[发明专利]双F形光纤光栅温度传感器

说明书

本发明公开了一种双F形光纤光栅温度传感器，包括两个F形结构件和光纤，两个F形结构件的热膨胀系数不同，两个F形结构件呈中心对称布置，且两个F形结构件的中部固定连接，每个F形结构件的首端横梁和另一个F形结构件的尾端之间形成缺口，光纤设有第一光纤光栅和第二光纤光栅，第一光纤光栅和第二光纤光栅分别位于两个缺口处，光纤光栅两侧的光纤分别和一个F形结构件的首端横梁、另一个F形结构件的尾端固定连接。两个F形结构件具有较大的热膨胀系数差，将温度引起的两个F结构件的相对位移变化转换为光纤光栅的应变变化，提高了温度传感器的灵敏度；当温度升高与降低时，各用一个光纤光栅的中心波长变化来进行检测，测量范围增大一倍。

技术领域

本发明涉及光传感技术领域，特别是一种双F形光纤光栅温度传感器。

背景技术

目前，温度测量中最为常用的是电学类温度传感器，典型的如热电偶和热敏电阻温度传感器，但这些传感器存在易受电磁干扰、测量精度差、寿命短、无法长距离传输且无法串联组网等缺点。光纤光栅温度传感器由于具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高、复用能力强、体积小、重量轻、易于嵌入材料内部等诸多优点，因此引起了人们的广泛关注和极大兴趣。

光纤光栅本身就具有温度敏感特性，在不经过任何封装增敏的情况下，其温度灵敏度约10pm/℃。受限于目前信号解调仪器的波长检测精度，故基于裸光纤光栅的温度传感器的测温灵敏度较低。为此，人们不断研究提高光纤光栅测温灵敏度的方法，目前常用的光纤光栅温度传感器增敏方法有单金属基底封装、聚合物封装和双金属基底封装等。单金属基底封装就是将光纤光栅全部或两点固定在热膨胀系数较高的金属基底表面，但其增敏效果有限，制成的光纤光栅温度传感器约为裸光纤光栅的3倍左右。聚合物封装由于其热膨胀系数更大，故相比于金属基底封装，其制成的光纤光栅温度传感器灵敏度更高，但是大多数聚合物材料均存在玻璃化温度，当温度高于玻璃化温度后，其热膨胀系数、弹性模量等都会受到很大的变化，从而使得光纤光栅温度传感器的使用范围大大受限。为了进一步提高光纤光栅温度传感器的灵敏度，近年来研究人员提出双金属基底封装的方法，如专利号为CN202010954557.4、CN201910713117.7和CN200710178947.1的中国发明专利，都是基于双金属片为核心部件，通过不同的结构设计实现对温度的高灵敏测量。但这些提出的基于双金属基底封装的方法，要么灵敏度较高，但温度测量量程仅几摄氏度；要么虽然量程较大，但是灵敏度不高，且容易引起光纤光栅啁啾。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的光纤光栅温度传感器难以同时实现大量程和高灵敏的问题，提供一种双F形光纤光栅温度传感器，结构简单，大量程且灵敏度高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种双F形光纤光栅温度传感器，包括两个F形结构件和光纤，两个所述F形结构件的热膨胀系数不同，两个所述F形结构件呈中心对称布置，且两个所述F形结构件的中部固定连接，每个所述F形结构件的首端横梁和另一个所述F形结构件的尾端之间形成缺口，所述光纤设有第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅分别位于两个所述缺口处，所述第一光纤光栅两侧的光纤分别和一个所述F形结构件的首端横梁、另一个所述F形结构件的尾端固定连接，所述第二光纤光栅两侧的光纤分别和一个所述F形结构件的尾端、另一个所述F形结构件的首端横梁固定连接。

本发明的两个F形结构件具有较大的热膨胀系数差，将温度引起的两个F结构件的相对位移变化转换为封装于其上的光纤光栅的应变变化，从而大幅提高光纤光栅温度传感器的灵敏度。当温度升高与降低时，各用一个光纤光栅的中心波长变化来进行检测，使得温度传感器的测量范围比常规的温度传感器增大了一倍。

作为本发明的优选方案，两个所述缺口的长度相等，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的栅区长度相同且小于所述缺口的长度，即所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅处于悬空状态。

作为本发明的优选方案，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的栅区长度小于5mm，具有栅区短、抗拉强度高的特点。