本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，具體的涉及一種應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器。
背景技術(shù)：
：為了在太空真空環(huán)境下對衛(wèi)星表面溫度進(jìn)行測量，需要考慮溫度的測量需要高精度、測量范圍大、抗輻照等特性，而光纖光柵恰好符合這一背景。2007年，武漢理工大學(xué)郭明金等人設(shè)計了兩種光纖光柵溫度傳感器封裝，并對它們的低溫特性進(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，中國地震局馬曉川等人對高靈敏度穩(wěn)定光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行了研究，測得其靈敏度系數(shù)達(dá)345.9pm/℃；2014年，北京信息科技大學(xué)張蔭民等人對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/℃。針對光纖光柵溫度傳感器解決應(yīng)變交叉敏感問題，綜合學(xué)術(shù)界提出的各種解決交叉敏感問題的方法，基本思想大致可以分為三類：區(qū)分、去敏、抵消。而去敏的方式傳統(tǒng)的采用管式封裝，光纖光柵處于一段固定，一段游浮。溫度在真空環(huán)境下無法通過熱傳導(dǎo)傳遞，而熱輻射能量低。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種光纖光柵溫度傳感器，用于解決應(yīng)變交叉敏感和真空溫度測量的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器包括封裝盒體和光纖光柵，其特征在于，所述的封裝盒體包括底座和上蓋，所述的底座設(shè)有卡槽和凹槽，所述的上蓋設(shè)有與底座匹配的卡槽和凸臺，所述的光纖光柵置于底座卡槽內(nèi)，所述的光纖光柵首末兩端套有保護(hù)管，所述光纖光柵中間部分通過導(dǎo)熱硅脂/導(dǎo)熱硅膠和鋁箔固定。優(yōu)選的，所述的底座和上蓋的兩側(cè)面端通過激光焊接連接。優(yōu)選的，所述的底座卡槽沿長度方向設(shè)置，所述的卡槽形狀呈梯度，從左起第一梯度、第二梯度和第三梯度尺寸分別與保護(hù)管、光纖和鋁箔尺寸匹配，第四梯度和第五梯度尺寸與第二梯度和第一梯度尺寸完全相同；其中，第一梯度長度6mm-10mm，寬度1mm-2mm，深度1mm-2mm；第二梯度長度4mm-6mm，寬度0.5mm-1mm，深度0.5mm-1mm；第三梯度長度26mm-30mm，寬度3mm-5mm，深度1mm-2mm。優(yōu)選的，所述的底座卡槽將底座分為兩部分，上半部分設(shè)有凹槽，所述凹槽呈T型，凹槽深度2mm-3mm。優(yōu)選的，所述的上蓋卡槽和與底座凹槽配合的凸臺參數(shù)與底座卡槽和凹槽參數(shù)相同。優(yōu)選的，所述卡槽的第三梯度與第二梯度和第四梯度的連接處通過導(dǎo)熱硅脂/導(dǎo)熱硅膠固定。所述卡槽和凹槽設(shè)計滿足密閉性同時防止太空中輻照對光纖光柵產(chǎn)生影響，并且營造真空環(huán)境。優(yōu)選的，所述的上蓋幾何中心位置設(shè)有通孔，所述通孔直徑0.3mm-1mm。所述上蓋通孔設(shè)計滿足使用光纖光柵溫度傳感器是方便抽真空，同時方便放氣。優(yōu)選的，所述的封裝盒體橫截面是長方形、正方形、圓形或橢圓形。優(yōu)選的，所述的溫度傳感器測溫范圍-40～100℃，溫度靈敏度12pm/℃。優(yōu)選的，所述的保護(hù)管材質(zhì)是聚四氟乙烯。聚四氟乙烯具有良好耐高溫特性，光纖光柵溫度傳感器可應(yīng)用于惡劣環(huán)境中。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的封裝盒體外設(shè)有保護(hù)管，其可對光纖光柵進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)管材質(zhì)是聚四氟乙烯，使其可應(yīng)用于惡劣環(huán)境中；鋁箔和導(dǎo)熱硅脂/導(dǎo)熱硅膠固定封裝盒體內(nèi)的光纖光柵，導(dǎo)熱硅脂/導(dǎo)熱硅膠作為一種導(dǎo)熱型有機(jī)硅脂狀復(fù)合物，可以替代空氣傳遞溫度，有效的將被測件溫度傳遞給光纖光柵傳感器；卡槽和凹槽設(shè)計實(shí)現(xiàn)封閉性設(shè)計，同時營造了真空環(huán)境。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1a示出本發(fā)明應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器底座結(jié)構(gòu)主視圖；圖1b示出本發(fā)明應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器底座結(jié)構(gòu)左視圖；圖1c示出本發(fā)明應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器底座結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2示出本發(fā)明應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器的俯視圖；圖3示出本發(fā)明實(shí)施例4的應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器的光纖光柵波長隨溫度變化的示意圖；圖4示出本發(fā)明實(shí)施例5裸光纖光柵傳感器壓縮應(yīng)變解耦曲線圖；圖5示出本發(fā)明實(shí)施例5裸光纖光柵傳感器拉伸應(yīng)變解耦曲線圖；圖6示出本發(fā)明實(shí)施例5光纖光柵溫度傳感器應(yīng)變解耦曲線圖。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。實(shí)施例1圖1a示出本發(fā)明應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器底座結(jié)構(gòu)主視圖；圖1b示出本發(fā)明應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器底座結(jié)構(gòu)左視圖；圖1c示出本發(fā)明應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器底座結(jié)構(gòu)俯視圖。如圖1c所示為底座結(jié)構(gòu)俯視圖，其中底座設(shè)有卡槽101和凹槽102。封裝盒體包括底座和上蓋，所述上蓋設(shè)有與底座卡槽101、凹槽102相互匹配的卡槽和凸臺。封裝盒體的底座和上蓋的兩側(cè)面端通過激光焊接連接，封裝盒體的材質(zhì)是金屬材質(zhì)，為了使其對熱量吸收速度快，材質(zhì)可為深顏色金屬。圖2示出本發(fā)明應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器的俯視圖。如圖2所示，光纖光柵溫度傳感器包括光纖光柵210、保護(hù)管220、硅橡膠230和鋁箔240。封裝盒體的底座設(shè)有卡槽101，所述的卡槽101沿底座長度方向設(shè)置，卡槽101形狀呈梯度狀，從左起第一梯度、第二梯度和第三梯度尺寸分別與保護(hù)管220、光纖光柵210和鋁箔240尺寸匹配，第四梯度和第五梯度尺寸分別與第二梯度和第一梯度尺寸相同；其中，第一梯度長度6mm-10mm，寬度1mm-2mm，深度1mm-2mm；第二梯度長度4mm-6mm，寬度0.5mm-1mm，深度0.5mm-1mm；第三梯度長度26mm-30mm，寬度3mm-5mm，深度1mm-2mm；所述的底座卡槽101將底座分為兩部分，上半部分設(shè)有凹槽102，所述凹槽102呈T型，凹槽深度2mm-3mm,下半部分凹槽與上半部分對稱；所述的上蓋卡槽參數(shù)和與底座凹槽配合的凸臺參數(shù)分別與底座卡槽和凹槽參數(shù)相同，上蓋幾何中心位置設(shè)有通孔，所述通孔直徑0.3mm-1mm；所述的封裝盒體橫截面是長方形、正方形、圓形或橢圓形，所述的封裝盒體外形尺寸長度46mm-65mm，寬度12mm-20mm，高度3mm-10mm。優(yōu)選的，所述卡槽101第一梯度長度6mm，寬度1mm，深度1mm；第二梯度長度4mm，寬度0.5mm，深度0.5mm；第三梯度長度26mm，寬度3mm，深度1mm。優(yōu)選的，所述底座凹槽102深度2mm，上蓋凸臺高度2mm。優(yōu)選的，所述的上蓋表面幾何中心通孔直徑0.5mm。優(yōu)選的，所述的封裝盒體外形尺寸長度46mm，寬度15mm，高度5mm。所述的光纖光柵210首末兩端套有保護(hù)管220，所述光纖光柵210中間位置通過導(dǎo)熱硅脂/導(dǎo)熱硅膠與鋁箔240固定。所述底座卡槽的第三梯度與第二梯度和第四梯度的連接處通過硅橡膠230固定，優(yōu)選的硅橡膠230選用GD414，GD414的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。表1GD414主要技術(shù)指標(biāo)外觀白或黑色膏狀物拉伸強(qiáng)度(MPa)≥4.0斷裂伸長率(％)≥300硬度(HA)≥20電氣強(qiáng)度(MV/m)≥15所述保護(hù)管220的材質(zhì)是聚四氟乙烯，具有耐高溫特性，可使溫度常感器應(yīng)用于高溫惡劣環(huán)境中。所述的底座卡槽101設(shè)計與光纖光柵210和保護(hù)管220的參數(shù)有關(guān)；卡槽設(shè)計目的是為了密閉性和防止太空中輻照對光纖光柵產(chǎn)生影響；所述的底座凹槽102與上蓋凸臺設(shè)計，同樣實(shí)現(xiàn)密閉性，營造了真空環(huán)境。本發(fā)明提供一種應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器，其工作原理是：光纖光柵的基本傳感原理是寬帶光入射進(jìn)入光纖，只有特定波長的光由光柵反射回來,反射波長值通常用λB表示，與光柵周期Λ和反向耦合有效折射率neff有關(guān)，耦合模式理論可得，滿足相位匹配條件的光纖光柵的中心波長:λB＝2neff*Λ(1)所有引起光纖光柵波長移位的因素中，最直接的是應(yīng)力、應(yīng)變參量。在引起光纖光柵中心波長移位可由式(2)統(tǒng)一描述:ΔλB＝2neffΔΛ+2ΔneffΛ(2)式中，ΔΛ為光纖本身存在應(yīng)力作用下的彈性形變；Δneff為光纖的彈光效應(yīng)。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(3)改寫為：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)椋嚎芍蓽囟纫鸬膽?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)引起的布拉格波長漂移系數(shù)。根據(jù)分析可知，光纖光柵的溫度靈敏系數(shù)是一個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會有較好的線性度輸出。本發(fā)明應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器使用的工藝流程包括以下步驟：1、清潔底座以及上蓋用超聲清洗機(jī)清洗金屬底座和上蓋，清洗后用酒精擦拭。2、準(zhǔn)備光纖光柵將特氟龍管套220套在光纖光柵210兩端。3、點(diǎn)膠在底座卡槽第三梯度兩端點(diǎn)涂硅橡膠230使光纖固定，固化兩個小時。4、注入導(dǎo)熱硅脂在卡槽中注入1/2～2/3導(dǎo)熱硅脂，調(diào)整光柵光纖，防止過盈，用針頭在硅脂上點(diǎn)幾個孔，并用占酒精脫的脂棉擦除槽外多余的硅脂。5、蓋鋁箔片用刀片切割小片長條鋁箔片240，覆蓋在導(dǎo)熱硅脂上面。6、在鋁箔的的四個角點(diǎn)硅橡膠膠。7、特氟龍?zhí)坠?20伸出卡槽部分多余1/2卡槽，在卡槽縫隙內(nèi)注入硅橡膠。8、蓋緊上蓋并在上蓋壓重物同時固化兩個小時以上。9、在底座和上蓋兩側(cè)面端用激光焊接。10、激光焊接完成的底座和上蓋兩側(cè)面端補(bǔ)涂硅橡膠。11、在真空箱內(nèi)抽真空并在上蓋的小孔中快速點(diǎn)膠。12、取出傳感器打磨表面。13、換用硅橡膠點(diǎn)到上蓋的小孔中再次抽真空。14、放氣，取出溫度傳感器。所述的步驟2準(zhǔn)備的光纖光柵不限于一根，多個光纖光柵時，可以通過特氟龍?zhí)坠苓B接光纖光柵，組成光纖光柵矩陣，相鄰兩根光纖光柵通過特氟龍?zhí)坠苓B接，特氟龍?zhí)坠軆?nèi)兩段光纖光柵的距離小于5mm。試驗(yàn)1：本發(fā)明一種應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量光纖光柵溫度傳感器的靈敏度標(biāo)定試驗(yàn)。通過高低溫試驗(yàn)箱(溫度范圍-60∽150℃)和熱電偶(精度0.5℃)檢測光纖光柵的柵區(qū)溫度。對高低溫試驗(yàn)箱設(shè)置溫度間隔平均10℃一個溫度間隔，升溫降溫做一個熱循環(huán)，試驗(yàn)箱對溫度傳感器試驗(yàn)。圖3示出本發(fā)明應(yīng)用于真空環(huán)境溫度測量的光纖光柵溫度傳感器的光纖光柵波長隨溫度變化的示意圖。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，在降溫和升溫兩個過程中，光纖光柵的波長均勻拉伸，其中溫度靈度12pm/℃，線性度99.9％。試驗(yàn)2：探究試驗(yàn)件產(chǎn)生形變對粘貼在試驗(yàn)件上的溫度傳感器的影響。為了探究試驗(yàn)件產(chǎn)生形變對粘貼在試驗(yàn)件上的溫度傳感器的影響。準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材：Baybac解調(diào)儀(內(nèi)附光源)、PC、熔接機(jī)套裝、APC光纖跳線、采集卡NI-DAQ9237模塊、電阻應(yīng)變計、光纖光柵溫度傳感器、裸光纖光柵、環(huán)氧樹脂、等強(qiáng)度梁。其中在等強(qiáng)度梁上用環(huán)氧樹脂同時粘貼電阻應(yīng)變計、光纖光柵溫度傳感器和裸光纖光柵；Baybac解調(diào)儀(內(nèi)附光源)與PC通過串口連接；采集卡NI-DAQ9237模塊與另一臺PC通過串口連接；Baybac解調(diào)儀(內(nèi)附光源)通過APC光纖跳線與裸光纖光柵連接；裸光纖光柵通過APC光纖跳線與光纖光柵溫度傳感器連接；采集卡NI-DAQ9237模塊通過APC光纖跳線與電阻應(yīng)變計連接。通過等強(qiáng)度梁的微分頭進(jìn)行加載，記錄采集卡NI-DAQ9237電阻計的應(yīng)變值與解調(diào)儀上的光纖光柵的中心波長。微分頭上下移動，分別代表著加載壓縮與卸載壓縮。數(shù)據(jù)處理：將電阻應(yīng)變測量值作為橫軸，裸光纖光柵與光纖光柵溫度傳感器分別作為縱軸，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖4所示為裸光纖光柵傳感器壓縮應(yīng)變解耦曲線，圖5所示為裸光纖光柵傳感器拉伸應(yīng)變解耦曲線。圖6為光纖光柵溫度傳感器應(yīng)變解耦曲線。如圖4和圖5所示未涂覆的光纖光柵壓縮應(yīng)變傳遞系數(shù)1.36pm/με，拉伸應(yīng)變傳遞系數(shù)1.345pm/με。圖6為光纖光柵溫度傳感器應(yīng)變解耦曲線。如圖6所示真空封裝的光纖光柵溫度傳感器中心波長最大飄移2pm，由實(shí)施例4溫度傳感器的靈敏度標(biāo)定可知，此種封裝形式的溫度靈敏度系數(shù)為12pm/℃，相當(dāng)于溫度漂浮不大于0.2℃，可以理解此種封裝形式基本不受溫度影響。由于等強(qiáng)度梁夾板不標(biāo)準(zhǔn)，在壓縮時電阻應(yīng)變計初始值為-160με，拉伸時電阻應(yīng)變計初始值為157με，存在系統(tǒng)誤差，所以在壓縮時卸載與加載的時候應(yīng)變數(shù)據(jù)重合，但不影響傳感器的靈敏度系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)論：試驗(yàn)件產(chǎn)生形變在±1000με范圍內(nèi)，對粘貼在試驗(yàn)件上的溫度傳感器沒有影響，即此溫度傳感器具有溫度與應(yīng)變解耦的作用。溫度傳感器的光纖光柵中心波長上下飄移1.3nm，相當(dāng)于溫度靈敏度系數(shù)為12pm/℃的測量范圍±109℃。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。當(dāng)前第1頁1 2 3