一种光纤光栅传感器阵列的温度标定装置的制作方法

本实用新型涉及光纤温度传感领域，具体涉及一种光纤光栅的温度标定装置及方法。

背景技术：

随着温度传感器应用领域的不断拓展，对高精度分布式温度传感器阵列的需求已经非常迫切。与传统电类温度传感器(铂电阻、热电偶等)相比，光纤光栅温度传感器阵列具有不产生自热、抗电磁干扰、高灵敏度、轻质柔性、多参量复合传感、大空间分布式测量及便于组网的显著优点，在高精度温度传感领域应用潜力巨大。但光纤光栅传感器直接解调的是波长，在工程应用时，需要对光纤光栅传感器的温度特性进行标定。常规光纤光栅温度传感器的标定方法是直接将传感器本身置于恒温气体箱或恒温液体浴槽内，由恒温气体箱或恒温液体浴槽均通过自带的加热源来改变内部温度。实践中发现，采用直接加热方式来改变空气或液体的温度，受热源工作方式、安装位置，以及介质本身热传导特性的限制，恒温气体箱或恒温液体浴槽内部的温度分布存在明显的不均匀，尽管有风扇或搅拌器辅助热扩散，但装置内不同位置的温度差异仍然很大，如某品牌恒温气体箱显示的温度精度0.1℃，但实际箱内的温度差大于0.5℃，恒温油浴锅加热源附近和远离区域的温差大于0.5℃。受上述装置精度的限制，传统的光纤光栅传感器温度精度一般标称为0.5℃。这种精度很难满足诸如大坝温度场、水环境、土壤含水率监测等高精度的温度场监测，例如对水环境的温度梯度进行监测时，需要光纤光栅传感器的温度测量精度要求优于0.1℃。

此外，光纤光栅传感器阵列是一种线性结构，采用传统方法对长距离的线性传感器阵列进行标定时，需要构建大体积、内部温度场分布均匀的恒温标定装置，这涉及配套的结构及水电等硬件建设，投入大，经济效益差。

技术实现要素：

为克服现有恒温装置温度精度不够、标定时间长、系统搭设复杂等方面的不足。本实用新型提供了一种光纤光栅传感器阵列的温度标定装置，利用导热性良好的水作为介质，采用独立外加热方式产生热水，通过冷热水勾兑改变标定装置中水环境的温度均衡性，实时测量水温和波长，获取温度-波长的特性曲线。本实用新型克服了现有恒温装置精度不够、标定时间长、系统搭设复杂等问题，具有标定精度高、速度快、操作简单等优点，在光纤光栅传感器阵列的温度特性标定中具有重要的应用价值。

本实用新型采取的技术方案为：

一种光纤光栅传感器阵列的温度标定装置，包括水浴池、温度计、光纤光栅传感器阵列、光纤光栅解调仪。所述水浴池包括内、外嵌套的容器、隔热体，内层容器底部与隔热体上支撑面粘贴，隔热体下支撑面与外层容器内底粘接，夹层中充满空气，形成天然的绝热层。内层容器的内底部设有固定架，固定架上固定光纤光栅传感器阵列，光纤光栅传感器阵列连接光纤光栅解调仪。

内、外嵌套的容器顶部放置绝热盖，温度计的测温探头插入绝热盖的预留孔中，温度计的测温探头部分没入水中，温度计的显示模块用于实时监测和显示水环境温度。

该装置还包括一个加热装置，加热装置用于快速加热一定体积的水至沸腾，与水浴池中的冷水勾兑。

该装置还包括恒温气体箱，用于为水浴池提供外围环境温差。

所述固定架为三脚支撑的环形结构，采用热传导性差的树脂制作而成，固定架胶结固定在内层容器的内底。

所述光纤光栅传感器阵列通过尼龙扎带固定在水浴池内的固定架上。

所述隔热体采用隔热泡沫，内层容器固定在外层容器的正中间，并且隔热泡沫的厚度要正好使得内层容器边缘与外层容器边缘的高度相同。

所述绝热盖采用泡沫制作而成，绝热盖大小足以盖住内、外嵌套的容器。

本实用新型一种光纤光栅传感器阵列的温度标定装置，具有以下有益效果：

1)、温度精度高，稳定性好：

现有恒温装置多采用自加热方式，通过热扩散来均衡内部温度场，不同位置的温度差异大，很难满足高精度温度传感器标定的要求。本装置设计的水浴池浅，双层隔热，通过冷热水勾兑调节温度，热量扩散慢，温度梯度小，在开放空间的温度精度可以达到0.1℃，稳定时间在分钟级。采用恒温气体箱作为测量环境，温度精度可以达到0.01℃。

2)、标定速度快，结果直观可靠：

采用冷热水勾兑的方法快速改变测量环境的温度，1分钟左右即可达到标定环境的温度稳定，2分钟即可读出一组数据，远快于恒温气体箱或恒温油浴锅30分钟的稳定时间；采用高精度铂金温度计测量，实时检测水浴池内的多点温度，结果直观可靠。

3)、装置简单，性价比高，无需购置专门的恒温设备：

在0.01℃级别的温度标定中，无需购置专门的恒温设备，采用容器作为水浴池，装置简单；采用加热装置加热，泡沫制作绝热盖，价格便宜。

附图说明

图1为本实用新型装置的连接示意图。

图2为本实用新型装置的辅助装置加热电水壶结构示意图。

图3为本实用新型装置的辅助装置恒温气体箱结构示意图。

图4为本实用新型的部分光栅温度特性的标定曲线图。

具体实施方式

如图1～3所示，一种光纤光栅传感器阵列的温度标定装置，包括水浴池、温度计、光纤光栅传感器阵列7、光纤光栅解调仪9。

所述水浴池包括内、外嵌套的容器、隔热体1。其中内层容器3直径1.2米，深0.3米，内层容器3底部与隔热体1上支撑面粘贴，隔热体1下支撑面与外层容器4内底粘接，夹层中充满空气，形成天然的绝热层。所述水浴池用于提供变化小于0.01℃稳定的温度环境。内、外嵌套的容器采用塑料容器。

内层容器3的内底部设有固定架2，固定架2上固定光纤光栅传感器阵列7，光纤光栅传感器阵列7连接光纤光栅解调仪9。

所述光纤光栅解调仪9，接入被标定光纤光栅传感器的反射信号，波长扫描检测对应光栅反射信号的强度，通过高斯拟合后，获取光纤光栅峰值布拉格波长。

所述光纤光栅解调仪9的扫描波长步距小于8pm，波长稳定度优于0.1pm，光栅阵列的解调时间小于0.1秒。

内、外嵌套的容器顶部放置绝热盖5，温度计的测温探头6插入绝热盖5的预留孔中，用于减缓空气对流及热辐射引起的热量散发。温度计的测温探头6部分没入水中，温度计的显示模块8用于实时监测和显示水环境温度。

所述温度计采用高精度铂金温度计，高精度铂金温度计的绝对测量精度为0.01℃，反应时间小于0.1秒。

该装置还包括一个加热装置10，加热装置10用于快速加热一定体积的水至沸腾，与水浴池中的冷水勾兑，改变标定环境的温度。由于加热热水用于改变水浴池内水温。从水浴池中取一部分水加入加热装置10中加热至沸腾后，倒入水浴池内并勾兑搅拌均匀。每次改变水温的幅度取决于每次加热勾兑的热水的量。加热装置10采用电热水壶。

该装置还包括恒温气体箱11，用于为水浴池提供外围环境温差，用于精度0.01℃以上温度传感器的标定。标定过程中将水浴池等装置放入恒温气体箱11中，调节恒温气体箱11中的温度接近于水浴池温度，此时的恒温气体箱11中温度为水浴池外的环境温度，使得水浴池中热扩散减小，水温更加稳定，以便于高精度的测量和大范围的温度标定。

所述固定架2为三脚支撑的环形结构，采用热传导性差的树脂制作而成，固定架2胶结固定在内层容器3的内底。

所述光纤光栅传感器阵列7通过尼龙扎带固定的水浴池内的固定架2上，使其完全浸没在水中。

所述隔热体1采用隔热泡沫，内层容器3固定在外层容器4的正中间，并且隔热泡沫的厚度要正好使得内层容器3边缘与外层容器4边缘的高度相同。以便于盖上绝热盖后，内层容器内外无空气对流。

所述绝热盖5采用泡沫制作而成，绝热盖大小足以盖住内、外嵌套的容器。绝热盖5上应留有直径5毫米的小孔，便于温度计的测温探头6插入。

一种光纤光栅传感器阵列的温度标定方法，包括以下步骤：

S1：安装：将待标定的光纤光栅传感器阵列7用扎带或其它机械结构临时固定在固定架2上，注入水，确保淹没光纤光栅传感器阵列7，光纤光栅传感器阵列7尾端通过光纤连接器接入光纤光栅解调仪9；盖上绝热盖5，记录稳定后温度计以及光纤光栅解调仪9的初始温度和波长值。

S2：水温调节：移开水浴池的绝热盖5；用容器从水浴池中取出一定量的水，再加入等量的沸水，勾兑后四面搅拌均匀后，静置1分钟，保证水温恒定。

S3：读数：当前温度计的温度变化小于0.01℃时，读取当前的温度值，记录该温度对应的光纤光栅解调仪9的波长值。

S4：数据采集：重复步骤二、步骤三，读取一系列的水温和波长数据。

S5：曲线拟合：采用Origin软件对温度-波长数据进行拟合，获得光栅的温度特性曲线。

如图4，展示了光纤光栅传感器阵列中随机取出的3#、9#、15#、25#、30#、37#、38#、39#光栅的温度-波长曲线，横坐标表示温度值，纵坐标表示对应的波长变化。将不同温度对应的波长点进行线性拟合，可以得到相应的温度灵敏度和线性度，如3#光栅的温度灵敏度为10.8pm/℃，线性拟合的相似度0.9996，在整个测温范围内，温度误差小于+/-0.1℃。该指标已经超过传统光栅+/-0.5℃的温度精度，在水温梯度监测等领域具有广泛的应用前景。

本实用新型提供了一种光纤光栅传感器阵列的温度标定装置，该装置简单，易于自己手动搭建，水浴池采用双层的结构，热传导小，温度稳定性好；采用恒温气体箱11作为测温环境测量精度可达0.01℃，非常适合高精度温度传感器的标定。