[12]发明专利申请公开说明书
[21]申请号200510012247.6
[51]Int.CI.
G01K 11/32 (2006.01)
[43]公开日2006年1月4日[22]申请日2005.07.22[21]申请号200510012247.6
[71]申请人北京嘉润森盛光纤传感科技有限公
司
地址100085北京市海淀区上地东路1号盈创动
力E－203[72]发明人刘海涛 徐志宏
[11]公开号CN 1715848A
[74]专利代理机构北京海虹嘉诚知识产权代理有限公
司
代理人吴小灿
权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页
[54]发明名称
光纤光栅温度传感器
[57]摘要
本发明提供一种适合在电力系统中使用的、具有绝缘特性的光纤光栅温度传感器，包括封装筒体和刻有栅区的光纤光栅，所述封装筒体的端部设置有将所述光纤光栅密封在所述封装筒体腔内的封装件，其特征在于：所述封装筒体的材料为石英材料。该光纤光栅温度传感器封装结构简单，能有效消除因封装结构变形对温度测量精度的影响，具有较高的测量精度。
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权 利 要 求 书
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1.一种光纤光栅温度传感器，包括封装筒体和刻有栅区的光纤光栅，所述封装筒体的端部设置有将所述光纤光栅密封在所述封装筒体腔内的封装件，其特征在于：所述封装筒体的材料为石英材料。
2.如权利要求1所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述石英材料的热膨胀系数与所述光纤光栅纤芯材料热膨胀系数相近，为0.4×10
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/K～0.7×10
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/K。
3.如权利要求1所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述封装筒体的材料为石英玻璃材料。
4.如权利要求3所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述石英玻璃材料的热膨胀系数与所述光纤光栅包层材料热膨胀系数相同，为0.5×10
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/K～0.6×10
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/K。
5.如权利要求1～4之一所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述封装筒体的内腔沿其长度方向设置，内腔的端部设置封装件将光纤光栅的栅区部分密封在所述内腔内，光纤光栅引出端至少在一侧伸出所述封装筒体。
6.如权利要求1～4之一所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述封装筒体的内腔为沿其长度方向设置的通孔，所述通孔的两端设置封装件将光纤光栅的栅区部分密封在所述通孔内，光纤光栅引出端从所述封装筒体的两侧伸出。
7.如权利要求6所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述封装筒体和通孔的横截面为长方形、正方形、圆形或椭圆形。
8.如权利要求7所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述横截面为长方形的封装筒体的外形尺寸为长20～50mm，宽4～30mm，高1.5～10mm，所述横截面为圆形的通孔的直径为0.2～1.5mm，光纤光栅纤芯上刻制的栅区长度为1～35mm。 9.如权利要求6所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述封装件为胶粘剂。 10.如权利要求6所述的光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述光纤光栅的栅区部分为剥离了涂覆层的光纤光栅。
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说 明 书
光纤光栅温度传感器
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技术领域
本发明涉及温度传感器，特别是涉及一种光纤光栅温度传感器。 背景技术
传统的电类温度传感器易受电磁辐射干扰，精度低，稳定性差，无法满足在恶劣工作环境，如电力系统中的工作需要。光纤温度传感器与传统的传感器相比具有很多优点，如灵敏度高，体积小，抗电磁辐射，长期稳定以及信号传输距离长。但在实际使用中，由于裸光纤的纤芯直径很小(125μm)，极易损坏，所以作为传感器使用的光纤光栅都要经过某种形式的封装，达到对其的保护目的。
公知的光纤光栅温度传感器一般采用将光纤光栅封装在金属壳体内，但应用于电力系统中的各种传感器要求具有绝缘特性，因此，金属壳体封装的光纤光栅温度传感器也不适合在电力系统中使用。此外，由于金属材料的热膨胀系数高于光纤材料的热膨胀系数，金属壳体将对温度测量造成影响，所以该种封装方式均需要设计温度补偿结构，从而造成封装工艺复杂，封装结构尺寸大，且温度补偿的效果不甚理想。 发明内容
本发明的目的是提供一种适合在电力系统中使用的、具有绝缘特性的光纤光栅温度传感器，同时，该光纤光栅温度传感器封装结构简单，能有效消除因封装结构变形对温度测量精度的影响，具有较高的测量精度。 本发明的技术方案为：
一种光纤光栅温度传感器，包括封装筒体和刻有栅区的光纤光栅，所述封装筒体的端部设置有将所述光纤光栅密封在所述封装筒体腔内的封装件，其特征在于：所述封装筒体的材料为石英材料。
所述石英材料的热膨胀系数与所述光纤光栅纤芯材料热膨胀系数相近，为0.4×10/K～0.7×10/K。
所述封装筒体的材料为石英玻璃材料。
所述石英玻璃材料的热膨胀系数与所述光纤光栅包层材料热膨胀系数相同，为0.5×
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10/K～0.6×10/K。
所述封装筒体的内腔沿其长度方向设置，内腔的端部设置封装件将光纤光栅的栅区部分密封在所述内腔内，光纤光栅引出端至少在一侧伸出所述封装筒体。 所述封装筒体的内腔为沿其长度方向设置的通孔，所述通孔的两端设置封装件将光纤光栅的栅区部分密封在所述通孔内，光纤光栅引出端从所述封装筒体的两侧伸出。 所述封装筒体和通孔的横截面为长方形、正方形、圆形或椭圆形。 所述横截面为长方形的封装筒体的外形尺寸为长20～50mm，宽4～30mm，高1.5～10mm，所述横截面为圆形的通孔的直径为0.2～1.5mm，光纤光栅纤芯上刻制的栅区长度为1～35mm。
所述封装件为胶粘剂。
所述光纤光栅的栅区部分为剥离了涂覆层的光纤光栅。 本发明的技术效果为：
本发明光纤光栅温度传感器针对电力系统使用的绝缘需求，对光纤光栅温度传感器的结构，特别是其封装结构进行了合理设计，通过采用石英材料制成的封装筒体对光纤光栅进行封装的技术方案，使本发明的整体结构成为绝对的非金属绝缘体，满足了电力设备和系统的使用要求。此外，本发明封装筒体采用与光纤光栅纤芯材料热膨胀系数相近的石英材料，消除了因封装结构膨胀特性导致光纤光栅温度测量精度的影响，使封装结构十分简单，封装过程快速而可靠，大幅度降低了因封装工艺复杂对光纤光栅的损坏，并有效降低了生产成本。进一步地，封装筒体采用石英玻璃材料，该材料与光纤光栅包层的材料相同，与光纤光栅纤芯的材料相近，因此由该材料制成的封装筒体具有与光纤光栅相同的热膨胀系数，使测量精度进一步提高。
光纤光栅作为温度传感器的原理是基于其热膨胀特性使光纤光栅的波长发生变化，当环境温度升高时，光纤光栅的波长变大。由于光纤光栅被密封在封装结构中，任何封装结构均会随温度变化膨胀或缩短，因此封装结构的形变将会带动光纤光栅形变，从而严重影响光纤光栅的波长变化，使光纤光栅温度测量的精度下降。本发明根据封装结构随温度产生形变的特性，同时考虑到光纤光栅也具有相同的形变特性，只有当封装结构和光纤光栅的热膨胀系数相差很大时，封装结构的形变才会严重影响光纤光栅的形变，从而使光纤光栅的波长发生变化。本发明充分利用了封装结构和光纤光栅均具有形变的特性，通过采用石英玻璃材质的封装结构，使封装结构具有与光纤光栅相同的热膨胀系数，因此被封装结构密封的光纤光栅随封装结构一起做相同比例的膨胀或缩短。也就是说，二者具有相同的
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形变，封装结构的形变不会对光纤光栅的形变产生任何影响。
此外，本发明还采用了剥离光纤光栅栅区部分涂覆层的优选方案进一步提高测量精度。 本发明采用石英玻璃材质封装结构的光纤光栅温度传感器一方面满足了电力系统应用的需求，另一方面成功地解决了封装结构对温度测量精度的影响。试验研究结果表明，本发明光纤光栅波长温度系数同裸光栅非常接近，约为10pm/℃，同时满足了电力系统测量无金属、体积小的要求。 附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明光纤光栅结构示意图。 图3为一侧为盲端的结构示意图。 附图中标记为：
1-封装筒体；2-光纤光栅；3-胶粘剂；4-通孔；5-光纤光栅引出端；21-涂覆层；22-包层；23-纤芯；24-栅区； 具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案。
图1为本发明结构示意图。如图1所示，本发明光纤光栅温度传感器包括柱状的封装筒体1、刻有栅区的光纤光栅2和胶粘剂3，封装筒体1沿其长度方向设置有通孔4。光纤光栅2穿过所述通孔4，栅区部分设置在中部，光纤光栅引出端5伸出封装筒体1。胶粘剂3设置在通孔4的两端，将光纤光栅2的栅区部分密封在通孔4内。
在本发明技术方案中，所述封装筒体1采用与光纤光栅纤芯材料热膨胀系数相近的石英材料制成，其热膨胀系数为0.4×10/K～0.7×10/K，一方面满足了电力系统的绝缘需求，另一方面成功地解决了封装结构对温度测量精度的影响。在本优选方案中，封装筒体1采用石英玻璃材料制成，其热膨胀系数为0.5×10/K～0.6×10/K，最佳的热膨胀系数为0.55×10/K。该材料与光纤光栅2包层22的材料相同，与纤芯23材料相近，因此由该材料制成的封装筒体1具有与光纤光栅2相同的热膨胀系数。当环境温度变化时，被封装筒体1密封的光纤光栅2随封装筒体1一起做相同比例的膨胀或缩短，二者具有相同的形变，封装筒体1的形变不会对光纤光栅2的形变产生任何影响，因此消除了因封装筒体1膨胀特性导致光纤光栅2测量精度低的影响。
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所述胶粘剂3既可以设置在通孔4靠近端部位置将光纤光栅2粘接在通孔4的内壁上，也可以设置在封装筒体1的两端面上将光纤光栅2与封装筒体1粘接在一起，起到固定和密封作用。胶粘剂3可以是环氧胶、光纤镀金属后焊接，无机胶、陶瓷焊接或其他本领域技术人员惯用的胶粘剂。
根据温度测量部位不同以及本发明实际使用中的安装特点，封装筒体1和通孔4的横截面可以为长方形、正方形、圆形或椭圆形。在本实施例中，封装筒体1的横截面为长方形，其外形几何尺寸为长30mm，宽5mm，高2mm，通孔4的横截面为圆形，直径为1mm。
光纤光栅2由三部分组成，如图2所示，涂覆层21、包层22和纤芯23，本实施例采用的光纤光栅2在涂覆层21套包下的直径为0.9mm，因此光纤光栅2穿过通孔4后与通孔4只有很小的缝隙，粘接过程十分简单和可靠。光纤光栅2的栅区24刻在纤芯23上，栅区24长度为10mm，正好设置在封装筒体1的中部。本实施例的光纤采用SMF-28型。 本发明技术方案的上述结构中，光纤光栅引出端5伸出封装筒体1的两端，该结构可充分发挥多个传感器分布式串联，实现分布式测量的优势。实际上，本发明的技术方案还包括如图3所示的结构。如图3所示，光纤光栅引出端5只从封装筒体1的一端引出，另一端设置成盲端。该结构较如图1所示的结构和制作工艺更加简单，但只能用于单点测量。 本发明采用石英玻璃材质封装筒体的光纤光栅温度传感器一方面满足了电力系统应用的需求，另一方面成功地解决了封装筒体对温度测量精度的影响。试验研究结果表明，在本发明设计波长1520～1570nm范围内，本发明光纤光栅波长温度系数同裸光栅非常接近，约为10pm/℃，同时满足了电力系统测量无金属、体积小的要求。
以上仅为本发明具体实施方式的说明，不以任何形式对本发明做出限制。应当指出，对本领域技术人员来说，依据本发明的指导思想还可以做出很多相关的变形和改进，但这些均将落入本发明的保护范围。
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说 明 书 附 图
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