[发明专利]一种嵌入式低温光纤温度传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种嵌入式低温光纤温度传感器及其制备方法，该传感器是包括光纤和毛细玻璃管，所述光纤的尾端光纤的涂覆层被剥掉且端面切平，沿与所述光纤径向的垂直方向在光纤被剥掉涂覆层的尾端开有一个尺寸微小的V型尖槽，所述V型尖槽的对称面与所述光纤径向垂直；所述光纤开有V型尖槽的尾端嵌入所述毛细玻璃管中并保证V型尖槽位于毛细玻璃管内；所述毛细玻璃管的两个端面用低温黏结剂密封。该传感器制作简单、体积小、抗电磁干扰，可实现低温环境下单一温度变量的测量，解决了现有技术中光纤光栅对温度和应变交叉敏感的问题，适合多数低温工程中超低温、大电流、强磁场、强辐射等恶劣环境中的温度测量。

技术领域

本发明属于光纤光缆技术领域，更具体地，涉及一种嵌入式低温光纤温度传感器及其制备方法。

背景技术

随着低温在强磁场、能源、核聚变、军工、空间技术和生命科学等领域的应用不断扩大，大型低温工程中结构的健康监测越来越受到人们的重视。如超导磁储能装置，主要由超导磁体、低温容器、低温装置及胶装置和监控系统组成，其中超导磁体的热稳定性和低温技术是影响超导磁储能的关键因素，只有当超导磁体的低温运行参数在临界值以内，超导磁体才能正常运行，因而低温的测量在监控超导磁体热稳定性方面起着重要作用。光纤传感技术以其自身易于嵌入材料结构体内部及抗电磁干扰等诸多独特优势，在大型低温工程结构的健康监测应用中具有良好的发展前景。

光纤传感采用光纤作为光传输媒介，当光在光纤中传播时，因外界环境因素作用，如温度、应力、电场和位移等，表征光的特征参量(波长、振幅、相位和偏振态等)会直接或间接发生改变，从而可将光纤传感器件用作传感元件来传感待测量。目前研究最为集中的是光纤光栅传感器，即：光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)和长周期光纤光栅(Long period fiber grating，LPFG)，其中应用最为成熟最为广泛的是光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅的周期长度通常低于1μm，它是将光纤纤芯中前向传输的模式耦合到后向传输的纤芯模中，是一种光波长的选择性的反射型器件。利用光纤传感器件可以监测温度、位移、应力和应变等多种物理量，其中对温度的测量是光纤传感领域一个非常重要的研究和应用方向。然而在低温环境下，光纤光栅会产生啁啾现象以及反射光强降低等问题，这些都会影响测量结果的准确性，同时还需要解决光纤光栅对温度和应变交叉敏感的问题。目前，对光纤光栅的热膨胀系数、热光系数和弹光系数的研究仍较为缺乏，这将导致光纤光栅在温度测量时受限于光纤光栅传感对于温度和应变存在交叉敏感，在高低温环境下测量时缺乏理论应变灵敏度与温度灵敏度的问题，无法完成有效的温度补偿。

邓凡平等人在《光纤Bragg光栅在77K环境下的温度传感性能研究》一文中研究了光纤光栅在77K到286K范围内的温度传感特性，并指出光纤光栅的温度灵敏度系数与温度有关而并非简单的常数，当温度低于210K时，光纤光栅的温度灵敏度系数变小，这限制了光纤光栅作为温度传感器在低温环境下的使用。中国专利CN 103822668公开了一种应变和温度同时测量的Bragg光栅低温传感器及其使用方法，对应变光纤Bragg光栅和测温光纤Bragg光栅进行合理的结构设计和封装，通过测量应变光纤Bragg光栅和测温光纤Bragg光栅的中心波长位移量来计算传感器所受到的均匀轴向应变和温度，进而实现77K～273K低温环境下应变和温度同时在线监测。然而光纤Bragg光栅在低温条件下会出现啁啾分峰现象，而且该设计中两个光纤Bragg光栅同时测量需要先做标定实验来测量温度的修正系数，这就导致了实际测量的准确度下降。因而，在低温工程结构中，常规环境测量中忽略的问题，在低温环境下需慎重考虑，现有的检测方法和传感装置在特殊的超低温、强磁场等极端环境下的实用性和选型布局方面存在很多技术难题。所以，加快研究和开发新型温度传感器以解决大型低温工程中温度检测中传感器固化、强磁场以及实时性等技术难点，成为传感技术领域亟待解决的问题。

光纤传感技术在高低温环境下的相关应用取得了诸多进展，但仍然存在一些尚未解决的问题和有待提升的技术。光纤光栅在应用时对于应变-温度交叉敏感，在高低温极端环境下的基本系数研究却极端缺乏，一定程度上限制了光纤光栅的相关应用。

发明内容