基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器及其应用制造技术

本发明专利技术涉及光纤光栅传感技术领域，具体地说，涉及一种基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器及其应用。该FBG温度传感器包括采用热双金属片构成的热双金属悬臂梁，热双金属片主动层的外侧设有光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅在热双金属悬臂梁固定端与自由端之间的方向上进行延伸。该应用通过上述的FBG温度传感器实现。本发明专利技术能够较佳地对现有FBG温度传感器进行增敏。行增敏。行增敏。

【技术实现步骤摘要】
基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器及其应用
[0001]本申请要求于2019年12月10日提交至中国知识产权局的名称为“基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器及其应用”的专利技术专利申请201911260950.7的优先权，其全部内容结合于此供参考。


[0002]本专利技术涉及光纤光栅传感
，具体地说，涉及一种基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器及其应用。

技术介绍

[0003]温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产和科学实验中需要经常测量和控制的主要参数之一，也是与人们日常生活最密切关联的一个重要的物理量。目前，最为常用电学类温度传感器是热电偶温度传感器和热敏电阻温度传感器，但是这两类传感器均具有测量精度低、长期稳定性差、无法长距离传输以及不抗电磁干扰等缺点，无法满足在如强电磁干扰辐射等恶劣环境下的工作使用需求。
[0004]加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人在1978年首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤布拉格光栅(FBG)。随后又发现了FBG的温度敏感特性，逐渐演变出一种将FBG用于温度测量的传感技术，由FBG作为主要核心器件的温度传感器称为FBG温度传感器。FBG温度传感器具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、带宽大等优点，并能实现多点分布式测量，在工农业生产和科学实验中应用广泛，研究成果丰硕。
[0005]然而，温度测量的实际应用需求一直推动着研究学者们不断提高温度测量分辨率和灵敏度，如对FBG进行保护性封装和敏化封装。保护性封装和增敏封装主要有：金属基片式封装，将FBG的两端分别固定在基底材料的表面，起到保护FBG的作用，若基底的热膨胀系数大于光纤的热膨胀系数，则会提高传感器的温度灵敏度；聚合物封装，选用热膨胀系数较大的聚合区材料(如聚酰纤维)作为基底，相比于金属基底封装，其制成的FBG温度传感器灵敏度更高。无论是金属基片式封装还是聚合物封装，在抗破坏性上仍有不足，因此通常还会在金属基片式封装或聚合物封装的基础上，在外部再用金属管装物或盒状物进行保护性封装，以满足实际使用需求。除此之外，还有金属化涂覆封装、微纳加工封装、特种光纤等方式提高传感器的灵敏度，但是这些技术成本较高，距离实际应用较远。
[0006]随着社会经济的迅速发展，各行各业对温度传感器灵敏度要求越来越高。因此，不断研究提高FBG温度传感器灵敏度的方法和结构，并研制出高温度灵敏度的FBG传感器，对工农业生产和科学实验发展有着重大意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
[0008]根据本专利技术的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其包括采用热双金属片构成的热双金属悬臂梁，热双金属片主动层的外侧设有光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅在热双金属悬臂梁固定端与自由端之间的方向上进行延伸。
[0009]相较于传统仅采用光纤布拉格光栅进行温度测量的传感器结构，本专利技术中，利用热双金属片受热形变的特性，能够为光纤布拉格光栅引入额外的形变量，从而能够较佳地提升光纤布拉格光栅的传感灵敏度。另外，通过搭建热双金属悬臂梁且使得光纤布拉格光栅在热双金属悬臂梁的固定端与自由端之间的方向上进行延伸，能够教案地保证光纤布拉格光栅传感过程中的线性。通过上述构造使得本专利技术的FBG温度传感器能够具备较佳抗干扰、长期稳定性好、测量精度高等优点，进而能够在高温高压和强电磁干扰的恶劣环境下进行高精度和高分辨率的温度测量。
[0010]此外，相较于传统针对FBG温度传感器的增敏方式，本专利技术中不需要特殊的封装结构，其在具体使用时，能够将热双金属片的一端直接固定于测量面处或是通过下文所述的固定结构处，进而实现热双金属悬臂梁的搭建，从而便于生产、制造和使用。
[0011]作为优选，热双金属片的形状为长方形，热双金属片沿长度方向的一端构造成热双金属悬臂梁的固定端，热双金属片沿长度方向的另一端构造成热双金属悬臂梁的自由端。通过设置热双金属片的形状为长方形，且使得热双金属片沿长度方向的一端为固定端A、另一端为自由端B，同时保持光纤布拉格光栅沿热双金属片的长度方向设置，能够较佳地保证通过热双金属片引入的额外应变与温度变化间的线性关系，从而能够较佳地保证FBG温度传感器的线性。
[0012]作为优选，还包括设于热双金属悬臂梁固定端处的固定结构，固定结构与热双金属片的对应端固定连接。从而能够较佳地实现热双金属悬臂梁的固定。
[0013]作为优选，固定结构包括固定板或固定面。从而便于设置。
[0014]作为优选，光纤布拉格光栅敷设于热双金属片处。从而能够较佳地便于应变的传递。
[0015]作为优选，光纤布拉格光栅与热双金属片焊接连接。从而能够较佳便于固定。
[0016]基于任一上述的双金属悬臂梁的FBG温度传感器，本专利技术还提供了一种采用任一上述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器对温度进行测量的应用。从而能够较佳地便于对温度的测量。
[0017]作为优选，对FBG温度传感器进行标定后对温度进行测量。从而能够较佳地对FBG温度传感器进行校准。
[0018]基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器的应用，其包括采用任一上述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器对管道温度进行测量，其中，将FBG温度传感器的双金属悬臂梁的固定端直接安装在管道内的钢管壁上，通过金属热传导性，测量得到钢管的实际温度。
[0019]作为优选，在管道上多个关键节点布置多个传感器阵列，沿液体输送方向，一次测量温度分布情况。
附图说明
[0020]图1为实施例1中的FBG温度传感器在热双金属片未发生形变时的示意图；
[0021]图2为实施例1中的FBG温度传感器在热双金属片发生形变时的示意图。
具体实施方式
[0022]为进一步了解本专利技术的内容，结合附图和实施例对本专利技术作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本专利技术进行解释而并非限定。
[0023]实施例1
[0024]如图1和2所示，本实施例提供了一种基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其包括采用热双金属片110构成的热双金属悬臂梁120，热双金属片110的主动层111的外侧设有光纤布拉格光栅130，光纤布拉格光栅130在热双金属悬臂梁120的固定端A与自由端B之间的方向上进行延伸。
[0025]本实施例中的热双金属片110采用现有结构即可，现有技术中，热双金属片是一种极为重要的热敏元件，其主要由两种或两种以上热膨胀系数不同的金属材料组成的复合材料，其中拥有较大热膨胀系数的金属材料层作为主动层，较低热膨胀系数的金属材料层作为被动层。
[0026]本实施例中的热双金属片110为双层结构，其包括主动层111和被动层112。其中，主动层111的材质能够为镍、黄铜或镍铜锰铬铁的合金等；被动层112的材质能够为含镍34％～50％的因瓦合金。
[0027]本实施例中，通过将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其包括采用热双金属片构成的热双金属悬臂梁，热双金属片主动层的外侧设有光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅在热双金属悬臂梁固定端与自由端之间的方向上进行延伸。2.根据权利要求1所述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其特征在于：热双金属片的形状为长方形，热双金属片沿长度方向的一端构造成热双金属悬臂梁的固定端，热双金属片沿长度方向的另一端构造成热双金属悬臂梁的自由端。3.根据权利要求1所述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其特征在于：还包括设于热双金属悬臂梁固定端处的固定结构，固定结构与热双金属片的对应端固定连接。4.根据权利要求3所述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其特征在于：固定结构包括固定板或固定面。5.根据权利要求1所述的基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨爽，汤玉泉，张志荣，胡洲畅，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：