專利名稱：一種基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于溫度傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法。
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(diǎn)，如光波不受電磁干擾影響；光纖工作頻率寬，動(dòng)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(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用，解決了傳統(tǒng)方法無(wú)法解決的測(cè)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(lì)后所出射的熒光參數(shù)與溫度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)熒光強(qiáng)度或熒光壽命實(shí)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(kāi)發(fā)等多種領(lǐng)域。在許多應(yīng)用場(chǎng)合中，經(jīng)常需要對(duì)多點(diǎn)測(cè)溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如在電力系統(tǒng)中，需要對(duì)變電所內(nèi)的各種電器裝備的在線溫升進(jìn)行測(cè)量。然而，目前大部分熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)都僅可用于單點(diǎn)溫度探測(cè)。故在需要進(jìn)行多點(diǎn)溫度同時(shí)測(cè)量時(shí)，若使用多套單點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)，則會(huì)大大增加系統(tǒng)成本。采用動(dòng)態(tài)耦合的光學(xué)多路轉(zhuǎn)換方案，即通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置分別激發(fā)多個(gè)熒光探頭并進(jìn)行對(duì)應(yīng)測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)多路溫度監(jiān)測(cè)(賈丹平，多路熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)的研究，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士論文，2001)。但是該方法的缺點(diǎn)在于一方面，復(fù)雜的動(dòng)態(tài)耦合裝置引入了動(dòng)態(tài)耦合誤差，影響測(cè)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(cè)量，無(wú)法同時(shí)獲得。此外，還可通過(guò)借鑒光纖通信中時(shí)分復(fù)用的方法也可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量，但是該方法需要采用多路激發(fā)光源及精密的時(shí)間同步系統(tǒng)，系統(tǒng)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(gè)技術(shù)問(wèn)題就是提出一種有效措施，以解決多點(diǎn)溫度同時(shí)測(cè)量的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法，該熒光光纖溫度傳感器是其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(qiáng)度調(diào)制的激勵(lì)光源模塊和濾波元件；調(diào)制信號(hào)源分別連接激勵(lì)光源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及光電探測(cè)器；其特征在于，所述熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度包括如下步驟1)對(duì)激勵(lì)光源模塊進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，使其輸出光強(qiáng)包絡(luò)包含N個(gè)頻率分量；2)經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)制激勵(lì)光源模塊的輸出光經(jīng)光纖耦合器分光，并經(jīng)傳光光纖傳輸至 Q路溫度傳感通道中的光纖探頭；3)光纖探頭上的熒光物質(zhì)受激發(fā)后發(fā)出熒光，探頭收集熒光并由傳光光纖反向傳輸；
4)熒光經(jīng)光纖耦合器、濾波元件后，由光電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)；5)光電探測(cè)器探測(cè)到的熒光經(jīng)過(guò)移相器進(jìn)行K次改變參考信號(hào)相位，進(jìn)行鎖相檢測(cè)，得到K組測(cè)量數(shù)據(jù)；6)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)鎖相檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得一組熒光壽命信息；7)將步驟6)獲得的熒光壽命信息與預(yù)先標(biāo)定的不同摻雜濃度下各熒光物質(zhì)的熒光壽命隨溫度的變化曲線進(jìn)行比對(duì)，即得各定位點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度。所述各熒光光纖溫度傳感器光纖探頭上熒光物質(zhì)的激發(fā)波長(zhǎng)應(yīng)相同或相近；其熒光物質(zhì)可選擇不同濃度的同種材料或激發(fā)波長(zhǎng)相近的不同材料，并且所選各熒光物質(zhì)的熒光壽命在一定的溫度范圍內(nèi)不存在交疊區(qū)域。所述激勵(lì)光源模塊中的激勵(lì)光源由所用熒光材料的吸收光譜確定，所述激勵(lì)光源可選用激光器、發(fā)光二極管(LED)、高壓汞燈或高壓氙燈。所述對(duì)激勵(lì)光源模塊進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法，可通過(guò)直接對(duì)獨(dú)立光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制完成，或者通過(guò)將獨(dú)立光源的輸出經(jīng)加載強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)的聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器完成。所述光纖耦合器可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)不同的分光比。例如，當(dāng)有Q個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，可選用各路分光比為1/Q的光纖耦合器。所述傳光光纖可選用單?；蚨嗄５氖⒐饫w、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?yàn)V波片構(gòu)成。所述光電探測(cè)器選擇為光電倍增管、雪崩二極管或光電二極管。所述鎖相檢測(cè)方法可采用外差探測(cè)或零差探測(cè)。所述調(diào)制頻率數(shù)N與測(cè)量通道數(shù)Q應(yīng)滿足QSN ；參考信號(hào)相位改變數(shù)K與調(diào)制頻率數(shù)N需滿足奈奎斯特抽樣定理，即K > 2N。所述測(cè)量通道數(shù)Q彡1，調(diào)制頻率數(shù)N彡Q且N彡1，參考信號(hào)相位改變數(shù)K > 2N 且K彡3。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(diǎn)本發(fā)明僅采用單一激勵(lì)光源與信號(hào)探測(cè)處理模塊即可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量，極大的降低了系統(tǒng)成本；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的同時(shí)測(cè)量；可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)定位測(cè)量。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述的一種基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法流程圖；圖2是具體實(shí)施方式
中引自文獻(xiàn)(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(bào).2009，38 (9) =2234-2237)的端部摻Cr3+離子的藍(lán)寶石光纖探頭在不同摻雜濃度(原子濃度)下其熒光壽命與溫度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量關(guān)系曲線。圖3是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例中光纖探頭采用不同濃度的熒光物質(zhì)進(jìn)行多點(diǎn)溫度探測(cè)的熒光光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。參照?qǐng)D1，示出了本發(fā)明的所述的一種基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法流程圖，所述方法具體包括步驟S101，對(duì)激勵(lì)光源模塊進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，使其輸出光強(qiáng)包絡(luò)包含N個(gè)頻率分量；具體實(shí)現(xiàn)中，所述激勵(lì)光源模塊中的激勵(lì)光源由所用熒光材料的吸收光譜確定， 所述激勵(lì)光源可選用激光器、發(fā)光二極管(LED)、高壓汞燈或高壓氙燈。所述對(duì)激勵(lì)光源模塊進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法，可通過(guò)直接對(duì)獨(dú)立光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制完成，或者通過(guò)將獨(dú)立光源的輸出經(jīng)加載強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)的聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器完成。調(diào)制頻率數(shù)N與測(cè)量通道數(shù)Q應(yīng)滿足Q < N。步驟S 102，激勵(lì)光經(jīng)光纖耦合器分光，并經(jīng)傳光光纖傳輸至Q路溫度傳感通道中的光纖探頭；所述光纖耦合器可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)不同的分光比。例如，當(dāng)有Q個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，可選用各路分光比為1/Q的光纖耦合器。所述傳光光纖可選用單?；蚨嗄５氖⒐饫w、或塑料光纖或聚合物光纖中一種。步驟S103，光纖探頭上的熒光物質(zhì)受激發(fā)后發(fā)出熒光，探頭收集熒光并由傳光光纖反向傳輸；所述各光纖探頭上熒光物質(zhì)的激發(fā)波長(zhǎng)應(yīng)相同或相近；其熒光物質(zhì)可選擇不同濃度的同種材料或激發(fā)波長(zhǎng)相近的不同材料，并且所選各熒光物質(zhì)的熒光壽命在一定的溫度范圍內(nèi)不存在交疊區(qū)域。步驟S104，熒光經(jīng)光纖耦合器、濾波元件后，由光電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)；熒光相對(duì)于激勵(lì)光波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，需要使用濾波元件將激勵(lì)光濾除。所述濾波元件由二色鏡或?yàn)V波片構(gòu)成，所述光電探測(cè)器選擇為光電倍增管、雪崩二極管或光
電二極管。步驟S105，K次改變參考信號(hào)相位，進(jìn)行鎖相檢測(cè)，得到K組測(cè)量數(shù)據(jù)；所述鎖相檢測(cè)方法可采用外差探測(cè)或零差探測(cè)，需要引入?yún)⒖夹盘?hào)。改變參考信號(hào)相位，獲得多組測(cè)量數(shù)據(jù)，并輸入后續(xù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。參考信號(hào)相位改變數(shù)K與調(diào)制頻率數(shù)N需滿足奈奎斯特抽樣定理，即K > 2N。步驟S106，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)鎖相檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得各通道中的熒光壽命信息；對(duì)光電轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合處理，可得多個(gè)熒光壽命值。步驟S107，根據(jù)各熒光物質(zhì)壽命和溫度預(yù)先標(biāo)定的已知關(guān)系(即指數(shù)衰減函數(shù)關(guān)系，例如圖2所示)進(jìn)行比對(duì)，即可得各定位點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度。舉例對(duì)熒光壽命與溫度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。圖2所示為端部摻Cr3+離子藍(lán)寶石光纖熒光探針在不同摻雜濃度(原子濃度)下其熒光壽命與溫度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量關(guān)系曲線 (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(bào).2009， 38(9) :2234-2237)。且由于所述S103中所選各熒光物質(zhì)的熒光壽命在一定的溫度范圍內(nèi)不存在交疊區(qū)域。故可根據(jù)所用各熒光物質(zhì)壽命和溫度的已知關(guān)系進(jìn)行比對(duì)，確定S106中所得各壽命值所對(duì)應(yīng)的熒光物質(zhì)及其反映的溫度，即確定各定位點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度。
上述基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的原理為(1)采用經(jīng)調(diào)制的激勵(lì)光激發(fā)各光纖探頭的熒光物質(zhì)所得的熒光信號(hào)；調(diào)制信號(hào)源輸出的信號(hào)對(duì)激勵(lì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，使其輸出光強(qiáng)度包絡(luò)包含多個(gè) 頻率分量；各溫度傳感通道中的熒光物質(zhì)在經(jīng)激勵(lì)光照射后發(fā)出熒光，該熒光與激勵(lì)光頻 率相同，但二者之間存在相位差，且熒光信號(hào)的調(diào)制度發(fā)生變化。設(shè)有Q個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，所有測(cè)量點(diǎn)處熒光物質(zhì)的5函數(shù)沖激響應(yīng)總和為
權(quán)利要求
1.一種基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法，該熒光光纖溫度傳感器是其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涂覆熒光物質(zhì)；光纖耦合器再分別連接可強(qiáng)度調(diào)制的激勵(lì)光源模塊和濾波元件；調(diào)制信號(hào)源分別連接激勵(lì)光源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及光電探測(cè)器；其特征在于，所述熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度包括如下步驟1)對(duì)激勵(lì)光源模塊進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，使其輸出光強(qiáng)包絡(luò)包含N個(gè)頻率分量；2)經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)制激勵(lì)光源模塊的輸出光經(jīng)光纖耦合器分光，并經(jīng)傳光光纖傳輸至Q路溫度傳感通道中的光纖探頭；3)光纖探頭上的熒光物質(zhì)受激發(fā)后發(fā)出熒光，探頭收集熒光并由傳光光纖反向傳輸；4)熒光經(jīng)光纖耦合器、濾波元件后，由光電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)；5)光電探測(cè)器探測(cè)到的熒光經(jīng)過(guò)移相器進(jìn)行K次改變參考信號(hào)相位，進(jìn)行鎖相檢測(cè)， 得到K組測(cè)量數(shù)據(jù)；6)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)鎖相檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得一組熒光壽命信息；7)將步驟6)獲得的熒光壽命信息與預(yù)先標(biāo)定的不同摻雜濃度下各熒光物質(zhì)的熒光壽命隨溫度的變化曲線進(jìn)行比對(duì)，即得到各定點(diǎn)通道的實(shí)時(shí)溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法，其特征在于所述各熒光光纖溫度傳感器光纖探頭上熒光物質(zhì)的激發(fā)波長(zhǎng)應(yīng)相同或相近；其熒光物質(zhì)可選擇不同濃度的同種材料或激發(fā)波長(zhǎng)相近的不同材料，并且所選各熒光物質(zhì)的熒光壽命在一定的溫度范圍內(nèi)不存在交疊區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法，其特征在于所述激勵(lì)光源模塊中的激勵(lì)光源由所用熒光物質(zhì)的吸收光譜確定，所述激勵(lì)光源選用激光器、發(fā)光二極管LED、高壓汞燈或高壓氙燈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法，其特征在于所述對(duì)激勵(lì)光源模塊進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制采用直接對(duì)激勵(lì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制完成，或者通過(guò)將激勵(lì)光源的輸出經(jīng)加載強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)的聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法，其特征在于所述光纖耦合器的分光比為當(dāng)有Q個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，選用各路分光比為1/Q的光纖耦合器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法，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。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法，其特征在于所述濾波元件由二色鏡或?yàn)V波片擔(dān)任。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法，其特征在于所述光電探測(cè)器選擇為光電倍增管、雪崩二極管或光電二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法，其特征在于所述鎖相檢測(cè)方法為采用外差探測(cè)或零差探測(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法，其特征在于調(diào)制頻率數(shù)N與測(cè)量通道數(shù)Q應(yīng)滿足Q < N ；參考信號(hào)相位改變數(shù)K與調(diào)制頻率數(shù)N 需滿足奈奎斯特抽樣定理，即K > 2N。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法，其特征在于測(cè)量通道數(shù)Q彡1，調(diào)制頻率數(shù)N彡Q且N彡1，參考信號(hào)相位改變數(shù)K > 2N且K彡3。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于溫度傳感器領(lǐng)域的一種基于熒光光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量多點(diǎn)溫度的方法。該方法對(duì)激勵(lì)光源模塊進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，使其輸出光強(qiáng)包絡(luò)包含N個(gè)頻率分量的激勵(lì)光激發(fā)Q個(gè)通道光纖探針中的熒光物質(zhì)，并采用鎖相檢測(cè)技術(shù)對(duì)所收集的熒光信號(hào)，通過(guò)移相獲得的K組數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，得到各測(cè)量點(diǎn)的熒光壽命，進(jìn)而獲得相應(yīng)點(diǎn)的溫度。本發(fā)明僅采用單一激勵(lì)光源與信號(hào)探測(cè)處理模塊即可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、系統(tǒng)成本低廉，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)定位測(cè)量。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102435347SQ201110361250
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)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(qǐng)人:清華大學(xué)