一种耐高压、高精度光纤光栅温度传感方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种耐高压、高精度光纤光栅温度传感方法。
【背景技术】
[0002]海洋温度是反映海水状况最基本的一个物理量，海洋温度的测量对研宄海洋学、海洋环境监测、季节气候预报、海洋渔业、军事等方面都有十分重要的意义。用于海洋测温的传统传感器大部分是基于电学结构，比如铂电阻、热敏电阻。铂电阻温度传感器具有良好的稳定性、精度高，但是其非线性较大；热敏电阻结构简单，价格便宜，比较适合用于日常生活中的低精度温度测量。
[0003]相比于传统的电学温度传感器，光纤光栅温度传感器具有抗电磁干扰、体积小、重量轻等优点外，还具有可掩埋、寿命长、复用性好、可组成准分布式传感网络等特性。因此，光纤光栅温度传感器被广泛应用于大坝、桥梁、隧道、矿井等工程领域中。
[0004]在对于深度较大(如深度大于2000m的海底)的海水温度测量中，温度变化非常小，这就要求温度传感器具有很高的耐压强度和测温精度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种耐高压、高精度光纤光栅温度传感方法。
[0006]本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种耐高压、高精度光纤光栅温度传感方法，该方法步骤如下:
[0007](I)、对光纤光栅进行封装制成传感器:封装的结构件包括耐压外壳、转接件、尾纤保护套和光纤护套，光纤光栅在耐压外壳内单端固定，栅区呈完全自由状态，在耐压外壳的尾部、耐压外壳和转接件之间均采用激光焊接外加涂抹高强度密封胶的方式进行双重密封处理；
[0008](2)、在对传感器进行标定过程中，采用温度与光纤光栅波长二次拟合的方法，利用测得的波长进行温度解算，传感器的温度解算公式为:
[0009]T = a* λ * λ +b* λ +C
[0010]式中，a、b分别为温度与光纤光栅波长二次拟合的二次项系数和一次项系数，λ为传感器测得的实时光纤光栅波长，C为常量。
[0011]所述光纤光栅为布拉格光纤光栅，反射率不小于80%，边模抑制比不小于15dB。
[0012]所述耐压外壳的内径不大于1mm，壁厚不小于1.5mm。
[0013]本发明的有益效果为:
[0014](I)耐压强度高。该光纤光栅温度传感器能承受的压力不小于25MPa，即该传感器能应用于深度超过2000m的海底温度测量。
[0015](2)长期稳定性好。由于传感器内部光纤光栅始终处于自由状态，对环境应力不敏感，因此具有良好的长期稳定性。
[0016](3)响应时间相对较快。传感器直径较细，且内部空间小，导热快，使得光纤光栅对环境的温度响应时间较快，约为2s。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的结构示意图；
[0018]图2为本发明的剖面结构示意图；
[0019]图3为传感器光栅的波长在连续加压过程中的波动示意图。
[0020]附图标记说明:耐压外壳1，转接件2，光纤光栅3，尾纤保护套4，光纤护套5。
【具体实施方式】
[0021]下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍:
[0022]本发明所述的这种耐高压、高精度光纤光栅温度传感方法，是一种耐高压(不小于25MPa水压力)的光纤光栅封装和提高光纤光栅温度传感精度的方法，该方法步骤如下:
[0023](I)、对光纤光栅3进行封装制成传感器:封装的结构件包括耐压外壳1、转接件2、尾纤保护套4和光纤护套5，所述光纤光栅3为布拉格光纤光栅，反射率不小于80%，边模抑制比不小于15dB。所述耐压外壳I的内径不大于1mm，壁厚不小于1.5mm。光纤光栅3在耐压外壳I内单端固定，栅区呈完全自由状态(光纤光栅始终保持自由状态)，在耐压外壳I的尾部、耐压外壳I和转接件2之间均采用激光焊接外加涂抹高强度密封胶的方式进行双重密封处理，从而确保了该传感器可以承受不小于25MPa的压力。
[0024](2)、在对传感器进行标定过程中，采用温度与光纤光栅3波长二次拟合的方法，利用测得的波长进行温度解算，传感器的温度解算公式为:
[0025]T = a* λ * λ +b* λ +C
[0026]式中，a、b分别为温度与光纤光栅3波长二次拟合的二次项系数和一次项系数，入为传感器测得的实时光纤光栅3波长，C为常量。
[0027]特点:1、在解调算法中，对传感器的波长与温度进行二次拟合，极大地提升两者之间的拟合度，从而确保了传感器的具有较高的温度传感精度。2、在光纤光栅的封装过程中，光纤光栅采用单端固定的方式封装于耐压外壳内，栅区始终保持自由状态，对环境应力不受影响，具有良好的长期稳定性。3、在对传感器进行标定过程中，引入温度与光栅波长二次拟合的方法，利用测得的波长进行温度解算。因此，温度与光栅波长的拟合度非常好(不小于0.99995)，从而确保了传感器具有非常高的测温精度(在光纤光栅波长解调精度为0.3pm的条件下，测温精度达0.02°C )。
[0028]1、封装材料的选择与结构设计
[0029]海水腐蚀性较强，为了确保传感器的长期使用，选择了钛合金较为传感器耐压外壳和转接件的材料。由于机加工技术所限，无法加工出既深又细的小孔，所以选择现成的外径为4mm、内径为Imm的钛合金管作为耐压外壳进行二次加工。
[0030]2、光纤光栅的封装
[0031]将光纤光栅单端固定于耐压外壳内，栅区呈完全自由状态。传感器的设计耐压不小于25MPa，单一地采用密封胶对耐压外壳的尾部以及它与转接件的接缝处进行密封明显不能满足要求，故引入激光焊接技术，通过瞬间局部高温将材料先熔化，待冷却后粘接在一起。因此，传感器的密封采用了激光焊接加涂抹高强度密封胶的方式进行双重密封处理，确保了传感器的耐压强度。
[0032]3、传感器耐压测试
[0033]为了对激光焊接加涂抹密封胶的密封方式进行耐压验证，将封装好的传感器放入压力罐内，对压力罐进行连续加压，并实时读取传感器的光栅波长值，直至加压至设计压力，观察传感器的光栅波长值是否随压力的增大而产生漂移。如图3所示，在连续加压至25MPa过程中，传感器的光栅波长值并未出现向短波方向漂移的现象，则说明传感器的密封方式能承受设计压力。
[0034]以上对本发明的描述不具有限制性，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明权利要求的保护的情况，作出本发明的其它结构变形和实施方式，均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种耐高压、高精度光纤光栅温度传感方法，其特征在于:该方法步骤如下: (1)、对光纤光栅(3)进行封装制成传感器:封装的结构件包括耐压外壳(1)、转接件(2)、尾纤保护套⑷和光纤护套(5)，光纤光栅(3)在耐压外壳⑴内单端固定，栅区呈完全自由状态，在耐压外壳(I)的尾部、耐压外壳(I)和转接件(2)之间均采用激光焊接外加涂抹高强度密封胶的方式进行双重密封处理； (2)、在对传感器进行标定过程中，采用温度与光纤光栅(3)波长二次拟合的方法，利用测得的波长进行温度解算，传感器的温度解算公式为: T = a氺 λ 氺 λ +b 氺 λ +C 式中，a、b分别为温度与光纤光栅(3)波长二次拟合的二次项系数和一次项系数，λ为传感器测得的实时光纤光栅(3)波长，C为常量。
2.根据权利要求1所述的耐高压、高精度光纤光栅温度传感方法，其特征在于:所述光纤光栅(3)为布拉格光纤光栅，反射率不小于80%，边模抑制比不小于15dB。
3.根据权利要求1所述的耐高压、高精度光纤光栅温度传感方法，其特征在于:所述耐压外壳(I)的内径不大于1mm，壁厚不小于1.5mm。
【专利摘要】本发明涉及一种耐高压、高精度光纤光栅温度传感方法，该方法步骤如下：(1)、对光纤光栅进行封装制成传感器：封装的结构件包括耐压外壳、转接件、尾纤保护套和光纤护套，光纤光栅在耐压外壳内单端固定，栅区呈完全自由状态，在耐压外壳的尾部、耐压外壳和转接件之间均采用激光焊接外加涂抹高强度密封胶的方式进行双重密封处理；(2)、在对传感器进行标定过程中，采用温度与光纤光栅波长二次拟合的方法，利用测得的波长进行温度解算，传感器的温度解算公式为：T＝a*λ*λ+b*λ+C。本发明的有益效果为：耐压强度高。该光纤光栅温度传感器能承受的压力不小于25MPa，即该传感器能应用于深度超过2000m的海底温度测量。
【IPC分类】G01K11-32
【公开号】CN104568217
【申请号】CN201410828694
【发明人】何少灵, 郝凤欢, 桑卫兵, 刘瑞, 张莉, 葛辉良
【申请人】中国船舶重工集团公司第七一五研究所
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月26日