專利名稱：光纖水銀溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于溫度計領(lǐng)域，具體涉及一種光纖水銀溫度傳感器。
現(xiàn)有的利用光纖與液體相結(jié)合的溫度傳感器如英國專利GB2130719，是根據(jù)液體的折射率隨溫度變化的特征。其具體結(jié)構(gòu)是將光纖端部的包層去掉一部分，由液體(如甘油)代替，并且在光纖端面上設(shè)有一層反射膜。液體的折射率在測溫范圍內(nèi)高于光纖原有包層的折射率并隨溫度變化。當溫度變化時，從光纖折射到液體中的光強發(fā)生變化，從而使沿光纖反回的光強發(fā)生變化。該發(fā)明的不足之處是1)折射率隨溫度單調(diào)變化的區(qū)域小，因而限制了測溫范圍;2)折射率隨溫度變化的規(guī)律不能用數(shù)學解析式描述，因此相應(yīng)的信號處理復(fù)雜;3)光纖端面必須有反射膜，因此制作困難。
在測量中溫區(qū)的光纖溫度傳感器中，其他的感溫介質(zhì)還有半導(dǎo)體材料包層(日本專利JP60-149934)、塑料包層(英國專利GB1582768)、各向異性金屬包層(德國專利DE3045085)等。這些結(jié)構(gòu)的光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性和可靠性都不能完全滿足實用化的要求。因此，對油罐、汽罐、電機和變壓器等易燃、易爆、電磁干擾極強的環(huán)境溫度尚不能有效地測量。
如上所述的發(fā)明都是利用介質(zhì)的光學特性隨溫度變化而變化的特征，而光學特性隨溫度變化的規(guī)律較為復(fù)雜，并且可變范圍小。這正是這些發(fā)明存在不足之處的主要根源。
本發(fā)明的目的在于解決光纖溫度計在中溫區(qū)(-30～+300℃)大量程范圍內(nèi)的穩(wěn)定性、可靠性和實用性，并使其結(jié)構(gòu)簡單、易于制造。設(shè)計出一種可用于易燃、易爆、電磁干擾極強的惡劣環(huán)境中進行安全可靠地測溫的溫度傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，在密封的套管內(nèi)裝有水銀，并裝有直徑小于套管內(nèi)直徑的主光纖，由主光纖與真空組成真空包層波導(dǎo)，由水銀與主光纖組成水銀包層波導(dǎo)，并在其端面自然形成反射面，真空包層波導(dǎo)和水銀包層波導(dǎo)一起構(gòu)成感溫波導(dǎo)，主光纖通過分路器與入射光纖和出射光纖相連，套管由密封膠密封。
主光纖由折射率為n1的透明材料拉制，并涂敷一層透明的折射率為n2的材料作為包層和保護層，折射率n1必須大于n2。
分路器的結(jié)構(gòu)為將入射光纖和出射光纖與主光纖用電弧焊接在一起，并在光纖外壁涂一層硅橡膠加以保護。分路器可以裝在密封套管內(nèi)，也可以裝在密封套管之外。
本發(fā)明的優(yōu)點是感溫波導(dǎo)利用水銀的反光和吸光特性和熱脹冷縮的特性，因此其溫度測量范圍與傳統(tǒng)的水銀溫度計相同，具有從-30°～+300℃的測量范圍;由于使用光電檢測，因此其精度大大優(yōu)于傳統(tǒng)的水銀溫度計;由于光在水銀介質(zhì)中的損耗與溫度的變化成正比且為線性關(guān)系，所以使信號處理大為簡化;使用時與傳統(tǒng)的水銀溫度計一樣，無需垂直使用;由于感溫信號和傳輸信號都是光，無電信號，并可長距離傳輸，因此可用于易燃易爆和電磁干擾極強的惡劣環(huán)境下進行溫度測量。
本發(fā)明有如下附圖

圖1 分路器裝在密封套管之外的光纖水銀溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖，圖2 分路器裝在密封套管內(nèi)的光纖水銀溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖;
圖3 分路器結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4 分路器結(jié)構(gòu)剖面圖;
圖5 波導(dǎo)損耗與波導(dǎo)長度實驗曲線。
實施例在密封套管1內(nèi)裝有水銀2，并裝有直徑小于套管1內(nèi)直徑的主光纖3。在密封套管1內(nèi)，水銀2與主光纖3組成水銀包層波導(dǎo)4，并在其端面自然形成反射面，真空5與主光纖3組成真空包層波導(dǎo)6，水銀包層波導(dǎo)4與真空包層波導(dǎo)6一起構(gòu)成感溫波導(dǎo)。主光纖3由折射率為n1的透明材料(如石英玻璃、多組分玻璃、有機玻璃等)拉制，并涂敷一層透明的折射率為n2的材料(如硅橡膠)作為包層和保護層。折射率n1必須大于n2。主光纖3通過分路器7與入射光纖8和出射光纖9相連。套管1由密封膠10密封。分路器7可以裝在密封套管1之外(如附圖1)，也可以裝在密封套管1之內(nèi)(如附圖2)。
由于主光纖3與套管1的內(nèi)腔形成一個毛細管，水銀的表面張力很大，水銀不會在毛細管中自由流動，所以該傳感器不需非垂直使用。
分路器7可采用市售的商品化產(chǎn)品，也可采用如附圖3和4所示的結(jié)構(gòu)，入射光纖8和出射光纖9為標準的多模通信用石英光纖，其直徑為125μm，將入射光纖8和出射光纖9與主光纖3用電弧焊接在一起，并用硅橡膠11涂敷在光纖3的外壁作保護包層。這種分路器雖然光損耗大，但制作簡單、經(jīng)濟實用。
光通過入射光纖8、分路器7傳入主光纖3。在真空包層波導(dǎo)6內(nèi)，由于真空的折射率低于任何介質(zhì)的折射率，因此光被全反射而無損耗地傳輸。在水銀包層波導(dǎo)4內(nèi)，光在水銀界面上產(chǎn)生部分反射，傳至末端，并從端面上的水銀界面反射回來。由于光在水銀包層波導(dǎo)4內(nèi)的有損耗傳輸，其損耗與水銀包層波導(dǎo)4的長度成正比，而水銀包層波導(dǎo)4的長度與溫度成正比，所以光的損耗與溫度成正比。于是通過檢測入射光和出射光的相對強度變化即可得到溫度值。
圖5為主光纖是直徑為250μm石英纖維時構(gòu)成的水銀包層波導(dǎo)的實驗結(jié)果曲線。其中L為水銀波導(dǎo)的長度Pi為輸入波導(dǎo)的光強，Po為反射回來的光強。此結(jié)果表明，入射光與出射光之比的對數(shù)(即波導(dǎo)損耗)與波導(dǎo)的長度成線性關(guān)系。這就給與溫度傳感器相連接的信號處理電路帶來很大的方便。
利用這種水銀波導(dǎo)的原理和結(jié)構(gòu)還可以制成測量壓力的壓力傳感器。
權(quán)利要求
1.一種由密封套管1和主光纖3組成的光纖水銀溫度傳感器，其特征在于在密封套管1內(nèi)裝有水銀2、并裝有直徑小于套管1內(nèi)直徑的主光纖3，由真空5與主光纖3組成真空包層波導(dǎo)6，由水銀2與主光纖3組成水銀包層波導(dǎo)4，并在其端面自然形成反射面，真空包層波導(dǎo)6和水銀包層波導(dǎo)4一起構(gòu)成感溫波導(dǎo)，主光纖3通過分路器7與入射光纖8和出射光纖9相連，套管1由密封膠10密封。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖水銀溫度傳感器，其特征在于主光纖3由折射率為n1的透明材料拉制，并涂敷一層透明的折射率為n2的材料作為包層和保護層，折射率n1必須大于n2。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖水銀溫度傳感器，其特征在于分路器7裝在密封套管1內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的光纖水銀溫度傳感器，其特征在于分路器7裝在密封套管1之外。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖水銀溫度傳感器，其特征在于分路器7的結(jié)構(gòu)為將入射光纖8和出射光纖9與主光纖3用電弧焊接在一起，并在光纖外壁涂一層硅橡膠11加以保護。
全文摘要
本發(fā)明綜合利用水銀具有良好的熱膨脹特性以及光學的反射和吸收特性作為感溫介質(zhì)，并將光纖與水銀結(jié)合，形成了一種新型感溫光波導(dǎo)，從而實現(xiàn)了對易燃易爆、電磁干擾極強的惡劣環(huán)境安全可靠地測溫，并且測溫范圍廣。
文檔編號G01K11/00GK1052946SQ91100630
公開日1991年7月10日 申請日期1991年2月5日 優(yōu)先權(quán)日1991年2月5日
發(fā)明者田果成 申請人:田果成