[发明专利]光纤水银温度传感器

说明书

本发明属于温度计领域，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。该发明的不足之处是：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。

如上所述的发明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。这正是这些发明存在不足之处的主要根源。

美国专利US4036060公开了一种测温方法和装置。该装置利用了液体的热胀冷缩特性和反光特性，通过入射光和反射光的测量和比较达到测量温度的目的。光的反射面是靠近光纤端面的装在容器内的液体表面形成的凹面。其不足之处是：1）反射面必须是凹面。形成凹面的条件是液体与外壳内壁的湿润角必须小于90°。因此，不能选用水银等反光特性很好的介质，只能选用如实施例中所述的硅油或胶体石墨悬浮液等介质。2）从入射光纤出射的光有一定的发散角，通过光纤前的反射面反射后进入出射光纤只有很少一部分，光的损失较大。因此反射面与光纤端面的距离不 能太大。这就使测温范围和分辨率受到限制。该专利的最大测温范围是-50℃～+150℃。3）容器由两个相邻近的截头圆锥体和一个球形贮液器组成，其结构复杂。

本发明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。

本发明的技术方案是，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。

本发明的优点是：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。

本发明有如下附图：

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：