專利名稱：用于快速海洋測溫的光纖溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感器技術(shù)，特別是用于海水溫度高精度、快速測量的測溫傳感器。區(qū)別于傳統(tǒng)電子測溫技術(shù)，該傳感器可無源工作，不存在電子絕緣、海水滲漏等問題，且傳感器敏感單元為光纖，具有大的表面積/體積比，具有快速響應(yīng)的能力，該技術(shù)發(fā)明為海洋測溫領(lǐng)域提供一種全新的高精度測溫方法。
背景技術(shù)：
海水溫度是海水最重要的物理參數(shù)。測量海水溫度對于科學(xué)調(diào)查、國防軍事、海上油氣開采、漁業(yè)生產(chǎn)等有重要的作用。溫度傳感器的核心精度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好。如對于海洋測溫技術(shù)要求而言，要求測溫的范圍較小(-5°C-35°C)，但要求的測試精度高，一般為士0.003°C，高精度要求達(dá)到0. 001°C以上。雖然基于電橋的溫度傳感器技術(shù)已經(jīng)成熟，且已經(jīng)大批量應(yīng)用，但其固有有技術(shù)缺點(diǎn)帶來在海洋技術(shù)領(lǐng)域的種種不便價(jià)格高目前常用的技術(shù)基于熱敏電阻或者鉬電阻，系統(tǒng)刷新周期一般為60ms左右，整體成本較高，0. ore的高精度電橋高近2萬元，而精度達(dá)到0. oorc更超過10萬元。絕緣要求高熱敏電阻需要進(jìn)行絕緣封裝，以避免短路的同時(shí)屏蔽海水的侵蝕。如當(dāng)前對熱敏電阻采用不銹鋼管封裝的形式，其工藝復(fù)雜，且引入較大的體積和熱容量，進(jìn)而限制溫度響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間慢熱敏電阻在海水中需要絕緣和耐壓保護(hù)。因此其導(dǎo)熱過程慢而采用光纖技術(shù)則可以直接將光纖暴露在海水中，且石英光纖體積纖細(xì)(o. 125mm)，比熱小，導(dǎo)熱快，因此響應(yīng)時(shí)間短。除此之外，日趨成熟的普通光纖光柵測溫技術(shù)也不能滿足海洋測溫需求。普通的光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)傳感技術(shù)范圍較寬，一般可以從_30°C _150°C，但分辨率僅達(dá)到0. 01°C靈敏度一般僅為10pm/°C，且往往由于金屬鎧裝保護(hù)結(jié)構(gòu)和溫度增敏物質(zhì)的熱容量較大，對溫度的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間沒有得到足夠重視，遠(yuǎn)不能滿足海洋測溫之需求。長周期光纖光柵(Long Period Grating)相對短周期而言，具有更長的周期，具有更加靈敏的溫度敏感性，經(jīng)過簡單的封裝可以裸露在海水中，避免了保護(hù)封裝使得傳感頭熱容量增大而降低反應(yīng)速度。且遠(yuǎn)比FBG靈敏，是測量海水溫度優(yōu)勢方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種用于快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，其是為海洋測溫的一種手段，具有快速、高精度的測溫優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供一種一種用于快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，包括一長周期光纖光柵；一外殼，為圓柱體，該外殼的中間為圓形鏤空狀的容置部，該容置部的兩端的中心分別有一小孔，在兩小孔的外側(cè)為一直徑大于小孔的開放狀的圓孔，所述長周期光纖光柵容置于外殼的容置部內(nèi)，且長周期光纖光柵通過其兩端的光纖穿出小孔；拉伸結(jié)構(gòu)，位于外殼的一端內(nèi)，用于固定長周期光纖光柵，并提供恒定拉力，確保長周期光纖光柵一直處在拉伸狀態(tài)；兩個(gè)堵頭，為圓柱體，其直徑與外殼兩端的圓孔相同，該堵頭的中心有一可容許光纖通過的孔洞，所述光纖穿過該孔洞。其中長周期光纖光柵包括一纖芯；一包層，該包層包覆于纖芯；一金屬屏蔽層，該金屬屏蔽層包覆于包層，該金屬屏蔽層可排除環(huán)境折射率的影響，且提高溫度傳感器的靈敏度。其中外殼的材料為耐海水腐蝕的鈦合金、海軍銅、不銹鋼合金。其中拉伸結(jié)構(gòu)位于外殼的一端內(nèi)，用于固定長周期光纖光柵，并提供拉力保持光柵不彎曲，該拉伸結(jié)構(gòu)包括一彈簧，一銷釘，和比圓孔稍大圓孔構(gòu)成，彈簧放在稍大圓孔中用于限制彈簧的橫向移動(dòng)，銷釘?shù)募?xì)端插入在彈簧中，光纖通過銷釘并固定，光纖通過銷釘對彈簧施加拉力，以保持長周期光纖光柵始終處在拉伸狀態(tài)。本發(fā)明的有益效果是測溫精度高測溫精度達(dá)到士0. 0030C以上；測溫速度快常規(guī)高精度CTD的測溫速度能夠達(dá)到50ms，為了更好的符合當(dāng)前的技術(shù)要求，LPG的測溫速度應(yīng)高于50ms ；測溫不受其他因素干擾除了對溫度敏感，LPG對包層外的環(huán)境折射率比較敏感， 因此在測溫時(shí)容易受到環(huán)境變化的影響。首先，不同的海水有著不同的鹽度，即不同的海水有著不同的折射率，因此會(huì)對LPG的波長進(jìn)行干擾；其次，不同深度的海水對傳感器產(chǎn)生不同的壓力，特別對于有預(yù)應(yīng)力的封裝而言，海水壓力導(dǎo)致光纖松弛甚至彎曲，因此會(huì)對長周期光柵的諧振波長產(chǎn)生附加的影響，因此，LPG測溫需要消除掉類似干擾因素。


為進(jìn)一步描述本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1是本發(fā)明長周期光纖光柵溫度傳感器示意圖；圖2是圖1的局部放大示意圖；圖3是本發(fā)明長周期光纖光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3的斷面示意圖；圖5是本發(fā)明應(yīng)用于反射式解調(diào)光路的示意圖；圖6是傳統(tǒng)透射式解調(diào)光路的示意圖；圖7是長周期光纖光柵未加金屬屏蔽的測試曲線圖；圖8是長周期光纖光柵加有金屬屏蔽的測試曲線圖。
具體實(shí)施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種一種用于快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，包括
一長周期光纖光柵1，所述長周期光纖光柵1包括一纖芯101 ；—包層102，該包層 102包覆于纖芯101 ；—金屬屏蔽層103，該金屬屏蔽層103包覆于包層102。長周期光纖光柵用于感測海水的溫度，金屬屏蔽層103可以屏蔽海水對長周期光纖光柵的影響，并可以增加長周期光纖光柵的1溫度敏感性，且不損失長周期光纖光柵1同海水的溫度交換效率。 請參閱圖3、圖4所示。請參閱圖2，一外殼2，為圓柱體，該外殼2的中間為鏤空狀的容置部21，以便于海水與長周期光纖光柵1的熱量交換；該容置部21的兩端的中心分別有一小孔22，在兩小孔 22的外側(cè)為一直徑大于小孔22的開放狀的圓孔23，所述長周期光纖光柵1容置于外殼2 的容置部21內(nèi)，且長周期光纖光柵1通過其兩端的光纖11穿出小孔22，該外殼2的材料為耐腐蝕、耐高壓的金屬合金材料，如鈦合金、海軍銅、不銹鋼；外殼2作為封裝外殼，對長周期光纖光柵1起保護(hù)作用，以免長周期光纖收到撞擊、阻礙等外力損傷，外殼的容置部21提供傳感器外界海水與長周期1熱交換的通道；請參閱圖2所示，本發(fā)明提供一種拉伸結(jié)構(gòu)3，位于外殼2的一端內(nèi)，用于固定長周期光纖光柵1，并提供拉力保持光柵不彎曲，該拉伸結(jié)構(gòu)3包括一彈簧301，一銷釘302，和比圓孔21稍大圓孔31構(gòu)成，彈簧301放在稍大圓孔303中用于限制彈簧301的橫向移動(dòng)，銷釘302的細(xì)端插入在彈簧301中，光纖11通過銷釘302并固定，光纖11通過銷釘302對彈簧301施加拉力，以保持長周期光纖光柵1始終處在拉伸狀態(tài)；兩個(gè)堵頭4，為圓柱體，其直徑與外殼2兩端的圓孔23相同，該堵頭4的中心有一可容許光纖11通過的孔洞41，所述光纖11穿過該孔洞41。堵頭用于光纖11伸出堵頭4 后，鎧裝護(hù)套同傳感器的連接固定。請參閱圖示6所示，一般長周期光纖光柵在作為傳感器使用時(shí)，采用探測透射譜的方案，由寬帶光源601、波長解調(diào)模塊602和長周期光纖光柵1及延長光纖611、622構(gòu)成， 寬帶光源601發(fā)出的寬帶光，經(jīng)過長周期光柵1后，部分包層模被消逝掉后，剩余的透射光譜被解調(diào)儀602探測。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在海上溫度測量中，需要將光源和解調(diào)裝置放在岸上或者船上，因此如圖6所示的透射型需要兩根光纖，對實(shí)用帶來不便。本發(fā)明采用反射型的光路結(jié)構(gòu)，如圖5所示。由寬帶光源501、波長解調(diào)模塊502 和耦合器503、端面反射鏡504及長周期光纖光柵1構(gòu)成。從光源5. 1發(fā)出的寬帶光經(jīng)過耦合器503后，入射近長周期光纖光柵1，部分光被泄露到長周期光纖光柵1中的包層并被消逝掉，剩余的光從長周期光纖光柵1后繼續(xù)向前傳播，直到端面反射鏡504后原路返回， 并在此進(jìn)入長周期光纖光柵1中并再次損失部分包層模，剩余的光譜繼續(xù)前行直到耦合器 503后進(jìn)入波長解調(diào)模塊502。因此，該種光路結(jié)構(gòu)使得光譜兩次經(jīng)過長周期光纖光柵1，得到的光譜中的諧振光譜較一次通過更為陡峭、幅值更大，利于后續(xù)解調(diào)性能的提升；且該種光路結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，只需要一根光纖，便于實(shí)際應(yīng)用。端面反射鏡504是在光纖斷面上鍍膜的方案實(shí)現(xiàn)，鍍膜的方案為磁控濺射、真空鍍膜、化學(xué)鍍膜。請參閱圖7，沒有經(jīng)過金屬屏蔽和增敏的長周期光纖光柵1的溫度靈敏度為 0. 224nm/°C ；請參閱圖8，沒有經(jīng)過金屬屏蔽和增敏的長周期光纖光柵1的溫度靈敏度為 0. 309nm/°C。溫度敏感度得到明顯的提升。以上所述，僅是本發(fā)明的實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案范圍之內(nèi)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種用于快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，包括一長周期光纖光柵；一外殼，為圓柱體，該外殼的中間為圓形鏤空狀的容置部，該容置部的兩端的中心分別有一小孔，在兩小孔的外側(cè)為一直徑大于小孔的開放狀的圓孔，所述長周期光纖光柵容置于外殼的容置部內(nèi)，且長周期光纖光柵通過其兩端的光纖穿出小孔；拉伸結(jié)構(gòu)，位于外殼的一端內(nèi)，用于固定長周期光纖光柵，并提供恒定拉力，確保長周期光纖光柵一直處在拉伸狀態(tài)；兩個(gè)堵頭，為圓柱體，其直徑與外殼兩端的圓孔相同，該堵頭的中心有一可容許光纖通過的孔洞，所述光纖穿過該孔洞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，其中長周期光纖光柵包括一纖芯；一包層，該包層包覆于纖芯；一金屬屏蔽層，該金屬屏蔽層包覆于包層，該金屬屏蔽層可排除環(huán)境折射率的影響，且提高溫度傳感器的靈敏度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，其中外殼的材料為耐海水腐蝕的鈦合金、海軍銅、不銹鋼合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，其中拉伸結(jié)構(gòu)位于外殼的一端內(nèi)，用于固定長周期光纖光柵，并提供拉力保持光柵不彎曲，該拉伸結(jié)構(gòu)包括一彈簧，一銷釘，和比圓孔稍大圓孔構(gòu)成，彈簧放在稍大圓孔中用于限制彈簧的橫向移動(dòng)，銷釘?shù)募?xì)端插入在彈簧中，光纖通過銷釘并固定，光纖通過銷釘對彈簧施加拉力，以保持長周期光纖光柵始終處在拉伸狀態(tài)。
全文摘要
一種用于快速海洋測溫的光纖溫度傳感器，包括一長周期光纖光柵；一外殼，為圓柱體，該外殼的中間為圓形鏤空狀的容置部，該容置部的兩端的中心分別有一小孔，在兩小孔的外側(cè)為一直徑大于小孔的開放狀的圓孔，所述長周期光纖光柵容置于外殼的容置部內(nèi)，且長周期光纖光柵通過其兩端的光纖穿出小孔；拉伸結(jié)構(gòu)，位于外殼的一端內(nèi)，用于固定長周期光纖光柵，并提供恒定拉力，確保長周期光纖光柵一直處在拉伸狀態(tài)；兩個(gè)堵頭，為圓柱體，其直徑與外殼兩端的圓孔相同，該堵頭的中心有一可容許光纖通過的孔洞，所述光纖穿過該孔洞。
文檔編號G01K11/32GK102494802SQ20111043047
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者劉元輝, 劉育梁, 劉鵬飛, 戴興, 李芳 , 王永杰, 趙強(qiáng) 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所