一种双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器和制造方法

摘要

本发明提供了一种双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器和制造方法，包括三根圆柱形金属管，其中一根圆柱形金属管为金属外壳，其内径略大于其余两根金属管的外径并且中部开有多个通孔，将两根较小金属管使用环氧树脂胶进行连接嵌套进较大的金属外壳内一定深度，使得金属外壳内存在一段空腔，金属外壳空腔处开有4个通孔，光纤光栅使用胶体粘接安装在三根串联在一起的金属管内部，并在光栅处使用具有高热膨胀系数的胶体进行涂覆；通过光纤光栅外侧的有机聚合物的高热膨胀特性和金属的热膨胀与收缩对中心波长产生影响，实现对光纤光栅的双重温度増敏，提高了FBG温度传感器的响应速度和增敏效果。

权利要求

1.一种双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器，其特征在于：包括外壳、导管、光纤光栅、导热性胶体、高热膨胀系数胶体；

外壳为具有导热性的两端开口的中空圆柱体；

导管为具有导热性的两端开口的中空圆柱体，外径小于外壳的内径，内径大于光纤光栅的外径；

导管包括设置在外壳内的第一导管和第二导管，分别通过导热性胶体嵌套粘接在外壳的内壁上，第一导管、第二导管与外壳之间的空隙填充导热性胶体；第一导管和第二导管之间设有一定距离，使得外壳的腔体内部形成一段长度大于等于光纤光栅的光栅区长度的空腔，空腔处的外壳开有用于通入待测液体的通孔；

光纤光栅通过导热性胶体粘贴固定在第一导管和第二导管的腔体内部，使光栅区处于外壳的空腔内且位于第一导管和第二导管之间；第一导管、第二导管与光纤光栅之间的空隙填充导热性胶体；

光纤光栅的光栅区外涂覆有高热膨胀系数胶体。

2.根据权利要求1所述的一种双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器，其特征在于：外壳和导管采用包括青铜的具有良好导热性和机械性能的金属。

3.根据权利要求1所述的一种双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器，其特征在于：导热性胶体为PDMS胶或环氧树脂胶。

4.根据权利要求1所述的一种双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器，其特征在于：高热‑4 ‑4

膨胀系数胶体为环氧树脂胶或PDMS胶，热膨胀系数范围为0.5×10 m/℃～1.8×10 m/℃。

5.一种用于制造权利要求1至4中任意一项所述的双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：制作光纤光栅并形成光栅区；

S2：制作并组装外壳和第一导管、第二导管；

S3：将光纤光栅组装到外壳和第一导管、第二导管中，使光栅区处于外壳和第一导管、第二导管共同形成的空腔内。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述的步骤S1中，具体步骤为：S11：去除光纤的一段区域的涂敷层，使用掩模或干涉法写入光纤光栅；

S12：对光纤光栅进行退火或其它老化处理使光纤光栅具有温度稳定性和长使用寿命。

7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：S21：将具有良好导热性和机械性能的金属加工成多根管状体，使一根的内径大于另两根的外径作为外壳；另两根的内径大于光纤光栅的外径作为第一导管和第二导管；

S22：将外壳的中部开通孔，将第一导管和第二导管分别从外壳的两端插入外壳，第一导管和第二导管之间的距离不短于光栅区的长度，使外壳的腔体内部形成一段空腔；

S23：采用导热性胶体将第一导管和第二导管嵌套粘接在外壳的内壁上，第一导管、第二导管与外壳之间的空隙填充导热性胶体。

8.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述的步骤S3中，具体步骤为：S31：将光纤光栅通过导热性胶体粘贴固定在第一导管和第二导管的腔体内部，使光栅区处于外壳的空腔内且位于第一导管和第二导管之间；第一导管、第二导管与光纤光栅之间的空隙填充导热性胶体；

S32：将高热膨胀系数胶体涂覆在光纤光栅的光栅区外。

说明书

一种双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器和制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于温度检测技术领域，具体涉及一种双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器和制造方法。

背景技术

[0002] 作为一种全光纤器件，布拉格光栅(简称FBG)已被越来越广泛地用于光纤通信和光纤传感等领域。FBG传感器具有抗电磁干扰，耐腐蚀，使用寿命长，体积小，可以光波长复
用方式实现多点分布测量等显著的优点，因而在无法使用传统传感器的场合发挥了巨大作
用。近年来，随着FBG传感技术的不断发展，其应用范围也在日益扩大，并开始在有些领域取
代传统的传感系统。

[0003] 由于未经封装的光纤光栅极易损坏，所以作为传感器使用的光纤光栅都要经过某种形式的封装，以达到保护光纤光栅的目的。封装后的光纤光栅传感器将具有与光纤光栅
本身不同的对外界应变和温度的敏感系数。目前已有的光纤光栅传感器单一的采用将光纤
光栅粘接在金属管内，或者对金属管内进行导热硅脂的填充。这种方式结构简单，但是増敏
效果不佳，而且反应时间较长，无法实现快速测量与精准测量。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是：提供一种双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器和制造方法，用于提高FBG温度传感器和的响应速度和增敏效果。

[0005] 本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器，包括外壳、导管、光纤光栅、导热性胶体、高热膨胀系数胶体；外壳为具有导热
性的两端开口的中空圆柱体；导管为具有导热性的两端开口的中空圆柱体，外径小于外壳
的内径，内径大于光纤光栅的外径；导管包括设置在外壳内的第一导管和第二导管，分别通
过导热性胶体嵌套粘接在外壳的内壁上，第一导管、第二导管与外壳之间的空隙填充导热
性胶体；第一导管和第二导管之间设有一定距离，使得外壳的腔体内部形成一段长度大于
等于光纤光栅的光栅区长度的空腔，空腔处的外壳开有用于通入待测液体的通孔；光纤光
栅通过导热性胶体粘贴固定在第一导管和第二导管的腔体内部，使光栅区处于外壳的空腔
内且位于第一导管和第二导管之间；第一导管、第二导管与光纤光栅之间的空隙填充导热
性胶体；光纤光栅的光栅区外涂覆有高热膨胀系数胶体。

[0006] 按上述方案，外壳和导管采用包括青铜的具有良好导热性和机械性能的金属。

[0007] 按上述方案，导热性胶体为PDMS胶或环氧树脂胶。

[0008] 按上述方案，高热膨胀系数胶体为环氧树脂胶或PDMS胶，热膨胀系数范围为0.5×‑4 ‑4
10 m/℃～1.8×10 m/℃。

[0009] 一种双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器的制造方法，包括以下步骤：

[0010] S1：制作光纤光栅并形成光栅区；

[0011] S2：制作并组装外壳和第一导管、第二导管；

[0012] S3：将光纤光栅组装到外壳和第一导管、第二导管中，使光栅区处于外壳和第一导管、第二导管共同形成的空腔内。

[0013] 进一步的，所述的步骤S1中，具体步骤为：

[0014] S11：去除光纤的一段区域的涂敷层，使用掩模或干涉法写入光纤光栅；

[0015] S12：对光纤光栅进行退火或它老化处理使光纤光栅具有温度稳定性和长使用寿命。

[0016] 进一步的，所述的步骤S2中，具体步骤为：

[0017] S21：将具有良好导热性和机械性能的金属加工成多根管状体，使一根的内径大于另两根的外径作为外壳；另两根的内径大于光纤光栅的外径作为第一导管和第二导管；

[0018] S22：将外壳的中部开通孔，将第一导管和第二导管分别从外壳的两端插入外壳，第一导管和第二导管之间的距离不短于光栅区的长度，使外壳的腔体内部形成一段空腔；

[0019] S23：采用导热性胶体将第一导管和第二导管嵌套粘接在外壳的内壁上，第一导管、第二导管与外壳之间的空隙填充导热性胶体。

[0020] 进一步的，所述的步骤S1中，具体步骤为：

[0021] S31：将光纤光栅通过导热性胶体粘贴固定在第一导管和第二导管的腔体内部，使光栅区处于外壳的空腔内且位于第一导管和第二导管之间；第一导管、第二导管与光纤光
栅之间的空隙填充导热性胶体；

[0022] S32：将高热膨胀系数胶体涂覆在光纤光栅的光栅区外。

[0023] 本发明的有益效果为：

[0024] 1.本发明的一种双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器和制造方法，通过光纤光栅外侧的有机聚合物的高热膨胀特性和金属的热膨胀与收缩对中心波长产生影响，实现对光
纤光栅的双重温度増敏，提高了FBG温度传感器的响应速度和增敏效果，具备测量响应快、
灵敏度高、线性度好、可多个串联测量等优点。

[0025] 2.本发明解决了现有技术中普通光纤光栅温度传感器响应速度不够快，増敏效果不够好的问题，从而具有测量精度高和响应时间短的优势。

[0026] 3.本发明具有较高的测量精度、使用寿命长以及可靠性高的有益效果，同时可以快速响应外界温度变化，提高对外界温度探测的响应速度。

附图说明

[0027] 图1是本发明实施例的剖面图。

[0028] 图2是本发明实施例的外形图。

[0029] 图中：1.金属外壳；2.金属管；3.导热性胶体；4.光纤光栅元件；5.高热膨胀系数胶体。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0031] 参见图1和图2，本发明的实施例包括金属外壳1、金属管2、导热性胶体3、光纤光栅4、高热膨胀系数胶体5；导热性胶体3采用PDMS胶或环氧树脂胶；

[0032] 金属外壳1为具有导热性的圆柱形；金属管2具有导热性，金属管2的外径小于金属外壳1的内径；

[0033] 两根金属管2从金属外壳1的两端插入金属外壳1并通过导热性胶体3粘接嵌套在金属外壳1的内壁上，金属管2与金属外壳1之间的空隙填充导热性胶体3；两根金属管2之间
的距离不短于光纤光栅4的光栅区长度，使金属外壳1的腔体内部形成一段空腔，空腔处的
金属外壳1开有通孔；

[0034] 光纤光栅4通过导热性胶体3粘贴固定在金属管2的腔体内部，金属管2与光纤光栅4之间的空隙填充导热性胶体3，使光纤光栅4的光栅区处于金属外壳1的空腔内且位于两根
金属管2之间；

[0035] 高热膨胀系数胶体5采用环氧树脂胶或者PDMS胶，优选PDMS胶，具有高热膨胀系‑4 ‑4
数，热膨胀系数范围为0.5×10 m/℃～1.8×10 m/℃，涂覆在光纤光栅4的光栅区外；

[0036] 一种双重増敏的高灵敏度FBG温度传感器的制造方法，包括以下步骤：

[0037] 将两只金属管(2)嵌套进金属外壳(1)，并且两根金属管(2)之间留有一段不小于光栅区长度的空腔，金属管(2)与金属外壳(2)之间使用胶体进行粘接，光纤光栅(4)使用胶
体(3)固定在金属管(2)内，其中光栅区位于空腔内，在光栅区使用具有高热膨胀系数的胶
体(5)对位于空腔处的光纤光栅进行涂覆。

[0038] 如图1所示，在具有光敏性的光纤的一段将光纤涂敷层除去并使用掩模或干涉法将光纤光栅写入。为使光纤光栅具有有良好的温度稳定性和长的使用寿命可对光纤光栅进
行退火或其它老化处理。将具有良好导热性和机械性能的金属如青铜加工成管状，其中一
根在其中部开有通孔，另外两根金属管的外径略小于另一根金属外壳的内径，将金属管嵌
套进金属外壳内，使用具有环氧树脂进行粘接，两根金属管在金属外壳的通孔处形成一段
不小于光栅区长度的空腔。光纤光栅从金属管两端引出，保证光栅区在两端金属管的空腔
区，金属管内的光纤使用具有导热性质的胶体(如环氧树脂胶)与金属管进行粘接。当外界
温度变化时，光纤光栅的轴向应变随着金属管的热膨胀和收缩而升高和降低，从而对光纤
光栅的中心波长产生影响，实现对温度变化的测量。位于金属外壳空腔处的光纤光栅使用
PDMS胶进行涂覆，当液体从金属外壳的通孔处进入空腔时，由于涂敷在光纤光栅上的PDMS
胶具有高热膨胀系数，从而当光纤光栅外界的温度发生变化时，光纤光栅所感受到的外界
环境温度使其中心波长先发生偏移，且其外层存在有机聚合物，而有机聚合物的热膨胀系
数与光纤光栅不同，从而使得温度变化时光纤光栅外界的应力参量也发生变化，由于应力
和温度同时发生变化，就能够增加光纤光栅本身的温度灵敏度。通过金属的热膨胀与收缩
对中心波长产生影响和PDMS胶的高热膨胀特性可以实现对光纤光栅的双重温度増敏，实现
较高的测量精度和较短的响应时间。

[0039] 以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依
据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。