[发明专利]一种用于深空探测的光纤温度传感器

说明书

本发明公开了一种用于深空探测的光纤温度传感器，包括金属套管，呈柱状结构，其内设有空腔，内基底，内置于金属套管的空腔内，底面设有沿轴线方向延伸的导纤槽，用于封装传感光纤；传感光纤，包括位于中心位置的光纤光栅以及位于光纤光栅两端的裸光纤，光纤光栅设置于内基底的导纤槽内，裸光纤依次穿出内基底和金属套管，左右一对固定件，安装在金属套管内并分别位于内基底的两端，中心设有用于与内基底的端部套接的凹型槽，凹型槽的中心设有通孔，左右一对光缆连接头，可拆卸连接在金属套管的两端，光缆连接头的横截面中心沿轴向开设有连接孔。本发明提供的用于深空探测的光纤温度传感器测量量程宽，准确度高，响应更加及时，保护强度更大。

技术领域

本发明涉及温度传感器技术领域，尤其涉及一种用于深空探测的光纤温度传感器。

背景技术

随着空间技术的发展，在区域大气环境监测、高分辨率实时监测、预警和导弹防御、区域通信等需求的驱动下，平流层浮空器越来越成为受关注的热点。平流层浮空器在定点悬浮以及升空过程中，外部热环境参数变化很大，继而容易影响浮空器内部气体压力和整体性能。通过光纤温度传感器实时监测气囊内与吊舱内的温度对浮空器飞行状态提供了重要保证。然而，在深空环境中，太阳辐照强烈，空气稀薄，昼夜温差较大。最低温度达到-90℃，一方面，恶劣的环境容易使温度传感器的外壳发生形变并传送到传感光纤本身，进而影响到光纤光栅对温度的测量效果，另一方面，光纤光栅的裸纤温度范围为-40℃～85℃，无法满足平流程低温环境要求，且裸栅极易断裂，在1550nm波长处温度和应变灵敏度分别只有1.13×10-2nm/℃和1.2×10-3nm/με，所以在工程中一般需要对光纤光栅进行封装，达到增敏和增加其机械强度的效果。而目前传统的封装方式采用聚氧树脂的包覆层，该封装方式在深空环境下容易老化、蠕变，影响测量精度及一致性，同时常规封装的光纤光栅测量范围窄、温度灵敏度较差，不适合宽范围、高可靠条件下使用。

另外，光纤温度传感器在深空环境下进行探测过程中，太阳直接辐射、地面长波辐射以及地面和云层的反射辐射、低气压以及电磁干扰均会影响光纤光栅温度传感器测温的准确度。光纤温度传感器是通过热传导实现与空气之间的热量交换并以此建立热平衡。由于空气吸收辐射能的能力较弱，所以自然情况下，光纤温度传感器的测温准确度对太阳直接辐射和地面反射辐射反应较灵敏，其中太阳直接辐射对温度测量精度的影响尤为突出。当太阳光直接照射在光纤温度传感器上，太阳辐射温升会叠加传感器的测量数据上，因此产生了传感器的太阳辐射误差，辐射误差通常可达到非常高的水平，影响温度传感器的准确度，导致监测数据出现异常。因此，如何降低辐射误差，己成为深空温度探测中的热点问题。

再者，温度主要靠热传导、热对流、热辐射三种方式进行传递，在正常大气压压下，空气温度传递主要靠热对流，即依靠空气流动进行传递，而随着气压的降低，空气密度下降，导致热对流传递变慢，不仅如此，浮空器气囊腔内氦气流速很低，换热能力弱，所以导致传感器的响应时间随之变慢。温度传递速度与热量传递方式、温差及传感器的封装方式有关。在前两者确定的情况下，封装方式成为主要的影响因素。大多数场合的温度场分布可以看作是静态或准静态的，温度变化相对缓慢，因此，大部分的光纤光栅温度传感器都可以满足温度测量的要求。然而，浮空器是以6m/s-10m/s速度升空，需要实时监控温度变化，在这些动态变化的情况下，就要求光纤温度传感器能够有足够快的响应时间，能够满足快速温度测量的要求。另外，随着高度增加，大气压力降低，空气的导热系数也随之降低，同样也增加了传感器的响应时间。

中国专利公开号CN111413006A，专利名称为真空低温光纤光栅温度传感器及其封装方法，该申请提供一种能在真空环境下测量温度的真空低温光纤光栅温度传感器及其封装方法，该真空低温光纤光栅温度传感器包括：封装外壳和光纤光栅，封装外壳的外表面为半圆柱形，封装外壳的内表面在纵向上具有槽体，光纤光栅固定于槽体中，封装外壳的内表面紧贴待测机件固定，封装外壳由与待测机件相同的材料制作而成。该温度传感器利用了光纤光栅的传感原理，结构简单，具有导热效率高，响应速度快的特点，但其同时也具有以下缺点：