本專利涉及一種適用于真空環(huán)境下的封裝氣體的光纖光柵傳感器，屬于光纖傳感領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光纖傳感技術(shù)自20世紀(jì)70年代以來經(jīng)過40年的發(fā)展，已經(jīng)不斷成熟，得到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。作為光纖傳感原理中的優(yōu)秀代表，基于光纖光柵的傳感技術(shù)成為傳感領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展最快的技術(shù)之一，涌現(xiàn)出各種基于光纖光柵原理的新型光纖傳感器，并已在諸多領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。光纖光柵傳感器具有纖細(xì)質(zhì)輕、抗電磁干擾、靈敏度高、耐環(huán)境、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，可植入復(fù)合材料等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是支持多種編碼復(fù)用，支持多參量、可編程、自檢測(cè)，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高密集、多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化和分布式測(cè)量。

1978年，加拿大通信研究中心k.o.hill等人發(fā)現(xiàn)并制作出第一根光纖光柵。1989年，morey提出將光纖光柵用于傳感元件，使得光纖光柵在光纖傳感領(lǐng)域備受關(guān)注。光纖光柵溫度傳感器以其抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，廣泛被應(yīng)用于航空航天、石油管道等領(lǐng)域的溫度測(cè)量。國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者對(duì)光纖光柵溫度傳感器也進(jìn)行了許多研究工作。2007年，武漢理工大學(xué)郭明金等人設(shè)計(jì)了兩種光纖光柵溫度傳感器封裝，并對(duì)它們的低溫特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，溫度靈敏度系數(shù)分別為28.2pm/℃和21.3pm/℃；2010年，燕山大學(xué)張燕君等人研制了一種分布式光纖光柵電纜溫度傳感器，在20～100℃范圍內(nèi)線性度良好，達(dá)99.8％；2013年，中國(guó)地震局馬曉川等人對(duì)高靈敏度穩(wěn)定光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行了研究，測(cè)得其靈敏度系數(shù)達(dá)345.9pm/℃；2014年，北京信息科技大學(xué)對(duì)管式封裝的光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行了研究，增敏性封裝溫度靈敏度系數(shù)達(dá)29.97pm/℃。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)的目的在于提供了一種適用于真空環(huán)境下的管狀光纖光柵傳感器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括光纖光柵溫度傳感器的封裝、傳感器設(shè)計(jì)與有限元分析以及溫度傳感理論分析。

優(yōu)選地，所述溫度傳感理論分析方法為：

外界溫度變化會(huì)引起光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移，主要是由于溫度變化使得光纖發(fā)生熱膨脹效應(yīng)、熱光效應(yīng)以及光纖內(nèi)部熱應(yīng)力引起的彈光效應(yīng)。根據(jù)式：

λb＝2neffλ(1.1)

當(dāng)外部溫度改變時(shí)，可得式：

δλb＝2neffδλ+2δneffλ(1.2)

將其展開變形可得：

式中：代表折射率溫度系數(shù)，可用ξ表示；(δneff)ep代表熱膨脹引起的彈光效應(yīng)；代表由于膨脹導(dǎo)致光纖纖芯直徑發(fā)生變化而產(chǎn)生的波導(dǎo)效應(yīng)；代表光纖的線性熱膨脹系數(shù)，可用a表示。則可將式(1.3)改寫為：

根據(jù)各向同性胡可定律一般形式可知，光纖光柵各方向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

可知由溫度引起的應(yīng)變狀態(tài)為：

得到光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)表達(dá)式為：

式中：代表波導(dǎo)效應(yīng)引起的布拉格波長(zhǎng)漂移系數(shù)。

優(yōu)選地，所述光纖光柵溫度傳感器的封裝材料為鈹青銅材料。

優(yōu)選地，所述有限元分析的方法為施加約束及邊界條件時(shí)不對(duì)光纖光柵溫度傳感器施加三向約束，只對(duì)左右兩側(cè)施加等量的拉伸應(yīng)力。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵溫度傳感器的封裝設(shè)計(jì)圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器的ansys模擬應(yīng)力分布圖；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器的實(shí)物圖；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器的標(biāo)定示意圖；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)與溫度關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過不同形式來對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

本專利采用新型的管狀基底形式，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)物體形變不會(huì)影響光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)的溫度測(cè)量。

本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案為：

首先進(jìn)行了溫度傳感理論分析，如下：

外界溫度變化會(huì)引起光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移，主要是由于溫度變化使得光纖發(fā)生熱膨脹效應(yīng)、熱光效應(yīng)以及光纖內(nèi)部熱應(yīng)力引起的彈光效應(yīng)。根據(jù)式：

λb＝2neffλ(1.1)

當(dāng)外部溫度改變時(shí)，可得式：

δλb＝2neffδλ+2δneffλ(1.2)

將其展開變形可得：

式中：代表折射率溫度系數(shù)，可用ξ表示；(δneff)ep代表熱膨脹引起的彈光效應(yīng)；代表由于膨脹導(dǎo)致光纖纖芯直徑發(fā)生變化而產(chǎn)生的波導(dǎo)效應(yīng)；代表光纖的線性熱膨脹系數(shù)，可用a表示。則可將式(1.3)改寫為：

根據(jù)各向同性胡可定律一般形式可知，光纖光柵各方向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

可知由溫度引起的應(yīng)變狀態(tài)為：

得到光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)表達(dá)式為：

式中：代表波導(dǎo)效應(yīng)引起的布拉格波長(zhǎng)漂移系數(shù)。

根據(jù)上述分析可知，光纖光柵的溫度靈敏系數(shù)是一個(gè)與光纖本身材料相關(guān)的定值，因此光纖光柵在作為溫度傳感器件使用時(shí)會(huì)有較好的線性度輸出。在不考慮外界環(huán)境的影響下，由普通石英光纖刻寫而成的光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)取決于光纖材料的折射率，彈光效應(yīng)和波導(dǎo)效應(yīng)，將不會(huì)對(duì)溫度測(cè)試下的光纖光柵中心波長(zhǎng)產(chǎn)生影響。

其次，對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)以及有限元分析：

光纖光柵溫度傳感器封裝形式如圖1所示。封裝銅管全長(zhǎng)50mm，截面半徑2mm，在管中開1mm寬和1mm深的深槽，用于封裝光纖光柵。利用ansys軟件，選取solid實(shí)體單元模型，根據(jù)基片設(shè)計(jì)材質(zhì)及設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行建模。

由溫度傳感模型的分析可知，光纖光柵對(duì)溫度的敏感是根據(jù)被測(cè)件熱脹冷縮產(chǎn)生微形變，導(dǎo)致光纖光柵周期和有效折射率變化，最終導(dǎo)致光纖光柵中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移，實(shí)際工程應(yīng)用中，光纖光柵溫度傳感器置于測(cè)試點(diǎn)，并不對(duì)其本身與被測(cè)件之間加以固定，又由于要避免光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)變的交叉敏感，所以在對(duì)光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行ansys有限元模擬分析時(shí)，施加約束及邊界條件時(shí)不對(duì)光纖光柵溫度傳感器施加三向約束，只對(duì)左右兩側(cè)施加等量的拉伸應(yīng)力。

光纖光柵溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)的ansys分析結(jié)果如圖2所示。從ansys應(yīng)變分布圖來看，光纖光柵溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)在拉伸應(yīng)力下產(chǎn)生的變形是：應(yīng)變呈階梯狀由底端向頂端逐漸遞減。中央的填充樹脂并未在較大程度上改變封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，封裝結(jié)構(gòu)在軸向和橫向方向上整體應(yīng)力分布均勻。光纖光柵所處部位為圓柱中心軸附近，由ansys分析的應(yīng)變圖可知，此處所感受應(yīng)變?yōu)榈撞孔畲髴?yīng)變處的一半，以此保證了光纖光柵在封裝之后對(duì)溫度依舊有良好的傳感性能，并且從某種角度來說此封裝具有一定的減敏作用，使得封裝成型后的光纖光柵溫度傳感器的溫度測(cè)量量程增大，可以滿足更多實(shí)際工程中的使用。

再次，是對(duì)光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行封裝：

由于鈹青銅材料對(duì)于溫度敏感度要高于鋁合金7075-t6，所以選擇鈹青銅材料為光纖光柵溫度傳感器封裝材料。將鈹青銅材料加工成如圖1所示柱狀結(jié)構(gòu)，選取裸光纖光柵，兩端用調(diào)整架固定并施加一定的預(yù)緊力，將柵區(qū)置于封裝結(jié)構(gòu)深槽中央，待中心波長(zhǎng)值穩(wěn)定后，使用環(huán)氧樹脂dp420對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝，并固化24小時(shí)。完成固化后，已封裝好的溫度傳感器中心波長(zhǎng)λ＝1544.940nm。光纖光柵溫度傳感器封裝完成后如圖3所示。

對(duì)上述的光纖光柵溫度傳感器性能測(cè)試及分析，具體方法如下：

將固化完成的光纖光柵溫度傳感器聯(lián)入光纖光柵傳感系統(tǒng)，并將光纖光柵溫度傳感器置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中如圖4所示，在恒溫鼓風(fēng)干燥箱中對(duì)光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行標(biāo)定。逐次改變鼓風(fēng)干燥箱的溫度，溫度控制在的范圍內(nèi)，每次升溫。記錄穩(wěn)定后光纖光柵溫度傳感器的中心波長(zhǎng)值，根據(jù)溫度傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可看出：光纖光柵溫度傳感器中心波長(zhǎng)與溫度變化呈明顯的線性關(guān)系，如圖5所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得光纖光柵溫度傳感器中心波長(zhǎng)與溫度變化關(guān)系數(shù)據(jù)，利用最小二乘法擬合可得：

y＝0.02381x+1544.59045

式為光纖光柵溫度傳感器與溫度關(guān)系擬合結(jié)果，線性度達(dá)0.999以上。根據(jù)所得結(jié)果可知，此光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)為23.81pm/℃，是裸光纖光柵傳感器的2倍。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。