本发明专利技术提供了一种基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应变传感器，涉及温度传感器技术领域。其补偿装置由件Ｂ和件Ａ串连式连接而成，光纤光栅粘结在件Ａ中或其表面，光纤光栅处于串连轴线上或其平行线上；件Ｂ和件Ａ的横截面积、热膨胀系数中至少有一项互不相同；当该补偿装置两端固定，且温度变化时，在线弹性范围内，件Ｂ和件Ａ热应力相互作用导致件Ａ承受压应变或拉应变，从而引起光栅波长向短波或长波方向移动，实现对光栅波长温度漂移的自动补偿。本发明专利技术的积极效果是：当环境温度升高或降低时，可实现对光栅波长温度漂移的自动补偿；不仅易做到补偿精确，工作稳定性好，而且具有成本低廉、易于加工、体小质轻、封装工艺简便、使用方便、寿命长等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及温度传自
技术介绍
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实 质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波或反射镜。光纤光栅具有波长编码、易于 实现波分复用、抗电磁干扰、传输损耗低、体积小、重量轻等优点，是目前极具发展前景的光纤无源器件，在光纤传 1!|试领域具有广阔的应用前景。光纤光栅Xt温度和应变同时敏感， 一股瞎况下很难区分温度和应 传感 器波长的影响。由于光纤光栅鹏应变交叉敏感的特性，严重影响其在光纤传 感领鹏用，因此，需要对光栅进行驢补偿，剔除纟鹏对光栅波长的影响。光纤光栅温度补偿方法具体可以分为两类其一，有源封装方式，即由外 加电路控制光栅器件所在的环境温度；其二无源封装方式，即以适当的结构 与材料对光纤光栅进行封装，封装使光栅产生一定的应变，该应变引入的波长 的漂移可抵消由温度变化引起的波长的漂移。光纤光栅xt温度非常敏感，中心 波长随,漂移量约为10pmTC，而对应变的灵敏度约为1 pm4iE，因此要求 温度稳定性为i0.1 °C以上。而目前的一般的加热设，制温度的精确度仅为士l "C左右，远远不能达到要求。此外，与有源方式比，无源方式还具有成本低、 体积小，实用方便等特点，使之成为改善光纤光栅温度特性的主要方式。主要的无源封装方式又可分为以下2类1、采用不同热膨胀系数材料进行封装该方纟去是采用两种不同热膨胀系 数的材料进行封装，先对光栅进行一定程度的预拉伸，然后将光栅的两端分别 以点式粘接法固定在这两种不同热胀系数的材料上。该两种不同热胀系数的材 料均固定在封装套管上，彼此间并无相互作用力。当环境、皿发生变化时，由 于两种材料的热膨胀系数的不同，导致两者间产生相对位移，从而引起光 度的改变，补偿了光栅波长的鹏漂移。该方法的主要问题是光纤光栅采用点式粘接，且粘接前需要给光纤一个拉伸预应力，这样就很容易造成光栅粘贴不牢的问题，从而导致传感器使用寿命的大大降低，甚至可能会导致传ii^服役期内提前失效。2、采用负膨胀系数材料进行封装该方法是将光栅整体直接粘贴在负膨 胀系数材料上，当环境温度发生改变，由于负膨胀材料会对光栅造成一个与波 长随、皿变化的方向相反的应变，从而补偿了光纤光栅的温度漂移。此法由于 采用了光栅的整体粘贴方式，可改善点式粘接容易发生粘贴不牢的问题，但是 该法的主要缺陷在于很难找到一种合适负热膨胀系数的材料皿行封装，且材 料加工困难，成本高昂；此外，该法无法测量应变，目前仅用于^1信领域。上述缺陷或不足一直成为长期以来人们一直想解决而又一直未能很好地 解决的一大技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供了一种基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应变 传感器，其特点是当环境Mit升高或降低时，由于热应力的作用导致件錄 受压应变或旨变，导致光栅波长向短波或长波方向移动，从而实5W光栅波 长，漂移的自动补偿，本专利技术原理独特，易做到补偿精确，且体积小巧、使 用方便、寿命长。本专利技术的主要技术方案是 一种基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应 变传感器，其特征在于设有补偿装置，该补偿装置由件B和件A串连式连接而成，光纤光栅粘结在件A中或其表面，光纤光栅处于串连轴线上或其平行线上; 件B和件A的横截面积、热膨胀系数中至少有一项互不相同；当该补偿装置两 端固定，且^^变化时，在线弹性范围内，件B和件A热应力相互作用导致件A 承受压应变或拉应变，从而引起光栅波长向短波或长波方向移动，实iW光栅 波长Mit漂移的自动补偿。件B和件A为线弹性材料，工作范围在线弹性范围内。所述的光纤为单模光纤为佳，也可为多模光纤。一种较佳结构为，所述的件B和件A均为管状，件B的横截面积大于件A的 横截面积，二管为一体化连接或分体式连接，光纤光栅固定在件A的内孔中， 光纤从二管的内孔中通过。件B和件A也可为棒状、块状等。所述的件B和件A中的内孔的直径相同为佳。件A为管状时，所述的光纤光栅和件A的内壁间为双组分环氧树脂胶^ 粘结固定结构为佳。所述的件B和件A为一体化连接， 一体化加工为佳。ii接方式也可为螺纹连接等。也可为分体式连接。所述的光纤光栅为光纤布拉格光栅为佳。所述的补偿装置的两端固定在固定架上为佳。 所述的固定架是一个金属外管为佳。所述的件B和件A均由具有正温度系数的金属材料构成为佳。也可均不是 金属材料；也可为不同的金属材料或非金属材料。均具有正温度系数的金属材料的件B和件A即补偿装置的两端和金属外管 焊接为佳。所述的件A和件B均由具有正温度系数的金属材料构成时，满足下列公式 为佳<formula>formula see original document page 6</formula>其中，《为所使用的光栅的^g敏感系数，尺2为光栅的应变敏感系数， 当件A和件B为相同材料时，件A和件B的热膨胀系数为^，件A和件B 的长度、横截面积分别为A、丄3、 &、 S3;当件A和件B为不同材料时，件A和件B的热膨胀系数分别为《T2 、』， 弹性模量分别为E2、 E3则上式改写为本专利技术的驢补偿基本原理为传感驗管件之间采用焊接繊粘的方式 进行结合或固定，彼此间均存在相互作用力；光纤光栅整体粘贴在管件内壁。当环發鹏改变时，通过管件间的热应力相互作用产顿光纤光栅的应变，可 抵消因环境^^改变造成光栅M漂移。本专利技术的积极效果是:本专利技术解决了长期以来人们一直想解决而又一直未 能很好地解决的一大技术难题，与上述无源封装方式具有完全不同的原理，原 理独特，当环境驢升高或降低时，由于件B的横截面积大于件A，导致件A在热应力作用下承受一定程度的压应变或拉应变，从而导致光栅波长向短波或长波方向移动，从而可实 W光栅波长温度漂移的自动补偿；本专利技术易做妾U补 偿精确，工作稳定l^ ，而且具有成本低廉、易于加工、体小质轻、封装工艺 简便、^ffl方便、寿命长等优点。光纤光栅整段粘贴在金属管件的内壁上，可 改善目前主流点式粘接法造成的粘贴不牢、容易老化失效等问题，提高了传感器的工作稳定性及其使用寿命。以下结合实施例及附图作进一步详述，但不作为对本专利技术的限定。 附图说明图1是本专利技术实施例的结构示意图2是图1封装结构封装前后光栅波长随温度变化的对比图； 图3是图1封装结构的应变传感特性图。图1 節中各标号含义为1.外管，2.件B， 3.件A， 4.光纤光栅， 5.双组分环氧树脂胶整体粘结层，6.焊接结构，7.光纤。 具体实 式参见图1 图3:该基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应变传感器，设有补偿装置，补偿装置由横截面积大小不同的件B2和件A3串连式连接构成， 件B2和件A3均为管状，光纤光栅固定在件A3的内孔中，光纤为多模光纤，光 纤从件A3和件B2的内孔中通过。所述的件B2和件A3中的内孔的直径相同。件 B2和件A3均由具有正温度系数的金属材料构成，为一体化连接。光纤光栅4 和件A3的内壁间为双组分环氧树脂胶整体粘结结构。光纤光栅4为光纤布拉格 光栅。补偿装置的两端固定在金属外管l上。件B和件A即补偿装置的两端和金 属外管焊接。所述的件A3和件B2均满足下列公式<formula>formula see original document page 7&l本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于热应力机制的光纤光栅温度自补偿应变传感器，其特征在于设有补偿装置，该补偿装置由件Ｂ（３）和件Ａ（２）串连式连接而成，光纤光栅粘结在件Ａ（２）中或其表面，光纤光栅处于串连轴线上或其平行线上；件Ｂ（３）和件Ａ（２）的横截面积、热膨胀系数中至少有一项互不相同；当该补偿装置两端固定，且温度变化时，在线弹性范围内，件Ｂ（３）和件Ａ（２）热应力相互作用导致件Ａ（２）承受压应变或拉应变导致光栅波长向短波或长波方向移动，实现对光栅波长温度漂移的自动补偿。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杜彦良，李剑芝，孙宝臣，刘晨曦，
申请(专利权)人：石家庄铁道学院，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]
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