用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器及其设计方法与流程

1.本发明涉及传感器领域，具体涉及一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器及其设计方法。


背景技术：

2.光纤光栅传感器具有结构简单、体积小、抗电磁干扰以及复用性好等优势，可以广泛应用于航空航天、土木健康监测和石油工程等恶劣工作环境。
3.常规石英光纤的热膨胀系数较小，而金属的热膨胀系数是石英光纤的几十倍，若用光纤光栅直接测量金属的热膨胀率，在高温情况下，光纤光栅易达到伸长极限发生断裂，无法继续工作，因此，研究一种宽温区高温热膨胀传感器，实现待测对象的宽温区高温热膨胀率的测量，意义重大。
4.因此，需要提供一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器及其设计方法以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器及其设计方法，通过膨胀转换臂对待测对象在膨胀过程中产生的应变进行减敏，使得热膨胀过程产生的应变变小，然后再利用光纤光栅进行热膨胀率进行测量，以解决现有的高温情况下，光纤光栅直接测量金属的热膨胀率，光纤光栅易达到伸长极限发生断裂的问题。
6.本发明的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器采用如下技术方案：包括：
7.膨胀转换结构，其设置在待测对象的宽温区；
8.膨胀转换结构包括两个膨胀转换臂，每个膨胀转换臂包括两个l型件，l型件为金属材料，每个所述膨胀转换臂中两个l型件的长臂的端部连接、两个l型件的短臂垂直，且每个膨胀转换臂的其中一个短臂的端部与宽温区连接、另一个短臂的端部为自由端；其中，两个膨胀转换臂关于宽温区中心对称设置，且两个膨胀转换臂的自由端，均位于两个膨胀转换臂相靠近的一面；
9.以及光纤光栅，其连接两个膨胀转换臂的自由端对应的短臂顶部；
10.其中，膨胀转换臂用于将待测对象的宽温区产生的热膨胀进行减敏后传递给光纤光栅。
11.优选的，根据待测对象的宽温区的温度，选取膨胀转换臂的两个l型件的材料，其中同一个l型件的材料相同。
12.优选的，每个膨胀转换臂上的两个l型件的材料的热膨胀系数不同。
13.优选的，光纤光栅与其中一个膨胀转换臂的自由端对应的短臂顶部连接的延伸端连接有跳线，跳线用于和调解仪连接。
14.优选的，两个膨胀转换臂的自由端对应的短臂之间距离小于5mm。
15.一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器的设计方法，包括：
16.根据待测对象的宽温区的温度，获取膨胀转换臂的两个l型件的材料；
17.根据所用的光纤光栅的最大可承受应变值以及待测对象的在高温下产生的最大应变值，获取传感器的最大减敏系数；
18.根据两个l型件的材料的热膨胀系数、传感器的最大减敏系数、待测对象的有效长度以及待测对象的热膨胀系数，获取膨胀转换臂中相连接的两个长臂中每个长臂的长度；
19.根据膨胀转换臂的两个长臂的长度，获取膨胀转换结构；
20.将膨胀转换结构的两个膨胀转换臂的l型件与待测对象的宽温区固定，在两个膨胀转换臂的自由端对应的短臂上连接光纤光栅，得到光纤光栅传感器。
21.优选的，将相变温度大于待测对象的宽温区的温度的金属材料作为两个l型件的材料。
22.优选的，将待测对象的在高温下的长度改变量与待测对象的有效长度的比值，作为待测对象的在高温下产生的最大应变值。
23.优选的，将光纤光栅最大可承受应变值与待测对象的在高温下产生的最大应变值的比值，作为传感器的最大减敏系数。
24.优选的，获取膨胀转换臂中相连接的两个长臂中每个长臂的长度的步骤，包括：
[0025][0026]
式中，α表示膨胀转换臂的其中一个l型件的材料的热膨胀系数；
[0027]
β表示膨胀转换臂的另一个l型件的材料的热膨胀系数；
[0028]
a表示膨胀转换臂中相连接的两个长臂中其中一个长臂的长度；
[0029]
b表示膨胀转换臂中相连接的两个长臂中另一个长臂的长度；
[0030]kmax
表示传感器的最大减敏系数；
[0031]
l表示待测对象的有效长度；
[0032]
γ表示待测对象的热膨胀系数。
[0033]
本发明的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器及其设计方法的有益效果是：
[0034]
1、通过膨胀转换臂来传递热膨胀时产生的应变，即由于膨胀转换臂的长臂为金属材料，且金属材料的热膨胀系数远大于光纤光栅，故在对待测对象的热膨胀率测量过程中，先通过膨胀转换臂对待测对象在膨胀过程中产生的应变进行减敏，使得热膨胀过程产生的应变变小，然后在利用光纤光栅进行热膨胀率进行测量，从而保证光纤光栅受到的应变处于光纤光栅的安全应变范围，即保证了光纤光栅的安全。
[0035]
2、通过将每个膨胀转换臂通过两个l型件连接而成，即通过将l型件一端与测温区固定，来传递测温区的热膨胀产生的力，然后，通过两个l型件连接并形成一个自由端，在两个自由端对应的l型件的短臂顶部连接光纤光栅，使得膨胀转换臂在受到热膨胀力时自由端能沿光纤光栅长度方向发生形变，从而将测温区的热膨胀传递到光栅光纤，进而实现对测温区的热膨胀率的测量。
[0036]
3、其次，通过利用不同膨胀系数的两个l型件材料来设计膨胀转化臂，同一个膨胀转化臂上不同的l型件使用的材料不同，即不同的l型件对应的膨胀系数不同，，从而根据膨
胀原理，使得在保证传感器的光纤光栅在安全应变范围内的前提下，传感器的结构紧凑，体积更小。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1为本发明的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器的总体结构示意图；
[0039]
图2为本发明的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器的设计方法的实施例中不同材料的两个l型件与光纤光栅产生的应变关系曲线；
[0040]
图3为本发明的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器的设计方法的实施例中传感器尺寸计算时的结构示意图。
[0041]
图中：1、光纤光栅；2、膨胀转换臂；21、第一l型件；22、第二l型件。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
本发明的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器及其设计方法的实施例，如图1所示，包括：膨胀转换结构和光纤光栅1，具体的，膨胀转换结构设置在待测对象的宽温区，其中，膨胀转换结构包括两个膨胀转换臂，每个膨胀转换臂包括两个l型件，l型件为金属材料，每个膨胀转换臂2的两个l型件的长臂的端部连接，每个膨胀转换臂中的两个l型件的短臂垂直，且每个膨胀转换臂的其中一个短臂的端部与宽温区连接，另一个短臂的端部为自由端；其中，两个膨胀转换臂关于宽温区中心对称设置，且两个膨胀转换臂的自由端，均位于两个膨胀转换臂相靠近的一面，且其中一个膨胀转换臂2的第一l型件21自由端的端面与另一个膨胀转换臂2的长臂侧面之间有间距；其中，光纤光栅1连接两个膨胀转换臂的自由端对应的短臂顶部；膨胀转换臂用于将待测对象的宽温区产生的热膨胀进行减敏后传递给光纤光栅。
[0044]
具体的，每个l型件包括一个长臂和一个短臂，本实施例长臂的截面为矩形，每两个l型件的长臂连接构成一个膨胀转换臂2，具体的，如图1所示，两个l型件为第一l型件21和第二l型件22，第二l型件22的短臂的端部与宽温区固定连接，且第二l型件22的长臂与第一l型件21的长臂的端部连接构成一个膨胀转换臂2，每个膨胀转换臂中的两个l型件的短臂垂直，即同一个膨胀转换臂2的第一l型件21的自由端对应的短臂与第二l型件22与宽温区固定的短臂垂直；具体的，光纤光栅1的一端与其中一个膨胀转换臂2中的自由端对应的短臂顶部连接，光纤光栅1的另一端与另一个膨胀转换臂2中的自由端对应的短臂的顶部连接。
[0045]
具体的，根据待测对象的宽温区的温度，选取膨胀转换臂的两个l型件的材料，其中同一个l型件的材料相同。
[0046]
具体的，为了使得传感器的结构紧凑，同一个膨胀转换臂的两个l型件的材料的热膨胀系数不同。
[0047]
具体的，光纤光栅与其中一个膨胀转换臂的自由端对应的短臂顶部连接的延伸端连接有跳线，跳线用于和调解仪连接。
[0048]
具体的，为了使得传感器的结构紧凑，本实施例中两个膨胀转换臂的自由端对应的短臂之间距离小于5mm。
[0049]
工作原理
[0050]
在进行待测对象(高弹柔性材料的板材)的高温热膨胀率测量时，将本发明的传感器安装于待测对象上，即本发明的传感器的膨胀转换结构中的每个膨胀转换臂的其中一个短臂与待测对象的测温区固定，传感器的光纤光栅通过跳线与解调仪进行连接，高温环境中，待测对象的高膨胀率通过膨胀转换臂的减敏作用，转换至光纤光栅的安全应变范围，通过解调仪监测光纤光栅的中心波长漂移量，从而得知待测对象的高温热膨胀率。
[0051]
本发明的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器的设计方法，包括：根据待测对象的宽温区的温度，获取膨胀转换臂的两个l型件的材料；根据所用的光纤光栅的最大可承受应变值以及待测对象的在高温下产生的最大应变值，获取传感器的最大减敏系数；根据两个l型件的材料的热膨胀系数、传感器的最大减敏系数、待测对象的有效长度以及待测对象的热膨胀系数，获取膨胀转换臂中相连接的两个长臂中每个长臂的长度；根据膨胀转换臂的两个长臂的长度，获取膨胀转换结构；将膨胀转换结构的两个膨胀转换臂的l型件与待测对象的宽温区固定，在两个膨胀转换臂的自由端对应的短臂上连接光纤光栅，得到光纤光栅传感器。
[0052]
具体的，在保证传感器的光纤光栅在安全应变范围内的前提下，减小传感器的体积，本实施例中获取膨胀转换臂的两个l型件的材料，具体包括：将相变温度大于待测对象的宽温区的温度的金属材料作为两个l型件的材料。
[0053]
其中，在待测对象温度升高时，如图3所示，待测对象热膨胀带动膨胀转换臂使a、b两点间距减小时，本实施例设距离减小量为δl1，转换臂本身发生热膨胀使a、b两点间距增大时，设距离增大量为δl2，通过改变第一l型件21的的材料和长度和第二l型件22的长臂的材料和长度，平衡δl1和δl2，实现待测对象的宽温区高温热膨胀率的测量，即δl1与δl2的长度差即为光纤光栅产生的应变量，光纤光栅产生的应变量关系表示为：
[0054]
δl
2-δl1＝lε
[0055]
式中，δl1为本实施例的中待测对象热膨胀带动膨胀转换臂使a、b两点间距离减小量；
[0056]
δl2为本实施例的中待测对象热膨胀带动膨胀转换臂使a、b两点间距离增加量；
[0057]
l为光纤光栅的两个固定点a、b之间的距离；
[0058]
ε为光纤光栅上的安全应变值。
[0059]
基于光纤光栅产生的应变量关系，在本实施例的传感器安装于待测对象上后，在高温环境下膨胀转换臂的长臂的材料发生热膨胀，根据热膨胀原理，热膨胀达到稳态后的关系式为：
[0060]
2aαδt+2bβδt-lγδt＝[2(a+b)-l]ε
[0061]
式中，α为第一l型件的热膨胀系数；
[0062]
β为第二l型件的热膨胀系数；
[0063]
δt为测量过程中温度的变化量；
[0064]
b为第二l型件上的长臂的长度；
[0065]
a为第一l型件上的长臂的长度；
[0066]
γ为待测对象的热膨胀系数；
[0067]
l待测对象的有效长度；
[0068]
ε为光纤光栅上的安全应变值；
[0069]
需要说明的是，在热膨胀达到稳态后的关系式中，选择两种不同热膨胀系数的材料分别制作第一l型件和第二l型件，通过第一l型件和第二l型件相连接的两个长臂的长度，可以将待测对象的高热膨胀率通过膨胀转换臂的减敏作用进行减敏，从而转换至光纤安全应变范围，进而实现光纤光栅对待测对象的高热膨胀率进行测量。
[0070]
具体的，本实施例进行举例说明，在膨胀转换臂的第一l型件21选择热膨胀系数为α的材料，膨胀转换臂的第二l型件22选择热膨胀系数为β的材料，(需要说明的是，材料不同其对应的热膨胀系数不同)且热膨胀系数β为热膨胀系数α的2.3倍时，第二l型件22上长臂的长度b与光纤光栅产生的应变关系曲线如图2所示，横轴为第二l型件22上长臂的长度b，纵轴为光纤光栅产生的应变量，选取的第一l型件21的长臂的长度a分别为10mm、15mm和20mm时，不同第二l型件22上长臂的长度b下，光纤光栅产生的应变量从10000με到-30000με不等，但第二l型件22的长臂在某一特定长度下，光纤光栅产生的应变量接近为0时，说明减敏效果好，因此，选择减敏系数小于传感器最大减敏系数k
max
时的第二l型件22的长臂长度，可以将待测对象的高膨胀率通过膨胀转换臂的减敏作用，转换至光纤的安全应变范围，从而实现光纤光栅对高热膨胀率的可靠测量，且热膨胀系数β为热膨胀系数α的2.3倍时，光纤光栅产生的应变量是相同的，即此传感器的高温应变测量结果不受第二l型件22和第一l型件21安装位置的影响，利用本实施得到的传感器总长度为30mm，而第二l型件22和第一l型件21选用相同材料时，将两个l型件对应的热膨胀系数对应的带入热膨胀达到稳态后的关系式，计算得到传感器的长度(即待测对象的有效长度l)为70mm其尺寸结构小，利用相同材料来制作传感器时，带入两个l型件对应的长臂的长度的计算公式，计算得到传感器总长度为70mm，因此，采用不同材料制作第一l型件21和第二l型件22，其对应得到的传感器长度更小，即得到的传感器的尺寸更紧凑，体积更小。
[0071]
具体的，将待测对象的在高温下的长度改变量与待测对象的有效长度的比值，作为待测对象的在高温下产生的最大应变值，即计算待测对象的在高温下产生的最大应变值的公式为：
[0072][0073]
式中，k
max
表示传感器的最大减敏系数；
[0074]
ε
max
表示光纤光栅最大可承受应变值；
[0075]
ε
0max
表示待测对象的在高温下产生的最大应变值；
[0076]
l表示待测对象的有效长度；
[0077]
δl表示待测对象的在高温下的长度改变量。
[0078]
具体的，将光纤光栅最大可承受应变值与待测对象的在高温下产生的最大应变值的比值，作为传感器的最大减敏系数。
[0079]
获取膨胀转换臂中相连接的两个长臂中每个长臂的长度，包括：如图3所示，即可得到两个长臂的长度的计算公式：
[0080][0081]
式中，α表示膨胀转换臂的其中一个l型件的材料的热膨胀系数；
[0082]
β表示膨胀转换臂的另一个l型件的材料的热膨胀系数；
[0083]
a表示膨胀转换臂的两个l型件相连接的其中一个长臂的长度，需要说明的是，将光
[0084]
纤光栅连接于第一l型件21上，所以a一般要大于2mm；
[0085]
b表示膨胀转换臂的两个l型件相连接的另一个长臂的长度；
[0086]kmax
表示传感器的最大减敏系数；
[0087]
l待测对象的有效长度；
[0088]
γ表示待测对象的热膨胀系数。
[0089]
综上所述，本发明实施例提供的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器及其设计方法，通过膨胀转换臂来传递热膨胀时产生的应变，即由于膨胀转换臂的长臂为金属材料，且金属材料的热膨胀系数远大于光纤光栅，故在对待测对象的热膨胀率测量过程中，先通过膨胀转换臂对待测对象在膨胀过程中产生的应变进行减敏，使得热膨胀过程产生的应变变小，然后在利用光纤光栅进行热膨胀率进行测量，从而保证光纤光栅受到的应变处于光纤光栅的安全应变范围，即保证了光纤光栅的安全；通过将每个膨胀转换臂通过两个l型件连接而成，即通过将l型件一端与测温区固定，来传递测温区的热膨胀产生的力，然后，通过两个l型件连接并形成一个自由端，在两个自由端对应的l型件的短臂顶部连接光纤光栅，使得膨胀转换臂在受到热膨胀力时自由端能沿光纤光栅长度方向发生形变，从而将测温区的热膨胀传递到光栅光纤，进而实现对测温区的热膨胀率的测量；其次，通过利用不同膨胀系数的两个l型件材料来设计膨胀转化臂，同一个膨胀转化臂上不同的l型件使用的材料不同，即不同的l型件对应的膨胀系数不同，从而根据膨胀原理，使得在保证传感器的光纤光栅在安全应变范围内的前提下，传感器的结构紧凑，体积更小。
[0090]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器，其特征在于，包括：膨胀转换结构，其设置在待测对象的宽温区；所述膨胀转换结构包括两个膨胀转换臂，每个所述膨胀转换臂包括两个l型件，所述l型件为金属材料，每个所述膨胀转换臂中两个l型件的长臂的端部连接、两个l型件的短臂垂直，且每个所述膨胀转换臂的其中一个短臂的端部与所述宽温区连接，另一个短臂的端部为自由端；其中，两个所述膨胀转换臂关于所述宽温区中心对称设置，且两个所述膨胀转换臂的自由端，均位于两个所述膨胀转换臂相靠近的一面；以及光纤光栅，其连接两个所述膨胀转换臂的自由端对应的短臂顶部；其中，膨胀转换臂用于将待测对象的宽温区产生的热膨胀进行减敏后传递给光纤光栅。2.根据权利要求1所述的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器，其特征在于，根据所述待测对象的宽温区的温度，选取所述膨胀转换臂的两个l型件的材料，其中同一个l型件的材料相同。3.根据权利要求2所述的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器，其特征在于，每个所述膨胀转换臂上的两个l型件的材料的热膨胀系数不同。4.根据权利要求1所述的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅与其中一个膨胀转换臂的自由端对应的短臂顶部连接的延伸端连接有跳线，所述跳线用于和调解仪连接。5.根据权利要求1所述的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器，其特征在于，两个所述膨胀转换臂的自由端对应的短臂之间距离小于5mm。6.一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器的设计方法，其特征在于，包括：根据待测对象的宽温区的温度，获取膨胀转换臂的两个l型件的材料；根据所用的光纤光栅的最大可承受应变值以及待测对象的在高温下产生的最大应变值，获取传感器的最大减敏系数；根据两个l型件的材料的热膨胀系数、传感器的最大减敏系数、待测对象的有效长度以及待测对象的热膨胀系数，获取膨胀转换臂中相连接的两个长臂中每个长臂的长度；根据膨胀转换臂的两个长臂的长度，获取膨胀转换结构；将膨胀转换结构的两个膨胀转换臂的l型件与待测对象的宽温区固定，在两个膨胀转换臂的自由端对应的短臂上连接光纤光栅，得到光纤光栅传感器。7.根据权利要求6所述的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器的设计方法，其特征在于，将相变温度大于待测对象的宽温区的温度的金属材料作为两个l型件的材料。8.根据权利要求6所述的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器的设计方法，其特征在于，将待测对象的在高温下的长度改变量与待测对象的有效长度的比值，作为待测对象的在高温下产生的最大应变值。9.根据权利要求6所述的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器的设计方法，其特征在于，将光纤光栅最大可承受应变值与待测对象的在高温下产生的最大应变值的比值，作为传感器的最大减敏系数。10.根据权利要求6所述的一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器的设计方法，其特征在于，获取膨胀转换臂中相连接的两个长臂中每个长臂的长度的步骤，包括：
式中，α表示膨胀转换臂的其中一个l型件的材料的热膨胀系数；β表示膨胀转换臂的另一个l型件的材料的热膨胀系数；a表示膨胀转换臂中相连接的两个长臂中其中一个长臂的长度；b表示膨胀转换臂中相连接的两个长臂中另一个长臂的长度；k
max
表示传感器的最大减敏系数；l表示待测对象的有效长度；γ表示待测对象的热膨胀系数。

技术总结
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种用于测量高温热膨胀率的光纤光栅传感器及其设计方法，包括：膨胀转换结构和光纤光栅，膨胀转换结构设置在待测对象的宽温区，膨胀转换结构包括两个膨胀转换臂，每个膨胀转换臂通过两个L型件构成，且一个膨胀转换臂与另一个膨胀转换臂关于宽温区中心对称设置，光纤光栅连接在两个膨胀转换臂上。本装置通过对待测对象在高温热膨胀过程中产生的应变进行减敏，从而保证光纤光栅受到的应变处于光纤光栅的安全应变范围，进而实现热膨胀率的测量。进而实现热膨胀率的测量。进而实现热膨胀率的测量。


技术研发人员：杨德兴 何荧 闫佳慧 张驰 姜亚军 薛婷 种一卓 吕瑞龙 邹捷
受保护的技术使用者：核工业理化工程研究院
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/10/15