[发明专利]一种超低温及大幅变温下的光纤光栅温度传感器自动与批量标定系统

说明书

本发明公开了一种超低温及大幅变温下的光纤光栅温度传感器自动与批量标定系统，计算机分别与测温控温仪、FBG解调仪相连；紫铜导热块连接冷头，将热量快速导出并附着有加热片，通过冷热平衡来控制温度；FBG温度片和低温温度片粘贴于紫铜导热块表面，所述测温控温仪分别与低温温度片和加热片相连接，低温真空箱的内部设有冷屏，所述冷屏设于紫铜导热块外面。本发明提出了一种超低温光纤光栅温度传感器标定系统和方法，系统能够实现10^‑3K级别到室温的温度标定范围，并实现该范围内的任意温度控制并恒定保持。

技术领域

本发明属于光纤技术领域，尤其涉及一种超低温及大幅变温下的光纤光栅温度传感器自动与批量标定系统。

背景技术

随着人类低温技术的不断进步，实现mK级的低温已成为非常廉价的技术，利用3He-4He稀释致冷机能够实现1.5mK的低温，坡密朗丘克冷却和绝热核去磁技术能达到更低的温度。实用廉价的超低温技术给许多重大科学领域带来了突破，尤其是超导技术。在能源领域，超导输电可将电能传输损耗降至几乎为零；超导储能功率大、质量轻、体积小、损耗小、反应快等得到广泛应用；超导电机的体积和重量也将比传统电机大大减小。此外低温超导技术也在交通(磁悬浮列车、船舶磁推进器)，医疗卫生(核磁共振成像、生物磁仪器等)，电子技术(超导微波技术应用、各类超导传感技术、半导体—超导体集成电路、超导计算元件等)，重大科学工程(加速器、受控热核装置等)和国防技术(超导反潜、扫雷、飞船载入、电磁推进、通讯及制导等)等领域有着重要应用。目前我国正以前所未有的力度投入重大科学仪器的研发，其中以加速器技术为主的重大科学装置为首要方向，包括第3代、第4代同步辐射光源、大型加速器等。

低温测量是保证各类低温装置安全有效运行的前提保障，温度的监测对超导结构来说至关重要，低温是实现超导态的必要条件。大载流运行下的超导磁体一旦由于温度升高失去超导态电阻突升，将产生大量焦耳热，威胁人员的财产安全。对超导磁体的温度监测成为其安全运行的首要任务。低温温度测量通常采用热电阻和热电偶式温度计，可在接近绝对零度(0K)附近使用，例如Lakeshore公司的cernox系列温度传感器能够实现mK量级的温度测量。这类温度传感器广泛应用于深低温运行的装置中，如大型对撞机中的超导磁体、超导电机、超导电缆等。这类设备通常需要液氦进行冷却，而液氦沸点仅为4.2K，环境温度的升高将导致液氦急速挥发导致设备内部压力过大引起破坏，造成人员财产损失，此类事故曾经发生在欧洲大型强子对撞机中，一次事故损失达到6000万美金。

然而这类基于电测法进行测量的温度传感器，测量回路中若存在强电磁场时其精度和测量范围将大打折扣，甚至无法使用。而超导磁体运行时产生的强磁场毫无疑问将导致电阻式传感器严重失效，迫切需要一种能够在超低温强电磁干扰下正常工作的温度传感器。光纤光栅作为一种新型的传感器件，利用光频信号进行传感。相较于传统电、磁传感器件而言具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小及信号损耗小等显著优点。光纤布拉格光栅(FBG)是使用较广和较为成熟的一种光纤光栅，通过外界物理参量对FBG布拉格波长的调制来获取传感信息。由于FBG以反射波长作为信号载体，克服了传统电测法的弊端，使其作为应变、温度传感器件在土木工程领域得到广泛应用。此外，通过在单根光纤上刻入多个不同布拉格波长的光栅，可实现光纤的准分布式测量。

光纤纤芯主要由二氧化硅组成，热膨胀系数小，对温度不敏感，低温下敏感性更低，需要将光纤光栅粘贴到对温度更为敏感的材料上实现低温温度传感，通常是热膨胀系数较大的金属或高分子聚合物。通过材料的伸缩带动光纤光栅变形来实现温度敏感性的提高。这一结构对温度的响应需要通过标定来实现，而与传统的电学温度传感器标定方法和装置不同，由于光纤传导的是光学信号，需要对传统电学温度标定装置重新进行系统地设计，来实现光纤光栅温度传感器的标定。

本专利提出的这一装置和标定方法系统有效地解决低温光纤光栅温度计标定问题，并已形成实物，可行性得到验证。

发明内容