一种用于深空探测的光纤温度传感器

摘要

本发明公开了一种用于深空探测的光纤温度传感器，包括金属套管，呈柱状结构，其内设有空腔，内基底，内置于金属套管的空腔内，底面设有沿轴线方向延伸的导纤槽，用于封装传感光纤；传感光纤，包括位于中心位置的光纤光栅以及位于光纤光栅两端的裸光纤，光纤光栅设置于内基底的导纤槽内，裸光纤依次穿出内基底和金属套管，左右一对固定件，安装在金属套管内并分别位于内基底的两端，中心设有用于与内基底的端部套接的凹型槽，凹型槽的中心设有通孔，左右一对光缆连接头，可拆卸连接在金属套管的两端，光缆连接头的横截面中心沿轴向开设有连接孔。本发明提供的用于深空探测的光纤温度传感器测量量程宽，准确度高，响应更加及时，保护强度更大。

说明书

技术领域

本发明涉及温度传感器技术领域，尤其涉及一种用于深空探测的光纤温度传感器。

背景技术

随着空间技术的发展，在区域大气环境监测、高分辨率实时监测、预警和导弹防御、区域通信等需求的驱动下，平流层浮空器越来越成为受关注的热点。平流层浮空器在定点悬浮以及升空过程中，外部热环境参数变化很大，继而容易影响浮空器内部气体压力和整体性能。通过光纤温度传感器实时监测气囊内与吊舱内的温度对浮空器飞行状态提供了重要保证。然而，在深空环境中，太阳辐照强烈，空气稀薄，昼夜温差较大。最低温度达到-90℃，一方面，恶劣的环境容易使温度传感器的外壳发生形变并传送到传感光纤本身，进而影响到光纤光栅对温度的测量效果，另一方面，光纤光栅的裸纤温度范围为-40℃～85℃，无法满足平流程低温环境要求，且裸栅极易断裂，在1550nm波长处温度和应变灵敏度分别只有1.13×10-2nm/℃和1.2×10-3nm/με，所以在工程中一般需要对光纤光栅进行封装，达到增敏和增加其机械强度的效果。而目前传统的封装方式采用聚氧树脂的包覆层，该封装方式在深空环境下容易老化、蠕变，影响测量精度及一致性，同时常规封装的光纤光栅测量范围窄、温度灵敏度较差，不适合宽范围、高可靠条件下使用。

另外，光纤温度传感器在深空环境下进行探测过程中，太阳直接辐射、地面长波辐射以及地面和云层的反射辐射、低气压以及电磁干扰均会影响光纤光栅温度传感器测温的准确度。光纤温度传感器是通过热传导实现与空气之间的热量交换并以此建立热平衡。由于空气吸收辐射能的能力较弱，所以自然情况下，光纤温度传感器的测温准确度对太阳直接辐射和地面反射辐射反应较灵敏，其中太阳直接辐射对温度测量精度的影响尤为突出。当太阳光直接照射在光纤温度传感器上，太阳辐射温升会叠加传感器的测量数据上，因此产生了传感器的太阳辐射误差，辐射误差通常可达到非常高的水平，影响温度传感器的准确度，导致监测数据出现异常。因此，如何降低辐射误差，己成为深空温度探测中的热点问题。

再者，温度主要靠热传导、热对流、热辐射三种方式进行传递，在正常大气压压下，空气温度传递主要靠热对流，即依靠空气流动进行传递，而随着气压的降低，空气密度下降，导致热对流传递变慢，不仅如此，浮空器气囊腔内氦气流速很低，换热能力弱，所以导致传感器的响应时间随之变慢。温度传递速度与热量传递方式、温差及传感器的封装方式有关。在前两者确定的情况下，封装方式成为主要的影响因素。大多数场合的温度场分布可以看作是静态或准静态的，温度变化相对缓慢，因此，大部分的光纤光栅温度传感器都可以满足温度测量的要求。然而，浮空器是以6m/s-10m/s速度升空，需要实时监控温度变化，在这些动态变化的情况下，就要求光纤温度传感器能够有足够快的响应时间，能够满足快速温度测量的要求。另外，随着高度增加，大气压力降低，空气的导热系数也随之降低，同样也增加了传感器的响应时间。

中国专利公开号CN111413006A，专利名称为真空低温光纤光栅温度传感器及其封装方法，该申请提供一种能在真空环境下测量温度的真空低温光纤光栅温度传感器及其封装方法，该真空低温光纤光栅温度传感器包括：封装外壳和光纤光栅，封装外壳的外表面为半圆柱形，封装外壳的内表面在纵向上具有槽体，光纤光栅固定于槽体中，封装外壳的内表面紧贴待测机件固定，封装外壳由与待测机件相同的材料制作而成。该温度传感器利用了光纤光栅的传感原理，结构简单，具有导热效率高，响应速度快的特点，但其同时也具有以下缺点：

一、该真空低温光纤光栅温度传感器通过表贴的方式只能够测量被贴物表面温度，不能够对周围温度场进行快速测温，限制了传感器的测量范围；

二、该真空低温光纤光栅温度传感器设置的保护性封装外壳封装大大影响了传感器对环境温度的响应速度；

三、该真空低温光纤光栅温度传感器无法解决深空环境下太阳直接辐射、地面长波辐射以及地面和云层的反射辐射、低气压以及电磁干扰对温度传感器测温效果的影响，测量精度有待提高。

发明内容

为解决背景技术中的技术问题，本发明提供了一种用于深空环境下测量温度的光纤温度传感器，该光纤温度传感器的测量量程宽，准确度高，既具有较强的保护强度，又能够对环境温度作出快速响应。

本发明采用如下的技术方案：一种用于深空探测的光纤温度传感器，安装在浮空器内，包括金属套管，呈柱状结构，其内设有空腔；内基底，内置于所述金属套管的空腔内，所述内基底的底面设有沿轴线方向延伸的导纤槽，用于封装传感光纤；传感光纤，包括位于中心位置的光纤光栅以及位于所述光纤光栅两端的裸光纤，所述光纤光栅设置于所述内基底的导纤槽内，所述裸光纤依次穿出所述内基底和所述金属套管；左右一对固定件，安装在所述金属套管内并分别位于所述内基底的两端，所述固定件的中心设有用于与所述内基底的端部套接的凹型槽，所述凹型槽的中心设有通孔，用于固定从所述内基底穿出的裸光纤；左右一对光缆连接头，可拆卸连接在所述金属套管的两端，所述光缆连接头的横截面中心沿轴向开设有连接孔。

作为优化方案，所述内基底为横截面呈C型的半圆柱结构。

作为优化方案，所述内基底的底面左右两端高，中间低，如马鞍状，所述槽体包括分布在所述内基底的中间低位的第一导纤槽和分布在左右两端高位的第二导纤槽。

作为优化方案，所述内基底采用殷钢材质。

作为优化方案，所述光纤光栅的表面覆有镀金层。

作为优化方案，所述光纤光栅通过激光点焊的方式附着在所述内基底的导纤槽内。

作为优化方案，所述金属套管为不锈钢管，所述金属套管两端对称设有多个环形微孔。

作为优化方案，所述环形微孔的直径为0.5-1mm。

作为优化方案，所述金属套管表面覆有镀银层。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明将封装光纤光栅的内基底设计成横截面呈C型的半圆柱结构或两端高，中间低的马鞍状，当内基底受环境影响发生形变时，不会传送到传感光纤本身，从而有效的避免了内基底、金属套管结构的形变对温度传感器的性能影响；

本发明通过对光纤光栅进行金属化增敏封装，在保证高精度测量的同时扩展了传感器的量程，增加传感器的灵敏度，测量精度达到±0.5℃，分辨率0.1℃，量程-100℃～100℃。

本发明通过设置环形微孔快速热交换技术封装外壳，提高了传感器在低温低气压环境中的响应速度，温度响应时间小于6s。

本发明通过对金属套管表面镀有低辐射吸收涂层，能够最大限度的降低深空环境下太阳辐射、地面长波辐射、地面和云层的反射辐射低气压以及电磁干扰对温度传感器测温效果的影响，有效的提高了温度传感器的测温准确度。

附图说明

图1为本发明用于深空探测的光纤温度传感器的结构示意图；

图2为本发明内基底的一种实施例的结构示意图；

图3为本发明的内基底的又一种实施例的结构示意图；

图4为本发明的内基底的又一种实施例的A-A面示意图；

图5为本发明的固定件的结构示意图；

图6为本发明的固定件的平面示意图；

图7为本发明的环形微孔的结构示意图；

其中，1-金属套管、2-内基底、21-导纤槽、21a-第一导纤槽、21b-第二导纤槽、3-传感光纤、31-光纤光栅、32-裸光纤、4-固定件、41-凹型槽、42-通孔、5-光缆连接头、6-环形微孔。

具体实施方式

以下，为了便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现参照附图来做进一步说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。

在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例一：

如图1所示，为本发明用于深空探测的光纤温度传感器的结构示意图，本发明安装于安装在进行深空探测的浮空器内，包括金属套管1、内基底2、传感光纤3、固定件4和光缆连接头5，金属套管1设置在最外层，用于对传感光纤3起机械保护和缓冲等作用，金属套管1呈柱状结构，其内设有空腔，金属套管1内设置有内基底2。如图2所示，内基底2的背部隆起，整体横截面呈C型，内基底2的底面设有沿轴线方向延伸的导纤槽21，导纤槽21用于封装传感光纤3，当内基底2和金属套管1受到恶劣环境影响发生的形变时，内基底2的C型结构使得形变不会传送到光纤本身，进而可以有效的避免内基底2、金属套管1结构的形变对温度传感器的性能影响。内基底2内封装用于进行温度测量的传感光纤3，传感光纤3包括位于中心位置的光纤光栅31以及位于光纤光栅31两端的裸光纤32，传感光纤3整体呈松弛状态，光纤光栅31设置于内基底2的导纤槽21上，裸光纤32依次穿出内基底2和金属套管1。如图5～6所示，为使内基底2具有更良好的固定效果，在金属套管1内设置有左右一对的固定件4，固定件4位于内基底2的两端，对从内基底2两端穿出的裸光纤32进行固定，在金属套管1的两端分别设置有左右一对的光缆连接头5，光缆连接头5的横截面中心沿轴向开设有通孔，裸光纤32从通孔中穿出与外部光缆连接，本实施例中，位于两边的光缆连接头5分别与金属套管1的两端通过设置相互配合的螺纹相连接，当然连接方式不限于螺纹连接，只要满足对传感光纤3的紧密封装效果即可。

由于平流层温度范围从-90℃～85℃，较强的温差变化对光纤光栅的冲击大，而金属层耐温光纤光栅的耐温范围可达到-200℃～800℃，且其弹性模量更大，温度热膨胀系数更高，抗老化能力更强。因此，为解决恶劣环境下对光纤光栅31性能稳定性的影响，本实施例的光纤光栅31的表面覆有镀金层。光纤光栅31表面金属化不仅能提高其机械强度、耐温性能，避免了光纤光栅31在较强温差冲击下出现开裂等问题。同时，由于金属的热膨胀系数大于光纤光栅的热膨胀系数，当温度升高金属的热变形大于光纤光栅31的热变形，因为通过表面金属化二者结合到一起，光纤光栅31会随着金属的热形变发生相应变化，进而达到增加光纤光栅31灵敏度的效果。当然，通过综合考虑金属材料的热膨胀系数、弹性模量、泊松比等参数以及易于镀层的技术，可知Zn、Cu、Ni、Co热膨胀系数、弹性模量、泊松比也同样适用于本实施例的要求，但相比较其他材料，Au金属镀膜技术更成熟，且考虑到平流层太阳辐射强烈，Au具有一定的耐辐射性，更能降低太阳辐射对光纤光栅测温的，因此选择金属镀层的材料为Au。

为了实现传感器的高可靠性封接，本实施例中，内基底2采用殷钢材质，殷钢具有更强的稳定性，因而能够减少在平流层较强的温差环境下发生形变的几率，避免对光纤光栅的测温准确度产生影响。光纤光栅31通过激光点焊的方式附着在内基底的导纤槽21内壁上，光纤光栅31的镀金层与殷钢之间有较好的可焊性，而光纤光栅31表面的镀金层对内部光纤芯具有较好的保护作用。当然，本实施例中，光纤光栅31也可以通过胶粘的方式与内基底2的内壁连接。

本实施例的具体实施过程如下：运用光纤光栅金属化增敏封装手段，在光纤光栅31的表面电镀一层镀金层，同时，将光纤光栅31的两端通过胶粘或者激光点焊的方式，固定在内基底2中部的导纤槽21内，固定时，要保证光纤光栅31呈松弛状态，光纤光栅31整体悬在内基底2的底部，从而能够更充分的接触到外界环境，感应到腔体内及周围环境的温度变化。然后将固定有光纤光栅31的内基底插入金属套管1的内壁，将一对固定件4分别安装在金属套管1的两端，以实现金属套管1对内基底2的紧密固定，再将位于固定件4两侧伸出的裸光纤32分别穿过光缆连接头5内设置的通孔，与外部光缆相连接，将设置有外螺纹的光缆连接头5分别拧进两端设置有内螺纹的金属套管1里面，以保证整个封装结构的稳固性。本实施例通过对光纤光栅进行金属化增敏封装，在保证高精度测量的同时扩展了传感器的量程，增加传感器的灵敏度，测量精度达到±0.5℃，分辨率0.1℃，量程-100℃～100℃。同时，由于本实施例中封装光纤光栅31的内基底2设计成C型，当内基底2受环境影响发生形变时，不会传送到传感光纤本身，从而有效的避免了内基底2、金属套管1结构的形变对温度传感器的性能影响。

实施例二：

请一并参阅图3～4，图3是本发明第二种实施例的结构示意图；图4是图3的A-A面示意图。实施例2与实施例1的不同之处在于：内基底2的底面左右两端高，中间低，呈马鞍状，导纤槽21包括分布在内基底2的中间低位的第一导纤槽21a和分布在左右两端高位的第二导纤槽21b，第一导纤槽21a为固定光纤光栅31的区域，第二导纤槽21b为安装位于两端的裸光纤32的区域，如图4所示，光纤光栅21的两端通过胶粘或者激光点焊的方式固定在第一导纤槽21a的内壁上，光纤光栅31呈松弛状态，光纤光栅31整体悬在第一导纤槽21a的底部，从而能够更充分的接触到外界环境，感应到腔体内及周围环境的温度变化。实施例2与实施例1中的C形内基底2相比，具有同样的技术效果，因为都保证了腔体内的光纤光栅31能够迅速的感应到热量，避免了当内基底2受环境影响发生形变时，传送到传感光纤3本身，对温度传感器的性能影响。当然，实施例2中将内基底2设计成底面左右两端高，中间低的结构，扩大了光纤光栅31与外界环境的可接触面积，从而更有助于提高光纤光栅31响应速率，另外，左右两端高，中间低的结构也更易于内基底2在金属套管1内进行固定封装操作，提高了产品的成品率。

实施例三：

实施例三作为以上实施例一和实施例二的一种改进方案，为适用于浮空器服役环境，本实施例的金属套管1采用不锈钢管材质，同时，如图7所示，在金属套管1的两端对称设有多个环形微孔6，设置环形微孔6有利于加快气流的流通，增加温度传感器热响应速度，便于光纤光栅31无阻碍的感应到腔体内及周围环境的温度变化，同时，设置环形微孔6可以使得封装结构的内外压强相同，从而可以有效的防止由于内外压强差太大引起的结构破坏，本实施例中，环形微孔6的孔径范围为0.5-1mm，环形微孔6的设置的位置优选的应当靠近光纤光栅31，便于光纤光栅31能够更迅速的感应到热量的变化。因而，通过设置具有快速热交换技术的环形微孔6，提高了温度传感器在低温低气压环境中的响应速度。

另外，作为本实施例的一种改进方案，在金属套管1的表面覆有一层镀银层，由于银是一种金属反射膜的优良材料，在所有金属中，银对可见光和红外光的反射率最高，均可达到95％以上，是理论上非常理想的反射材料，因而在金属套管1的表面覆设镀银层能够最大限度的降低深空环境下太阳辐射、地面长波辐射、地面和云层的反射辐射低气压以及电磁干扰对温度传感器测温效果的影响，有效的提高了温度传感器的测温准确度。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。