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
技術領域：
本發明屬于溫度傳感器領域，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：
光纖溫度傳感器與傳統的溫度傳感器相比，具有很多優點，如光波不受電磁干擾影響；光纖工作頻率寬，動態范圍大，是一種低損耗傳輸線；光纖本身不帶電、體積小、質量輕、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、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環境下使用，解決了傳統方法無法解決的測溫難題。其中，熒光光纖溫度傳感器根據熒光物質受激勵后所出射的熒光參數與溫度的一一對應關系，通過檢測熒光強度或熒光壽命實現溫度傳感，現已被廣泛應用于電力系統、建筑、航空航天、醫療、食品加工、 石油化工、海洋開發等多種領域。在許多應用場合中，經常需要對多點測溫進行監測。如在電力系統中，需要對變電所內的各種電器裝備的在線溫升進行測量。然而，目前大部分熒光光纖測溫系統都僅可用于單點溫度探測。故在需要進行多點溫度同時測量時，若使用多套單點溫度測量系統，則大大增加了成本。采用動態耦合的光學多路轉換方案，即通過轉換裝置分別激發多個熒光探頭并進行對應測量，可以實現多路溫度監測(賈丹平,多路熒光光纖測溫系統的研究，沈陽工業大學碩士論文，2001)。但是該方法的缺點在于一方面，復雜的動態耦合裝置引入了動態耦合誤差，影響測溫的穩定性；另一方面，各路溫度需依次轉換光路進行測量，無法同時獲得。此外，還可通過時分復用的方法實現多點溫度測量，但是該方法需要采用多路激發光源及精密的時間同步系統，系統實現復雜、成本昂貴。因此，目前需要本領域技術人員迫切解決的一個技術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。
發明內容
本發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構是多根傳光光纖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；光纖耦合器3再分別連接可強度調制的激勵光源模塊1和濾波元件6，濾波元件6與光電探測器7組合在一起、調制信號源2分別連接激勵光源模塊1、數據處理模塊9及光電探測器7 ；數據處理模塊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，或在光子晶體光纖的氣孔中混入熒光物質，所述各溫度傳感器光纖探頭上的熒光物質的激發波長應相同或相近；其熒光物質選擇不同濃度的同種材料或激發波長相近的不同材料，并且各熒光物質的熒光壽命在一定的溫度范圍內不存在交疊區域。所述在光纖中摻雜熒光物質為摻雜Cr3+離子。所述激勵光源模塊是能夠直接進行強度調制，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、發光二極管(LED)、高壓汞燈或高壓氙燈擔任。所述光纖耦合器的分光比為光纖探頭數量(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構是多根傳光光纖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；光纖耦合器3再分別連接可強度調制的激勵光源模塊 1和濾波元件6，濾波元件6與光電探測器7組合在一起、數據處理模塊9及光電探測器7 之間連接低通濾波器8和帶模數轉換的程序控制單片機10 ；調制信號源2分別連接激勵光源模塊1、數據處理模塊9，在調制信號源2及光電探測器7之間連接移相器11，移相器11 還與調制信號源2和數據處理模塊9的共同節點連接。本發明的有益效果是與現有技術相比，本發明具有以下優點本發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成本、使得結構緊湊，并可實現多點溫度的實時定位測量。處理模塊即可實現多點溫度測量，極大的降低了系統成本；系統結構簡單、緊湊；可實現多點溫度的同時測量；可實現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構示意圖。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構示意圖。圖3為已知摻Cr3+的不同離子濃度的藍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明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步詳細的說明。參照圖1，示出了本發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構示意圖，圖中，所述光纖溫度傳感器的結構是多根傳光光纖4分別連接Q個(測量通道數)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(如摻雜Cr3+離子)；各溫度傳感器光纖探頭上的熒光物質的激發波長應相同或相近；其熒光物質選擇不同濃度的同種材料或激發波長相近的不同材料，并且各熒光物質的熒光壽命在0-60°C的溫度范圍內不存在交疊區域。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、調制信號源2分別連接激勵光源模塊1、數據處理模塊9及光電探測器7 ；數據處理模塊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制信號源2輸出的信號對激勵光源模塊1進行強度調制，使其輸出的光強度包絡包含N個頻率分量(調制頻率數)；經調制后的激勵光經光纖耦合器3按不同的分光比分光至各溫度傳感通道，并經傳光光纖4傳輸后，激發溫度傳感器光纖探頭5上的熒光物質，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動光電探測器，使其增益受到相應調制，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)對熒光壽命進行解調，再結合各溫度傳感器光纖探頭5所用熒光物質的信息，再與圖3所示的已知摻Cr3+的不同離子濃度的藍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，等.LED泵浦藍寶石光纖熒光溫度傳感器[J].光子學報.2009,38(9) =2234-2237)進行對比，即可實現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。傳光光纖可為單模或多模的石英光纖、塑料光纖或聚合物光纖。由于光電探測器增益受到調制，所以其探測輸出的信號正比于熒光強度與調制信號強度的乘積，即光電探測器相當于作為一個乘法器，再經低通濾波器即可實現鎖相檢測。 根據激勵光調制信號與光電探測器增益調制信號之間的頻率關系，可以分為外差探測和零差探測。根據激勵光調制信號與參考信號之間的頻率關系，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低通濾波器后的表達式可寫為
權利要求
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構是多根傳光光纖(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；光纖耦合器( 再分別連接可強度調制的激勵光源模塊(1)和濾波元件(6)，濾波元件(6)與光電探測器(7)組合在一起、調制信號源(2) 分別連接激勵光源模塊(1)、數據處理模塊(9)及光電探測器(7)；數據處理模塊(9)及光電探測器(7)之間連接低通濾波器(8)。
2.根據權利要求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，或在光子晶體光纖的氣孔中混入熒光物質。
3.根據權利要求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的激發波長應相同或相近；其熒光物質選擇不同濃度的同種材料或激發波長相近的不同材料，并且各熒光物質的熒光壽命在一定的溫度范圍內不存在交疊區域。
4.根據權利要求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為摻雜Cr3+離子。
5.根據權利要求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行強度調制，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、發光二極管、高壓汞燈或高壓氙燈擔任。
6.根據權利要求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.根據權利要求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模或多模的石英光纖，或塑料光纖或聚合物光纖中一種。
8.根據權利要求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成。
9.根據權利要求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構是多根傳光光纖(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；光纖耦合器( 再分別連接可強度調制的激勵光源模塊(1)和濾波元件(6)，濾波元件(6)與光電探測器(7)組合在一起、數據處理模塊 (9)及光電探測器(7)之間連接低通濾波器(8)和帶模數轉換的程序控制單片機(10)；調制信號源( 分別連接激勵光源模塊(1)、數據處理模塊(9)，在調制信號源( 及光電探測器(7)之間連接移相器(11)，移相器(11)還與調制信號源( 和數據處理模塊(9)的共同節點連接。
全文摘要
本發明公開了屬于溫度傳感器領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；光纖耦合器再分別連接可強度調制的激勵光源模塊和濾波元件及光電探測器；調制信號源分別連接激勵光源模塊、數據處理模塊及光電探測器。光纖溫度傳感器使用經過強度調制的包絡多個頻率分量的激勵光激發各通道光纖探頭中的熒光物質，并采用鎖相檢測技術對所收集的熒光信號進行解調，得到各測量點的熒光壽命，進而獲得相應點的溫度。本發明僅采用單一激勵光源與信號探測處理模塊實現實時定位測量多點溫度；結構簡單緊湊、系統成本低廉。
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 優先權日2011年11月15日
發明者孔令杰, 李軍, 楊昌喜, 肖曉晟 申請人:清華大學