专利名称：一种光纤光栅型温度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤温度传感器。
技术背景
光纤光栅是一种纤芯折射率有着周期性变化的光纤无源器件。由于光 纤光栅的谐振波长对温度、应变等外界环境的变化比较敏感，光栅的谐振 波长会随温度发生改变，故通过探测其波长的变化量就可以得到温度的变 化量。光纤光栅具有体积小、可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点，因 此在传感领域得到了广泛的应用。其中，光纤光栅型温度传感器由于既可 被应用于结构体温度场的分布式测量，也可被用作光纤光栅传感网络的温 度补偿，受到了人们越来越多的关注。然而，对于光栅型传感器来讲，由 于光栅的谐振波长同时受着温度和应变的影响，如何解决温度/应力交叉敏 感问题就显得尤为重要。对于光纤光栅温度传感器来讲，在一些特殊的工 作环境中，由于外力的拉拽或者是刮碰，传感器的尾纤(也就是信号传输 线)很容易受到外力影响，导致光栅的中心波长随外力变化而波动，给温 度传感带来较大的误差。为了解决这一问题，需要从传感器的封装结构上 来考虑，制作出拉力不敏感的温度传感器。
Francis M.Haran等人将光纤光栅一端的尾纤截去，并将其封装在一个 石英帽里面(U.S. Pat.No. 6,125,216， entitled "Strain isolated optical fibre bragggrating sensor")(见图l，图l中ll为传输光纤；12为环氧树脂密封；由于光栅的一端是悬空的，所以另一端尾 纤的拉力作用到光栅区上，从而实现了与拉力无关的目的。但是这种封装 结构的最大问题在于其只能适合用于单点的温度测量，而不能用于温度的
分布式阵列传感。Christopher J.Wright等人通过熔接的方式将光纤光栅封装 在一较粗的石英管中(U.S. Pat.No. 6,865,194 Bl, entitled "Strain-isolated bragg grating temperature sensor")(见图2，图2中21为传输光纤；22为胶粘 剂；23为光纤光栅；24为基底)。这种封装结构利用石英管的来增加光栅区 的强度，使其对外力的作用不敏感。但这种封装方式并没有完全排除外力 的影响，当拉力很大的时候，石英管依然会发生明显的形变，造成光栅波 长的漂移。MarkR.Femald等人将光栅区先封装在一细石英管中，并将一端 的尾纤加以弯曲后再封装于一粗石英管中(U.S. Pat.No. 6,452,667 Bl, entitled "Pressure-isolated bragg grating temperature sensor")。 这禾中圭寸装方式 利用光纤的弯曲将尾纤上所施加的外力缓冲掉，起到了很好的效果。周智 等人利用类似的原理也设计出了拉力无关的光栅型温度传感器(参看文献 "无外力影响光纤Bragg光栅封装温度传感器"，来自期刊《传感器与微系 统》，2006年，25巻第3期，第57 62页)(见图3，图3中31为光纤光栅；32 为石英管；33为光纤；34为固定部分)。但是，这种结构的封装工艺较为复 杂，而且为了保证光纤的弯曲量，需要保护套管具有一定的直径和长度。 实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种光纤光栅型温度传感 器，具有不受外部拉力影响、稳定性好和易于制作的性能。
为解决上述技术问题，本实用新型是提出以下技术方案实现的一种光纤光栅型温度传感器，其特征在于所述传感器包括为金属材料的基底材料以及一根中部刻有光栅1的光纤2;所述光纤刻有光栅的部分弯成一圆环且光栅区两边的光纤在交叠后分别向左右两边引出；所述光纤交叠区4与基底材料3表面之间固接；在光纤的两个引出端5上涂上胶或者加上光纤尾纤护套对其加以保护。
所述的光纤1可为多种能够写入光栅的光纤，可以是掺杂石英光纤或塑料光纤或光子晶体光纤等。
所述的光栅2可为多种能够用于温度传感的光纤光栅，可以是普通
Bragg光纤光栅或取样光纤光栅或相移光纤光栅或重叠光纤光栅或长周期光纤光栅等。
所述的基底材料3可为任意形状的金属材料，起到传递温度和保护光栅的作用。
所述的光纤交叠的部位4固定方式可为多种形式，可以是胶接或金属悍接或石英熔接等。
所述的光纤弯曲半径R可大可小，最小半径以不给光纤带来明显弯曲损耗为限。
本实用新型带来以下有益效果
当传感器所处的环境温度产生变化的时候，通过基底材料3的热传导，光栅区1的温度也产生相应的变化。由于光纤材料的热光效应和热胀冷縮效应的同时作用，光栅的谐振波长会发生改变。通过探测其波长的变化量就可以得到温度的变化量。而当光纤2受到外部拉力作用的时候，光纤交叠区4的粘接物和基底材料将承受所有的拉力，而处于环型中央的光栅区1将不受到拉力的影响。另外，由于光栅区1是采用单点固定的方式固定在基底材料3上的，当基底材料受到外力的作用或者由于热胀冷縮而发生形变的时候，光栅区也将不受任何影响。
因而，本实用新型的光纤光栅型温度传感器与其它结构的温度传感器相比，具有结构简单、性能稳定和易于封装等优点。采用此种封装方式，能保持原有光纤光栅的温度灵敏度，且体积小，工艺要求相对较低，适合组建多点温度监测的传感阵列。
图l:第一种拉力不敏感封装形式
图2:第二种拉力不敏感封装形式
图3:第三种拉力不敏感封装形式
图4:本实用新型的光纤光栅型温度传感器示意图
图5:光栅封装前后的温度响应对比
图6:拉力试验装置示意图
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的描述结合参见图4，本实施例中，我们选择一根普通单模通信光纤2，采用
高压载氢的方式来提高其光敏性，并利用紫外光辐照的方法，在其纤芯上写入长度为lcm的均匀Bragg光栅l，光栅周期为535um。光栅刻制完后，将其放入温度为13(TC的烘箱中退火24小时。测得其室温下的反射中心波长为1551.385nm，反射率约为95%。随后，我们利用温控箱测量了该光纤光栅-10 + 5(TC的温度响应特性。接着，我们将该光纤光栅弯曲成半径R间部位)，并利用环氧树脂将光纤的交叠区域4粘贴至一块直径为30mm，厚度为lmm的圆形不锈钢金属基片3上，并在光纤的引出端5加上橡胶的尾纤护套用以保护光纤。对比光栅弯曲前后的谐振波长值，在室温下仅有约lpm的变化量。对比光栅弯曲前后的反射光功率，变化量小于O.ldB。
在光栅型温度传感器封装完毕后，我们对其进行了温度响应特性和拉力敏感特性的试验。我们先将其放入温控箱中测量了-10 + 5(TC的温度响应特性。试验结果如图5所示。测试数据表明封装后的温度响应特性和裸光栅的温度响应特性几乎没有任何改变。然后，我们利用图6所示的装置对其进行拉力试验，图6中61为光纤固定装置，62为温度传感器；63为光纤。将质量块M的重量直接加载到250um直径的光纤63上。试验结果表明，在0 2Kg的拉力范围内，光栅的反射中心波长没有任何改变。由于2Kg的拉力已经接近光纤所能承受的拉力极限值。故没有继续增加质量块M的重量。如果在输出光纤上加上高强度的光缆套管加以保护，那么该温度传感器将能承受几十Kg甚至更大的拉力而波长不受影响。
由于在制作光栅的时候，需要在光栅区剥去一定长度的光纤涂覆层。而在进行光纤弯曲的时候，由于裸光纤的韧性比较差，所以存在由于操作不当导致光栅断裂的可能性。为了保证封装过程中光栅的完好性，可以事先在光栅区的裸光纤上利用光纤重涂覆机涂上一层保护层。
另外，由于所采用光纤为普通的通信光纤，其最小弯曲半径大于10mm，这也决定了传感器的最小面积。如果希望进一步传感器的面积，就需要减小光纤的弯曲半径。这时，可以采用小模场直径的特种光纤。例如某种包光纤，其最小弯曲半径能达到6ram而光功率无任何损耗。
权利要求1、一种光纤光栅型温度传感器，其特征在于所述传感器包括为金属材料的基底材料以及一根中部刻有光栅(1)的光纤(2)；所述光纤刻有光栅的部分弯成一圆环且光栅区两边的光纤在交叠后分别向左右两边引出；所述光纤交叠区(4)与基底材料(3)表面之间固接；在光纤的两个引出端(5)上涂上胶或者加上光纤尾纤护套对其加以保护。
2、 按照权利要求1所述的一种光纤光栅型温度传感器，其特征 在于所述的光纤(1)为能够写入光栅的光纤，可以是掺杂石英光纤或塑料光纤或光子晶体光纤。
3、 按照权利要求1所述的一种光纤光栅型温度传感器，其特征 在于所述的光栅(2)为能够用于温度传感的光纤光栅，可以是普 通Bragg光纤光栅或取样光纤光栅或相移光纤光栅或重叠光纤光栅 或长周期光纤光栅。
4、 按照权利要求1所述的一种光纤光栅型温度传感器，其特征 在于所述的光纤交叠区(4)与基底材料之间的固接方式可以是胶 接或金属焊接或石英熔接。
专利摘要本实用新型涉及光纤温度传感器。所要解决的技术问题在于提供一种光纤光栅型温度传感器，具有不受外部拉力影响、稳定性好和易于制作的性能。其特征在于传感器包括为金属材料的基底材料以及一根中部刻有光栅(1)的光纤(2)；所述光纤刻有光栅的部分弯成一圆环且光栅区两边的光纤在交叠后分别向左右两边引出；所述光纤交叠区(4)与基底材料(3)表面之间固接；在光纤的两个引出端(5)上涂上胶或者加上光纤尾纤护套对其加以保护。本实用新型的温度传感器与其它结构的温度传感器相比，具有结构简单、性能稳定和易于封装等优点。采用此种封装方式，能保持原有光纤光栅的温度灵敏度，且体积小，工艺要求相对较低，适合组建多点温度监测的传感阵列。
文档编号G01K11/32GK201425524SQ20092006778
公开日2010年3月17日 申请日期2009年2月17日 优先权日2009年2月17日
发明者沙剑波, 侃 高 申请人:中国电子科技集团公司第二十三研究所