一种夹持式光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法

摘要

本发明涉及一种夹持式光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。本发明包括调整转杆、螺杆、固定块、底板、控制块、夹臂、垫片、聚四氟乙烯板、光纤Bragg光栅、导出光纤；其中固定块固定在底板上，夹臂上端连接底板，螺杆上端带有调整转杆，下端连接控制块，螺杆穿过固定块，控制块连接左右两个夹臂，夹臂一侧装有抗压、抗高温垫片，另一侧为聚四氟乙烯板，光纤Bragg光栅封装在聚四氟乙烯板内部，导出光纤沿上方引出。根据光纤Bragg光栅的中心波长的移位值与被测物的温度的关系式ΔλB＝KT·ΔT计算出被测物温度。本发明适用于可夹附物体的温度测量，结构简单、便于安装与拆卸、抗干扰能力强。

权利要求

1.一种夹持式光纤Bragg光栅温度传感器，其特征在于：包括调整转杆(1)、螺杆(2)、固定块(3)、底板(4)、控制块(5)、夹臂(6)、垫片(7)、聚四氟乙烯板(8)、光纤Bragg光栅(9)、导出光纤(10)；其中固定块(3)固定在底板(4)上，夹臂(6)上端连接底板(4)，螺杆(2)上端连接有调整转杆(1)，下端自上而下穿过固定块(3)、底板(4)后与控制块(5)顶端连接，控制块(5)两端设有斜向上的凸台，夹臂(6)中部设有插孔，控制块(5)的两个凸台可滑动插入左右两个夹臂(6)的插孔内，且夹臂(6)的一侧设有凸台，底板(4)的一内侧面设有凹槽，夹臂(6)的凸台可滑动安装在底板(4)的凹槽中，左右两个夹臂(6)随控制块(5)上下移动的同时沿底板(4)上下滑动，左侧的夹臂(6)的下端内侧面装有抗压、抗高温垫片(7)，右侧的夹臂(6)的下端内侧面装有聚四氟乙烯板(8)，光纤Bragg光栅(9)封装在聚四氟乙烯板(8)内部，光纤Bragg光栅(9)沿上方引出导出光纤(10)。

2.根据权利要求1所述的夹持式光纤Bragg光栅温度传感器，其特征在于：所述底板(4)的内侧面呈倒W形，控制块(5)位于最顶端时，控制块(5)的两个凸台插入左右两个夹臂(6)插孔的最深处，左右夹臂(6)的上端分别与底板(4)的内侧壁的折弯部紧密接触，控制块(5)向上移动，左右两个夹臂(6)将会向上收拢，控制块(5)向下移动，左右两个夹臂(6)将向下扩张。

3.根据权利要求1所述的夹持式光纤Bragg光栅温度传感器，其特征在于：所述固定块(3)、底板(4)中部设有与螺杆(2)相匹配的螺纹孔。

4.一种权利要求1-3任一项所述的夹持式光纤Bragg光栅温度传感器的使用方法，其特征在于：具体步骤如下：

Step1、转动调整转杆(1)，通过控制块(5)的上下移动来调整夹臂(6)间距，使被测物位于夹臂(6)内侧，转动调整转杆(1)，使夹臂(6)夹紧被测物；

Step2、通过跳线将导出光纤(10)接入光纤光栅解调仪进行监测；

Step3、根据光纤Bragg光栅(9)的中心波长的移位值ΔλB与被测物的温度的关系式ΔλB＝KT·ΔT计算出被测物的温度变化；式中：KT为传感器的温度系数，ΔT为被测物的温度变化量；

Step4、测量完毕后，断开跳线，转动调整转杆(1)使夹臂(6)张开，取下传感器。

说明书

一种夹持式光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种夹持式光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。

背景技术

[0002] 近年来，光纤传感器以其精度高、成本低以及抗干扰能力强等优势被广泛应用于测量技术领域。温度是一项常见的测量项目，目前常见的温度测量工具有汞温度计、热电偶、红外温度传感器以及光纤传感器等，比较而言，光纤温度传感器在量程、精确性、抗干扰能力、电绝缘、抗腐蚀等方面有明显的综合优势，特别是应对于强电磁、易燃、易爆等测量环境时，光纤Bragg光栅温度传感器采用光纤材料，在信号的传输与传感中均是采用光信号，实现了现场的无电测量，提供了一种本质安全的在线测量温度的方式。使用光纤Bragg光栅温度传感器进行温度测量时常采用埋入式、粘贴式、螺丝固定、人工固定等安装方式，而这些方式对于壁状、管状、凸状、小体积、临时性测量等被测物体的实用性并不高。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种可夹附在被测物体上的夹持式光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法，为壁状、管状、凸状、小体积等被测物体或环境的温度测量提供了一种更为方便快捷的测温方法。

[0004] 本发明采用的技术方案是：一种夹持式光纤Bragg光栅温度传感器，包括调整转杆1、螺杆2、固定块3、底板4、控制块5、夹臂6、垫片7、聚四氟乙烯板8、光纤Bragg光栅9、导出光纤10；其中固定块3固定在底板4上，夹臂6上端连接底板4，螺杆2上端连接有调整转杆1，下端自上而下穿过固定块3、底板4后与控制块5顶端连接，控制块5两端设有斜向上的凸台，夹臂6中部设有插孔，控制块5的两个凸台可滑动插入左右两个夹臂6的插孔内，且夹臂6的一侧设有凸台，底板4的一内侧面设有凹槽，夹臂6的凸台可滑动安装在底板4的凹槽中，左右两个夹臂6随控制块5上下移动的同时沿底板4上下滑动，左侧的夹臂6的下端内侧面装有抗压、抗高温垫片7，右侧的夹臂6的下端内侧面装有聚四氟乙烯板8，光纤Bragg光栅9封装在聚四氟乙烯板8内部，光纤Bragg光栅9沿上方引出导出光纤10。

[0005] 具体地，所述底板4的内侧面呈倒W形，控制块5位于最顶端时，控制块5的两个凸台插入左右两个夹臂6插孔的最深处，左右夹臂6的上端分别与底板4的内侧壁的折弯部紧密接触，控制块5向上移动，左右两个夹臂6将会向上收拢，控制块5向下移动，左右两个夹臂6将向下扩张。

[0006] 进一步地，所述固定块3、底板4中部设有与螺杆2相匹配的螺纹孔。

[0007] 一种所述的夹持式光纤Bragg光栅温度传感器的使用方法，具体步骤如下：

[0008] Step1、转动调整转杆1，通过控制块5的上下移动来调整夹臂6间距，使被测物位于夹臂6内侧，转动调整转杆1，使夹臂6夹紧被测物；

[0009] Step2、通过跳线将导出光纤10接入光纤光栅解调仪进行监测；

[0010] Step3、根据光纤Bragg光栅9的中心波长的移位值ΔλB与被测物的温度的关系式ΔλB＝KT·ΔT计算出被测物的温度变化；式中：KT为传感器的温度系数，ΔT为被测物的温度变化量；

[0011] Step4、测量完毕后，断开跳线，转动调整转杆1使夹臂6张开，取下传感器。

[0012] 本发明的有益效果是：

[0013] 1、本传感器采用夹持式结构，对于壁状、管状、凸状、小体积等被测物体或环境更具测量优势。

[0014] 2、本传感器采用的光纤Bragg光栅具有很强的耐腐蚀能力和抗电磁干扰能力(EMI)。

[0015] 3、此传感器本身不带任何电信号，可适用于强电磁、易燃、易爆等高危环境中的温度测量。

[0016] 4、结构简单、便于安装与拆卸。

附图说明

[0017] 图1为本发明的结构示意图；

[0018] 图2为本发明的扩张结构示意图；

[0019] 图3为图2中的A-A剖视图。

[0020] 图中各标号：1为转杆、2为螺杆、3为固定块、4为底板、5为控制块、6为夹臂、7为垫片、8为聚四氟乙烯板、9为光纤Bragg光栅、10为导出光纤。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的说明。

[0022] 实施例1：如图1-3所示，一种夹持式光纤Bragg光栅温度传感器，包括调整转杆1、螺杆2、固定块3、底板4、控制块5、夹臂6、垫片7、聚四氟乙烯板8、光纤Bragg光栅9、导出光纤10；其中固定块3固定在底板4上，夹臂6上端连接底板4，螺杆2上端连接有调整转杆1，下端自上而下穿过固定块3、底板4后与控制块5顶端连接，控制块5两端设有斜向上的凸台，夹臂
6中部设有插孔，控制块5的两个凸台可滑动插入左右两个夹臂6的插孔内，且夹臂6的一侧设有凸台，底板4的一内侧面设有凹槽，夹臂6的凸台可滑动安装在底板4的凹槽中，左右两个夹臂6随控制块5上下移动的同时沿底板4上下滑动，左侧的夹臂6的下端内侧面装有抗压、抗高温垫片7，右侧的夹臂6的下端内侧面装有聚四氟乙烯板8，光纤Bragg光栅9封装在聚四氟乙烯板8内部，光纤Bragg光栅9沿上方引出导出光纤10。

[0023] 进一步地，所述底板4的内侧面呈倒W形，控制块5位于最顶端时，控制块5的两个凸台插入左右两个夹臂6插孔的最深处，左右夹臂6的上端分别与底板4的内侧壁的折弯部紧密接触，控制块5向上移动，左右两个夹臂6将会向上收拢，控制块5向下移动，左右两个夹臂6将向下扩张，由此实现安装时左右两个夹臂6夹紧被测物，拆卸时左右两个夹臂6张开与被测物分离。

[0024] 进一步地，所述固定块3、底板4中部设有与螺杆2相匹配的螺纹孔。

[0025] 一种所述的夹持式光纤Bragg光栅温度传感器的使用方法，具体步骤如下：

[0026] Step1、转动调整转杆1，通过控制块5的上下移动来调整夹臂6间距，使被测物位于夹臂6内侧，转动调整转杆1，使夹臂6夹紧被测物；

[0027] Step2、通过跳线将导出光纤10接入光纤光栅解调仪进行监测；

[0028] Step3、根据光纤Bragg光栅9的中心波长的移位值ΔλB与被测物的温度的关系式ΔλB＝KT·ΔT计算出被测物的温度变化；式中：KT为传感器的温度系数，ΔT为被测物的温度变化量；

[0029] Step4、测量完毕后，断开跳线，转动调整转杆1使夹臂6张开，取下传感器。

[0030] 本发明的工作原理是：

[0031] 参见附图1，由于光纤Bragg光栅封装在中空的聚四氟乙烯板内，所以光纤Bragg光栅只对温度敏感，对外加应力应变不敏感。因此，该光纤Bragg光栅的中心波长λB移位只与温度变化有关。

[0032] 光纤光栅传感特性为：

[0033] λB＝2neffΛ                                                        (1)[0034] 光纤Bragg光栅的布拉格波长随着有效折射率neff和光栅周期Λ的改变而改变，因此Bragg波长对于外界应力应变、热负荷等极为敏感。

[0035] 当无外加应力作用，只有温度变化ΔT时，由热膨胀效应引起的光纤Bragg光栅周期的变化ΔλB为：

[0036] ΔλB＝α·λB·ΔT                                                  (2)[0037] 式中，α为光纤材料的热膨胀系数。

[0038] 由热光效应引起的有效折射率的变化Δneff为：

[0039] Δneff＝ξ·neff·ΔT                                                (3)[0040] 式中，ξ为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。

[0041] 由式(1)得，由热光效应引起的光纤Bragg光栅周期的变化ΔλB为：

[0042]

[0043] 式中，ξ为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率

[0044] 由式(2)、式(4)得，在消除外加应力应变的作用下，光纤Bragg光栅温度传感器布拉格波长与温度的变化的关系为：

[0045]

[0046] 对熔石英光纤来说，一般α＝0.55×10-6/℃，ξ＝6.67×10-6/℃。

[0047] ΔλB＝(α+ξ)·λB·ΔT＝KT·ΔT                                      (6)[0048] 式中，KT为光纤Bragg光栅的温度系数，其实际值以温度标定为准。

[0049] 上式表明，在消除外加应力应变作用后，光纤光栅的Bragg波长移位与温度的变化呈线性关系。由此来实现温度的测量。

[0050] 其具体参数为：

[0051] 1、光纤Bragg光栅9的技术参数为：中心波长λB＝1550nm；

[0052] 2、按附图2配置实验；

[0053] 3、用光纤光栅解调仪获取光纤Bragg光栅9的的中心波长的移位值ΔλB；

[0054] 4、根据光纤Bragg光栅9的中心波长的移位值ΔλB与被测物的温度的关系式ΔλB＝KT·ΔT计算出被测物的温度变化；式中：KT为传感器的温度系数，ΔT为被测环境的温度变化量。

[0055] 5、理论计算结果表明，当光纤Bragg光栅的初始Bragg波长为1550nm时，该夹持式光纤Bragg光栅温度传感器系统灵敏度为KT＝10.74pm/℃；

[0056] 6、当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨力为1pm时(指ΔλB每变化1pm时)，该传感器的温度分辨力为：0.093℃，温度测量范围为：－20℃—120℃。

[0057] 本发明的传感器结构简单、便于安装与拆卸、成本低、体积小，适用于可夹附的壁状、管状、凸状、小体积等物体或环境的温度测量，温度测量范围为－20℃—120℃。

[0058] 上面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。