專利名稱：基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種溫度傳感器，尤其涉及一種基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器。
背景技術：
地下流體溫度從某種程度上反映了地殼活動的規律，地震活動中往往也伴隨著地下流體溫度的變化，所以地下流體溫度測量便成為現今地震前兆觀測的重要手段。用于地下流體觀測的流體井深度從幾十米到上千米不等，溫度年變化很小，所以在測量時對傳感器的靈敏度和穩定性要求較高。隨著科技的不斷進步，用于測量溫度的溫度計發展很快，種類繁多，如雙金屬溫度計、水銀溫度計、壓力式溫度計、熱電阻溫度傳感器、半導體溫度傳感器、紅外溫度傳感器、石英溫度傳感器、光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器等。這些溫度測量裝置測溫原理不同，適用范圍也就不同，各有優缺點?，F如今用于地下流體溫度測量裝置主要是熱電阻溫度傳感器和石英溫度傳感器，這兩種傳感器測量精度高、分辨率高，可以很好的反映地下流體溫度變化情況。但是這兩種傳感器均為電學傳感器，以電流作為信號載體進行傳輸，在野外復雜電磁環境下容易受到干擾，而且在雷雨多發季節容易受雷電損害，而克服這些問題帶來的 成本很高，所以需要利用新的原理制作出更適合地下流體監測的溫度傳感器。光纖光柵作為光學傳感器元件，可以敏感溫度和應變，而且光纖光柵具有良好的電絕緣性和抗電磁干擾能力，可以很好的彌補電學傳感器的不足，非常適合應用于野外自動化監測?，F有技術一:普通光纖光柵溫度傳感器，即直接使用裸光柵或者使用低熱脹系數材料封裝的光纖光柵制作而成的光纖光柵溫度傳感器。這種溫度傳感器的溫度分辨率比較低，最高只能達到0.rc，不適合用于高精度溫度測量。光纖光柵具是一種光學傳感元件，當一束寬帶波長入射到光纖光柵時，由于光纖光柵對入射光波的作用，會使得一束窄帶光波被反射回去。反射波的中心波長會隨著光纖光柵周圍環境的溫度和光纖光柵自身的應變而發生偏移，變化關系可表不為:Λ λ =Ks ε +Kt Λ T (I)Ks是光纖光柵的應變靈敏度系數，約為1.2pm/μ ε ;ΚΤ為溫度靈敏度系數，約為10pm/°C。裸光柵制作的溫度傳感器測溫時光纖光柵處于松弛狀態，光纖光柵的應變ε=0，通過測量光纖光柵反射波長的偏移量計算出溫度變化量，得到所測溫度值?，F有技術一的缺點:此種光纖光柵溫度傳感器分辨率低，相應精度也低，如果進行高精度測溫達不到要求?，F有技術二:溫度增敏光纖光柵溫度傳感器，通常增敏方法是將光纖光柵粘貼到大熱脹系數的材料上，利用大熱脹系數材料溫度變化時形變量大的特性，帶動光纖光柵在溫度變化過程中產生較大的應變，從而提高了光纖光柵的溫度靈敏度。如圖1所示，為溫度增敏光纖光柵的封裝示意圖，使用這種方法制作而成的光纖光柵溫度傳感器，分辨率要優于裸光柵制作的溫度傳感器，但受到熱脹材料的限制，分辨率提高有限。按照圖1中方式對光纖光柵進行封裝，設封裝時使用熱脹材料的熱脹系數是α，當溫度變化時光纖光柵會產生α AT的應變，把光纖光柵的應變量帶入式(I)得:Λ λ = ( a KS+KT) AT (2)此時光纖光柵溫度靈敏度系數變為aKs+KT，增敏后光纖光柵溫度靈敏度系數與自身的溫度靈敏度和熱脹材料的熱脹系數有關。測溫同樣是通過測量反射波長的變化量來計算出溫度的變化量，得到所測溫度?，F有技術二的缺點:溫度分辨率稍有提高，但受熱脹材料熱脹系數的限制，仍然不能滿足地震前兆觀測中對溫度測量的分辨率的要求。現有技術三:雙金屬增敏方法，利用雙金屬的熱脹系數差別，巧妙的設計增敏結構可以大幅度提高光纖光柵的溫度靈敏度。但是在現有的雙金屬增敏方法中，光纖光柵是使用環氧樹脂粘貼在增敏結構上的，而且粘貼時，光纖光柵的粘貼面積很小。使用此種增敏方法時，光纖光柵在測溫過程中一直處于受拉狀態，光纖光柵的截面積很小，即使很小的拉力也會產生較大的應力。而環氧樹脂膠在長期受應力作用下會發生蠕變，導致光纖光柵非溫度引起的應變變化，在測量結果中會出現漂移的現象。使用這種增敏裝置在光纖光柵的溫度傳感器的制作過程中要對光纖光柵進行預拉，預拉的一般是通過溫度控制的，即在溫度Tl環境中制作傳感器，此時可控制光纖光柵處于臨界松弛的狀態(再受到很小的拉力，光纖光柵的反射波長即會偏移)，然后把傳感器放置到T2溫度下測溫。此時增敏結構因溫度變化產生形變，使得光纖光柵處于拉緊狀態。如圖2所示，為雙金屬光纖光柵溫度增敏封裝結構示意圖，增敏結構的梁臂使用的是小熱脹系數材料，基底是大熱脹系數材料，基底與梁臂用螺釘固定在一起，兩個梁臂之間留有一段空隙，在空隙中間粘貼有光纖光柵。當溫度變化時，基底材料的熱脹系數比較大，會產生一個較大的形變，而梁臂的熱脹系數很小，形變相對也很小。光纖光柵粘貼在兩個梁臂之間，所以在溫度變化時光纖光柵的形變量就近似為基底的形變量。粘貼部分的光纖光柵的長度又遠小于基底的長度，這樣光纖光柵就會產生一個很大的應變量，從而提高了光纖光柵在單位溫度變化下的應變量，也就提高光纖光柵對溫度敏感靈敏度?，F有技術三的缺點:使用雙金屬增敏結構，環氧樹脂膠固定光纖光柵制作的溫度傳感器穩定性差，容易出現漂移現象。光纖光柵預拉過程比較復雜。
發明內容
本發明的目的是提供一種靈敏度高、光纖光柵預拉程度更容易調節的基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器。本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
本發明的基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器，包括基底，所述基底的兩端分別固定有金屬懸臂梁，兩個金屬懸臂梁的懸臂端相對設置，兩個金屬懸臂梁的懸臂端之間固定有光纖光柵，至少一個金屬懸臂梁與所述基底之間設有微調螺桿。由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器，由于使用雙金屬懸臂梁結構，極大的提高了光纖光柵溫度靈敏度，解決了光纖光柵測溫分辨率低的缺陷；由于利用了螺旋測微的原理，設計了微調螺桿，使得對光纖光柵預拉程度更容易調節。
圖1為現有技術中的光纖光柵溫度增敏封裝示意圖；圖2為現有技術中的雙金屬光纖光柵溫度增敏封裝結構示意圖；圖3a為本發明實施例提供的基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器的正面結構示意圖；圖3b為本發明實施例提供的基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器的俯視結構示意圖；圖4a為本發明實施例中光纖光柵固定端(金屬懸臂梁的懸臂端)的俯視結構不意圖；圖4b為本發明實施例中光纖光柵固定端的端面結構示意圖；圖5為本發明實施例中光纖光柵傳感器工作不意圖。
圖中:1、光纖光柵，2、環氧樹脂，3、尾纖，4、臂梁，5、環氧樹脂粘結點，6、固定螺釘，
7、基底，8、光纖光柵固定螺釘，9、金屬懸臂梁，10、微調螺桿，11、金屬懸臂梁調節預留槽，12、光纖光柵固定端，13、焊接光纖光柵的金屬片，14、光纖光柵固定螺紋孔,15、T型槽,16、3db稱合器。
具體實施例方式下面將對本發明實施例作進一步地詳細描述。本發明基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器，其較佳的具體實施方式
是:包括基底，所述基底的兩端分別固定有金屬懸臂梁，兩個金屬懸臂梁的懸臂端對稱設置，兩個金屬懸臂梁的懸臂端之間固定有光纖光柵，至少一個金屬懸臂梁與所述基底之間設有微調螺桿。所述光纖光柵通過玻璃焊接技術固定在所述金屬懸臂梁上。所述金屬懸臂梁的懸臂端設有T型槽，所述T型槽的頂壁設有光纖固定螺釘，所述光纖光柵用低熔點玻璃焊接在一個金屬片上，所述金屬片插入到所述T型槽中，擰緊所述光纖固定螺釘將所述金屬片鎖緊。所述基底材料的熱脹系數大于所述懸臂梁材料的熱脹系數。所述基底材料的熱脹系數ai=2.1X10_5/°C，所述懸臂梁材料的熱脹系數α2=0.8Χ1(Γ6/。。。所述懸臂梁材料為鎳鉻合金。
本發明的基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器，使用雙金屬懸臂梁結構的溫度增敏裝置，利用兩種金屬的熱脹系數差別，極大的提高了光纖光柵溫度靈敏度，使光纖光柵的測溫分辨率達到了 0.003°C，解決了光纖光柵測溫分辨率低的缺陷；低熔點玻璃的熔點低、機械強度高、與石英玻璃的性質接近，固定光纖十分牢固，解決了使用環氧樹脂粘貼光纖光柵會發生漂移的缺陷。本發明創新性的利用低熔點玻璃焊接工藝制作光纖光柵溫度傳感器，制作出的傳感器相對于普通環氧樹脂固定的傳感器穩定性更好；本發明使用玻璃焊接技術固定光纖光柵，即先用低熔點玻璃把光纖光柵焊接到金屬底片上，再用機械方式把底片固定到溫度增敏裝置的方法固定光纖光柵。解決了固定時低熔點玻與增敏結構金屬熱脹系數不匹配的問題；制作溫度傳感器時要對光纖光柵進行預拉，本發明利用了螺旋測微的原理，設計了預拉調節螺桿，使得對光纖光柵預拉程度更容易調節。本發明的原理是:如圖3a、3b所示，增敏裝置采用了雙金屬懸臂梁結構，圖中基底使用大熱脹系數材料(熱脹系數為懸臂梁使用低熱脹系數材料(熱脹系數為α2)，光纖光柵固定在兩個懸臂梁之間，懸臂梁的另外兩端與基底固定。當溫度變化時，底部會有發生形變Ci1L1，兩個懸臂梁形變量為2a2L2 (兩個懸臂梁等長)。所以光纖光柵的形變量為Ci1L1Ia2L2，相應光纖光柵的應變為(α A-2 a 2L2) /d,帶入公式(I)可以得到增敏后光纖光柵波長變化與溫度變化的關系式:Λ λ = [Ks( α 山「2 a 2L2) /d+KT] ΔΤ (3)增敏后光纖光柵的溫度靈敏度系數為:[Ks( α山「2 a 2L2) /d+KT]，與增敏結構尺寸和材料有關。增敏結構是通過提高光纖光柵單位溫度形變量來提高光纖光柵的溫度靈敏度，所以在增敏狀態下光纖光柵兩端會受到懸臂梁的拉力作用。為了便于調節光纖光柵所受拉力，此增敏結構設有預拉 微調裝置。圖中增敏結構，左邊懸臂梁與基底側面接觸的部分有螺紋孔，螺紋孔中有微調螺桿，微調螺桿的導程很小，所以可以同轉動微調螺桿對光纖光柵預拉進行微調。光纖光柵是采用低熔點玻璃固定在兩個懸臂梁之間的，固定時為了避免低熔點玻璃與懸臂梁材料熱脹系數差別過大而造成玻璃焊接失效，先把光纖光柵用低熔點玻璃焊接在一個小的金屬片上，此金屬片的熱脹系數與低熔點玻璃相近，然后把金屬片插入懸臂梁上固定處的導軌中，再從懸臂梁上面的螺紋孔中使用螺絲將金屬片鎖緊。如圖4a、4b所示，為光纖光柵固定端構示意圖，在懸臂梁的懸臂端上部有個螺紋孔，用來固定焊接光纖光柵的金屬片，如圖4a所示；懸臂梁內部有一個T型槽，如圖4b所示，可以把焊接有光纖光柵的金屬片插入T型槽中。具體實例:首先，制作成基底(熱脹系數α1=2.1X10_5/°C )，基底長度為1^=240臟，使用低熱脹系數的鎳鉻合金制作成懸臂梁(熱脹系數a2 = 0.8 X 10_6/°C)，兩個懸臂梁各長L2=IlOmm,兩個光纖光柵固定螺釘之間的距離設置為d=20mm，根據靈敏計算公式(3)，可以計算出增敏后光纖光柵的溫度靈敏度為:304pm/°C。制作傳感器時，先把光纖光柵用低熔點玻璃固定到一個小的金屬片上，金屬片的熱脹系數與低熔點玻璃相近。把兩個金屬懸臂梁固定到金屬底座上，兩個懸臂梁之間預留出20mm的間距。然后從兩個懸臂梁中間的預留空隙中，將焊接有光纖光柵的金屬片插入懸臂梁上的T型槽中，再從懸臂梁頂部的螺紋孔用螺釘把金屬片固定牢固。把增敏結構放置在20°C的溫度環境下，松開帶有預拉微調螺桿一端的懸臂梁，使用微調螺桿預拉光纖光柵，使光纖光柵的反射波長相對與松弛狀態下偏離2nm，在把松開懸臂梁上的固定螺釘擰緊，將此懸臂梁緊固在基底上。選擇不同的尺寸大小的基底長度和調節兩個懸臂梁之間的空隙，可以制作出溫度靈敏度不同的溫度傳感器。同時在光纖光柵預拉時，要根據所測溫度的具體范圍選擇預拉時的周圍溫度環境，如:要測量的溫度范圍為20°C至30°C，此時需要把周圍溫度調節到25°C后進行光纖光柵的預拉。光纖光柵工作過程如圖5所示，激光光源將一束寬帶光波射入光纖，入射光波經過3db耦合器傳播至溫度靈敏度增敏的光纖光柵。光纖光柵根據溫度變化對入射光波進行調制，反射回一束窄帶光波，被反射回的光波再經過3db稱合器傳輸至光纖光柵分析儀。光纖光柵分析儀對反射光波進行測量，得到反射光波的波長并將其轉換為電學信號發送給數據采集端。數據采集端接受到信號后，按照溫度變化與波長變化關系對得到的信號進行處理，計算出所測溫度值。本發明的有益效果是:可以大幅度提高光纖光柵的溫度靈敏度，達到高精度溫度測量要求；使用了玻璃焊接技術固定光纖光柵，固定效果更牢靠，穩定性更好，為光纖光柵的固定提供了一種新的方法；在增敏結構夠增加有光纖光柵預拉裝置，使對光纖光柵的預拉更容易控制。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1.一種基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器，其特征在于，包括基底，所述基底的兩端分別固定有金屬懸臂梁，兩個金屬懸臂梁的懸臂端對稱設置，兩個金屬懸臂梁的懸臂端之間固定有光纖光柵，至少一個金屬懸臂梁與所述基底之間設有微調螺桿。
2.根據權利要求1所述的基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器，其特征在于，所述光纖光柵通過玻璃焊接技術固定在所述金屬懸臂梁上。
3.根據權利要求2所述的基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器，其特征在于，所述金屬懸臂梁的懸臂端設有T型槽，所述T型槽的頂壁設有光纖固定螺釘，所述光纖光柵用低熔點玻璃焊接在一個金屬片上，所述金屬片插入到所述T型槽中，擰緊所述光纖固定螺釘將所述金屬片鎖緊。
4.根據權利要求3所述的基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器，其特征在于，所述基底材料的熱脹系數大于所述懸臂梁材料的熱脹系數。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器，其特征在于，所述基底材料的熱脹系數α =2.1 ΧΙΟ—5/°C，所述懸臂梁材料的熱脹系數α2=0.8Χ10-6℃
6.根據權利要求5所述的基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器，其特征在于，所述懸臂梁材料為鎳鉻合金。
全文摘要
本發明公開了一種基于低熔點玻璃焊接的光纖光柵高靈敏度溫度傳感器，包括基底，基底的兩端分別固定有金屬懸臂梁，兩個金屬懸臂梁的懸臂端相對設置，兩個金屬懸臂梁的懸臂端之間固定有光纖光柵，至少一個金屬懸臂梁與所述基底之間設有微調螺桿。極大的提高了光纖光柵溫度靈敏度，解決了光纖光柵測溫分辨率低的缺陷，使用了低熔點玻璃焊接工藝固定光纖光柵，使得增敏后光纖光柵溫度傳感器穩定性更好，并設計了預拉裝置，對光纖光柵預拉程度更容易調節。
文檔編號G01K11/32GK103115694SQ20131001799
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月17日 優先權日2013年1月17日
發明者馬曉川, 周振安, 劉愛春, 陳曉丹 申請人:中國地震局地殼應力研究所
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