一种气体压力式光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法

摘要

本发明涉及一种气体压力式光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法，属光电子测量器件技术领域。包括气体压力温度感应装置和光纤Bragg光栅压力转换装置，气体压力温度感应装置由密封的温度变化压力感应包连接毛细管和隔层膜片；光纤Bragg光栅压力转换装置的主体是安装有光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁，等强度悬臂梁的一端通过隔层膜片传递气体压力温度感应装置感应到的压力。将温度变化压力感应包放置于需要测量的温度环境下，根据建立的被测环境温度T与光纤Bragg光栅波长移位Δλ

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体压力式光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法，属光电子测量器件技术领域。 

背景技术

温度是描述物质热学性能的状态参量。随着科学技术的发展和现代工业技术的进步，在工业生产的许多领域中，对温度测量的要求不断的提高。特别是对石油、化工等高危环境中的温度检测，要求温度传感器具有高安全性、良好的绝缘性、抗电磁干扰等特点。传统的基于电信号传输的温度传感器很难满足高危环境中的应用需要。由于光纤的本安特性使其成为高危环境温度测量的研究热点。 

    与本发明最为接近的温度传感器是“一种气体温度计”（参见文献：毛陈，“一种气体温度计”，发明专利说明书，2012年8月10日，授权公告号：CN 102798478A）。该技术利用储气球内部气体的受热膨胀带动其内部一个薄皮的运动，薄皮的运动随之带动杆的运动，在杆上安装有激光器，利用激光器将光点投影到刻度盘上，实现对温度的测量。由于其在转动杆上安装有激光器，使其在石油、化工等易燃、易爆场合的使用受到限制。 

发明内容

本发明提供一种气体压力式光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法，应用范围广泛，装置结构简单。 

本发明的传感器结构为：包括气体压力温度感应装置和光纤Bragg光栅压力转换装置，气体压力温度感应装置由密封的温度变化压力感应包10连接毛细管8和隔层膜片6；光纤Bragg光栅压力转换装置的主体是安装有光纤Bragg光栅2的等强度悬臂梁1，等强度悬臂梁1的一端通过隔层膜片6传递气体压力温度感应装置感应到的压力；光纤Bragg光栅2与外接光缆13连接传递感应到的信号。 

所述等强度悬臂梁1与隔层膜片6之间通过传压杆4刚性连接，隔层膜片6通过毛细管转接头6与毛细管8密封连接。 

所述光纤Bragg光栅压力转换装置外部有壳体3，光纤Bragg光栅2通过壳体3内部的引出孔12与外接光缆13相连接，用环氧树脂对引出孔12进行密封。等强度悬臂梁1通过支架5固定在壳体3上。 

所述温度变化压力感应包10通过螺纹接头9与毛细管8密封连接。 

所述光纤Bragg光栅2粘贴在等强度悬臂梁1上下表面的中心轴线上。 

本发明的气体压力式光纤Bragg光栅温度传感器的使用方法为： 

（1）将温度变化压力感应包10放置于需要测量的温度环境下，温包内的气体由于热胀冷缩导致内部气压发生变化，根据理想气体状态方程PV=nRT得到作用在隔层膜片6上的压力F1为：

式中，P为工作气体的压强，S为承受压力的面积，V为仪表封闭系统体积，R为普适气体常数（R=8.3114 m3*pa / mol*K），T为工作气体温度，近似等于被测介质的

温度；n为温包中气体的物质的量；

（2）由于传压杆4的一端作用在隔层膜片6上的压力F₁与作用到等强度悬臂梁1

上的力F₂是等值的，由此得到等强度悬臂梁轴向应变Δε与温度T的关系为：

消除环境温度的影响，将上下表面的光纤Bragg光栅的波长移位相减，得到被测温度T与光纤Bragg光栅中心波长移位Δλ_B12的关系为：

式中，S_ε为应变敏感系数；S_T为温度敏感系数；Δε为轴向应变变化量；ΔT为温度变化量；λ_B为光纤Bragg光栅中心波长；l：为等强度悬臂梁的长度。

本发明气体压力式光纤Bragg光栅温度传感器的测量原理是：由于温包内气体的量为定值，根据理想气体状态方程： 

                                 （1）

其中，P：工作气体的压强；V：仪表封闭系统体积；R：普适气体常数（R=8.3114 m3*pa / mol*K）；T：工作气体温度，近似等于被测介质的温度；n：温包中气体的物质的量。

当温包放置到需要测量的温度环境中时，温包内的气体由于热胀冷缩导致内部气压发生变化，根据理想气体状态方程PV=nRT可知，经毛细管传递，作用在隔层膜片上的压力F₁为： 

                               (2)

       传压杆的一端与隔层膜片刚性相连，另一端与等强度悬臂梁自由端刚性相连，作用在隔层膜片上的压力F₁经传压杆传递，作用到等强度悬臂梁的自由端，是其产生一个等值的作用力F₂

F₁=F₂                                  (3)

       当等强度悬臂梁自由端作用一个力F₂时，其轴向应变Δε与力F₂的关系为：

                                （4）

其中，E：等强度悬臂梁的弹性模量；b₀：等强度悬臂梁固定端的宽度；h：等强度悬臂梁的厚度；l：为等强度悬臂梁的长度。

由于F₁=F₂，所以公式（4）可等价为： 

                                    （5）

将公式（2）代入公式（5）可得等强度悬臂梁轴向应变与温度T的关系为：

                                 （6）

光纤Bragg光栅随等强度悬臂梁形变，若测量过程中温度变化了ΔT，则应变和温度引起的光纤Bragg光栅的波长移位量Δλ_B为

                            （7）

其中S_ε：应变敏感系数；S_T：温度敏感系数；Δε：轴向应变变化量；ΔT：温度变化

量；λ_B：光纤Bragg光栅中心波长。

将粘贴在等强度悬臂梁上、下表面中心轴线上的两个同一型号的光纤Bragg光栅的波长移位相减，可消除环境温度的影响，得到只有应变作用时光纤Bragg光栅中心波长移位为： 

                        （8）

其中Δλ_B1,2：等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位差值；Δλ_B1和Δλ_B2分别为等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位。

将公式（8）代入公式（4）可以得到等强度悬臂梁自由端作用力F₂与光纤Bragg光栅中心波长移位的关系为： 

                               （9）

将公式（8）代入公式（6）可得到被测温度T与光纤Bragg光栅中心波长移位Δλ_B1,2的关系为：

                              (10)

式（10）表明了被测环境温度T与光纤Bragg光栅波长移位Δλ_B1,2之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅波长移位就可以计算出被测环境温度。

本发明的有益效果是： 

（1）可远距离测温。由于采用毛细管连接测温单元与气动转换单元，可以根据各种不同的要求设计合理的毛细管的长度，避开光纤Bragg光栅与被测极端温度近距离接触，从而减小被测极端温度对实际测温的影响；

（2）可以根据不同的测温条件选着不同类型的温包，实现测量范围、测温灵敏度的可调；

（3）此温度传感器本身不带任何电信号，可适用于易燃易爆等高危环境中的温度检测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图； 

图2是本发明中等强度悬臂梁连接的局部示意图。

图中：1-等强度悬臂梁、2-光纤Bragg光栅、3-壳体、4-传压杆、5-支架、6-隔层膜片、7-毛细管转接头、8-毛细管、9-螺纹接头、10-温度变化压力感应包、11-螺钉、12-引出孔、13-外接光缆。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。 

实施方式一：如图1所示，本发明的气体压力式光纤Bragg光栅温度传感器的结构：包括气体压力温度感应装置和光纤Bragg光栅压力转换装置，气体压力温度感应装置由密封的温度变化压力感应包10连接毛细管8和隔层膜片6；光纤Bragg光栅压力转换装置的主体是安装有光纤Bragg光栅2的等强度悬臂梁1，等强度悬臂梁1的一端通过隔层膜片6传递气体压力温度感应装置感应到的压力；光纤Bragg光栅2与外接光缆13连接传递感应到的信号。等强度悬臂梁1与隔层膜片6之间通过传压杆4刚性连接，隔层膜片6通过毛细管转接头6与毛细管8密封连接。光纤Bragg光栅压力转换装置外部有壳体3，光纤Bragg光栅2通过壳体3内部的引出孔12与外接光缆13相连接，用环氧树脂对引出孔12进行密封。等强度悬臂梁1通过支架5固定在壳体3上。温度变化压力感应包10通过螺纹接头9与毛细管8密封连接。光纤Bragg光栅2粘贴在等强度悬臂梁1上下表面的中心轴线上。 

本发明的气体压力式光纤Bragg光栅温度传感器的使用方法为： 

（1）将温度变化压力感应包10放置于需要测量的温度环境下，温包内的气体由于热胀冷缩导致内部气压发生变化，根据理想气体状态方程PV=nRT得到作用在隔层膜片6上的压力F1为：

式中，P为工作气体的压强，S为承受压力的面积，V为仪表封闭系统体积，R为普适气体常数（R=8.3114 m3*pa / mol*K），T为工作气体温度，近似等于被测介质的

温度；n为温包中气体的物质的量；

（2）由于传压杆4的一端作用在隔层膜片6上的压力F₁与作用到等强度悬臂梁1

上的力F₂是等值的，由此得到等强度悬臂梁轴向应变Δε与温度T的关系为：

消除环境温度的影响，将上下表面的光纤Bragg光栅的波长移位相减，得到被测温度T与光纤Bragg光栅中心波长移位Δλ_B12的关系为：

式中，S_ε为应变敏感系数；S_T为温度敏感系数；Δε为轴向应变变化量；ΔT为温度变化量；λ_B为光纤Bragg光栅中心波长；l：为等强度悬臂梁的长度

本发明涉及的具体参数为：度悬臂梁尺寸参数为：l=50 mm，h=0.3 mm，b₀=20 mm；等强度悬臂梁材料参数为：45#钢的Young’s模量为E=200 GPa；温包尺寸参数：Φ14*150 mm的圆柱体；光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长λ_B=1551 nm，应变敏感系数S_ε=0.78*10^-6με^-1，温度敏感系数S_T=6.0*10^-6℃^-1；

通过上述公式的理论计算表明，该温度传感器的温度灵敏度为10.2pm/℃；当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨力为1pm时，该传感器的温度分辨力为0.098℃。

实施方式二：如图1所示，本发明的气体压力式光纤Bragg光栅温度传感器的结构：包括气体压力温度感应装置和光纤Bragg光栅压力转换装置，气体压力温度感应装置由密封的温度变化压力感应包10连接毛细管8和隔层膜片6；光纤Bragg光栅压力转换装置的主体是安装有光纤Bragg光栅2的等强度悬臂梁1，等强度悬臂梁1的一端通过隔层膜片6传递气体压力温度感应装置感应到的压力；光纤Bragg光栅2与外接光缆13连接传递感应到的信号。等强度悬臂梁1与隔层膜片6之间通过传压杆4刚性连接，隔层膜片6通过毛细管转接头6与毛细管8密封连接。光纤Bragg光栅压力转换装置外部有壳体3，光纤Bragg光栅2通过壳体3内部的引出孔12与外接光缆13相连接，用环氧树脂对引出孔12进行密封。等强度悬臂梁1通过支架5固定在壳体3上。光纤Bragg光栅2粘贴在等强度悬臂梁1上下表面的中心轴线上。 

本发明的气体压力式光纤Bragg光栅温度传感器的使用方法为： 

（1）将温度变化压力感应包10放置于需要测量的温度环境下，温包内的气体由于热胀冷缩导致内部气压发生变化，根据理想气体状态方程PV=nRT得到作用在隔层膜片6上的压力F1为：

式中，P为工作气体的压强，S为承受压力的面积，V为仪表封闭系统体积，R为普适气体常数（R=8.3114 m3*pa / mol*K），T为工作气体温度，近似等于被测介质的

温度；n为温包中气体的物质的量；

（2）由于传压杆4的一端作用在隔层膜片6上的压力F₁与作用到等强度悬臂梁1

上的力F₂是等值的，由此得到等强度悬臂梁轴向应变Δε与温度T的关系为：

消除环境温度的影响，将上下表面的光纤Bragg光栅的波长移位相减，得到被测温度T与光纤Bragg光栅中心波长移位Δλ_B12的关系为：

式中，S_ε为应变敏感系数；S_T为温度敏感系数；Δε为轴向应变变化量；ΔT为温度变化量；λ_B为光纤Bragg光栅中心波长；l：为等强度悬臂梁的长度

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。