光纤水银温度传感器制造技术

本发明专利技术综合利用水银具有良好的热膨胀特性以及光学的反射和吸收特性作为感温介质，并将光纤与水银结合，形成了一种新型感温光波导，从而实现了对易燃易爆、电磁干扰极强的恶劣环境安全可靠地测温，并且测温范围广。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于温度计领域，具体涉及一种光纤水银温度传感器。现有的利用光纤与液体相结合的温度传感器如英国专利GB2130719，是根据液体的折射率随温度变化的特征。其具体结构是将光纤端部的包层去掉一部分，由液体(如甘油)代替，并且在光纤端面上设有一层反射膜。液体的折射率在测温范围内高于光纤原有包层的折射率并随温度变化。当温度变化时，从光纤折射到液体中的光强发生变化，从而使沿光纤反回的光强发生变化。该专利技术的不足之处是1)折射率随温度单调变化的区域小，因而限制了测温范围;2)折射率随温度变化的规律不能用数学解析式描述，因此相应的信号处理复杂;3)光纤端面必须有反射膜，因此制作困难。在测量中温区的光纤温度传感器中，其他的感温介质还有半导体材料包层(日本专利JP60-149934)、塑料包层(英国专利GB1582768)、各向异性金属包层(德国专利DE3045085)等。这些结构的光纤温度传感器的结构复杂，稳定性和可靠性都不能完全满足实用化的要求。因此，对油罐、汽罐、电机和变压器等易燃、易爆、电磁干扰极强的环境温度尚不能有效地测量。如上所述的专利技术都是利用介质的光学特性随温度变化而变化的特征，而光学特性随温度变化的规律较为复杂，并且可变范围小。这正是这些专利技术存在不足之处的主要根源。本专利技术的目的在于解决光纤温度计在中温区(-30～+300℃)大量程范围内的稳定性、可靠性和实用性，并使其结构简单、易于制造。设计出一种可用于易燃、易爆、电磁干扰极强的恶劣环境中进行安全可靠地测温的温度传感器。本专利技术的技术方案是，在密封的套管内装有水银，并装有直径小于套管内直径的主光纤，由主光纤与真空组成真空包层波导，由水银与主光纤组成水银包层波导，并在其端面自然形成反射面，真空包层波导和水银包层波导一起构成感温波导，主光纤通过分路器与入射光纤和出射光纤相连，套管由密封胶密封。主光纤由折射率为n1的透明材料拉制，并涂敷一层透明的折射率为n2的材料作为包层和保护层，折射率n1必须大于n2。分路器的结构为将入射光纤和出射光纤与主光纤用电弧焊接在一起，并在光纤外壁涂一层硅橡胶加以保护。分路器可以装在密封套管内，也可以装在密封套管之外。本专利技术的优点是感温波导利用水银的反光和吸光特性和热胀冷缩的特性，因此其温度测量范围与传统的水银温度计相同，具有从-30°～+300℃的测量范围;由于使用光电检测，因此其精度大大优于传统的水银温度计;由于光在水银介质中的损耗与温度的变化成正比且为线性关系，所以使信号处理大为简化;使用时与传统的水银温度计一样，无需垂直使用;由于感温信号和传输信号都是光，无电信号，并可长距离传输，因此可用于易燃易爆和电磁干扰极强的恶劣环境下进行温度测量。本专利技术有如下附图附图说明图1 分路器装在密封套管之外的光纤水银温度传感器结构图，图2 分路器装在密封套管内的光纤水银温度传感器结构图;图3 分路器结构示意图;图4 分路器结构剖面图;图5 波导损耗与波导长度实验曲线。实施例在密封套管1内装有水银2，并装有直径小于套管1内直径的主光纤3。在密封套管1内，水银2与主光纤3组成水银包层波导4，并在其端面自然形成反射面，真空5与主光纤3组成真空包层波导6，水银包层波导4与真空包层波导6一起构成感温波导。主光纤3由折射率为n1的透明材料(如石英玻璃、多组分玻璃、有机玻璃等)拉制，并涂敷一层透明的折射率为n2的材料(如硅橡胶)作为包层和保护层。折射率n1必须大于n2。主光纤3通过分路器7与入射光纤8和出射光纤9相连。套管1由密封胶10密封。分路器7可以装在密封套管1之外(如附图1)，也可以装在密封套管1之内(如附图2)。由于主光纤3与套管1的内腔形成一个毛细管，水银的表面张力很大，水银不会在毛细管中自由流动，所以该传感器不需非垂直使用。分路器7可采用市售的商品化产品，也可采用如附图3和4所示的结构，入射光纤8和出射光纤9为标准的多模通信用石英光纤，其直径为125μm，将入射光纤8和出射光纤9与主光纤3用电弧焊接在一起，并用硅橡胶11涂敷在光纤3的外壁作保护包层。这种分路器虽然光损耗大，但制作简单、经济实用。光通过入射光纤8、分路器7传入主光纤3。在真空包层波导6内，由于真空的折射率低于任何介质的折射率，因此光被全反射而无损耗地传输。在水银包层波导4内，光在水银界面上产生部分反射，传至末端，并从端面上的水银界面反射回来。由于光在水银包层波导4内的有损耗传输，其损耗与水银包层波导4的长度成正比，而水银包层波导4的长度与温度成正比，所以光的损耗与温度成正比。于是通过检测入射光和出射光的相对强度变化即可得到温度值。图5为主光纤是直径为250μm石英纤维时构成的水银包层波导的实验结果曲线。其中L为水银波导的长度Pi为输入波导的光强，Po为反射回来的光强。此结果表明，入射光与出射光之比的对数(即波导损耗)与波导的长度成线性关系。这就给与温度传感器相连接的信号处理电路带来很大的方便。利用这种水银波导的原理和结构还可以制成测量压力的压力传感器。权利要求1.一种由密封套管1和主光纤3组成的光纤水银温度传感器，其特征在于在密封套管1内装有水银2、并装有直径小于套管1内直径的主光纤3，由真空5与主光纤3组成真空包层波导6，由水银2与主光纤3组成水银包层波导4，并在其端面自然形成反射面，真空包层波导6和水银包层波导4一起构成感温波导，主光纤3通过分路器7与入射光纤8和出射光纤9相连，套管1由密封胶10密封。2.如权利要求1所述的光纤水银温度传感器，其特征在于主光纤3由折射率为n1的透明材料拉制，并涂敷一层透明的折射率为n2的材料作为包层和保护层，折射率n1必须大于n2。3.如权利要求1所述的光纤水银温度传感器，其特征在于分路器7装在密封套管1内。4.如权利要求1所述的光纤水银温度传感器，其特征在于分路器7装在密封套管1之外。5.如权利要求1所述的光纤水银温度传感器，其特征在于分路器7的结构为将入射光纤8和出射光纤9与主光纤3用电弧焊接在一起，并在光纤外壁涂一层硅橡胶11加以保护。全文摘要本专利技术综合利用水银具有良好的热膨胀特性以及光学的反射和吸收特性作为感温介质，并将光纤与水银结合，形成了一种新型感温光波导，从而实现了对易燃易爆、电磁干扰极强的恶劣环境安全可靠地测温，并且测温范围广。文档编号G01K11/00GK1052946SQ91100630公开日1991年7月10日 申请日期1991年2月5日 优先权日1991年2月5日专利技术者田果成 申请人:田果成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由密封套管１和主光纤３组成的光纤水银温度传感器，其特征在于在密封套管１内装有水银２、并装有直径小于套管１内直径的主光纤３，由真空５与主光纤３组成真空包层波层６，由水银２与主光纤３组成水银包层波导４，并在其端面自然形成反射面，真空包层波导６和水银包层波导４一起构成感温波导，主光纤３通过分路器７与入射光纤８和出射光纤９相连，套管１由密封胶１０密封。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：田果成，
申请(专利权)人：田果成，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]