挑战杯获奖作品:微距分布式光纤测温传感器制作

2015.09.28

    供稿

    水利水电工程系

    创意

    映像设计组

    文字

    白金蕾、张铮

    图片

    郭祥

    编审

    赵鑫、尹霞、张歌明、张铮

    设计

    王寅、张颖

     

稍有工程经验的人都知道,在浇筑大体积混凝土时,会有大量水化热产生并且难以散发,导致混凝土内部温度升高。为解决这一问题,工程上常在混凝土中埋设冷却水管,依靠冷水的蛇形移动来带走热量,降低温度。这会在垂直于冷却水管方向形成一个温降场,距离水管近处温度低,远处温度高。若通水速度过快,易导致混凝土开裂;若通水速度过慢,易导致混凝土强度降低。要解决这一问题,获得温降场的具体分布情况就显得十分必要。

如果用一般的传感器测量,金属导引线容易破坏温度场,布拉格光栅则因为测量距离较近,相互干扰,无法准确反应温度场的完整分布状况。清华大学水利系侯时雨同学和队友们以分布式光纤测温技术为基础,制作出既不破坏温度场,又能得到密集测温点的微距分布式光纤测温传感器。在2015年举行的清华大学第三十三届“挑战杯”学生课外学术科技作品竞赛中,她们的作品从全校29个院系选拔的400余件作品中脱颖而出,获得特等奖。这也是水利系在这项大赛中的一个突破。

分布式光纤测温技术,以光纤为探测和传播温度信号的媒体,是一种分布式的、连续的、功能型的光纤测温技术,因其具有沿光纤长度方向测点连续分布的优点,在科研和工程中得到越来越多的应用。但是,由于光速太快以及电子器件工作时间等限制,分布式光纤测温传感器的测点间距(即距离分辨率)通常为1000mm左右,不能用于温度变化较大的部位。尽管可以采用其他手段将测点间距缩短到250mm,但因系统复杂,很难推广。侯时雨和同学们利用分布式光纤测温技术的特点,经过反复试验,设计出微距分布式光纤测温传感器,距离分辨率提高到2.5mm,较好地解决了温度变化剧烈部位的测温问题。她们巧妙地将裸光纤紧密缠绕在圆柱型芯棒上,这样的设计使沿芯棒径向10mm范围内的光纤长度达到了4000mm,即4个测温点,将距离分辨率提高了400倍。为保证光纤缠绕均匀,他们还研发了传感器生产设备,解决芯棒旋转与光纤移动的速度匹配问题,实现了微距分布式光纤测温传感器的自动化生产。

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