專利名稱：一種基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法
技術領域：
本發明屬于溫度傳感器領域，特別涉及一種基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法。
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，則會大大增加系統成本。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，還可通過借鑒光纖通信中時分復用的方法也可實現多點溫度測量，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，以解決多點溫度同時測量的問題。

發明內容
本發明的目的是提供一種基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法，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；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；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；其特征在于，所述熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度包括如下步驟1)對激勵光源模塊進行強度調制，使其輸出光強包絡包含N個頻率分量；2)經過強度調制激勵光源模塊的輸出光經光纖耦合器分光，并經傳光光纖傳輸至 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受激發后發出熒光，探頭收集熒光并由傳光光纖反向傳輸；
4)熒光經光纖耦合器、濾波元件后，由光電探測器進行探測；5)光電探測器探測到的熒光經過移相器進行K次改變參考信號相位，進行鎖相檢測，得到K組測量數據；6)數據處理系統對鎖相檢測信號進行解調，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先標定的不同摻雜濃度下各熒光物質的熒光壽命隨溫度的變化曲線進行比對，即得各定位點的實時溫度。所述各熒光光纖溫度傳感器光纖探頭上熒光物質的激發波長應相同或相近；其熒光物質可選擇不同濃度的同種材料或激發波長相近的不同材料，并且所選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。所述激勵光源模塊中的激勵光源由所用熒光材料的吸收光譜確定，所述激勵光源可選用激光器、發光二極管(LED)、高壓汞燈或高壓氙燈。所述對激勵光源模塊進行強度調制的實現方法，可通過直接對獨立光源進行強度調制完成，或者通過將獨立光源的輸出經加載強度調制信號的聲光調制器或電光調制器完成。所述光纖耦合器可根據實際需要設計不同的分光比。例如，當有Q個測量點時，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。所述鎖相檢測方法可采用外差探測或零差探測。所述調制頻率數N與測量通道數Q應滿足QSN ；參考信號相位改變數K與調制頻率數N需滿足奈奎斯特抽樣定理，即K > 2N。所述測量通道數Q彡1，調制頻率數N彡Q且N彡1，參考信號相位改變數K > 2N 且K彡3。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是本發明實施例所述的一種基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法流程圖；圖2是具體實施方式
中引自文獻(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)的端部摻Cr3+離子的藍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驗測量關系曲線。圖3是本發明實施實例中光纖探頭采用不同濃度的熒光物質進行多點溫度探測的熒光光纖溫度傳感器結構示意圖。
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說明。參照圖1，示出了本發明的所述的一種基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法流程圖，所述方法具體包括步驟S101，對激勵光源模塊進行強度調制，使其輸出光強包絡包含N個頻率分量；具體實現中，所述激勵光源模塊中的激勵光源由所用熒光材料的吸收光譜確定， 所述激勵光源可選用激光器、發光二極管(LED)、高壓汞燈或高壓氙燈。所述對激勵光源模塊進行強度調制的實現方法，可通過直接對獨立光源進行強度調制完成，或者通過將獨立光源的輸出經加載強度調制信號的聲光調制器或電光調制器完成。調制頻率數N與測量通道數Q應滿足Q < N。步驟S 102，激勵光經光纖耦合器分光，并經傳光光纖傳輸至Q路溫度傳感通道中的光纖探頭；所述光纖耦合器可根據實際需要設計不同的分光比。例如，當有Q個測量點時，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模或多模的石英光纖、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受激發后發出熒光，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的激發波長應相同或相近；其熒光物質可選擇不同濃度的同種材料或激發波長相近的不同材料，并且所選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。步驟S104，熒光經光纖耦合器、濾波元件后，由光電探測器進行探測；熒光相對于激勵光波長向長波長方向移動，需要使用濾波元件將激勵光濾除。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。步驟S105，K次改變參考信號相位，進行鎖相檢測，得到K組測量數據；所述鎖相檢測方法可采用外差探測或零差探測，需要引入參考信號。改變參考信號相位，獲得多組測量數據，并輸入后續的數據處理系統。參考信號相位改變數K與調制頻率數N需滿足奈奎斯特抽樣定理，即K > 2N。步驟S106，數據處理系統對鎖相檢測信號進行解調，獲得各通道中的熒光壽命信息；對光電轉換后的數據進行非線性擬合處理，可得多個熒光壽命值。步驟S107，根據各熒光物質壽命和溫度預先標定的已知關系(即指數衰減函數關系，例如圖2所示)進行比對，即可得各定位點的實時溫度。舉例對熒光壽命與溫度的一一對應關系進行說明。圖2所示為端部摻Cr3+離子藍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驗測量關系曲線 (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)。且由于所述S103中所選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。故可根據所用各熒光物質壽命和溫度的已知關系進行比對，確定S106中所得各壽命值所對應的熒光物質及其反映的溫度，即確定各定位點的實時溫度。
上述基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的原理為(1)采用經調制的激勵光激發各光纖探頭的熒光物質所得的熒光信號；調制信號源輸出的信號對激勵光源進行強度調制，使其輸出光強度包絡包含多個 頻率分量；各溫度傳感通道中的熒光物質在經激勵光照射后發出熒光，該熒光與激勵光頻 率相同，但二者之間存在相位差，且熒光信號的調制度發生變化。設有Q個溫度測量點，所有測量點處熒光物質的5函數沖激響應總和為
權利要求
1.一種基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法，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；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；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；其特征在于，所述熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度包括如下步驟1)對激勵光源模塊進行強度調制，使其輸出光強包絡包含N個頻率分量；2)經過強度調制激勵光源模塊的輸出光經光纖耦合器分光，并經傳光光纖傳輸至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受激發后發出熒光，探頭收集熒光并由傳光光纖反向傳輸；4)熒光經光纖耦合器、濾波元件后，由光電探測器進行探測；5)光電探測器探測到的熒光經過移相器進行K次改變參考信號相位，進行鎖相檢測， 得到K組測量數據；6)數據處理系統對鎖相檢測信號進行解調，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先標定的不同摻雜濃度下各熒光物質的熒光壽命隨溫度的變化曲線進行比對，即得到各定點通道的實時溫度。
2.根據權利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法，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的激發波長應相同或相近；其熒光物質可選擇不同濃度的同種材料或激發波長相近的不同材料，并且所選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。
3.根據權利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法，其特征在于所述激勵光源模塊中的激勵光源由所用熒光物質的吸收光譜確定，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。
4.根據權利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法，其特征在于所述對激勵光源模塊進行強度調制采用直接對激勵光源進行強度調制完成，或者通過將激勵光源的輸出經加載強度調制信號的聲光調制器或電光調制器完成。
5.根據權利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法，其特征在于所述光纖耦合器的分光比為當有Q個測量點時，選用各路分光比為1/Q的光纖耦合器。
6.根據權利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法，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。
7.根據權利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法，其特征在于所述濾波元件由二色鏡或濾波片擔任。
8.根據權利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法，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。
9.根據權利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法，其特征在于所述鎖相檢測方法為采用外差探測或零差探測。
10.根據權利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法，其特征在于調制頻率數N與測量通道數Q應滿足Q < N ；參考信號相位改變數K與調制頻率數N 需滿足奈奎斯特抽樣定理，即K > 2N。
11.根據權利要求1所述基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法，其特征在于測量通道數Q彡1，調制頻率數N彡Q且N彡1，參考信號相位改變數K > 2N且K彡3。
全文摘要
本發明公開了屬于溫度傳感器領域的一種基于熒光光纖溫度傳感器實時測量多點溫度的方法。該方法對激勵光源模塊進行強度調制，使其輸出光強包絡包含N個頻率分量的激勵光激發Q個通道光纖探針中的熒光物質，并采用鎖相檢測技術對所收集的熒光信號，通過移相獲得的K組數據進行解調，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即可實現多點測量，結構簡單緊湊、系統成本低廉，可實現多點溫度的實時定位測量。
文檔編號G01K11/32GK102435347SQ201110361250
公開日2012年5月2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