专利名称：一种测量材料导热系数的光纤Bragg光栅传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量材料导热系数的传感器，特别是光纤Bragg光栅传感 器，属光电子测量器件技术领域。
背景技术：
导热系数是反映材料热性能的重要物理量，表征物质热传导的能力。根据温度与 时间的变化关系，导热系数测量的方法可以分为两大类稳态法和瞬态法。与本实用新型最 接近的文献为柳建祥，刘显力，彭小勇，周耀辉，“土壤热工性能测试及应用分析”，《南华大 学学报(自然科学版)》，2007年3月第21卷第1期。该文使用圆管法测量导热系数，属于 稳态法，其测试原理为在传热达到稳定情况下，通过圆柱内壁的热流量等于通过圆柱外壁 的热流量，该方法需从现场取样，这给导热系数的测定带来了很多不确定性因素，不能实现 现场在线测量。
发明内容本实用新型的目的是提供一种测量材料导热系数的光纤Bragg光栅传感器，其结 构简单，测量准确，可实现导热系数的现场在线测量和实现对被测介质的分布式测量。本实用新型的目的是这样实现的正温度系数热敏电阻PTC的散热封装的外壳壁 贴合装入导热的保护管中，在散热封装表面开有与测温光纤Bragg光栅大小对应相同的表 面槽，测温光纤Bragg光栅紧贴在表面槽中。本实用新型所述的散热封装和保护管采用铝质材料，保护管的两端装入中心带有 通孔的铝质紧固螺钉，光纤和热敏电阻PTC的引线从铝质紧固螺钉的中心孔中穿出。本传感器的测量原理热敏电阻PTC接上电源进行加热，与周围被测介质进行热 交换，并在被测介质中形成稳定的温度分布。PTC加热后将在导热系数不同的材料中形成 不同的温度分布。温度变化将引起测温光纤Bragg光栅的中心波长的偏移。通过测温光纤 Bragg光栅不同的波长偏移量实现对不同材料导热系数的测量，并且粘贴在表面槽中的测 温光纤Bragg光栅受到轴向拉伸时，使其波长产生附加偏移，对测温光纤Bragg光栅起到了 热增敏的作用。本传感器测量导热系数的数学模型传感器中PTC的散热封装紧贴铝保护管，铝散热封装和铝保护管在满足强度时， 应尽量做薄。薄的铝散热封装和保护管因导热率大，可将PTC与散热封装看成一个整体，热 源与被测介质可视为是直接接触的。传感器埋于被测介质中，如同一个点发热源。假定发热源发热恒定，埋于各向同性 的介质中，被测介质的导热系数为常数。那么传感器只沿径向导热，则导热方程为
「…— 2 dT d2T qv--+ ~- + -^ = 0 (1)
r dr dr θ 式中θ为被测介质的导热系数(单位W/(m· ) ；r为径向半径(单位m) ;qv
3为单位体积的发热率(单位W/m3) ；T为温度(单位V ) 边界条件为边界条件为r = 0 时， 导热系数为1，r = r1时，T = T1;
解微分方程得 式中=C1, C2为常系数。根据边界条件算得常系数C1 = 0
将算得的常系数代入(2)式，得到加热稳定后，距离热源r处的温度T 则从开始加热到加热稳定的过程中，距离热源r处的温度变化量Δ T表示为
Δ T = T-Tn式中TQ为加热时的初始温度(单位°C )。将(3)代入(4)式得 散热封装对测温光纤Bragg光栅具有热增敏作用，测温光纤Bragg光栅的中心波 长与温度变化量之间的关系为
(6)式中λ β为光纤Bragg光栅中心波长(单位mm)，Δ T为温度变化量(单位°C )， α η为散热封装的热膨胀系数(单位°C ―1)，α Λ为裸光纤的热膨胀系数(单位°C ―1)，Se 为裸光纤应变敏感系数，St为裸光纤的温度敏感系数(单位V ―1)。将(5)式代入(6)式得 式中Sa = ST+SE(aH-aJ为表观温度敏感系数(单位°C ―1)，θ为被测介质的 导热系数(单位W/ (m · K))，Δ λ Β为光纤Bragg光栅波长的变化量(单位nm)。本实用新型的有益效果是1、导热系数稳态法的在线测量根据热源在不同介质中产生不同的温度分布，将 热源和光纤Bragg光栅温度传感器直接埋入被测介质中，通过测温光栅感知温度变化，实 现导热系数的现场在线测量。2、分布式点测量埋入被测介质中的单支传感器可对埋入处的局域温度进行测 量，多支传感器可以连接成测量网络，实现对被测介质的分布式测量。[0037]3、测温光纤Bragg光栅的热增敏粘贴在PTC的铝质散热封装表面槽中的测温光 纤Bragg光栅，在散热封装的热膨胀作用下，将产生一个附加的波长偏移。这种粘贴方式对 测温光纤Bragg光栅起到了热增敏的作用。

图1为本实用新型的结构示意主视图，图2为本实用新型的结构示意左视图，图3为本实用新型的结构示意俯视图。图中各标号表示为散热封装1、热敏电阻PTC 2、测温光纤Bragg光栅3、光纤4、 保护管5、PTC引线6、紧固螺钉7、表面槽8。
具体实施方式
参见图1，正温度系数热敏电阻PTC 2的散热封装1的外壳壁贴合装入导热的保护 管5中，在散热封装1表面开有与测温光纤Bragg光栅3大小对应相同的表面槽8，测温光 纤Bragg光栅3紧贴在表面槽8中。散热封装1和保护管5皆采用铝质材料，保护管5的 两端装入中心带有通孔的铝质紧固螺钉7，光纤4和热敏电阻PTC 2的引线从铝质紧固螺钉 7的中心细孔中穿出。本传感器的具体实施参数如下1、传感器保护管的尺寸为圆筒壁外直径12mm，长30mm，厚2mm ；2、PTC与散热封装看成一整体，散热封装尺寸为圆壁外直径10mm，长10mm，厚 2mm ；3、将传感器埋入被测介质中，接上稳压电源，用光纤Bragg光栅解调仪获取光纤 Bragg光栅的波长；4、PTC的端电压为100V，当温度达到恒定时，工作电阻Re = 817 Ω，根据热量 计算公式算得PTC的发热量为12. 24W，热源的体积为785mm3，则单位体积的发热量qv = 0. 0156W/mm3。5、选取Γι为15mm，它所对应的温度T1假设为20°C，θ i为6W/ (m · K)。初始温度 T0 为 20°C ；6、理论计算结果表明当光纤Bragg光栅的初始波长为1550nm时，应变敏感 系数Se = 0. 784，温度敏感系数St = 6. OOXlO-6oC \散热封装的热膨胀系数α Η = 23. 0X10_6°C、石英光纤的热膨胀系数 α Λ = 0. 550X10_6°C、Sa = 23. 6X 10_6°C Λ 将 泥土的导热系数θ =0.83W/(m*K)代入(7)式进行计算得Δ λ B = 701pm。
权利要求一种测量材料导热系数的光纤Bragg光栅传感器，其特征是正温度系数热敏电阻PTC的散热封装的外壳壁贴合装入导热的保护管中，在散热封装表面开有与测温光纤Bragg光栅大小对应相同的表面槽，测温光纤Bragg光栅紧贴在表面槽中。
2.根据权利要求1所述的测量材料导热系数的光纤Bragg光栅传感器，其特征是散 热封装和保护管采用铝质材料，保护管的两端装入中心带有通孔的铝质紧固螺钉，光纤和 热敏电阻PTC的引线从铝质紧固螺钉的中心孔中穿出。
专利摘要本实用新型涉及一种测量材料导热系数的传感器，特别是光纤Bragg光栅传感器，属光电子测量器件技术领域。本传感器的正温度系数热敏电阻PTC的散热封装的外壳壁贴合装入导热的保护管中，在散热封装表面开有与测温光纤Bragg光栅大小对应相同的表面槽，测温光纤Bragg光栅紧贴在表面槽中。本实用新型结构简单，测量准确，可实现导热系数的现场在线测量和实现对被测介质的分布式测量。
文档编号G01N25/20GK201662548SQ20102012388
公开日2010年12月1日 申请日期2010年3月5日 优先权日2010年3月5日
发明者李川, 杨华 申请人:昆明理工大学