通过将光学腔与外围热屏蔽层之间的热传递模型等效为多级电阻电容(RC)积分电路,计算得到光学腔的温度对外界环境温度变化的响应特性。用此方法探讨了当热屏蔽层的质量被限定时,热屏蔽层与光学腔的距离、热屏蔽层的层数和厚度对光学腔的温度响应特性的影响。分析结果表明,热屏蔽层与光学腔的距离从40 mm减小至5 mm,可使光学腔的温度响应时间增加1倍;当热屏蔽层的层数从1层增加至3层,且增加光学腔的最内层热屏蔽层的厚度,可使光学腔的温度对快速的环境温度变化的敏感度减小1个数量级以上。通过优化后的光学腔的热屏蔽层设计,有望提高锁定于光学腔的稳频激光的频率稳定度。

光纤传感器测量温度变化时为消除外加应力应变对温度产生的影响,设计了双套管式光纤Bragg光栅(FBG)温度传感器,双层结构用来隔离外加应力应变。对温度传感器建立平衡态模型, 并进行有限元热分析,仿真结果分析表明,当温度从20℃跃变到70℃、70℃跃变到20℃时,温度响应时间分别为t0.9=50±1s、t0.9=60±1s。并与水浴法测温实验结果(t0.9=52s、t0.9=63s,灵敏度为9.8410-3nm/℃,线性度为99.88%)相比较,时间偏差小于3s。

研制了一种双套管式光纤Bragg光栅温度传感器, 以实现无外力作用的温度测量。其中外套管隔离外加应力应变, 在内套管内松弛地放置光栅以隔离封装结构的表观热应变。引入引出尾纤穿过带孔螺栓, 以探测多个串联光栅。为了避免光栅处于张拉状态, 封装在外套管1、外套管2和内套管中的光纤余长应分别大于1.4 mm, 1.8 mm和0.4 mm。试验结果表明, 该光栅传感器的温度响应灵敏度为9.671×10-3 nm/℃, 温度测量分辨率为0.1℃。当水温从20℃跃变到70℃时, 该传感器的温度响应时间分别为t0.5=15±2 s和t0.9=52±4 s。当水温从70℃跃变到20℃时, 该传感器的温度响应时间分别为t0.5=26±9 s和t0.9=63±8 s。