專利名稱：一種測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的光纖Bragg光柵傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的傳感器，特別是光纖Bragg光柵傳感 器，屬光電子測量器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料熱性能的重要物理量，表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)的能力。根據(jù)溫度與 時間的變化關(guān)系，導(dǎo)熱系數(shù)測量的方法可以分為兩大類穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。與本實用新型最 接近的文獻為柳建祥，劉顯力，彭小勇，周耀輝，“土壤熱工性能測試及應(yīng)用分析”，《南華大 學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》，2007年3月第21卷第1期。該文使用圓管法測量導(dǎo)熱系數(shù)，屬于 穩(wěn)態(tài)法，其測試原理為在傳熱達到穩(wěn)定情況下，通過圓柱內(nèi)壁的熱流量等于通過圓柱外壁 的熱流量，該方法需從現(xiàn)場取樣，這給導(dǎo)熱系數(shù)的測定帶來了很多不確定性因素，不能實現(xiàn) 現(xiàn)場在線測量。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的光纖Bragg光柵傳感器，其結(jié) 構(gòu)簡單，測量準(zhǔn)確，可實現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)的現(xiàn)場在線測量和實現(xiàn)對被測介質(zhì)的分布式測量。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC的散熱封裝的外殼壁 貼合裝入導(dǎo)熱的保護管中，在散熱封裝表面開有與測溫光纖Bragg光柵大小對應(yīng)相同的表 面槽，測溫光纖Bragg光柵緊貼在表面槽中。本實用新型所述的散熱封裝和保護管采用鋁質(zhì)材料，保護管的兩端裝入中心帶有 通孔的鋁質(zhì)緊固螺釘，光纖和熱敏電阻PTC的引線從鋁質(zhì)緊固螺釘?shù)闹行目字写┏?。本傳感器的測量原理熱敏電阻PTC接上電源進行加熱，與周圍被測介質(zhì)進行熱 交換，并在被測介質(zhì)中形成穩(wěn)定的溫度分布。PTC加熱后將在導(dǎo)熱系數(shù)不同的材料中形成 不同的溫度分布。溫度變化將引起測溫光纖Bragg光柵的中心波長的偏移。通過測溫光纖 Bragg光柵不同的波長偏移量實現(xiàn)對不同材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量，并且粘貼在表面槽中的測 溫光纖Bragg光柵受到軸向拉伸時，使其波長產(chǎn)生附加偏移，對測溫光纖Bragg光柵起到了 熱增敏的作用。本傳感器測量導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)學(xué)模型傳感器中PTC的散熱封裝緊貼鋁保護管，鋁散熱封裝和鋁保護管在滿足強度時， 應(yīng)盡量做薄。薄的鋁散熱封裝和保護管因?qū)崧蚀?，可將PTC與散熱封裝看成一個整體，熱 源與被測介質(zhì)可視為是直接接觸的。傳感器埋于被測介質(zhì)中，如同一個點發(fā)熱源。假定發(fā)熱源發(fā)熱恒定，埋于各向同性 的介質(zhì)中，被測介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)。那么傳感器只沿徑向?qū)幔瑒t導(dǎo)熱方程為
「…— 2 dT d2T qv--+ ~- + -^ = 0 (1)
r dr dr θ 式中θ為被測介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)(單位W/(m· ) ；r為徑向半徑(單位m) ;qv
3為單位體積的發(fā)熱率(單位W/m3) ；T為溫度(單位V ) 邊界條件為邊界條件為r = 0 時， 導(dǎo)熱系數(shù)為1，r = r1時，T = T1;
解微分方程得 式中=C1, C2為常系數(shù)。根據(jù)邊界條件算得常系數(shù)C1 = 0
將算得的常系數(shù)代入(2)式，得到加熱穩(wěn)定后，距離熱源r處的溫度T 則從開始加熱到加熱穩(wěn)定的過程中，距離熱源r處的溫度變化量Δ T表示為
Δ T = T-Tn式中TQ為加熱時的初始溫度(單位°C )。將(3)代入(4)式得 散熱封裝對測溫光纖Bragg光柵具有熱增敏作用，測溫光纖Bragg光柵的中心波 長與溫度變化量之間的關(guān)系為
(6)式中λ β為光纖Bragg光柵中心波長(單位mm)，Δ T為溫度變化量(單位°C )， α η為散熱封裝的熱膨脹系數(shù)(單位°C ―1)，α Λ為裸光纖的熱膨脹系數(shù)(單位°C ―1)，Se 為裸光纖應(yīng)變敏感系數(shù)，St為裸光纖的溫度敏感系數(shù)(單位V ―1)。將(5)式代入(6)式得 式中Sa = ST+SE(aH-aJ為表觀溫度敏感系數(shù)(單位°C ―1)，θ為被測介質(zhì)的 導(dǎo)熱系數(shù)(單位W/ (m · K))，Δ λ Β為光纖Bragg光柵波長的變化量(單位nm)。本實用新型的有益效果是1、導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)態(tài)法的在線測量根據(jù)熱源在不同介質(zhì)中產(chǎn)生不同的溫度分布，將 熱源和光纖Bragg光柵溫度傳感器直接埋入被測介質(zhì)中，通過測溫光柵感知溫度變化，實 現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)的現(xiàn)場在線測量。2、分布式點測量埋入被測介質(zhì)中的單支傳感器可對埋入處的局域溫度進行測 量，多支傳感器可以連接成測量網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對被測介質(zhì)的分布式測量。[0037]3、測溫光纖Bragg光柵的熱增敏粘貼在PTC的鋁質(zhì)散熱封裝表面槽中的測溫光 纖Bragg光柵，在散熱封裝的熱膨脹作用下，將產(chǎn)生一個附加的波長偏移。這種粘貼方式對 測溫光纖Bragg光柵起到了熱增敏的作用。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意主視圖，圖2為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意左視圖，圖3為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意俯視圖。圖中各標(biāo)號表示為散熱封裝1、熱敏電阻PTC 2、測溫光纖Bragg光柵3、光纖4、 保護管5、PTC引線6、緊固螺釘7、表面槽8。
具體實施方式
參見圖1，正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC 2的散熱封裝1的外殼壁貼合裝入導(dǎo)熱的保護 管5中，在散熱封裝1表面開有與測溫光纖Bragg光柵3大小對應(yīng)相同的表面槽8，測溫光 纖Bragg光柵3緊貼在表面槽8中。散熱封裝1和保護管5皆采用鋁質(zhì)材料，保護管5的 兩端裝入中心帶有通孔的鋁質(zhì)緊固螺釘7，光纖4和熱敏電阻PTC 2的引線從鋁質(zhì)緊固螺釘 7的中心細(xì)孔中穿出。本傳感器的具體實施參數(shù)如下1、傳感器保護管的尺寸為圓筒壁外直徑12mm，長30mm，厚2mm ；2、PTC與散熱封裝看成一整體，散熱封裝尺寸為圓壁外直徑10mm，長10mm，厚 2mm ；3、將傳感器埋入被測介質(zhì)中，接上穩(wěn)壓電源，用光纖Bragg光柵解調(diào)儀獲取光纖 Bragg光柵的波長；4、PTC的端電壓為100V，當(dāng)溫度達到恒定時，工作電阻Re = 817 Ω，根據(jù)熱量 計算公式算得PTC的發(fā)熱量為12. 24W，熱源的體積為785mm3，則單位體積的發(fā)熱量qv = 0. 0156W/mm3。5、選取Γι為15mm，它所對應(yīng)的溫度T1假設(shè)為20°C，θ i為6W/ (m · K)。初始溫度 T0 為 20°C ；6、理論計算結(jié)果表明當(dāng)光纖Bragg光柵的初始波長為1550nm時，應(yīng)變敏感 系數(shù)Se = 0. 784，溫度敏感系數(shù)St = 6. OOXlO-6oC \散熱封裝的熱膨脹系數(shù)α Η = 23. 0X10_6°C、石英光纖的熱膨脹系數(shù) α Λ = 0. 550X10_6°C、Sa = 23. 6X 10_6°C Λ 將 泥土的導(dǎo)熱系數(shù)θ =0.83W/(m*K)代入(7)式進行計算得Δ λ B = 701pm。
權(quán)利要求一種測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的光纖Bragg光柵傳感器，其特征是正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC的散熱封裝的外殼壁貼合裝入導(dǎo)熱的保護管中，在散熱封裝表面開有與測溫光纖Bragg光柵大小對應(yīng)相同的表面槽，測溫光纖Bragg光柵緊貼在表面槽中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的光纖Bragg光柵傳感器，其特征是散 熱封裝和保護管采用鋁質(zhì)材料，保護管的兩端裝入中心帶有通孔的鋁質(zhì)緊固螺釘，光纖和 熱敏電阻PTC的引線從鋁質(zhì)緊固螺釘?shù)闹行目字写┏觥?br> 專利摘要本實用新型涉及一種測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的傳感器，特別是光纖Bragg光柵傳感器，屬光電子測量器件技術(shù)領(lǐng)域。本傳感器的正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC的散熱封裝的外殼壁貼合裝入導(dǎo)熱的保護管中，在散熱封裝表面開有與測溫光纖Bragg光柵大小對應(yīng)相同的表面槽，測溫光纖Bragg光柵緊貼在表面槽中。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，測量準(zhǔn)確，可實現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)的現(xiàn)場在線測量和實現(xiàn)對被測介質(zhì)的分布式測量。
文檔編號G01N25/20GK201662548SQ20102012388
公開日2010年12月1日 申請日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者李川, 楊華 申請人:昆明理工大學(xué)