本发明涉及光纤传感领域，具体的涉及一种应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器。
背景技术：
：为了在太空真空环境下对卫星表面温度进行测量，需要考虑温度的测量需要高精度、测量范围大、抗辐照等特性，而光纤光栅恰好符合这一背景。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，北京信息科技大学张荫民等人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/℃。针对光纤光栅温度传感器解决应变交叉敏感问题，综合学术界提出的各种解决交叉敏感问题的方法，基本思想大致可以分为三类：区分、去敏、抵消。而去敏的方式传统的采用管式封装，光纤光栅处于一段固定，一段游浮。温度在真空环境下无法通过热传导传递，而热辐射能量低。技术实现要素：本发明的目的是提供一种光纤光栅温度传感器，用于解决应变交叉敏感和真空温度测量的问题。本发明的技术方案是：一种应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器包括封装盒体和光纤光栅，其特征在于，所述的封装盒体包括底座和上盖，所述的底座设有卡槽和凹槽，所述的上盖设有与底座匹配的卡槽和凸台，所述的光纤光栅置于底座卡槽内，所述的光纤光栅首末两端套有保护管，所述光纤光栅中间部分通过导热硅脂/导热硅胶和铝箔固定。优选的，所述的底座和上盖的两侧面端通过激光焊接连接。优选的，所述的底座卡槽沿长度方向设置，所述的卡槽形状呈梯度，从左起第一梯度、第二梯度和第三梯度尺寸分别与保护管、光纤和铝箔尺寸匹配，第四梯度和第五梯度尺寸与第二梯度和第一梯度尺寸完全相同；其中，第一梯度长度6mm-10mm，宽度1mm-2mm，深度1mm-2mm；第二梯度长度4mm-6mm，宽度0.5mm-1mm，深度0.5mm-1mm；第三梯度长度26mm-30mm，宽度3mm-5mm，深度1mm-2mm。优选的，所述的底座卡槽将底座分为两部分，上半部分设有凹槽，所述凹槽呈T型，凹槽深度2mm-3mm。优选的，所述的上盖卡槽和与底座凹槽配合的凸台参数与底座卡槽和凹槽参数相同。优选的，所述卡槽的第三梯度与第二梯度和第四梯度的连接处通过导热硅脂/导热硅胶固定。所述卡槽和凹槽设计满足密闭性同时防止太空中辐照对光纤光栅产生影响，并且营造真空环境。优选的，所述的上盖几何中心位置设有通孔，所述通孔直径0.3mm-1mm。所述上盖通孔设计满足使用光纤光栅温度传感器是方便抽真空，同时方便放气。优选的，所述的封装盒体横截面是长方形、正方形、圆形或椭圆形。优选的，所述的温度传感器测温范围-40～100℃，温度灵敏度12pm/℃。优选的，所述的保护管材质是聚四氟乙烯。聚四氟乙烯具有良好耐高温特性，光纤光栅温度传感器可应用于恶劣环境中。本发明的有益效果是：本发明的封装盒体外设有保护管，其可对光纤光栅进行保护，保护管材质是聚四氟乙烯，使其可应用于恶劣环境中；铝箔和导热硅脂/导热硅胶固定封装盒体内的光纤光栅，导热硅脂/导热硅胶作为一种导热型有机硅脂状复合物，可以替代空气传递温度，有效的将被测件温度传递给光纤光栅传感器；卡槽和凹槽设计实现封闭性设计，同时营造了真空环境。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1a示出本发明应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器底座结构主视图；图1b示出本发明应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器底座结构左视图；图1c示出本发明应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器底座结构俯视图；图2示出本发明应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器的俯视图；图3示出本发明实施例4的应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器的光纤光栅波长随温度变化的示意图；图4示出本发明实施例5裸光纤光栅传感器压缩应变解耦曲线图；图5示出本发明实施例5裸光纤光栅传感器拉伸应变解耦曲线图；图6示出本发明实施例5光纤光栅温度传感器应变解耦曲线图。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。实施例1图1a示出本发明应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器底座结构主视图；图1b示出本发明应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器底座结构左视图；图1c示出本发明应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器底座结构俯视图。如图1c所示为底座结构俯视图，其中底座设有卡槽101和凹槽102。封装盒体包括底座和上盖，所述上盖设有与底座卡槽101、凹槽102相互匹配的卡槽和凸台。封装盒体的底座和上盖的两侧面端通过激光焊接连接，封装盒体的材质是金属材质，为了使其对热量吸收速度快，材质可为深颜色金属。图2示出本发明应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器的俯视图。如图2所示，光纤光栅温度传感器包括光纤光栅210、保护管220、硅橡胶230和铝箔240。封装盒体的底座设有卡槽101，所述的卡槽101沿底座长度方向设置，卡槽101形状呈梯度状，从左起第一梯度、第二梯度和第三梯度尺寸分别与保护管220、光纤光栅210和铝箔240尺寸匹配，第四梯度和第五梯度尺寸分别与第二梯度和第一梯度尺寸相同；其中，第一梯度长度6mm-10mm，宽度1mm-2mm，深度1mm-2mm；第二梯度长度4mm-6mm，宽度0.5mm-1mm，深度0.5mm-1mm；第三梯度长度26mm-30mm，宽度3mm-5mm，深度1mm-2mm；所述的底座卡槽101将底座分为两部分，上半部分设有凹槽102，所述凹槽102呈T型，凹槽深度2mm-3mm,下半部分凹槽与上半部分对称；所述的上盖卡槽参数和与底座凹槽配合的凸台参数分别与底座卡槽和凹槽参数相同，上盖几何中心位置设有通孔，所述通孔直径0.3mm-1mm；所述的封装盒体横截面是长方形、正方形、圆形或椭圆形，所述的封装盒体外形尺寸长度46mm-65mm，宽度12mm-20mm，高度3mm-10mm。优选的，所述卡槽101第一梯度长度6mm，宽度1mm，深度1mm；第二梯度长度4mm，宽度0.5mm，深度0.5mm；第三梯度长度26mm，宽度3mm，深度1mm。优选的，所述底座凹槽102深度2mm，上盖凸台高度2mm。优选的，所述的上盖表面几何中心通孔直径0.5mm。优选的，所述的封装盒体外形尺寸长度46mm，宽度15mm，高度5mm。所述的光纤光栅210首末两端套有保护管220，所述光纤光栅210中间位置通过导热硅脂/导热硅胶与铝箔240固定。所述底座卡槽的第三梯度与第二梯度和第四梯度的连接处通过硅橡胶230固定，优选的硅橡胶230选用GD414，GD414的技术指标如表1所示。表1GD414主要技术指标外观白或黑色膏状物拉伸强度(MPa)≥4.0断裂伸长率(％)≥300硬度(HA)≥20电气强度(MV/m)≥15所述保护管220的材质是聚四氟乙烯，具有耐高温特性，可使温度常感器应用于高温恶劣环境中。所述的底座卡槽101设计与光纤光栅210和保护管220的参数有关；卡槽设计目的是为了密闭性和防止太空中辐照对光纤光栅产生影响；所述的底座凹槽102与上盖凸台设计，同样实现密闭性，营造了真空环境。本发明提供一种应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器，其工作原理是：光纤光栅的基本传感原理是宽带光入射进入光纤，只有特定波长的光由光栅反射回来,反射波长值通常用λB表示，与光栅周期Λ和反向耦合有效折射率neff有关，耦合模式理论可得，满足相位匹配条件的光纤光栅的中心波长:λB＝2neff*Λ(1)所有引起光纤光栅波长移位的因素中，最直接的是应力、应变参量。在引起光纤光栅中心波长移位可由式(2)统一描述:ΔλB＝2neffΔΛ+2ΔneffΛ(2)式中，ΔΛ为光纤本身存在应力作用下的弹性形变；Δneff为光纤的弹光效应。将其展开变形可得：式中：代表折射率温度系数，可用ξ表示；(Δneff)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(3)改写为：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。本发明应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器使用的工艺流程包括以下步骤：1、清洁底座以及上盖用超声清洗机清洗金属底座和上盖，清洗后用酒精擦拭。2、准备光纤光栅将特氟龙管套220套在光纤光栅210两端。3、点胶在底座卡槽第三梯度两端点涂硅橡胶230使光纤固定，固化两个小时。4、注入导热硅脂在卡槽中注入1/2～2/3导热硅脂，调整光栅光纤，防止过盈，用针头在硅脂上点几个孔，并用占酒精脱的脂棉擦除槽外多余的硅脂。5、盖铝箔片用刀片切割小片长条铝箔片240，覆盖在导热硅脂上面。6、在铝箔的的四个角点硅橡胶胶。7、特氟龙套管220伸出卡槽部分多余1/2卡槽，在卡槽缝隙内注入硅橡胶。8、盖紧上盖并在上盖压重物同时固化两个小时以上。9、在底座和上盖两侧面端用激光焊接。10、激光焊接完成的底座和上盖两侧面端补涂硅橡胶。11、在真空箱内抽真空并在上盖的小孔中快速点胶。12、取出传感器打磨表面。13、换用硅橡胶点到上盖的小孔中再次抽真空。14、放气，取出温度传感器。所述的步骤2准备的光纤光栅不限于一根，多个光纤光栅时，可以通过特氟龙套管连接光纤光栅，组成光纤光栅矩阵，相邻两根光纤光栅通过特氟龙套管连接，特氟龙套管内两段光纤光栅的距离小于5mm。试验1：本发明一种应用于真空环境温度测量光纤光栅温度传感器的灵敏度标定试验。通过高低温试验箱(温度范围-60∽150℃)和热电偶(精度0.5℃)检测光纤光栅的栅区温度。对高低温试验箱设置温度间隔平均10℃一个温度间隔，升温降温做一个热循环，试验箱对温度传感器试验。图3示出本发明应用于真空环境温度测量的光纤光栅温度传感器的光纤光栅波长随温度变化的示意图。试验结果如图3所示，在降温和升温两个过程中，光纤光栅的波长均匀拉伸，其中温度灵度12pm/℃，线性度99.9％。试验2：探究试验件产生形变对粘贴在试验件上的温度传感器的影响。为了探究试验件产生形变对粘贴在试验件上的温度传感器的影响。准备实验器材：Baybac解调仪(内附光源)、PC、熔接机套装、APC光纤跳线、采集卡NI-DAQ9237模块、电阻应变计、光纤光栅温度传感器、裸光纤光栅、环氧树脂、等强度梁。其中在等强度梁上用环氧树脂同时粘贴电阻应变计、光纤光栅温度传感器和裸光纤光栅；Baybac解调仪(内附光源)与PC通过串口连接；采集卡NI-DAQ9237模块与另一台PC通过串口连接；Baybac解调仪(内附光源)通过APC光纤跳线与裸光纤光栅连接；裸光纤光栅通过APC光纤跳线与光纤光栅温度传感器连接；采集卡NI-DAQ9237模块通过APC光纤跳线与电阻应变计连接。通过等强度梁的微分头进行加载，记录采集卡NI-DAQ9237电阻计的应变值与解调仪上的光纤光栅的中心波长。微分头上下移动，分别代表着加载压缩与卸载压缩。数据处理：将电阻应变测量值作为横轴，裸光纤光栅与光纤光栅温度传感器分别作为纵轴，进行数据处理。图4所示为裸光纤光栅传感器压缩应变解耦曲线，图5所示为裸光纤光栅传感器拉伸应变解耦曲线。图6为光纤光栅温度传感器应变解耦曲线。如图4和图5所示未涂覆的光纤光栅压缩应变传递系数1.36pm/με，拉伸应变传递系数1.345pm/με。图6为光纤光栅温度传感器应变解耦曲线。如图6所示真空封装的光纤光栅温度传感器中心波长最大飘移2pm，由实施例4温度传感器的灵敏度标定可知，此种封装形式的温度灵敏度系数为12pm/℃，相当于温度漂浮不大于0.2℃，可以理解此种封装形式基本不受温度影响。由于等强度梁夹板不标准，在压缩时电阻应变计初始值为-160με，拉伸时电阻应变计初始值为157με，存在系统误差，所以在压缩时卸载与加载的时候应变数据重合，但不影响传感器的灵敏度系数。试验结论：试验件产生形变在±1000με范围内，对粘贴在试验件上的温度传感器没有影响，即此温度传感器具有温度与应变解耦的作用。温度传感器的光纤光栅中心波长上下飘移1.3nm，相当于温度灵敏度系数为12pm/℃的测量范围±109℃。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。当前第1页1 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