快速而可靠，大幅度降低了因封裝工藝復雜對光纖光柵的損壞，并有效降低了生產成本。進一步地，封裝筒體采用石英玻璃材料，該材料與光纖光柵包層的材料相同，與光纖光柵纖芯的材料相近，因此由該材料制成的封裝筒體具有與光纖光柵相同的熱膨脹系數(shù)，使測量精度進一步提高。
光纖光柵作為溫度傳感器的原理是基于其熱膨脹特性使光纖光柵的波長發(fā)生變化，當環(huán)境溫度升高時，光纖光柵的波長變大。由于光纖光柵被密封在封裝結構中，任何封裝結構均會隨溫度變化膨脹或縮短，因此封裝結構的形變將會帶動光纖光柵形變，從而嚴重影響光纖光柵的波長變化，使光纖光柵溫度測量的精度下降。本發(fā)明根據(jù)封裝結構隨溫度產生形變的特性，同時考慮到光纖光柵也具有相同的形變特性，只有當封裝結構和光纖光柵的熱膨脹系數(shù)相差很大時，封裝結構的形變才會嚴重影響光纖光柵的形變，從而使光纖光柵的波長發(fā)生變化。本發(fā)明充分利用了封裝結構和光纖光柵均具有形變的特性，通過采用石英玻璃材質的封裝結構，使封裝結構具有與光纖光柵相同的熱膨脹系數(shù)，因此被封裝結構密封的光纖光柵隨封裝結構一起做相同比例的膨脹或縮短。也就是說，二者具有相同的形變，封裝結構的形變不會對光纖光柵的形變產生任何影響。
此外，本發(fā)明還采用了剝離光纖光柵柵區(qū)部分涂覆層的優(yōu)選方案進一步提高測量精度。
本發(fā)明采用石英玻璃材質封裝結構的光纖光柵溫度傳感器一方面滿足了電力系統(tǒng)應用的需求，另一方面成功地解決了封裝結構對溫度測量精度的影響。試驗研究結果表明，本發(fā)明光纖光柵波長溫度系數(shù)同裸光柵非常接近，約為10pm/℃，同時滿足了電力系統(tǒng)測量無金屬、體積小的要求。


圖1為本發(fā)明結構示意圖。
圖2為本發(fā)明光纖光柵結構示意圖。
圖3為一側為盲端的結構示意圖。
附圖中標記為1-封裝筒體；2-光纖光柵；3-膠粘劑；4-通孔；5-光纖光柵引出端；21-涂覆層；22-包層；23-纖芯；24-柵區(qū)；具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的技術方案。
圖1為本發(fā)明結構示意圖。如圖1所示，本發(fā)明光纖光柵溫度傳感器包括柱狀的封裝筒體1、刻有柵區(qū)的光纖光柵2和膠粘劑3，封裝筒體1沿其長度方向設置有通孔4。光纖光柵2穿過所述通孔4，柵區(qū)部分設置在中部，光纖光柵引出端5伸出封裝筒體1。膠粘劑3設置在通孔4的兩端，將光纖光柵2的柵區(qū)部分密封在通孔4內。
在本發(fā)明技術方案中，所述封裝筒體1采用與光纖光柵纖芯材料熱膨脹系數(shù)相近的石英材料制成，其熱膨脹系數(shù)為0.4×10-6/K～0.7×10-6/K，一方面滿足了電力系統(tǒng)的絕緣需求，另一方面成功地解決了封裝結構對溫度測量精度的影響。在本優(yōu)選方案中，封裝筒體1采用石英玻璃材料制成，其熱膨脹系數(shù)為0.5×10-6/K～0.6×10-6/K，最佳的熱膨脹系數(shù)為0.55×10-6/K。該材料與光纖光柵2包層22的材料相同，與纖芯23材料相近，因此由該材料制成的封裝筒體1具有與光纖光柵2相同的熱膨脹系數(shù)。當環(huán)境溫度變化時，被封裝筒體1密封的光纖光柵2隨封裝筒體1一起做相同比例的膨脹或縮短，二者具有相同的形變，封裝筒體1的形變不會對光纖光柵2的形變產生任何影響，因此消除了因封裝筒體1膨脹特性導致光纖光柵2測量精度低的影響。
所述膠粘劑3既可以設置在通孔4靠近端部位置將光纖光柵2粘接在通孔4的內壁上，也可以設置在封裝筒體1的兩端面上將光纖光柵2與封裝筒體1粘接在一起，起到固定和密封作用。膠粘劑3可以是環(huán)氧膠、光纖鍍金屬后焊接，無機膠、陶瓷焊接或其他本領域技術人員慣用的膠粘劑。
根據(jù)溫度測量部位不同以及本發(fā)明實際使用中的安裝特點，封裝筒體1和通孔4的橫截面可以為長方形、正方形、圓形或橢圓形。在本實施例中，封裝筒體1的橫截面為長方形，其外形幾何尺寸為長30mm，寬5mm，高2mm，通孔4的橫截面為圓形，直徑為1mm。
光纖光柵2由三部分組成，如圖2所示，涂覆層21、包層22和纖芯23，本實施例采用的光纖光柵2在涂覆層21套包下的直徑為0.9mm，因此光纖光柵2穿過通孔4后與通孔4只有很小的縫隙，粘接過程十分簡單和可靠。光纖光柵2的柵區(qū)24刻在纖芯23上，柵區(qū)24長度為10mm，正好設置在封裝筒體1的中部。本實施例的光纖采用SMF-28型。
本發(fā)明技術方案的上述結構中，光纖光柵引出端5伸出封裝筒體1的兩端，該結構可充分發(fā)揮多個傳感器分布式串聯(lián)，實現(xiàn)分布式測量的優(yōu)勢。實際上，本發(fā)明的技術方案還包括如圖3所示的結構。如圖3所示，光纖光柵引出端5只從封裝筒體1的一端引出，另一端設置成盲端。該結構較如圖1所示的結構和制作工藝更加簡單，但只能用于單點測量。
本發(fā)明采用石英玻璃材質封裝筒體的光纖光柵溫度傳感器一方面滿足了電力系統(tǒng)應用的需求，另一方面成功地解決了封裝筒體對溫度測量精度的影響。試驗研究結果表明，在本發(fā)明設計波長1520～1570nm范圍內，本發(fā)明光纖光柵波長溫度系數(shù)同裸光柵非常接近，約為10pm/℃，同時滿足了電力系統(tǒng)測量無金屬、體積小的要求。
以上僅為本發(fā)明具體實施方式
的說明，不以任何形式對本發(fā)明做出限制。應當指出，對本領域技術人員來說，依據(jù)本發(fā)明的指導思想還可以做出很多相關的變形和改進，但這些均將落入本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種光纖光柵溫度傳感器，包括封裝筒體和刻有柵區(qū)的光纖光柵，所述封裝筒體的端部設置有將所述光纖光柵密封在所述封裝筒體腔內的封裝件，其特征在于所述封裝筒體的材料為石英材料。
2.如權利要求1所述的光纖光柵溫度傳感器，其特征在于，所述石英材料的熱膨脹系數(shù)與所述光纖光柵纖芯材料熱膨脹系數(shù)相近，為0.4×10-6/K～0.7×10-6/K。
3.如權利要求1所述的光纖光柵溫度傳感器，其特征在于，所述封裝筒體的材料為石英玻璃材料。
4.如權利要求3所述的光纖光柵溫度傳感器，其特征在于，所述石英玻璃材料的熱膨脹系數(shù)與所述光纖光柵包層材料熱膨脹系數(shù)相同，為0.5×10-6/K～0.6×10-6/K。
5.如權利要求1～4之一所述的光纖光柵溫度傳感器，其特征在于，所述封裝筒體的內腔沿其長度方向設置，內腔的端部設置封裝件將光纖光柵的柵區(qū)部分密封在所述內腔內，光纖光柵引出端至少在一側伸出所述封裝筒體。
6.如權利要求1～4之一所述的光纖光柵溫度傳感器，其特征在于，所述封裝筒體的內腔為沿其長度方向設置的通孔，所述通孔的兩端設置封裝件將光纖光柵的柵區(qū)部分密封在所述通孔內，光纖光柵引出端從所述封裝筒體的兩側伸出。
7.如權利要求6所述的光纖光柵溫度傳感器，其特征在于，所述封裝筒體和通孔的橫截面為長方形、正方形、圓形或橢圓形。
8.如權利要求7所述的光纖光柵溫度傳感器，其特征在于，所述橫截面為長方形的封裝筒體的外形尺寸為長20～50mm，寬4～30mm，高1.5～10mm，所述橫截面為圓形的通孔的直徑為0.2～1.5mm，光纖光柵纖芯上刻制的柵區(qū)長度為1～35mm。
9.如權利要求6所述的光纖光柵溫度傳感器，其特征在于，所述封裝件為膠粘劑。
10.如權利要求6所述的光纖光柵溫度傳感器，其特征在于，所述光纖光柵的柵區(qū)部分為剝離了涂覆層的光纖光柵。
全文摘要
本發(fā)明提供一種適合在電力系統(tǒng)中使用的、具有絕緣特性的光纖光柵溫度傳感器，包括封裝筒體和刻有柵區(qū)的光纖光柵，所述封裝筒體的端部設置有將所述光纖光柵密封在所述封裝筒體腔內的封裝件，其特征在于所述封裝筒體的材料為石英材料。該光纖光柵溫度傳感器封裝結構簡單，能有效消除因封裝結構變形對溫度測量精度的影響，具有較高的測量精度。
文檔編號G01K11/00GK1715848SQ20051001224
公開日2006年1月4日 申請日期2005年7月22日 優(yōu)先權日2005年7月22日
發(fā)明者劉海濤, 徐志宏 申請人:北京嘉潤森盛光纖傳感科技有限公司