CN209727306U - 多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构。该封装结构包括依次连接的顶端堵头、金属套管、过渡连接器和铠装光纤护套，在金属套管内设有光纤及温敏测点，光纤及温敏测点的原点端固定在顶端堵头上；过渡连接器的管径大于金属套管，光纤及温敏测点的尾纤以自由伸缩状***过渡连接器内，并在过渡连接器内以螺旋状或轻微往复弯曲状盘旋后从过渡连接器尾部的固定引出***铠装光纤护套内；在金属套管的外部设有与光纤及温敏测点上的温敏测点位置对应的测点标示。本实用新型能在大跨度温度变化下保证光纤沿程温敏测点与其顶端的定位距离，有效的提高了光纤上准分布式的温敏测点与实际测量点的位置精确度，提升了传感器的测量准确性。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤测温技术领域，具体涉及一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构。
背景技术
光纤温度传感器通过在光纤内部传播的光信号来感知光纤沿程的温度变化。由于对温度的感应及传递可不涉及电信号，因此光纤温度传感器本质安全，并且光纤具有耐高低温、耐辐照、直径小等特点，特别适合在易燃易爆危险、强电磁场、辐照等特殊环境中使用，因此光纤温度传感器在油气储运、电力传输、航空航天、武器装备、核工业等领域具有广阔的应用前景。
光纤温度传感器是利用光纤散射效应或光栅、F-P腔、MZ腔等微纳结构在光纤上形成分布式或准分布式的温敏测点，进而实现光纤沿程的分布式或准分布式温度测量。光纤一般采用石英或者具备更高熔点的蓝宝石等晶体材料制成，光纤温度传感器在工程应用之前，必须对光纤进行保护性封装，从而适应高温、辐射等恶劣环境。现有的光纤温度传感器大多采用金属管作为外部封装结构，通过气体进行金属管与内部光纤之间的热传导，实现环境温度的准确测量。然而，伴随着待测结构件温度的大跨度变化(例如-50℃～1000℃)，封装金属管将出现明显的热胀冷缩效应。由于光纤与保护金属管的热膨胀系数有显著差异，传统的封装形式将使得光纤温度传感器的测点发生位置迁移，偏离待测物体的真实测量位置，甚至于光纤发生应力断裂，最终导致测量不准确或传感器失效。
发明内容
为了解决上述光纤与金属管在温度大跨度变化时光纤测点位置相对偏离的问题，本实用新型专利提出了一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构。
本实用新型专利解决其技术问题所采用的技术方案为：所述一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构，其特征在于：该封装结构包括金属套管、光纤及温敏测点、顶端堵头、过渡连接器和铠装光纤护套，所述金属套管为两端开口的中空金属套管，金属套管套设在光纤及温敏测点的测温段外部，其顶端通过顶端堵头密封，且光纤及温敏测点靠近顶端堵头的原点端与顶端堵头固定连接；所述过渡连接器的管径大于金属套管，其中一端与金属套管的尾端密封连接，另一端与铠装光纤护套密封连接，在过渡连接器的连接端面分别开设有光纤孔，所述光纤及温敏测点的尾纤通过光纤孔以自由伸缩状***过渡连接器内，并在过渡连接器内以螺旋状或轻微往复弯曲状盘旋后从过渡连接器尾部的光纤孔固定引出***铠装光纤护套内；在金属套管的外部设有与光纤及温敏测点上的温敏测点位置对应的测点标示。
本实用新型较优的技术方案：所述光纤及温敏测点中的光纤采用石英光纤、蓝宝石光纤、YAG晶体光纤、光子晶体光纤耐高温光纤中的任意一种；光纤上所布置的温敏测点为光纤光栅、光纤F-P腔、光纤MZ腔等微纳加工结构。
本实用新型较优的技术方案：所述过渡连接器为一端具有环形槽、另一端具有螺纹结构的中空圆柱形不锈钢焊接连接器，其两端面的中心位置均开设有光纤孔，所述过渡连接器的长度为10～100mm，内径为0.5～3mm，外径为2～5mm。
本实用新型较优的技术方案：所述光纤及温敏测点与顶端堵头之间采用激光焊接的方式固定；所述顶端堵头、金属套管、过渡连接器、铠装光纤护套之间的密封固定连接方式采用金属焊接、螺栓连接、高温结构胶粘接中的一种或任意几种的组合；所述光纤及温敏测点的尾纤在穿入过渡连接器时为自由伸缩状，在穿出过渡连接器时，采用金属焊接或玻璃珠焊接或高温结构胶粘接的方式与过渡连接器进行密封固定。
本实用新型较优的技术方案：所述金属套管选用采用不锈钢管、铜管、镍合金管中的任意一种，其长度为0.2～5mm，内径为0.3～0.9mm，外径为0.5～1.5mm。
本实用新型较优的技术方案：所述顶端堵头采用外径为0.6～1.6mm的圆柱形不锈钢焊接堵头。
本实用新型较优的技术方案：所述铠装光纤护套采用不锈钢软管铠装光纤护套，其内径为0.5～1.5mm，外径为0.9～2.5mm。
本实用新型较优的技术方案：所述测点标示是以光纤及温敏测点固定在顶端堵头上的端点为原点通过刻度尺量出光纤上各温敏测点距离原点的距离，在金属套管外部等距的位置进行标示。
本实用新型较优的技术方案：所述光纤及温敏测点的温度测试范围为-50～1000℃，所述光纤及温敏测点的温度测试范围为-50～1000℃，所述光纤及温敏测点置于过渡连接器中的螺旋状或往复弯曲状的过渡尾纤长度不小于光纤冗长量加上过渡连接器4长度之和；所述光纤冗长量是根据金属套管材料的膨胀系数计算得到。
本实用新型较优的技术方案：所述光纤及温敏测点选用聚酰亚胺涂覆或无涂覆的石英光纤或飞秒激光器刻制的Ⅱ型光纤及温敏测点阵列。
本实用新型的封装金属套管为两端开口，内径稍大于光纤外径的中空金属管，其内部穿入带有温敏测点的光纤及温敏测点，其顶端堵头与光纤及温敏测点的一端密封固定，并与封装金属套管一端密封固定连接，温敏测点在光纤上的排列分布决定了各温度测点的位置；所述过渡连接器为内径明显大于光纤直径的中空金属套筒，其一端与封装金属套管密封固定连接，另一端与铠装光纤护套密封固定连接；所述光纤及温敏测点的尾纤以螺旋状或轻微往复弯曲状从过渡连接器内部引出，由铠装光纤护套进行保护。所述封装金属套管、顶端堵头、过渡连接器、铠装光纤护套之间的密封固定连接方式可采用金属焊接、螺纹连接、高温结构胶粘接等。
本实用新型中的光纤一端固定在顶部封头上，另一端设有螺旋状或轻微往复弯曲状的缓冲部位，其光纤上的温敏测点通过刻度尺进行测量后在金属套管上设有测点标记，然后将光纤及温敏测点穿入封装金属套管内，在套管膨胀过程中，带动光纤测点一起移动，两者的位置仍然保持一致，尾端的螺旋部分会消除光纤的应力，避免其断裂，测点位置具体是根据待测物体的位置进行设置。
本实用新型在进行封装之前，根据待测最高温度、最低温度、材料热膨胀系数等参数，计算出全温度范围时封装金属套管的伸长量，以此作为光纤冗长量；螺旋状或轻微往复弯曲状自由穿入过渡连接器的过渡光纤长度不小于光纤冗长量加上过渡连接器长度之和。
与现有技术相比，本实用新型所述的多测点精确定位的光纤温度传感器及其制作方法，能在大跨度温度变化下(超过1000℃)保证光纤沿程温敏测点与其顶端的定位距离，有效的提高了光纤上准分布式的温敏测点与实际测量点的位置精确度，排除了因为定位错误引入的温度测量偏差，从而提升了传感器的测量准确性。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图中：1—金属套管，2—光纤及温敏测点，3—顶端堵头，4—过渡连接器，5—铠装光纤护套，6—螺旋状或往复弯曲状的过渡尾纤，7—测点标示。
具体实施方式
为使本实用新型的技术方案和优点更加容易理解，以下结合具体实施例，并参照附图对本实用新型作进一步详细说明。附图1为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本实用新型实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本实用新型的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围
实施例中提供的一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构，具体如图1所示，该封装结构包括金属套管1、光纤及温敏测点2、顶端堵头3、过渡连接器4和铠装光纤护套5。所述金属套管1为两端开口的中空金属套管，内径稍大于光纤外径，金属套管1套设在光纤及温敏测点2的测温段外部，其顶端通过顶端堵头3密封，且光纤及温敏测点2靠近顶端堵头3的原点端与顶端堵头3固定连接，温敏测点在光纤上的排列分布决定了各温度测点的位置；所述过渡连接器4的管径大于金属套管1，其中一端与金属套管1的尾端密封连接，另一端与铠装光纤护套5密封连接，在过渡连接器4的连接端面分别开设有光纤孔，所述光纤及温敏测点2的尾纤通过光纤孔以自由伸缩状***过渡连接器4内，并在过渡连接器4内以螺旋状或轻微往复弯曲状盘旋后从过渡连接器4尾部的光纤孔引出***铠装光纤护套5内，其穿出过渡连接器4尾部光纤孔的位置与过渡连接器4固定连接。在金属套管1的外部设有与光纤及温敏测点2上的温敏测点位置对应的测点标示7。
本实施例中的所述光纤及温敏测点2的温度测试范围为-50～1000℃，所述光纤及温敏测点2置于过渡连接器4中的螺旋状或往复弯曲状的过渡尾纤6长度不小于光纤冗长量加上过渡连接器4长度之和。
实施例中的封装金属套管1选用不锈钢毛细管，其长度、内外径分别为2m、600um和900um，具有体积小、传热快、耐腐蚀等优点；光纤及温敏测点2选用聚酰亚胺涂覆的纯石英光纤以及飞秒激光器刻制的Ⅱ型光纤及温敏测点阵列，其封装后最高工作温度可达1000℃；顶端堵头3选用圆柱形不锈钢焊接堵头，其外径为1000um；过渡连接器4设计为一端具有环形槽、另一端具有螺纹结构、中心开设通孔的圆柱形不锈钢焊接连接器，其长度、内外径分别为100mm、2000um和2500um；铠装光纤护套5选用不锈钢软管铠装光纤护套，其内外径为600um和900um。
实施例中为了方便光纤及温敏测点2与顶端堵头3连接，将顶端的光纤进行金属化，采用金属焊接方式将光纤的原点固定于顶端堵头3，然后通过金属焊接将顶端堵头3与封装金属套管1进行密封固定；封装金属套管1与过渡连接器4通过金属焊接进行密封固定；穿出过渡连接器4的尾纤与过渡连接器4中心通孔通过高温结构胶粘接进行密封固定；铠装光纤护套5与过渡连接器4通过螺纹连接进行密封固定。
实施例中的多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构具体封装方法如下：
(1)以光纤一端为原点，用刻度尺量出光纤上各温敏测点距离原点的距离，并在封装金属套管1上对应的位置设有测点标示7，然后将封装金属套管1放置于固定平台上，将光纤及温敏测点2的测温段穿入封装金属套管1内；
(2)采用顶端堵头3将光纤及温敏测点2的原点位置定位至封装金属套管1顶端，并与封装金属套管1进行密封固定连接；
(3)光纤及温敏测点2的尾纤穿出金属套管1后，根据温度跨度范围(-50～1000℃)、封装金属套管1采用不锈钢套管，根据不锈钢材料的膨胀系数约为15.2×10-6/℃，计算出封装金属套管1的最大伸长量约为30mm(2m×1050℃×15.2×10-6/℃)，以此作为光纤冗长量；用刻度尺量出不小于光纤冗长量加上过渡连接器4长度之和(100+30＝130mm)的过渡光纤，将该长度的过渡光纤以盘旋状或轻微往复弯折的方式自由穿入过渡连接器4，尾纤部分穿出过渡连接器4，并将封装金属套管1与过渡连接器4通过金属焊接进行密封固定连接；
(4)将尾纤从过渡连接器4尾部的光纤孔穿出，并在在光纤及温敏测点2的尾纤穿出过渡连接器4时，将穿出过渡连接器4的尾纤与过渡连接器4中心通孔通过高温结构胶粘接进行密封固定；
(5)用刻度尺量出尾纤的长度，根据该长度截取相应长度的铠装光纤护套5，将从过渡连接器4穿出的尾纤穿入铠装光纤护套5，铠装光纤护套5与过渡连接器4通过螺纹连接进行密封固定，完成光纤传感器的封装。
综上所述，本实用新型列举了一个实施例，但本实用新型不仅限于上述实施例，只要以任何相同或相似的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型保护的范围。
Claims (10)
1.一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构，其特征在于：该封装结构包括金属套管(1)、光纤及温敏测点(2)、顶端堵头(3)、过渡连接器(4)和铠装光纤护套(5)，所述金属套管(1)为两端开口的中空金属套管，金属套管(1)套设在光纤及温敏测点(2)的测温段外部，其顶端通过顶端堵头(3)密封，且光纤及温敏测点(2)靠近顶端堵头(3)的原点端与顶端堵头(3)固定连接；所述过渡连接器(4)的管径大于金属套管(1)，其中一端与金属套管(1)的尾端密封连接，另一端与铠装光纤护套(5)密封连接，在过渡连接器(4)的连接端面分别开设有光纤孔，所述光纤及温敏测点(2)的尾纤通过光纤孔以自由伸缩状***过渡连接器(4)内，并在过渡连接器(4)内以螺旋状或往复弯曲状盘旋后从过渡连接器(4)尾部的光纤孔固定引出***铠装光纤护套(5)内；在金属套管(1)的外部设有与光纤及温敏测点(2)上的温敏测点位置对应的测点标示(7)。
2.根据权利要求1所述的一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构，其特征在于：所述光纤及温敏测点(2)中的光纤采用石英光纤、蓝宝石光纤、YAG晶体光纤、光子晶体光纤耐高温光纤中的任意一种；光纤上所布置的温敏测点为光纤光栅、光纤F-P腔、光纤MZ腔中的任意一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构，其特征在于：所述过渡连接器(4)为一端具有环形槽、另一端具有螺纹结构的中空圆柱形不锈钢焊接连接器，其两端面的中心位置均开设有光纤孔，所述过渡连接器(4)的长度为10～100mm，内径为0.5～3mm，外径为2～5mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构，其特征在于：所述光纤及温敏测点(2)与顶端堵头(3)之间采用激光焊接的方式固定；所述顶端堵头(3)、金属套管(1)、过渡连接器(4)、铠装光纤护套(5)之间的密封固定连接方式采用金属焊接、螺栓连接、高温结构胶粘接中的一种或任意几种的组合；所述光纤及温敏测点(2)的尾纤在穿入过渡连接器(4)时为自由伸缩状，在穿出过渡连接器(4)时，采用金属焊接或玻璃珠焊接或高温结构胶粘接的方式与过渡连接器(4)进行密封固定。
5.根据权利要求1或2所述的一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构，其特征在于：所述金属套管(1)选用采用不锈钢管、铜管、镍合金管中的任意一种，其长度为0.2～5mm，内径为0.3～0.9mm，外径为0.5～1.5mm。
6.根据权利要求1或2所述的一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构，其特征在于：所述顶端堵头(3)采用外径为0.6～1.6mm的圆柱形不锈钢焊接堵头。
7.根据权利要求1或2所述的一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构，其特征在于：所述铠装光纤护套(5)采用不锈钢软管铠装光纤护套，其内径为0.5～1.5mm，外径为0.9～2.5mm。
8.根据权利要求1或2所述的一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构，其特征在于：所述测点标示(7)是以光纤及温敏测点(2)固定在顶端堵头(3)上的端点为原点通过刻度尺量出光纤上各温敏测点距离原点的距离，在金属套管(1)外部等距的位置进行标示。
9.根据权利要求1或2所述的一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构，其特征在于：所述光纤及温敏测点(2)的温度测试范围为-50～1000℃，所述光纤及温敏测点(2)置于过渡连接器(4)中的螺旋状或往复弯曲状的过渡尾纤(6)长度不小于光纤冗长量加上过渡连接器(4)长度之和。
10.根据权利要求1或2所述的一种多测点精确定位的光纤温度传感器封装结构，其特征在于：所述光纤及温敏测点(2)选用聚酰亚胺涂覆或无涂覆的石英光纤或飞秒激光器刻制的Ⅱ型光纤及温敏测点阵列。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111311870A (zh) * | 2020-02-25 | 2020-06-19 | 中国矿业大学(北京) | 煤堆自燃监测方法及防控*** |
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2019
- 2019-05-20 CN CN201920728420.XU patent/CN209727306U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN111311870A (zh) * | 2020-02-25 | 2020-06-19 | 中国矿业大学(北京) | 煤堆自燃监测方法及防控*** |
| CN111311870B (zh) * | 2020-02-25 | 2021-06-22 | 中国矿业大学(北京) | 煤堆自燃监测方法及防控*** |
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