微距分布式光纖測(cè)溫傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于溫度傳感器范圍，特別涉及一種微距分布式光纖測(cè)溫傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]水利工程上常須澆筑大體積混凝土，內(nèi)部水化熱難以散發(fā)，導(dǎo)致溫度升高。常用冷卻水管，依靠水在管中蛇形移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混凝土降溫。冷卻水管附近存在溫降場(chǎng)，距水管近處溫度低，遠(yuǎn)處溫度高。通水速度的快慢，決定溫降場(chǎng)梯度的大小，太大會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫，太小會(huì)降低效率，達(dá)不到降溫的要求。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)垂直水管方向溫度梯度的測(cè)量。普通的溫度傳感器，其導(dǎo)線引線會(huì)破壞溫度場(chǎng)。布拉格光柵的測(cè)量距離只有幾十公分，測(cè)點(diǎn)不到十個(gè)，串聯(lián)使用，相鄰兩個(gè)布拉格光柵的間距受到限制。分布式光纖測(cè)溫，電子元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的時(shí)間間隔降低了空間精度，一米只有一個(gè)測(cè)點(diǎn)，無法反映溫度梯度的變化。
[0004]本發(fā)明基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，通過改良技術(shù)，提高空間分辨率。分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，以光纖為探測(cè)和傳播溫度信號(hào)的媒體，是一種分布式的、連續(xù)的、功能型光纖溫度傳感技術(shù)。激光脈沖在光纖中傳播，與光纖分子相互作用，發(fā)生多種形式的散射。利用拉曼散射，光能轉(zhuǎn)換成為熱振動(dòng)，將發(fā)出一個(gè)比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的光；熱振動(dòng)轉(zhuǎn)換成為光能，將發(fā)出一個(gè)比光源波長(zhǎng)短的光。波長(zhǎng)的偏移由光纖組成元素的固定屬性決定，因此拉曼散射光的強(qiáng)度與溫度有關(guān)，利用這此關(guān)系，實(shí)現(xiàn)光纖測(cè)溫。它不會(huì)破壞溫度場(chǎng)，測(cè)量長(zhǎng)度不受限制，可以測(cè)幾十公里范圍內(nèi)的溫度。缺點(diǎn)是空間分布率低，一米只能獲得一個(gè)溫度點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種微距分布式光纖測(cè)溫傳感器，其特征在于，
[0006]將光纖纏繞在芯棒上，使光纖測(cè)溫點(diǎn)距離在空間上密集，從而提高測(cè)量空間分辨率；包括:
[0007]I)傳感器尺寸確定
[0008](I)光纖測(cè)溫傳感器半徑的確定主要取決于光纖的彎曲曲率、激光脈沖強(qiáng)度的衰減，當(dāng)R/2a>50時(shí)光纖內(nèi)攜帶信息的激光脈沖強(qiáng)度會(huì)迅速衰減，其中R為光纖傳感器半徑，2a為光纖外徑；若使用光纖外徑2a為250um，故R>12.5mm ；
[0009](2)光纖測(cè)溫傳感器長(zhǎng)度取決于被測(cè)溫度場(chǎng)實(shí)際長(zhǎng)度，光纖測(cè)溫傳感器主要應(yīng)用于測(cè)量大體積混凝土內(nèi)部冷凝水管之間的溫度分布。一倉(cāng)混凝土高為2-3m，冷凝水管位于中央，傳感器放置垂直于冷凝水管，考慮到冷凝水管上下溫度的對(duì)稱性，傳感器只需Im左右，即可測(cè)量冷凝水管附近溫度的分布。
[0010]2)光纖測(cè)溫傳感器芯棒材料選擇，混凝土在澆筑時(shí)最高能夠達(dá)到的溫度約為500C，而溫度最低處為靠近冷凝管處，溫度為冷凝水的水溫5°C ;在5-50°C的溫度范圍內(nèi)，光纖測(cè)溫傳感器芯棒的材料應(yīng)能滿足下面要求:
[0011](I)表面光圓，使得纏繞均勻，保證空間精度；
[0012](2)熔點(diǎn)適宜，在使用時(shí)不會(huì)發(fā)生熔化或軟化；
[0013](3)熱脹冷縮現(xiàn)象不顯著，避免尺寸變化使光纖松弛或者將光纖繃斷；
[0014](4)導(dǎo)熱性差，不會(huì)顯著破壞原有溫度場(chǎng)，保證測(cè)得結(jié)果與混凝土內(nèi)部實(shí)際溫度的一致性；
[0015](5)比熱容小，以降低對(duì)溫度場(chǎng)的影響；
[0016]綜合考慮上述因素及成本后，選擇使用PVC管。
[0017]所述選擇使用PVC管的物理性質(zhì)如下:
[0018]無固定熔點(diǎn)，80?85°C開始軟化，130°C變?yōu)檎硰棏B(tài)，160?180°C開始轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)，開始軟化的溫度高于使用溫度，可以應(yīng)用；導(dǎo)熱率(λ)為0.16W/(m*K)。保溫材料一般是指導(dǎo)熱系數(shù)小于或等于0.2ff/(m.Κ)的材料，則PVC滿足保溫材料的條件，可以認(rèn)為在測(cè)量時(shí)間內(nèi)不會(huì)破壞溫度場(chǎng)；熱膨脹系數(shù)8Χ10_5/Κ，熱脹冷縮認(rèn)為可以忽略；熱容(c)0.9kJ/(kg.K)，對(duì)溫度場(chǎng)影響認(rèn)為可以忽略。
[0019]所述光纖纏繞在芯棒上，標(biāo)定實(shí)際測(cè)量的均勻區(qū)，其兩端應(yīng)該設(shè)置不均勻區(qū)。
[0020]本發(fā)明的有益效果是以分布式光纖測(cè)溫技術(shù)為基礎(chǔ)，研制出既不破壞溫度場(chǎng)，又能測(cè)出密集溫度點(diǎn)的微距分布式光纖測(cè)溫傳感器，可將空間分辨率提高到兩毫米獲得一個(gè)溫度點(diǎn)，將空間分辨率提高四百倍以上。
【附圖說明】
[0021]圖1為光纖測(cè)溫傳感器模型示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明提供一種微距分布式光纖測(cè)溫傳感器，下面結(jié)合附圖予以說明。
[0023]圖1所示為光纖測(cè)溫傳感器模型示意圖。圖中，光纖測(cè)溫傳感器是將光纖纏繞在芯棒上而成，因纏繞工藝的原因，在光纖區(qū)兩端有小小的不均勻區(qū)，并在均勻區(qū)標(biāo)定零點(diǎn)和終點(diǎn)，該兩點(diǎn)之間即為實(shí)際的光纖測(cè)溫區(qū)；光纖測(cè)溫傳感器使光纖測(cè)溫點(diǎn)距離在空間上密集，從而提高測(cè)量空間分辨率；包括:
[0024]I)傳感器尺寸確定
[0025](I)光纖傳感器半徑的確定主要取決于光纖的彎曲曲率、激光脈沖強(qiáng)度的衰減，當(dāng)R/2a>50時(shí)光纖內(nèi)攜帶信息的激光脈沖強(qiáng)度會(huì)迅速衰減，其中R為光纖傳感器半徑，2a為光纖外徑；若使用光纖外徑2a為250um，故R>12.5mm ;如使用光纖型號(hào)為50/125，石英光纖的最小彎曲半徑為20mm，因此光纖芯棒的半徑應(yīng)大于20mm，實(shí)際使用的芯棒為直徑40mm的PVC管；光纖纏繞的芯棒上，標(biāo)定實(shí)際測(cè)量的均勻區(qū)。
[0026](2)光纖測(cè)溫傳感器長(zhǎng)度取決于被測(cè)溫度場(chǎng)實(shí)際長(zhǎng)度，光纖測(cè)溫傳感器主要應(yīng)用于測(cè)量大體積混凝土內(nèi)部冷凝水管之間的溫度分布。一倉(cāng)混凝土高為2-3m，冷凝水管位于中央，傳感器放置垂直于冷凝水管，考慮到冷凝水管上下溫度的對(duì)稱性，傳感器只需Im左右，即可測(cè)量冷凝水管附近溫度的分布。
[0027]2)芯棒材料選擇，混凝土在饒筑時(shí)最高能夠達(dá)到的溫度約為50°C，而溫度最低處為靠近冷凝管處，溫度為冷凝水的水溫5°C ;在5_50°C的溫度范圍內(nèi)，傳感器芯棒的材料應(yīng)能滿足下面要求:
[0028](I)表面光圓，使得纏繞均勻，保證空間精度；
[0029](2)熔點(diǎn)適宜，在使用時(shí)不會(huì)發(fā)生熔化或軟化；
[0030](3)熱脹冷縮現(xiàn)象不顯著，避免尺寸變化使光纖松弛或者將光纖繃斷；
[0031](4)導(dǎo)熱性差，不會(huì)顯著破壞原有溫度場(chǎng)，保證測(cè)得結(jié)果與混凝土內(nèi)部實(shí)際溫度的一致性；
[0032](5)比熱容小，以降低對(duì)溫度場(chǎng)的影響；
[0033]綜合考慮上述因素及成本后，選擇使用PVC管。
[0034]所述選擇使用PVC管的物理性質(zhì)如下:
[0035]無固定熔點(diǎn)，80?85°C開始軟化，130°C變?yōu)檎硰棏B(tài)，160?180°C開始轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)，開始軟化的溫度高于使用溫度，可以應(yīng)用；導(dǎo)熱率(λ)為0.16W/(m*K)。保溫材料一般是指導(dǎo)熱系數(shù)小于或等于0.2ff/(m.Κ)的材料，則PVC滿足保溫材料的條件，可以認(rèn)為在測(cè)量時(shí)間內(nèi)不會(huì)破壞溫度場(chǎng)；熱膨脹系數(shù)8Χ10_5/Κ，熱脹冷縮認(rèn)為可以忽略；熱容(c)0.9kJ/(kg.K)，對(duì)溫度場(chǎng)影響認(rèn)為可以忽略。
[0036]綜上所述，現(xiàn)有光纖測(cè)溫技術(shù)的精度大約在Im左右得到一個(gè)測(cè)距點(diǎn)；測(cè)溫空間分辨率達(dá)到3_。本發(fā)明以分布式光纖測(cè)溫技術(shù)為基礎(chǔ)，研制出既不破壞溫度場(chǎng)，又能測(cè)出密集溫度點(diǎn)的微距分布式光纖測(cè)溫傳感器，可將空間分辨率提高到兩毫米獲得一個(gè)溫度點(diǎn)，將空間分辨率提高四百倍以上。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微距分布式光纖測(cè)溫傳感器，其特征在于，將光纖纏繞在芯棒上，使光纖測(cè)溫點(diǎn)距離在空間上密集，從而提高測(cè)量空間分辨率；包括: 1)傳感器尺寸確定 (1)光纖傳感器半徑的確定主要取決于光纖的彎曲曲率、激光脈沖強(qiáng)度的衰減，當(dāng)R/2a>50時(shí)光纖內(nèi)攜帶信息的激光脈沖強(qiáng)度會(huì)迅速衰減，其中R為光纖傳感器半徑，2a為光纖外徑；若使用光纖外徑2a為250um，故R>12.5mm ； (2)光纖傳感器長(zhǎng)度取決于被測(cè)溫度場(chǎng)實(shí)際長(zhǎng)度，光纖傳感器主要應(yīng)用于測(cè)量大體積混凝土內(nèi)部冷凝水管之間的溫度分布；一倉(cāng)混凝土高為2-3m，冷凝管位于中央，傳感器放置垂直于冷凝水管，考慮到冷凝水管上下溫度的對(duì)稱性，傳感器只需Im左右，即可測(cè)量冷凝水管附近溫度的分布； 2)芯棒材料選擇，混凝土在澆筑時(shí)最高能夠達(dá)到的溫度約為50°C，而溫度最低處為靠近冷凝管處，溫度為冷凝水的水溫5°C ;在5-50°C的溫度范圍內(nèi)，傳感器芯棒的材料應(yīng)能滿足下面要求: (1)表面光圓，使得纏繞均勻，保證空間精度； (2)熔點(diǎn)適宜，在使用時(shí)不會(huì)發(fā)生熔化或軟化； (3)熱脹冷縮現(xiàn)象不顯著，避免尺寸變化使光纖松弛或者將光纖繃斷； (4)導(dǎo)熱性差，不會(huì)顯著破壞原有溫度場(chǎng)，保證測(cè)得結(jié)果與混凝土內(nèi)部實(shí)際溫度的一致性； (5)比熱容小，以降低對(duì)溫度場(chǎng)的影響； 綜合考慮上述因素及成本后，選擇使用PVC管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種微距分布式光纖測(cè)溫傳感器，其特征在于，所述光纖纏繞在芯棒上，標(biāo)定實(shí)際測(cè)量的均勻區(qū)，其兩端為不均勻區(qū)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于溫度傳感器范圍的一種微距分布式光纖測(cè)溫傳感器。該光纖測(cè)溫傳感器是將光纖纏繞在芯棒上造成，包括傳感器尺寸確定和芯棒材料選擇。本發(fā)明是以分布式光纖測(cè)溫技術(shù)為基礎(chǔ)，研制出既不破壞溫度場(chǎng)，又能測(cè)出密集溫度點(diǎn)的微距分布式光纖測(cè)溫傳感器，可將空間分辨率提高到兩毫米獲得一個(gè)溫度點(diǎn)，將空間分辨率提高四百倍以上。
【IPC分類】G01K11-32
【公開號(hào)】CN104776934
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510171274
【發(fā)明人】段云嶺, 馮金銘, 侯時(shí)雨, 溫佳琦, 徐冰, 王儀心, 劉千惠
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年4月10日