一种光纤光栅高温传感系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种光纤光栅高温传感系统，包括：宽带光源、单模通信光纤、2×2耦合器、光纤光栅高温传感头以及光谱仪，所述宽带光源输出的光经所述单模通信光纤进入2×2耦合器，2×2耦合器输出的光进入光纤光栅高温传感头，光谱仪测量光纤光栅高温传感头反射光的光谱；所述光纤光栅高温传感头包括光纤布喇格光栅、金属板、两块挡板和两根金属条；所述光纤布喇格光栅固定在两块挡板之间；所述两根金属条固定在所述金属板上，所述金属板将金属条分为两部分，其中一部分为探测区，另一部分为测试区；所述两根金属条的测试区的端部固定在各自对应的挡板上；所述两根金属条具有不同的热膨胀系数。本实用新型专利技术可实现光纤光栅的高温传感测量。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及光纤光栅传感
，特别是涉及ー种光纤光栅高温传感系统。技术背景 光纤光栅作为ー种光学器件，是在光纤中建立起一种空间折射率周期分布，使在其中光的传播特性得以改变的器件。光纤光栅传感器由于其独特的优势和广泛的应用而在光纤传感领域倍受瞩目，在十多年来有了快速的发展。当宽带光源入射到光纤布喇格光栅(以下简称为FBG)中时,其反射光的中心波长入B由布喇格方程给出A B = 2n A(I)其中，n为纤芯的有效折射率，A为光栅周期。当FBG所处环境的温度和应变等物理量发生变化时会导致中心波长入B变化，且波长变化量△ Xb在一定范围内与温度和(或)应变均成线性关系，当环境温度变化量为AT时,对应的波长漂移量A Xbt可以表不为A 入 BT =入 B ( a + I ) A T(2)其中a和〖分别为光纤的热膨胀系数和热光系数。对于普通石英光纤,在1550nm时，波长随温度变化的灵敏度系数约为13pm/°C。当FBG受纵向应变为A e时，对应的波长漂移量A X BS可以表示为=[p12 -v(pn -P12)] l>As(3)其中，P1Jp P 12为光纤的应カ张量兀，V为泊松比。对于普通石英光纤，在1550nm时，波长随应变变化的灵敏度系数约为115pm/ii e。根据上述线性关系，测出A入B即可以得出待测物理量的变化情况，因此，FBG被广泛用于測量温度、应变、应カ和位移等物理量，作为光纤光栅传感器的常用传感头元件。光纤光栅传感器具有一些明显的优势，包括抗电磁干扰、耐高温、体积小、灵活方便，传感信号为波长调制，复用能力强，可实现准分布式測量等。然而，随着光纤光栅传感器应用范围的不断扩大，人们对其性能的要求也越来越多，エ业领域中有时需要其测量较高的温度。例如油井中的温度(油井温度是确定油层的位置、厚度、含水层的深度的基本依据)会随开采深度的增加而不断升高。而目前广泛使用的电子式温度传感器(例如由钼、铑等贵重金属制造的热电偶温度计)存在可靠性低、高温漂移大、容易引发火灾等问题，因此研究新型的以反射信号光的绝对量波长为编码的光纤光栅传感器系统具有重要的意义。但是由于普通光纤光栅不能承受较高的温度，以其直接作为传感元件，当温度高于200°C时将出现较大的误差，測量不准确，根本原因是光栅的反射谱出现了变形或退化，这是一直困扰在光纤光栅温度传感领域的一个难题，因此在可查到的报道中，利用光纤光栅測量高温的报道很少。根据可查到的报道，国内有关光纤光栅传感器的研究中，最高可测温度为200°C。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是提供ー种光纤光栅高温传感系统，实现光纤光栅的高温传感测量。本技术解决其技术问题所采用的技术方案是提供ー种光纤光栅高温传感系统，包括宽带光源、单模通信光纤、2X2耦合器、光纤光栅高温传感头以及光谱仪，所述宽带光源输出的光经所述单模通信光纤进入2X2 f禹合器,2X2 I禹合器输出的光进入光纤光栅高温传感头，光谱仪测量光纤光栅高温传感头反射光的波长；所述光纤光栅高温传感头包括光纤布喇格光栅、金属板、两块挡板和两根金属条；所述光纤布喇格光栅固定在两块挡板之间；所述两根金属条固定在所述金属板上，所述金属板将金属条分为两部分，其中一部分为探测区，另一部分为测试区；所述两根金属条的测试区的端部固定在各自对应的挡板上；所述两根金属条具有不同的热膨胀系数。 0016]所述光纤布喇格光栅、挡板以及测试区处的金属条外套有套桶；所述套桶上设有用于连接套桶内外光路的法兰盘。所述探测区处的金属条靠近金属板的ー侧外套有玻璃管。所述两根金属条的测试区的端部通过螺钉固定在各自对应的挡板上。所述光纤布喇格光栅通过环氧树脂粘接点固定在两块挡板之间。有益效果由于采用了上述的技术方案，本技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果(I)本技术实现的光纤光栅高温传感系统只需要用两个热膨胀系数不同、长度不同的金属条以及一些附件即可构成高温传感头，通过高温传感头把温度(的变化)转化为两个金属条绝对膨胀量(的变化)，最后转化为光栅中心波长的变化，由光谱仪解调出波长的变化，从而得知被测温度；(2)本技术实现的光纤光栅高温传感系统，可根据被测目标的具体状况选用适当的金属条，当被测目标明确时，可知需要测量的温度范围和精度要求的大致状況，因此可确定金属条的长度，也可确定金属条的种类即可知金属条线膨胀系数；(3)选择不同的金属条(包括金属条的长度、长度差值、线膨胀系数改变(即金属种类变化吋))，本技术光纤光栅高温传感系统的测量动态范围和测量的灵敏性不同，因此较为灵活。金属条的更改和拆卸方便。附图说明图I是本技术的结构示意图；图2是本技术的传感头结构简化图；图3是0-500°C测温范围内光栅波长漂移量与温度的关系曲线图；图4是0-1000°C测温范围时光栅波长与温度的关系曲线图；图5是采用本技术的实验结果图。具体实施方式下面结合具体实施例，进ー步阐述本技术。应理解，这些实施例仅用于说明本技术而不用于限制本技术的范围。此外应理解，在阅读了本技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。图I是本技术光纤光栅高温传感系统实施例装置示意图。由图可见，光纤光栅高温传感系统包括ー宽带光源I的输出光经连接光纤2进入2X2的耦合器3。2X2耦合器3的输出光中的一部分经耦合器的第一个端臂进入光纤布喇格光栅14，而另一部分光经耦合器的第二个臂进入折射率匹配液4中。光纤布喇格光栅14和两个金属条11是本技术中光纤光栅高温传感头的核心元件。两个金属条被固定到金属板9上，如图中所示， 金属板右侧部分(即探测区域)的金属条被玻璃套管10保护，可防止热量从金属条散失。通过两个螺钉8分别把两个截面为正方形的挡板6固定到金属条的左端，挡板端面为平面，通过两个环氧树脂粘接点13把光纤布喇格光栅14固定到两个挡板上，整个传感头中金属板9左侧部分(即金属条测试区域、光纤布喇格光栅以及挡板)被套桶5所保护，套桶可防止与外界热交换并防止光栅受外界影响，套桶左底面的法兰盘15可连接套桶内外的光纤光路。而光纤布喇格光栅14的反射光通过稱合器3进入光谱仪16中，通过反射光信息可推算出被测温度。所述的布喇格光纤光栅不是直接接触高温物体或放入高温温度场中，因此在测量高温时光纤光栅的反射谱不会因高温而变形，从而不会带来较大的测量误差。所述的两根金属条具有不同的热膨胀系数，通过两个热膨胀系数不同、长度不同的金属条可将被测高温转化为光纤光栅的应变，而使光栅受到拉伸或压缩。本技术的光纤光栅高温传感系统，借助连接在一起的具有不同热膨胀系数的两个金属条，把温度(的变化)转化为两个金属条绝对膨胀量(的变化)，最后转化为光栅中心波长的变化，由光谱仪解调出波长的变化，从而得知温度的变化或根据參考值得知具体的温度。该系统既能测量较高温度又可避免受电磁干扰，同时是航天器和船舶制造业、金属炼制行业、石油开采行业中进行温度控制、疲劳和健康状态检测的重要仪器。因此在上述各个行业中都具有重要作用。本光纤光栅高温測量系统除具有抗电磁干扰的特点外，还具有測量动态范围大，耐高温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤光栅高温传感系统，包括：宽带光源(1)、单模通信光纤(2)、2×2耦合器(3)、光纤光栅高温传感头以及光谱仪(16)，其特征在于，所述宽带光源(1)输出的光经所述单模通信光纤(2)进2×2耦合器(3)，2×2耦合器(3)输出的光进入光纤光栅高温传感头，光谱仪(16)测量光纤光栅高温传感头反射光的波长；所述光纤光栅高温传感头包括光纤布喇格光栅(14)、金属板(9)、两块挡板(13)和两根金属条(11)；所述光纤布喇格光栅(14)固定在两块挡板(13)之间；所述两根金属条(11)固定在所述金属板(9)上，所述金属板(9)将金属条(11)分为两部分，其中一部分为探测区，另一部分为测试区；所述两根金属条(11)的测试区的端部固定在各自对应的挡板(13)上；所述两根金属条(11)具有不同的热膨胀系数且长度不同。

【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅高温传感系统，包括宽带光源(I)、单模通信光纤(2)、2X2耦合器(3)、光纤光栅高温传感头以及光谱仪(16)，其特征在于，所述宽带光源(I)输出的光经所述单模通信光纤(2)进2X2耦合器(3)，2X2耦合器(3)输出的光进入光纤光栅高温传感头，光谱仪(16)测量光纤光栅高温传感头反射光的波长；所述光纤光栅高温传感头包括光纤布喇格光栅(14)、金属板(9)、两块挡板(13)和两根金属条(11);所述光纤布喇格光栅(14)固定在两块挡板(13)之间；所述两根金属条(11)固定在所述金属板(9)上，所述金属板(9)将金属条(11)分为两部分，其中一部分为探测区，另一部分为测试区；所述两根金属条(11)的测试区的端部固定在各自对应的挡板(13)上...

【专利技术属性】
技术研发人员：许毓敏，詹亚歌，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：实用新型
国别省市：