專利名稱：用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于溫度傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器。
背景技術(shù)：
光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比，具有很多優(yōu)點，如光波不受電磁干擾影響；光纖工作頻率寬，動態(tài)范圍大，是一種低損耗傳輸線；光纖本身不帶電、體積小、質(zhì)量輕、易彎曲、抗輻射性能好。故光纖溫度傳感器特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用，解決了傳統(tǒng)方法無法解決的測溫難題。其中，熒光光纖溫度傳感器根據(jù)熒光物質(zhì)受激勵后所出射的熒光參數(shù)與溫度的一一對應(yīng)關(guān)系，通過檢測熒光強度或熒光壽命實現(xiàn)溫度傳感，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、建筑、航空航天、醫(yī)療、食品加工、 石油化工、海洋開發(fā)等多種領(lǐng)域。在許多應(yīng)用場合中，經(jīng)常需要對多點測溫進(jìn)行監(jiān)測。如在電力系統(tǒng)中，需要對變電所內(nèi)的各種電器裝備的在線溫升進(jìn)行測量。然而，目前大部分熒光光纖測溫系統(tǒng)都僅可用于單點溫度探測。故在需要進(jìn)行多點溫度同時測量時，若使用多套單點溫度測量系統(tǒng)，則大大增加了成本。采用動態(tài)耦合的光學(xué)多路轉(zhuǎn)換方案，即通過轉(zhuǎn)換裝置分別激發(fā)多個熒光探頭并進(jìn)行對應(yīng)測量，可以實現(xiàn)多路溫度監(jiān)測(賈丹平,多路熒光光纖測溫系統(tǒng)的研究，沈陽工業(yè)大學(xué)碩士論文，2001)。但是該方法的缺點在于一方面，復(fù)雜的動態(tài)耦合裝置引入了動態(tài)耦合誤差，影響測溫的穩(wěn)定性；另一方面，各路溫度需依次轉(zhuǎn)換光路進(jìn)行測量，無法同時獲得。此外，還可通過時分復(fù)用的方法實現(xiàn)多點溫度測量，但是該方法需要采用多路激發(fā)光源及精密的時間同步系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜、成本昂貴。因此，目前需要本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切解決的一個技術(shù)問題就是提出一種有效措施，就能夠解決多點溫度測量的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器，其特征在于，所述光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)是多根傳光光纖4分別連接Q個溫度傳感器光纖探頭5和光纖耦合器3，并在溫度傳感器光纖探頭上的涂覆熒光物質(zhì)；光纖耦合器3再分別連接可強度調(diào)制的激勵光源模塊1和濾波元件6，濾波元件6與光電探測器7組合在一起、調(diào)制信號源2分別連接激勵光源模塊1、數(shù)據(jù)處理模塊9及光電探測器7 ；數(shù)據(jù)處理模塊9及光電探測器7之間連接低通濾波器8。所述溫度傳感器光纖探頭上的熒光物質(zhì)是直接附著在光纖探頭端面，或直接在光纖中摻雜熒光物質(zhì)，或在光子晶體光纖的氣孔中混入熒光物質(zhì)，所述各溫度傳感器光纖探頭上的熒光物質(zhì)的激發(fā)波長應(yīng)相同或相近；其熒光物質(zhì)選擇不同濃度的同種材料或激發(fā)波長相近的不同材料，并且各熒光物質(zhì)的熒光壽命在一定的溫度范圍內(nèi)不存在交疊區(qū)域。所述在光纖中摻雜熒光物質(zhì)為摻雜Cr3+離子。所述激勵光源模塊是能夠直接進(jìn)行強度調(diào)制，激勵光源由所用熒光材料的吸收光譜確定，所述激勵光源選用激光器、發(fā)光二極管(LED)、高壓汞燈或高壓氙燈擔(dān)任。所述光纖耦合器的分光比為光纖探頭數(shù)量(溫度傳感通道)分之一。所述傳光光纖選用單模或多模的石英光纖，或塑料光纖或聚合物光纖中一種。所述濾波元件由二色鏡或濾波片構(gòu)成。所述光電探測器選擇為光電倍增管、雪崩二極管或光電二極管一種用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器，其特征在于，所述光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)是多根傳光光纖4分別連接多個溫度傳感器光纖探頭5和光纖耦合器3，并在溫度傳感器光纖探頭上的涂覆熒光物質(zhì)；光纖耦合器3再分別連接可強度調(diào)制的激勵光源模塊 1和濾波元件6，濾波元件6與光電探測器7組合在一起、數(shù)據(jù)處理模塊9及光電探測器7 之間連接低通濾波器8和帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的程序控制單片機10 ；調(diào)制信號源2分別連接激勵光源模塊1、數(shù)據(jù)處理模塊9，在調(diào)制信號源2及光電探測器7之間連接移相器11，移相器11 還與調(diào)制信號源2和數(shù)據(jù)處理模塊9的共同節(jié)點連接。本發(fā)明的有益效果是與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點本發(fā)明僅采用單一激勵光源與信號探測、通過采用單一激勵光源與信號探測處理模塊降低系統(tǒng)成本、使得結(jié)構(gòu)緊湊，并可實現(xiàn)多點溫度的實時定位測量。處理模塊即可實現(xiàn)多點溫度測量，極大的降低了系統(tǒng)成本；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；可實現(xiàn)多點溫度的同時測量；可實現(xiàn)多點溫度的實時定位測量。


圖1為一種可實時測量多點溫度的熒光光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為另一種可實時測量多點溫度的熒光光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為已知摻Cr3+的不同離子濃度的藍(lán)寶石單晶光纖探頭的熒光壽命隨溫度的變化曲線圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。參照圖1，示出了本發(fā)明的所述的一種實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，所述光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)是多根傳光光纖4分別連接Q個(測量通道數(shù))溫度傳感器光纖探頭5和光纖耦合器3 (其中Q > 1)，并在溫度傳感器光纖探頭上涂覆熒光物質(zhì)(如摻雜Cr3+離子)；各溫度傳感器光纖探頭上的熒光物質(zhì)的激發(fā)波長應(yīng)相同或相近；其熒光物質(zhì)選擇不同濃度的同種材料或激發(fā)波長相近的不同材料，并且各熒光物質(zhì)的熒光壽命在0-60°C的溫度范圍內(nèi)不存在交疊區(qū)域。光纖耦合器3 (光纖耦合器的分光比為1/Q)再分別連接可強度調(diào)制的激勵光源模塊1和濾波元件6，濾波元件6與光電探測器 7組合在一起、調(diào)制信號源2分別連接激勵光源模塊1、數(shù)據(jù)處理模塊9及光電探測器7 ；數(shù)據(jù)處理模塊9及光電探測器7之間連接低通濾波器8。
使用光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的原理調(diào)制信號源2輸出的信號對激勵光源模塊1進(jìn)行強度調(diào)制，使其輸出的光強度包絡(luò)包含N個頻率分量(調(diào)制頻率數(shù))；經(jīng)調(diào)制后的激勵光經(jīng)光纖耦合器3按不同的分光比分光至各溫度傳感通道，并經(jīng)傳光光纖4傳輸后，激發(fā)溫度傳感器光纖探頭5上的熒光物質(zhì)，得到熒光信號，所述熒光信號被濾波元件 6濾除激勵光后，光電探測器僅對熒光進(jìn)行鎖相探測；實際中，可通過將與激勵光源模塊1 輸出信號同步的信號驅(qū)動光電探測器，使其增益受到相應(yīng)調(diào)制，故而在探測過程中即可同時完成混頻，再通過低通濾波器8即可實現(xiàn)鎖相檢測。采用鎖相檢測的辦法(采用外差探測或零差探測)對熒光壽命進(jìn)行解調(diào)，再結(jié)合各溫度傳感器光纖探頭5所用熒光物質(zhì)的信息，再與圖3所示的已知摻Cr3+的不同離子濃度的藍(lán)寶石單晶光纖探頭的熒光壽命隨溫度的變化曲線(葉林華，周小芬，張金風(fēng)，等.LED泵浦藍(lán)寶石光纖熒光溫度傳感器[J].光子學(xué)報.2009,38(9) =2234-2237)進(jìn)行對比，即可實現(xiàn)多點溫度的實時定位測量。激勵光源由所用熒光材料的吸收光譜確定，可選用激光器、發(fā)光二極管(LED)、高壓汞燈或高壓氙燈；濾波元件由二色鏡或濾波片構(gòu)成；光電探測器選用光電倍增管、雪崩二極管或光電二極管。傳光光纖可為單?；蚨嗄５氖⒐饫w、塑料光纖或聚合物光纖。由于光電探測器增益受到調(diào)制，所以其探測輸出的信號正比于熒光強度與調(diào)制信號強度的乘積，即光電探測器相當(dāng)于作為一個乘法器，再經(jīng)低通濾波器即可實現(xiàn)鎖相檢測。 根據(jù)激勵光調(diào)制信號與光電探測器增益調(diào)制信號之間的頻率關(guān)系，可以分為外差探測和零差探測。根據(jù)激勵光調(diào)制信號與參考信號之間的頻率關(guān)系，可以分為外差探測和零差探測。①外差探測熒光信號與參考信號混頻并經(jīng)低通濾波器后的表達(dá)式可寫為
權(quán)利要求
1.一種用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器，其特征在于，所述光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)是多根傳光光纖(4)分別連接Q個溫度傳感器光纖探頭( 和光纖耦合器(3)，并在溫度傳感器光纖探頭上的涂覆熒光物質(zhì)；光纖耦合器( 再分別連接可強度調(diào)制的激勵光源模塊(1)和濾波元件(6)，濾波元件(6)與光電探測器(7)組合在一起、調(diào)制信號源(2) 分別連接激勵光源模塊(1)、數(shù)據(jù)處理模塊(9)及光電探測器(7)；數(shù)據(jù)處理模塊(9)及光電探測器(7)之間連接低通濾波器(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器，其特征在于，所述溫度傳感器光纖探頭上的熒光物質(zhì)是直接附著在光纖探頭端面，或直接在光纖中摻雜熒光物質(zhì)，或在光子晶體光纖的氣孔中混入熒光物質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器，其特征在于，所述各溫度傳感器光纖探頭上的熒光物質(zhì)的激發(fā)波長應(yīng)相同或相近；其熒光物質(zhì)選擇不同濃度的同種材料或激發(fā)波長相近的不同材料，并且各熒光物質(zhì)的熒光壽命在一定的溫度范圍內(nèi)不存在交疊區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器，其特征在于，所述在光纖中摻雜熒光物質(zhì)為摻雜Cr3+離子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器，其特征在于，所述激勵光源模塊是能夠直接進(jìn)行強度調(diào)制，激勵光源由所用熒光材料的吸收光譜確定，所述激勵光源選用激光器、發(fā)光二極管、高壓汞燈或高壓氙燈擔(dān)任。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器，其特征在于，所述光纖耦合器的分光比為1/Q，其中，Q彡1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器，其特征在于，所述傳光光纖選用單?；蚨嗄５氖⒐饫w，或塑料光纖或聚合物光纖中一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器，其特征在于，所述濾波元件由二色鏡或濾波片構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器，其特征在于，所述光電探測器選擇為光電倍增管、雪崩二極管或光電二極管
10.一種用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器，其特征在于，所述光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)是多根傳光光纖(4)分別連接Q個溫度傳感器光纖探頭(5)和光纖耦合器(3)，并在溫度傳感器光纖探頭上的涂覆熒光物質(zhì)；光纖耦合器( 再分別連接可強度調(diào)制的激勵光源模塊(1)和濾波元件(6)，濾波元件(6)與光電探測器(7)組合在一起、數(shù)據(jù)處理模塊 (9)及光電探測器(7)之間連接低通濾波器(8)和帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的程序控制單片機(10)；調(diào)制信號源( 分別連接激勵光源模塊(1)、數(shù)據(jù)處理模塊(9)，在調(diào)制信號源( 及光電探測器(7)之間連接移相器(11)，移相器(11)還與調(diào)制信號源( 和數(shù)據(jù)處理模塊(9)的共同節(jié)點連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于溫度傳感器領(lǐng)域的一種用于實時測量多點溫度的光纖溫度傳感器。該光纖溫度傳感器是傳光光纖連接溫度傳感器光纖探頭和光纖耦合器，并在溫度傳感器光纖探頭上的涂覆熒光物質(zhì)；光纖耦合器再分別連接可強度調(diào)制的激勵光源模塊和濾波元件及光電探測器；調(diào)制信號源分別連接激勵光源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及光電探測器。光纖溫度傳感器使用經(jīng)過強度調(diào)制的包絡(luò)多個頻率分量的激勵光激發(fā)各通道光纖探頭中的熒光物質(zhì)，并采用鎖相檢測技術(shù)對所收集的熒光信號進(jìn)行解調(diào)，得到各測量點的熒光壽命，進(jìn)而獲得相應(yīng)點的溫度。本發(fā)明僅采用單一激勵光源與信號探測處理模塊實現(xiàn)實時定位測量多點溫度；結(jié)構(gòu)簡單緊湊、系統(tǒng)成本低廉。
文檔編號G01K11/32GK102494798SQ201110361160
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者孔令杰, 李軍, 楊昌喜, 肖曉晟 申請人:清華大學(xué)