本发明专利技术涉及的是一种具有较好抗应变串扰能力的高灵敏度光纤光栅温度传感器，并给出了一种基于光纤光栅传感器的材料热膨胀系数测量方法。为提高光纤光栅传感器温度测量灵敏度，提出了一种L形温度增敏结构。将光纤光栅以自由状态固定于L形结构上。在结构的横支臂和纵支臂末端各设计成具有相同倾角且位于同一斜线上的斜坡，用于固定光纤光栅传感器。其测量灵敏度主要取决于材料热膨胀系数以及构成L形增敏结构的几何尺寸。为实现材料热膨胀系数测量，在特征1所述L形增敏封装基础上，提出将两个L形增敏封装合并构成一种类似倒T型结构，根据光纤光栅随温度变化引起的中心波长偏移量，可以反推结构变形特征，进而计算出被测材料热膨胀系数。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，属于光纤光栅
技术介绍
光纤光栅（FBG)具有温度和应变的双参数传感特性，但是其温度灵敏度相对较 低。反射波长在1550nm附近的裸光栅，温度灵敏度系数只有10pm/°C左右，往往无法满足高 精度测量的要求。为提高光纤光栅传感器测温灵敏度，许多学者在温度增敏方面做了大量 的研究。国外有人将FBG直接粘贴在热胀系数大的聚合物上，使得其温度灵敏度系数得到 大幅提高。但是这样测量时，一方面，光纤光栅无法直接感知环境温度的变化，另一方面，物 体在热膨胀时光栅还受到覆盖在其表面的胶结应力等不稳定附加因素影响，这将会影响环 境温度测量精度和响应时间。因此需要研究新的温度增敏封装形式，提高温度测量精度，从 结构设计角度屏蔽外界应力干扰因素的影响。 材料膨胀系数是材料的热物性之一，是表征材料特性的重要特征量，在工程设计、 精密仪器制造、材料焊接和加工中具有重要参考价值，对材料膨胀系数的测量在实际工程 和基础研究中具有重要意义。对不同材料和尺寸的试样在各种温度范围内的线膨胀系数的 测量方法有很多，常见方法如电容法、机械法和光学法。每种测量手段都具有不同的特点， 适用的材料也有差异。特别是在强电磁场环境以及某些复杂机械结构内部进行热膨胀性能 测量时，将无法满足一些常规测量方法的使用工况，导致测量精度降低。因此，需要研究一 种具有较强抗电磁干扰能力、便于远程在线监测的新型材料热膨胀系数监测，仅需利用被 测材料，就可以实现其热膨胀系数监测，无需借助其他辅助材料作为热膨胀系数标定比对 的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于测量温度的高灵敏度L形光纤光栅传感器，该L 形光纤光栅传感器还可拓展为倒T型结构用于材料热膨胀系数的测量。 技术方案：一种L形光纤光栅传感器，其特征在于：包括L形基体和光纤光栅，其 中L形基体由横支臂和纵支臂组成，其中横支臂和纵支臂末端具有位于同一直线上的斜 坡；上述光纤光栅固定于L形基体上，且与L形基体共有四个固定点，依次为第一固定点、第 二固定点、第三固定点、第四固定点；其中第一固定点、第二固定点位于上述横支臂的斜坡 上，第三固定点、第四固定点位于上述纵支臂的斜坡上；光纤光栅的光栅段位于第二固定点 和第三固定点之间；上述第一固定点和第二固定点之间、第三固定点和第四固定点的光纤 光栅均为松弛段。 利用权利要求1所述L形光纤光栅传感器测量温度变化的方法，其特征在于：使用 以下公式 其中：Δ λ为栅区引起的中心波长偏移量，λ为光纤光栅传感器中心波长，α为 光纤热胀系数，ζ为光纤热光系数，A T为温度变化量，匕为光纤有效弹光系数，α 1是L形 结构的材料热膨胀系数，^是纵支臂长度，1 2是横支臂长度。 当环境温度变化时，将对光纤光栅中心波长偏移产生两个方面的作用。一方面是L 形结构所属纵支臂与横支臂末端之间的长度将会由于材料的热膨胀效应而产生变化，这将 使得分别位于L形结构所属纵支臂与横支臂末端斜坡上的固定点之间距离也随之发生变 化，进而直接导致位于其间的光纤光栅所受轴向拉力随之变化，这种轴向拉力实际是由于 环境温度变化引起的热载荷所致。另一方面，处于悬空状态的光纤光栅同时还将直接感受 环境温度的变化，受到热光效应影响使得光栅周期发生变化。这种温度增敏结构形式的优 点在于：一是L形结构所属纵支臂与横支臂分别在垂直与水平方向均会由于温度变化产生 变形，这将直接导致位于其斜坡上的固定点之间距离发生变化。而这种距离变化相较于L 形结构在单一方向上的受热膨胀效果更为显著，因此有助于提高单位温度变化对光栅所受 轴向力的影响力。二是处于悬空状态的光纤光栅将直接感受环境温度的变化，不仅有助于 提高温度响应速度，还能够屏蔽其他黏贴式结构中胶黏液对光栅栅区的干扰因素。 位于L形结构所属纵支臂与横支臂末端斜坡上的光纤光栅两侧的固定点处各自 再向外侧沿光纤光栅轴向设置一段松弛过渡段区域，用于屏蔽外部应力串扰，在松弛过渡 段区域外侧同样再分别设置固定点以便将这两段松弛过渡段区域在纵支臂与横支臂末端 斜坡上固定。通过在光纤光栅栅区两侧设置的松弛过渡段区域可以对外界可能引入的应力 串扰进行有效屏蔽与隔离。 利用权利要求1所述L形光纤光栅传感器组成的倒T形光纤光栅传感器，其特征 在于：两个L形光纤光栅传感器组成，两个L形光纤光栅传感器为背靠背形式，且为一体化 结构，整体呈现倒T形结构。 利用权利要求3所述倒T形光纤光栅传感器测量材料热膨胀系数的方法，其特征 在于包括以下过程： 步骤1 :将测量装置放到温控箱中加热； 步骤2 :采用光纤跳线将光纤光栅连接到解调仪上，以便实时监测光纤光栅的中 心波长偏移情况； 步骤3 :随着温度增加，待测结构受热膨胀，倒T形结构所属纵支臂与横支臂末端 的距离变化，将会产生沿光纤光栅的轴向力。这种轴向力和温度共同作用引起光纤光栅中 心波长发生偏移。分别位于倒T形结构两侧的光纤光栅所处同一环境，由于所受温度作用 相同而可以相互抵消，这样可以计算出物体因受热膨胀而产生的轴向应变，进而推导出材 料的热膨胀系数，具体公式为： 其中：a s为待测材料的热胀系数，K E为光纤光栅传感器的应变灵敏度，Δ λ % 光栅栅区1引起的中心波长偏移量，△ λ 2为光栅栅区2引起的中心波长偏移量，K E为光纤 光栅传感器的应变灵敏度，λ为光纤光栅传感器中心波长，△ T为温度变化量。【附图说明】 图1是L形光纤光栅温度传感器增敏结构图，图2是倒T形光纤光栅传感器测量 材料热膨胀系数的结构图，图3是光纤光栅温度传感器抗应力串扰结构图，图4是L形光纤 光栅温度传感器增敏结构几何图，图5监测材料膨胀系数的倒T形结构几何图。 图中标号名称：1 热膨胀系数较大材料；2光纤光栅；3,4斜坡；5, 7,8， 10固定点；6,9松弛过渡段光纤；11，12光纤光栅引出线；13光纤光栅解调 仪；14-一刚性细长条状薄片；I1-L形光纤光栅温度传感器纵支臂的长度；I2--L形光纤 光栅温度传感器横支臂的长度；I 3倒T形结构横支臂右半边的长度；△ I3倒T形结构 横支臂右半边受热膨胀后变化的长度；I4倒T形结构纵支臂的长度；△ I4倒T形结 构纵支臂受热膨胀后变化的长度；1-一倒T形结构横支臂右端和纵支臂顶端之间的长度； Γ 一一倒T形结构横支臂右端和纵支臂顶端之当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种L形光纤光栅传感器，其特征在于：包括L形基体(1)和光纤光栅(2)，其中L形基体(1)由横支臂和纵支臂组成，其中横支臂和纵支臂末端具有位于同一直线上的斜坡；上述光纤光栅(2)固定于L形基体(1)上，且与L形基体(1)共有四个固定点，依次为第一固定点(5)、第二固定点(7)、第三固定点(8)、第四固定点(10)；其中第一固定点(5)、第二固定点(7)位于上述横支臂的斜坡上，第三固定点(8)、第四固定点(10)位于上述纵支臂的斜坡上；光纤光栅(2)的光栅段位于第二固定点(7)和第三固定点(8)之间；上述第一固定点(5)和第二固定点(7)之间、第三固定点(8)和第四固定点(10)的光纤光栅(2)均为松弛段。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曾捷，王馨，李钰，梁大开，史璐，张钰珏，刘苏州，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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