CN106969853A - 适用于真空环境下的管状光纤光栅传感器设计方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于真空环境下的管状光纤光栅传感器设计方法，其特征在于，包括光纤光栅温度传感器的封装、传感器设计与有限元分析以及温度传感理论分析。

Description

适用于真空环境下的管状光纤光栅传感器设计方法

技术领域

本专利涉及一种适用于真空环境下的封装气体的光纤光栅传感器，属于光纤传感领域。

背景技术

光纤传感技术自20世纪70年代以来经过40年的发展，已经不断成熟，得到世界范围内的广泛关注。作为光纤传感原理中的优秀代表，基于光纤光栅的传感技术成为传感领域内发展最快的技术之一，涌现出各种基于光纤光栅原理的新型光纤传感器，并已在诸多领域取得了广泛的应用。光纤光栅传感器具有纤细质轻、抗电磁干扰、灵敏度高、耐环境、强度高、稳定性好，可植入复合材料等诸多优点，特别是支持多种编码复用，支持多参量、可编程、自检测，易于实现大规模、高密集、多点网络化和分布式测量。

1978年，加拿大通信研究中心K.O.Hill等人发现并制作出第一根光纤光栅。1989年，Morey提出将光纤光栅用于传感元件，使得光纤光栅在光纤传感领域备受关注。光纤光栅温度传感器以其抗电磁干扰、体积小、质量轻等特点，广泛被应用于航空航天、石油管道等领域的温度测量。国内相关领域的专家学者对光纤光栅温度传感器也进行了许多研究工作。2007年，武汉理工大学郭明金等人设计了两种光纤光栅温度传感器封装，并对它们的低温特性进行了实验研究，温度灵敏度系数分别为28.2pm/℃和21.3pm/℃；2010年，燕山大学张燕君等人研制了一种分布式光纤光栅电缆温度传感器，在20～100℃范围内线性度良好，达99.8％；2013年，中国地震局马晓川等人对高灵敏度稳定光纤光栅温度传感器进行了研究，测得其灵敏度系数达345.9pm/℃；2014年，北京信息科技大学对管式封装的光纤光栅温度传感器进行了研究，增敏性封装温度灵敏度系数达29.97pm/℃。

发明内容

本申请的目的在于提供了一种适用于真空环境下的管状光纤光栅传感器设计方法，其特征在于，包括光纤光栅温度传感器的封装、传感器设计与有限元分析以及温度传感理论分析。

优选地，所述温度传感理论分析方法为：

外界温度变化会引起光纤光栅中心波长的漂移，主要是由于温度变化使得光纤发生热膨胀效应、热光效应以及光纤内部热应力引起的弹光效应。根据式：

λ_B＝2n_effΛ (1.1)

当外部温度改变时，可得式：

Δλ_B＝2n_effΔλ+2Δn_effΛ (1.2)

将其展开变形可得：

式中：代表折射率温度系数，可用ξ表示；(Δn_eff)_ep代表热膨胀引起的弹光效应；代表由于膨胀导致光纤纤芯直径发生变化而产生的波导效应；代表光纤的线性热膨胀系数，可用a表示。则可将式(1.3)改写为：

根据各向同性胡可定律一般形式可知，光纤光栅各方向应变为：

可知由温度引起的应变状态为：

得到光纤光栅温度灵敏度系数表达式为：

式中：代表波导效应引起的布拉格波长漂移系数。

优选地，所述光纤光栅温度传感器的封装材料为铍青铜材料。

优选地，所述有限元分析的方法为施加约束及边界条件时不对光纤光栅温度传感器施加三向约束，只对左右两侧施加等量的拉伸应力。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出了根据本发明的光纤光栅温度传感器的封装设计图；

图2示出了根据本发明的光纤光栅传感器的ANSYS模拟应力分布图；

图3示出了根据本发明的光纤光栅传感器的实物图；

图4示出了根据本发明的光纤光栅传感器的标定示意图；

图5示出了根据本发明的光纤光栅传感器的中心波长与温度关系曲线。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本专利采用新型的管状基底形式，实现了被测物体形变不会影响光纤光栅传感器中心波长的温度测量。

本发明的实现方案为：

首先进行了温度传感理论分析，如下：

外界温度变化会引起光纤光栅中心波长的漂移，主要是由于温度变化使得光纤发生热膨胀效应、热光效应以及光纤内部热应力引起的弹光效应。根据式：

λ_B＝2n_effΛ (1.1)

当外部温度改变时，可得式：

Δλ_B＝2n_effΔλ+2Δn_effΛ (1.2)

将其展开变形可得：

式中：代表折射率温度系数，可用ξ表示；(Δn_eff)_ep代表热膨胀引起的弹光效应；代表由于膨胀导致光纤纤芯直径发生变化而产生的波导效应；代表光纤的线性热膨胀系数，可用a表示。则可将式(1.3)改写为：

根据各向同性胡可定律一般形式可知，光纤光栅各方向应变为：

可知由温度引起的应变状态为：

得到光纤光栅温度灵敏度系数表达式为：

式中：代表波导效应引起的布拉格波长漂移系数。

根据上述分析可知，光纤光栅的温度灵敏系数是一个与光纤本身材料相关的定值，因此光纤光栅在作为温度传感器件使用时会有较好的线性度输出。在不考虑外界环境的影响下，由普通石英光纤刻写而成的光纤光栅温度灵敏度系数取决于光纤材料的折射率，弹光效应和波导效应，将不会对温度测试下的光纤光栅中心波长产生影响。

其次，对传感器进行设计以及有限元分析：

光纤光栅温度传感器封装形式如图1所示。封装铜管全长50mm，截面半径2mm，在管中开1mm宽和1mm深的深槽，用于封装光纤光栅。利用ANSYS软件，选取solid实体单元模型，根据基片设计材质及设计尺寸进行建模。

由温度传感模型的分析可知，光纤光栅对温度的敏感是根据被测件热胀冷缩产生微形变，导致光纤光栅周期和有效折射率变化，最终导致光纤光栅中心波长发生漂移，实际工程应用中，光纤光栅温度传感器置于测试点，并不对其本身与被测件之间加以固定，又由于要避免光纤光栅对温度和应变的交叉敏感，所以在对光纤光栅温度传感器进行ANSYS有限元模拟分析时，施加约束及边界条件时不对光纤光栅温度传感器施加三向约束，只对左右两侧施加等量的拉伸应力。

光纤光栅温度传感器封装结构的ANSYS分析结果如图2所示。从ANSYS应变分布图来看，光纤光栅温度传感器封装结构在拉伸应力下产生的变形是：应变呈阶梯状由底端向顶端逐渐递减。中央的填充树脂并未在较大程度上改变封装结构的应力分布，封装结构在轴向和横向方向上整体应力分布均匀。光纤光栅所处部位为圆柱中心轴附近，由ANSYS分析的应变图可知，此处所感受应变为底部最大应变处的一半，以此保证了光纤光栅在封装之后对温度依旧有良好的传感性能，并且从某种角度来说此封装具有一定的减敏作用，使得封装成型后的光纤光栅温度传感器的温度测量量程增大，可以满足更多实际工程中的使用。

再次，是对光纤光栅温度传感器进行封装：

由于铍青铜材料对于温度敏感度要高于铝合金7075-T6，所以选择铍青铜材料为光纤光栅温度传感器封装材料。将铍青铜材料加工成如图1所示柱状结构，选取裸光纤光栅，两端用调整架固定并施加一定的预紧力，将栅区置于封装结构深槽中央，待中心波长值稳定后，使用环氧树脂DP420对光纤光栅进行封装，并固化24小时。完成固化后，已封装好的温度传感器中心波长λ＝1544.940nm。光纤光栅温度传感器封装完成后如图3所示。

对上述的光纤光栅温度传感器性能测试及分析，具体方法如下：

将固化完成的光纤光栅温度传感器联入光纤光栅传感系统，并将光纤光栅温度传感器置于恒温鼓风干燥箱中如图4所示，在恒温鼓风干燥箱中对光纤光栅温度传感器进行标定。逐次改变鼓风干燥箱的温度，温度控制在的范围内，每次升温。记录稳定后光纤光栅温度传感器的中心波长值，根据温度传感器标定实验中所得到的数据进行处理，可看出：光纤光栅温度传感器中心波长与温度变化呈明显的线性关系，如图5所示。

根据实验测得光纤光栅温度传感器中心波长与温度变化关系数据，利用最小二乘法拟合可得：

y＝0.02381x+1544.59045

式为光纤光栅温度传感器与温度关系拟合结果，线性度达0.999以上。根据所得结果可知，此光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数为23.81pm/℃，是裸光纤光栅传感器的2倍。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种适用于真空环境下的管状光纤光栅传感器设计方法，其特征在于，包括光纤光栅温度传感器的封装、传感器设计与有限元分析以及温度传感理论分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述温度传感理论分析方法为：

外界温度变化会引起光纤光栅中心波长的漂移，主要是由于温度变化使得光纤发生热膨胀效应、热光效应以及光纤内部热应力引起的弹光效应。根据式：

λ_B＝2n_effΛ (1.1)

当外部温度改变时，可得式：

Δλ_B＝2n_effΔλ+2Δn_effΛ (1.2)

将其展开变形可得：

${\mathrm{\Δ\λ}}_{Br}=2\[\frac{\∂n_{eff}}{\∂T}\mathrm{\Δ}T+{\left({\mathrm{\Δn}}_{eff}\right)}_{ep}+\frac{\∂n_{eff}}{\∂a}\mathrm{\Δ}a\]\mathrm{\Λ}+2n_{eff}\frac{\∂\mathrm{\Λ}}{\∂T}\mathrm{\Δ}T---\left(1.3\right)$

式中：代表折射率温度系数，可用ξ表示；(Δn_eff)_ep代表热膨胀引起的弹光效应；代表由于膨胀导致光纤纤芯直径发生变化而产生的波导效应；代表光纤的线性热膨胀系数，可用a表示。则可将式(1.3)改写为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{Br}}{{\mathrm{\λ}}_B\mathrm{\Δ}T}=\frac{1}{n_{eff}}\[\mathrm{\ξ}+\frac{{\left({\mathrm{\Δn}}_{eff}\right)}_{ep}}{\mathrm{\Δ}T}+\frac{\∂n_{eff}}{\∂a}\frac{\mathrm{\Δ}a}{\mathrm{\Δ}T}\]+a---\left(1.4\right)$

根据各向同性胡可定律一般形式可知，光纤光栅各方向应变为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_r\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ν}\frac{P}{E}\\ \mathrm{\ν}\frac{P}{E}\\ -\frac{P}{E}\end{array}\right]---\left(1.5\right)$

可知由温度引起的应变状态为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_r\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}a\mathrm{\Δ}T\\ a\mathrm{\Δ}T\\ a\mathrm{\Δ}T\end{array}\right]---\left(1.6\right)$

得到光纤光栅温度灵敏度系数表达式为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{Br}}{{\mathrm{\λ}}_B\mathrm{\Δ}T}=\frac{1}{n_{eff}}\[\mathrm{\ξ}-\frac{n_{eff}^3}{2}(P_{11}+2P_{12})a+k_{wg}a\]+a---\left(1.7\right)$

式中：代表波导效应引起的布拉格波长漂移系数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光纤光栅温度传感器的封装材料为铍青铜材料。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述有限元分析的方法为施加约束及边界条件时不对光纤光栅温度传感器施加三向约束，只对左右两侧施加等量的拉伸应力。