氣象用高靈敏度溫度傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及傳感器領域，特別是涉及一種氣象用高靈敏度溫度傳感器。
【背景技術】
[0002] 溫度是氣象中重要的測試要素之一。氣象測溫是一個特殊的領域，對溫度測量精 度要求高，因此，測溫元件應具有較高的靈敏度，對氣象環境中的高速流體的測量有較高的 可靠性和適應性，而且要求體積小、重量輕，用電池供電時功耗較低。因此，測溫元件的選型 和對測試方法的研究十分重要。
[0003] 目前氣象測溫常用的是地面百葉箱里安裝鉑電阻溫度傳感器，鉑電阻傳感器的具 體應用方式是：根據溫度不同電阻不同，將鉑電阻接入電路中，通過觀察電流的變化就可以 知道電阻的變化。在把不同溫度下的電流都記錄下來，繪出溫度-電阻圖，就可以在知道電 阻的情況下，推測出溫度的數值。但這種應用鉑電阻傳感器存在的缺點是：鉬電阻傳感器用 于氣象測溫容易受電磁干擾而影響測量精度。 【實用新型內容】
[0004] 基于上述現有技術所存在的問題，本實用新型提供一種氣象用高靈敏度溫度傳感 器，能抗電磁干擾，測溫準確，解決傳統氣象用鉑電阻傳感器測溫電磁干擾導致測溫不準確 的問題。
[0005] 為解決上述技術問題，本實用新型提供一種氣象用高靈敏度溫度傳感器，包括：
[0006] 金屬基體、光纖光柵和金屬管；
[0007] 所述光纖光柵封裝在所述金屬基體上，與所述金屬基體固定為一體結構，所述光 纖光柵一端從所述金屬基體一端伸出作為尾纖；
[0008] 封裝所述光纖光柵的所述金屬基體設在所述金屬管內，所述尾纖從所述金屬管一 端伸出。
[0009] 本實用新型的有益效果為：通過將光纖光柵封裝于金屬基體并設在金屬管內形 成溫度傳感器，光纖光柵能抗電磁干擾，能避免電磁干擾導致的測溫不準確，而金屬基體能 對光纖光柵有效增敏，提升測溫準確性，該溫度傳感器靈敏度較高、測量準確、響應快、成本 低，可用于氣象測量溫度，解決了傳統氣象用鉑電阻溫度傳感器測溫的電磁干擾導致測溫 不準確的問題。
【附圖說明】
[0010] 為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要 使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施 例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖 獲得其他附圖。
[0011] 圖1為本實用新型實施例的傳感器的結構示意圖；
[0012] 圖2為本實用新型實施例的金屬基體與光纖光柵封裝結構示意圖；
[0013] 圖3為本實用新型實施例的計算光纖光柵溫度傳感器靈敏度的溫度波長-曲線 圖；
[0014] 圖4為本實用新型實施例的光纖光柵溫度傳感器準確性實驗圖；
[0015] 圖5為本實用新型實施例的三種不同材質金屬基體分別封裝光纖光柵制成度溫 度傳感器的瞬態響應速度圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實 施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型的實施例，本 領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用 新型的保護范圍。
[0017] 如圖1所示，本實用新型實施例提供一種氣象用高靈敏度溫度傳感器，能用于氣 象測溫，抗電磁干擾，測溫準確，該傳感器包括：
[0018] 金屬基體1、光纖光柵2和金屬管3 ;其中，光纖光柵2封裝在所述金屬基體1上， 與金屬基體1固定為一體結構，光纖光柵2 -端從金屬基體1 一端伸出作為尾纖21 ;
[0019] 封裝光纖光柵2的金屬基體1設在金屬管3內，光纖光柵2的尾纖21從金屬管3 一端伸出。
[0020] 上述傳感器中，金屬基體1為長條板體結構（如圖2所示），其表面設置凹槽11， 光纖光柵2封裝在凹槽11內，光纖光柵2通過一種環氧樹脂粘合劑封裝在金屬基體1表面 的凹槽內。金屬基體1為銅基體、不銹鋼基體或3J53彈性合金基體，優選采用銅基體，具有 更好的增敏效果。
[0021] 上述傳感器中，金屬管采用不銹鋼管，金屬管內壁涂覆有涂覆軟膠層，金屬管起到 對封裝有光纖光柵2的金屬基體1的防護作用，軟膠層起到導熱防震的作用。
[0022] 上述傳感器中，光纖光柵的尾纖通過穿松套及鎧裝光纜設在金屬管一端外部，并 與跳線連接。。
[0023] 下面結合具體實施例對本實用新型的傳感器作進一步說明。
[0024] 由光纖光柵溫度傳感機理可知，在沒有增敏條件下的裸光纖光柵溫度傳感器的靈 敏度只有〇. 〇l〇nm/°C，在測量范圍為0~100°C時，傳感器的波長變化為僅為lnm，無法滿足 氣象溫度測量高靈敏度的要求，而本實施例提供的用于氣象的高靈敏度光纖光柵溫度傳感 器，通過金屬基體封裝成溫度傳感器，對光纖光柵有效增敏，提高其溫度靈敏度，不但增敏 能力更高，而且成本低廉、抗電磁干擾。
[0025] 根據光纖光柵的溫度傳感機理，可確定通過金屬基體的增敏效果，具體如下：
[0026] 光纖光柵的溫度傳感特性是由光纖光柵的熱光效應和熱膨脹效應引起的，熱光效 應引起光纖光柵的有效折射率的變化，而熱膨脹效應引起光柵的柵格周期變化。當其所處 的溫度場變化時，溫度與光纖光柵Bragg波長變化的關系為：
[0027] ^~ ^ Cl)
[0028] 式（1)中，a為光纖的熱膨脹系數，主要引起柵格的周期的變化，通常，取a =5. 5χ10-7Κ-1;ξ為光纖的熱光系數，主要引起光纖的折射率的變化，一般取ξ = 7· 00χ10-6Κ-1 ; Δ T為溫度變化量。如果光纖光柵的Bragg波長λ B取1525~1565nm的 C波段時，由式（1)可以計算出光纖光柵的溫度靈敏度為0.0115~0.0118nm/°C，一般取 0. 01nm/°C。
[0029] 如圖3所示，在作為金屬基體的金屬銅片表面粘貼光纖光柵，裸光纖光柵用環氧 樹脂膠固定在金屬基體上，當溫度變化時，通過金屬基體的熱膨脹來增大封裝光柵的線性 熱膨脹，從而增大光纖光柵的溫度靈敏度。
[0030] 增敏后的光纖光柵的總Bragg波長變化為：
[0032] 式⑵中，&1為金屬基體的熱膨脹系數；a為Bragg光纖光柵的熱膨脹系數，式（2) 與式（1)相比多了 [0.784(ai-a) ΔΤ]項，這就是由于金屬基體增敏作用的結果。采用熱膨 脹系數為銅的金屬基體，其熱膨脹系數為17. 5xl〇-6K-l，則增敏后的溫度傳感器的靈敏度 為0. 03nm/°C，是裸光柵靈敏度的3倍。
[0033] 標定方式如下：
[0034] 如圖1所示，將封裝有光纖光柵的金屬基體放置在一個直徑為6_的不銹鋼管內， 管內涂覆軟膠，尾纖穿松套及鎧裝光纜接跳線，制成溫度傳感器。將該溫度傳感器放置在 標準恒溫箱中進行高低溫測試，溫度標定范圍設置為_50°C~+80°C，每KTC記錄一個波長 值。繪制溫度-波長曲線如圖3所示，圖3中分析計算出光纖光柵溫度傳感器的靈敏度為 0· 032 lnm/cC 〇
[0035] 將本實用新型的傳感器與準確度為0.001°C熱電偶阻輸出對比實驗，結果如圖4 所示，分析該對比數據，得出結論：與準確度為o.oorc熱電偶阻輸出對比實驗，本實用新 型的光纖光柵溫度傳感器的準確性可達±0. l°c。
[0036] 瞬態響應測試：將銅、不銹鋼、3J53彈性合金三種不同材質的金屬基體分別封裝 光纖光柵制作成高靈敏度溫度傳感器。將室溫下的三只溫度傳感器一同放置在溫度為55 度的溫箱里，每間隔1秒記錄一個波長值，繪制瞬態響應曲線。從圖5中可以看到，基體為 銅的溫度傳感器升溫瞬態響應快于其他兩個最先達到穩定溫度值。
[0037] 本實用新型光纖光柵溫度傳感器，通過金屬基體對光纖光柵有效增敏，且具有抗 電磁干擾特性，靈敏度較高、測量準確、響應快、成本低，可用于氣象測量溫度，很好的解決 現有氣象用溫度傳感器因電磁干擾導致測量不準確的問題。
[0038] 以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型披露的技術范圍內，可輕易想到 的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應該 以權利要求書的保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種氣象用高靈敏度溫度傳感器，其特征在于，包括： 金屬基體、光纖光柵和金屬管； 所述光纖光柵封裝在所述金屬基體上，與所述金屬基體固定為一體結構，所述光纖光 柵一端從所述金屬基體一端伸出作為尾纖； 封裝所述光纖光柵的所述金屬基體設在所述金屬管內，所述尾纖從所述金屬管一端伸 出。2. 根據權利要求1所述的氣象用高靈敏度溫度傳感器，其特征在于，所述金屬基體為 長條板體結構。3. 根據權利要求2所述的氣象用高靈敏度溫度傳感器，其特征在于，所述金屬基體表 面設有封裝所述光纖光柵的凹槽。4. 根據權利要求1至3任一項所述的氣象用高靈敏度溫度傳感器，其特征在于，所述金 屬基體為銅基體、不銹鋼基體或3J53彈性合金基體。5. 根據權利要求1至3任一項所述的氣象用高靈敏度溫度傳感器，其特征在于，所述光 纖光柵通過一種環氧樹脂粘合劑封裝在所述金屬基體上。6. 根據權利要求1至3任一項所述的氣象用高靈敏度溫度傳感器，其特征在于，所述金 屬管采用不銹鋼管，金屬管內壁涂覆有涂覆軟膠層。7. 根據權利要求1至3任一項所述的氣象用高靈敏度溫度傳感器，其特征在于，所述光 纖光柵的尾纖通過穿松套及鎧裝光纜設在所述金屬管一端外部，并與跳線連接。
【專利摘要】本實用新型公開了一種氣象用高靈敏度溫度傳感器，包括：金屬基體、光纖光柵和金屬管；光纖光柵封裝在金屬基體上，與金屬基體固定為一體結構，光纖光柵一端從金屬基體一端伸出作為尾纖；封裝光纖光柵的金屬基體設在金屬管內，尾纖從金屬管一端伸出。該溫度傳感器通過金屬基體對光纖光柵有效增敏，且具有抗電磁干擾特性，靈敏度較高、測量準確、響應快、成本低，可用于氣象測量溫度，很好的解決現有氣象用溫度傳感器因電磁干擾導致測量不準確的問題。
【IPC分類】G01K11/32
【公開號】CN204831618
【申請號】CN201520532551
【發明人】董俊偉, 葉曉平, 孟凡勇, 申曉換
【申請人】北京品傲光電科技有限公司
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年7月21日