一种无源光纤光栅温度补偿结构

1.本实用新型涉及无源光纤光栅温度补偿结构技术领域，具体地说，涉及一种无源光纤光栅温度补偿结构。


背景技术：

2.光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高、体积小、结构紧凑、动态范围大等一系列优点，可以广泛应用于边界安防、大型发电机组、航天航空器运行状态监测、桥梁大坝安全监测等领域。
3.光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量，由光纤光栅模式耦合理论可知，光纤光栅的反射波长λ
β
(即中心波长)的计算公式为：λ
β
＝2n
eff
λ；其中，n
eff
为光栅有效折射率，λ为光栅周期。在光纤光栅传感器中，温度、应变等物理量的改变，会使得光栅周期λ及光栅有效折射率n
eff
产生变化，故而会导致反射波长λ
β
的变化，进而实现温度、应变等物理量的测量。设δn
eff
为折射率n
eff
的偏移量，δλ为光栅周期λ的偏移量；则反射波长λ
β
的偏移量δλ
β
满足公式：δλ
β
＝2(λδn
eff
+n
eff
δλ)；该公式表明，δλ
β
的大小同时受到δn
eff
和δλ的影响，也即折射率n
eff
的偏移量和光栅周期λ的偏移量均会对反射波长λ
β
的偏移量造成影响。
4.实际上，光纤光栅在轴向的应力及环境温度产生变化时，其折射率n
eff
和光栅周期λ均会发生变化。反射波长λ
β
的偏移量在同时受到应力及温度影响时，其所产生的偏移量δλ
β
能够通过如下公式表达：能够通过如下公式表达：其中，t为光纤光栅栅区温度，l为光纤光栅长度，δt为温度的变化量，δl为光纤光栅长度的变化量。通过上式可以看出，在光纤光栅在同时受到应力及环境温度的影响时，其所产生的偏移量并无法进行区分，也即并无法区分因温度变化和因应力变化所分别导致的反射波长λ
β
的偏移。这使得，光纤光栅传感器在运用于应力检测时，其所检测的结果中会掺入因温度变化而带来的噪音。故光纤光栅传感器在运用于应力检测时，需要对其进行温度补偿。
5.目前，对光纤光栅传感器进行补偿的方法通常分为两类，即有源温度补偿和无源温度补偿。其中，有源补偿是指在传感器的部分之外另加以控制电路，进行调节温度变化，实现温度补偿；该种方式结构较复杂，不利于实现。其中，无源补偿是指从封装的结构出发，不涉及外加调控电路，如采用负热膨胀系数材料实现温度补偿。
6.虽然无源温度补偿具有结构简单、利于实现等优点，但是负热膨胀系数材料在温度持续升高时，存在收缩不明显的缺陷，因而导致利用负热膨胀系数材料设计的无源温度补偿会使得光纤光栅传感器使用环境只能在一定的范围内，故而局限性大。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在无源补偿方法采用负热膨胀系数材料实现温度补偿使得光纤光栅传感器在使用过程中适应温度范围小的缺陷，本实用新型提供了一种无源光纤光栅
温度补偿结构。其利用不同正热膨胀系数的两种材料进行封装的结构，通过预先施加应力，并将应力封入结构内部，使形成一个整体实现温度补偿效果，最终实现几乎无温漂的效果。
8.为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决。
9.一种无源光纤光栅温度补偿结构，其包括温度补偿结构主体，温度补偿结构主体具有相对固定设置的第一调节体和第二调节体；第一调节体和第二调节体用于共同自两端对一具有预应力的光纤进行固定，且光纤位于第一调节体和第二调节体之间处设光栅；第一调节体具有沿光纤轴向延伸的第一调节段，第二调节体具有沿光纤轴向延伸的第二调节段；第一调节段的长度l1、第一调节段的热膨胀系数α1、光栅的长度l2、光栅的热膨胀系数α2、第二调节段的长度l3及第二调节段的热膨胀系数α3之间满足如下关系，α1l1＝α2l2+α3l3。
10.通过本实用新型的构造，第一调节体与第二调节体为两种不同正热膨胀系数的材料，以使具有预应力的光纤与第一调节体与第二调节体在不同温度环境下，其始终满足如下关系，α1l1＝α2l2+α3l3，从而实现光纤光栅传感器在实际使用过程中能够在较宽的温度范围内使用，使得光纤光栅的反射波长的幅度基本为0，即实现光纤光栅几乎无温漂的效果。
11.作为优选，第一调节体包括管体，管体一端中部向内延伸形成安装腔；第二调节体设置在安装腔开口处，第二调节体包括调节帽，调节帽具有用于与管体固定配合的固定段及与安装腔内壁形成间隙的补偿段，补偿段位于固定段内端；调节帽中部形成安装通孔，安装通孔在补偿段内端处形成第一安装口，安装腔底壁形成第二安装口；安装通孔及第二安装口同轴设置，光纤穿过安装通孔及第二安装口设置，第一安装口及第二安装口分别形成用于对光纤进行固定的固定点；管体位于安装腔底壁至固定段内端间的部分构成第一调节段，补偿段构成第二调节段。
12.通过本实用新型的构造，使得光纤安装在第一安装口与第二安装口之间，进而使得光栅设置于第一安装口与第二安装口之间，其中，管体、补偿段及光纤的设置，使得温度补偿结构主体能够对光纤光栅传感器进行温度补偿，进而使得光纤光栅传感器在较宽的温度的范围下光纤光栅的反射波长几乎无温度漂移的效果。
13.作为优选，固定段伸入安装腔内且与安装腔内壁贴合，固定段外端形成定位段，定位段用于与管体所述一端的端面贴合，通过上述设置，定位段将固定段牢牢贴合于安装腔的内壁上，进而使得补偿段得到固定，进而实现对光纤的固定。
14.作为优选，第一安装口及第二安装口的外端均形成圆锥角为60-120
°
的灌胶口，光纤通过设置于灌胶口处的胶体与管体及调节帽形成固定。
15.本实用新型中，通过灌胶口的设置，使得环氧树脂胶灌入灌胶口将光纤固定在灌胶口处，进而实现将光纤牢牢固定。
16.作为优选，温度补偿结构主体外侧还设有保护结构，保护结构具有保护管体，保护管体两端均设有封堵帽；温度补偿结构主体的设有调节帽的一端与保护管体固定连接，温度补偿结构主体的另一端通过连接体与保护管体的对应端连接。
17.本实用新型中，通过保护管体和封堵帽的设置，保护管体内部涂有隔热材料，使得外界温度不会影响管体内部的温度，进而保证温度补偿结构主体内温度的恒定，进而实现光纤光栅几乎无温漂的效果。
18.作为优选，封堵帽包括用于与保护管体端部配合的固定环，以及设置于固定环处的橡胶套，通过上述设置，使得橡胶套将尾纤固定在保护管体的两端，进而实现对光纤的保护、固定。
19.作为优选，连接体采用海绵，通过上述设置，海绵能够给予尾纤较佳的保护。
20.作为优选，管体采用石英材质，调节帽采用300或310系列不锈钢。
21.本实用新型中，通过管体和调节帽的设置，使得管体的热膨胀系数α1以及调节帽的热膨胀系数α3能够从数据库内查询，从而能够计算如下关系，α1l1＝α2l2+α3l3，进而实现光纤光栅传感器在不同温度的情况下光纤光栅的反射波长几乎无温度漂移的效果。
22.作为优选，l1与l3的比值为31.6％～23.2％，通过上述设置，根据补偿段的长度与安装腔底壁至固定段内端的长度的比值，进而能够选择管体及补偿段合适的尺寸，进而使得温度补偿结构主体设置的更佳精巧。
附图说明
23.图1为实施例1中的一种无源光纤光栅温度补偿结构的主体示意图；
24.图2为实施例1中的一种无源光纤光栅温度补偿结构的内部剖面示意图；
25.图3为图2中的a部分的放大示意图；
26.图4为图2中的b部分的放大示意图；
27.图5为实施例1中的管体的示意图；
28.图6为实施例1中的调节帽的结构示意图；
29.图7为实施例1中的保护结构的示意图；
30.图8为实施例1中的一种无源光纤光栅温度补偿结构的只受温度影响光纤光栅的反射波长的测试示意图。
31.附图中各数字标号所指代的部位名称如下：
32.110、管体；120、光纤；130、定位段；210、安装腔；220、光栅；230、补偿段；240、固定段；310、安装通孔；320、第一安装口；410、第二安装口；710、保护管体；720、固定环；730、橡胶套。
具体实施方式
33.为进一步了解本实用新型的内容，结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本实用新型进行解释而并非限定。
34.实施例1
35.如图1-7所示，本实施例提供了一种无源光纤光栅温度补偿结构，其包括温度补偿结构主体，温度补偿结构主体具有相对固定设置的第一调节体和第二调节体；第一调节体和第二调节体用于共同自两端对一具有预应力的光纤120进行固定，且光纤120位于第一调节体和第二调节体之间处设光栅220；第一调节体具有沿光纤120轴向延伸的第一调节段，第二调节体具有沿光纤120轴向延伸的第二调节段；第一调节段的长度l1、第一调节段的热膨胀系数α1、光栅220的长度l2、光栅220的热膨胀系数α2、第二调节段的长度l3及第二调节段的热膨胀系数α3之间满足如下关系，α1l1＝α2l2+α3l3。
36.针对现有技术中采用负热膨胀系数材料进行无源温度补偿时，所存在的光纤光栅
传感器使用时受到温度范围局限性大的问题。故本实施例中采用两种正膨胀系数材料(即第一调节体及第二调节体)进行无源温度补偿。通过此举使得光纤光栅传感器使用时可以在较宽的温度范围下使用，即相比于现有技术采用负热膨胀系数材料进行无源温度补偿的方法，本实施例采用两种正热膨胀系数材料进行无源温度补偿的方法使得光纤光栅传感器使用时，能够适应的温度范围更广。
37.本实施例中，由于光纤120处预应力的加入，故而使得光栅220部分始终会因预应力的作用而处于绷紧状态。在发生温度变化量为δt时，光栅220的长度变化量为α2l2δt，第一调节段的长度变化量为α1l1δt，第二调节段的长度变化量为α3l3δt；故通过构造α1l1＝α2l2+α3l3，使得光栅220、第一调节段及第二调节段的长度变化量满足关系：α1l1δt＝α2l2δt+α3l3δt；也即，在温度发生变化时，能够保持光栅220处所施加的预应力不变，也即消除因温度的变化而导致的光栅220的物理参数的变化，故而能够较佳地实现对光栅220的温度补偿。
38.在图8中给出了采用本实施例中的温度补偿结构的光纤光栅传感器与无温度补偿结构的光纤光栅传感器的中心波长随温度变化的趋势图。
39.图8中，
“■”
所构成的离散线条为采用本实施例中的温度补偿结构的光纤光栅传感器的中心波长随温度变化的趋势图，
“●”
所构成的离散线条为无温度补偿结构的光纤光栅传感器的中心波长随温度变化的趋势图。
40.结合图8可以明显的看出，通过本实施例中的温度补偿结构，使得环境温度发生变化时，其中心波长所受到的影响几乎为0，也即通过本实施例中的温度补偿结构，能够较佳地实现几乎无温漂的效果。
41.本实施例中，第一调节体包括管体110，管体110一端中部向内延伸形成安装腔210；第二调节体设置在安装腔210开口处，第二调节体包括调节帽，调节帽具有用于与管体110固定配合的固定段240及与安装腔内壁形成间隙的补偿段230，补偿段230位于固定段240内端；调节帽中部形成安装通孔310，安装通孔310在补偿段230内端处形成第一安装口320，安装腔210底壁形成第二安装口410；安装通孔310及第二安装口410同轴设置，光纤120穿过安装通孔310及第二安装口410设置，第一安装口320及第二安装口410分别形成用于对光纤120进行固定的固定点；管体110位于安装腔210底壁至固定段240内端间的部分构成第一调节段，补偿段230构成第二调节段。
42.通过本实施例中的构造，第一安装口320与第二安装口410的固定点将光纤120固定，进而使得光栅220位于第一安装口320与第二安装口410之间，其中，管体110、补偿段230及光纤120的设置，使得温度补偿结构主体能够对光纤光栅传感器进行温度补偿，进而使得光纤光栅传感器在较宽的温度的范围下光纤光栅的反射波长几乎无温度漂移的效果。
43.本实施例中，管体110采用石英材质，其管体110的热膨胀系数对应α1，调节帽采用300或310系列不锈钢，其补偿段230的热膨胀系数对应α3，其中，光纤120采用常规光纤，通常光纤120中光栅220的长度为10mm-15mm，其光栅220的热膨胀系数对应α2，通过上述材料的选材，使得温度补偿结构主体能够对光纤光栅传感器进行温度补偿，进而使得光纤光栅传感器在较宽的温度的范围下光纤光栅的反射波长几乎无温度漂移的效果。
44.本实施例中，根据α1l1＝α2l2+α3l3关系可得知，补偿段230的长度l3与安装腔210底壁至固定段240内端的长度l1的比值为31.6％～23.2％，进一步的计算出管体与调节帽
的比值，使得温度补偿结构主体能够对光纤光栅传感器进行温度补偿，进而使得光纤光栅传感器在较宽的温度的范围下光纤光栅的反射波长几乎无温度漂移的效果。
45.本实施例中，固定段240伸入安装腔210内且与安装腔210内壁贴合，固定段240外端形成定位段130，定位段130用于与管体110所述一端的端面贴合。
46.通过本实施例中的构造，使得调节帽固定在安装腔210开口处，使得定位段130置于安装腔210开口处，固定段240贴合于安装腔210内壁，进而较佳的实现补偿段230的固定；
47.其中，定位段130的横截面直径为4mm
±
0.05mm，固定段240的横截面直径为2.15mm
±
0.05mm，补偿段230的横截面直径为2mm
±
0.05mm；调节帽总长9.5mm。
48.本实施例中，第一安装口320及第二安装口410的外端均形成圆锥角为60-120
°
的灌胶口，光纤120通过设置于灌胶口处的胶体与管体110及调节帽形成固定。
49.通过本实施例中灌胶口的设置，使得第一安装口320及第二安装口410安装光纤120后，使用环氧树脂胶灌入灌胶口进而将光纤120固定在固定点处，从而实现光纤120的固定；
50.其中，圆锥角的设置，使得环氧树脂胶更好的灌入灌胶口，进而环氧树脂胶成形后较佳的实现光纤120的固定；
51.其中，安装通孔310的孔直径为1.1mm-1.5mm，第一安装口的孔直径为1mm
±
0.05mm，第二安装口的孔直径为1mm。
52.本实施例中，温度补偿结构主体外侧还设有保护结构，保护结构具有保护管体710，保护管体710两端均设有封堵帽；温度补偿结构主体设有调节帽的一端与保护管体710固定连接，温度补偿结构主体的另一端通过连接体与保护管体710的对应端连接。
53.通过本实施例中的构造，保护管体710内部涂有均匀隔热材料，进而有效的防止外界环境温度对管体110内的温度产生影响，光纤120分别伸出保护管体710的两端设置有900μm松套管，使得900μm松套管能够保护尾纤，避免因触碰导致光纤120折断从而造成结构的损坏；
54.其中，保护管体710与封堵帽均采用300或310不锈钢材质。
55.本实施例中，封堵帽包括用于与保护管体710端部配合的固定环720，以及设置于固定环720处的橡胶套730，通过上述设置，使得光纤120伸出保护管体710的两端得到较佳的保护以及具有良好的密封性。
56.本实施例中，连接体采用海绵，通过上述设置，使得光纤120得到较佳的保护。
57.总之，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本实用新型专利的涵盖范围。