CN101226087A - 光电式光纤温度传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透射型或者反射型的光电式光纤温度传感装置，包括光电处理单元、传输光纤和无源温度敏感单元。本发明基于薄膜干涉滤波器或者晶体的干涉原理，通过测量经过薄膜或晶体后的相同干涉强度所对应的波长的随温度的偏移来测量温度。由于本发明使用波长偏移作为测量温度的参考信号，只要能够观测到相同干涉强度所对应的波长的位置随温度的变化，就可以准确得到温度信息，所以可以剥离偏振噪声的影响；另外，通过选用不同的晶体或薄膜干涉滤波器，可使温度测量上限最高可达2000℃以上，测量精度在0.1℃以内。本发明的温度敏感单元没有活动部件，属于纯无源结构，对外界环境不敏感，可以在高电压、高温、高湿、高粉尘等恶劣的环境中应用。

Description

光电式光纤温度传感装置

技术领域

本发明涉及一种温度传感装置，更具体的说，是一种光电式光纤传感温度监控装置。

背景技术

利用光纤传感技术进行温度测量与监控，在工业生产和日常生活中具有及其重要的意义。目前主要采用接触式电传感器技术进行温度监控，如热电偶、热电阻等等，但这些技术很难在超高压输电设备、易燃易爆场合、高温高湿环境、高腐蚀环境等领域应用。在超高压场合，存在电磁干扰，且若绝缘没有做好，将会造成严重的人员伤亡事故。在易燃易爆场合，电传感温度监控方式很容易引起电火花而导致火灾和爆炸。在高温高湿或高腐蚀环境，电传感本身会迅速老化而损坏，导致根本无法测量。

在石油行业，最深石油、天然气钻井深度已经超过6000米，时刻探测井下温度对石油或天然气的开采至关重要，但是现有的接触式电传感温度探头因为电子器件本身耐温性能的限制，根本无法在高温高压的井下生存。同样，在炼钢工业的高温、多湿、雾状蒸气迷漫的环境中至今还没有一种有效的方法可以准确的测量铸坯表面的温度

利用光纤进行温度传感的方法，可以很好的解决高电压环境中电磁干扰和电绝缘问题，同时由于其测量的温度范围高，耐腐蚀而得到人们的推崇，从而开发出各种各样的光纤温度传感装置，如布里渊散射温度传感器、拉曼散射温度传感器、光纤光栅温度传感器、微弯光纤温度传感器等等。

光纤光栅温度传感器研究最多，范围最广，但是因为光纤光栅同时受温度和应变的影响，对应用条件还比较苛刻，还不能大规模的应用。

中国专利《光电式温度传感器》(公开号CN 1548932A，公开日2004年11月24日)中，公开了一种利用长度或者热膨胀系数不同的两柱体顶端高度差随温度变化而不同的特性做成光衰减式的温度传感器，这种方案虽然避免了光线光栅同时受温度和应变的影响，但是，该方案受外界环境的振动、光源的稳定性影响很大。

美国专利No.4598996则采用双折射晶体，利用晶体的双折射系数随温度变化的特性，通过强度探测的方式探测温度，该方案采用全固定部件，不受外界振动影响，测量温度范围高，与应变无关等等，具有广阔的应用前景，但是，该方案必须选用特定的双折射晶体，无法从根本上消除温度变化时双折射引起的相位差对不同波长的影响，从而使得温度探测精度变差，同时，强度探测的方式使得探测结果受到光源稳定性、探测器的灵敏度、偏振干扰、探测器老化等因素的影响，使得长期探测稳定性不足。为了解决这个问题，世界专利WO93/11412采用测量干涉条纹的方法，并利用高温度相点的La₂Be₂O₅晶体，实现了在1000℃内±1℃精度的测量，但是，该方案需要复杂的干涉条纹分析装置，造价高昂。

另外，上述美国专利No.4598996和世界专利WO93/11412都还没有考虑晶体的热膨胀造成的相位差的变化，导致温度探测误差大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种低成本的基于薄膜干涉滤波器或者双折射晶体干涉原理的光纤温度传感器。本发明的主要特点是：(一)通过测量经过薄膜滤波器或晶体后的相同干涉强度所对应的波长的偏移来测量温度，无须使用复杂的干涉条纹分析装置，同时也避免了光强探测方式带来的稳定性和精度问题；(二)可以采用薄膜滤波器来代替双折射晶体，实现基于干涉的温度敏感元进行探测；(三)对双折射晶体无特殊的要求，可以允许不同波长通过双折射晶体后两正交偏振光相位差随温度不同而不同。

本发明所述的光电式温度传感装置由无源温度敏感探头、传输光纤和光电信号处理单元组成。所述的无源温度敏感探头包含透射式和反射式两种。

透射式无源温度敏感探头是由准直器(4)、温度敏感元(5)和准直器(6)依次连接而成；所述的温度敏感元(5)可以是珐-珀(F-P)干涉薄膜滤波器，也可以由起偏器(11)、双折射晶体(12)和检偏器(13)构成，其中，起偏器(11)的起偏方向和检偏器(13)的检偏方向不得与双折射晶体(12)的光轴方向平行或垂直，并且起偏方向和检偏方向夹角在0°～90°之间；光电信号处理单元的光源(1)发出的信号光通过传输光纤(2)后，进入准直器(4)，准直后的信号光入射到温度敏感元(5)受温度的调制，调制后的信号光通过准直器(6)、传输光纤(7)进入光电处理单元的探测器(8)，通过测量经过温度敏感元(5)后相同干涉强度所对应的波长的偏移来测量温度；

反射式无源温度敏感单元是由准直器(4)、温度敏感元(5)和反射器(10)依次连接而成；所述的温度敏感元可以是珐-珀(F-P)干涉薄膜滤波器，也可以由起偏器(11)和双折射晶体(12)构成，其中，起偏器(11)的起偏方向不得与双折射晶体(12)的光轴方向平行或垂直；由光电信号处理单元的光源(1)发出的信号光通过光定向传输装置(9)，传到传输光纤(2)后，进入准直器(4)，准直后的光入射到温度敏感元(5)受温度信号的调制，调制后的信号光通过反射器(10)反射，再次通过温度敏感元(5)、准直器(4)和传输光纤(2)，进入光定向传输装置(9)，到达光电处理单元的探测器(8)，通过测量经过温度敏感元(5)后相同干涉强度所对应的波长的偏移来测量温度；

本发明的温度敏感元的温度调制通过下述技术方案予以实现。

当温度敏感元采用薄膜滤波器时，因为薄膜滤波器会随温度热胀冷缩而且材料折射率也随温度变化，导致光在薄膜滤波器的两个表面出射的两束光的光程差会随温度的变化而变化，从而使得相同干涉强度所对应的波长受到温度的调制。

当温度敏感元采用起偏器、双折射晶体和检偏器组合而成时，光源通过起偏器后剩下特定偏振方向的光，然后通过双折射晶体，将特定偏振方向的光分解为两束正交偏振的光，这两束光通过双折射晶体时因为不同的折射率而产生一定的光程差，再次通过检偏器后，只剩下具有特定光程差的具有相同偏振方向分量的两束光而产生干涉，这里，双折射晶体的折射率随温度变化而变化，同时，双折射晶体具有一定的热膨胀系数，其长度变化也随温度变化而变化，从而使得两束光的光程差随温度变化而变化，导致通过检偏器后，相同干涉强度所对应的波长受到温度的调制。

实际产品应用中，为了便于测量，选取干涉强度最大时对应的波长；此时，如果光源为宽谱光源，表现为透过温度敏感元后的峰值波长随温度变化发生偏移，通过确定透过温度敏感元后的峰值波长的偏移量就可以计算出实际的温度数值；如果光源为连续可调的窄带光源，表现为透过温度敏感元后光强损耗最小信号光所对应的波长随温度变化发生偏移，通过测量该波长的偏移量来计算出实际的温度数值。

由于本发明使用波长偏移作为测量温度的参考信号，只要能够观测到一个相同干涉强度所对应的波长的位置随温度的变化，就可以准确得到温度信息，所以可以剥离偏振噪声的影响。本发明的温度敏感单元没有活动部件，属于纯无源结构，对外界环境不敏感，可以在高电压、高温、高湿、高粉尘等恶劣的环境中应用。

附图说明

附图1：透射型光电式温度传感装置的结构原理图

附图2：反射型光电式温度传感装置的结构原理图

附图3：透射型采用双折射晶体的温度敏感元结构图

附图4：反射型采用双折射晶体的温度敏感元结构图

附图5：在透射型光电式温度传感装置中光偏振方向通过起偏器、双折射晶体和检偏器的演化图

附图6：在反射型光电式温度传感装置中光偏振方向通过起偏器、双折射晶体并再次通过起偏器的演化图

附图7：实施例1中通过蓝宝石晶体的不同波长下的归一化的透射光强图

附图8：实施例1中通过蓝宝石晶体的透射峰值波长随温度变化的偏移图

附图9：实施例2中通过蓝宝石晶体的不同波长下的归一化的透射光强图

附图10：实施例2中通过蓝宝石晶体的透射峰值波长随温度变化的偏移图

具体实施方式

下面，结合附图，以采用双折射晶体的温度敏感元为例，采用宽谱光源和峰值波长探测器，对本发明作进一步的描述。

本发明的实施例1为透射型光电式温度传感装置，相关附图为1、3和5，从光源1发出的光强为I₀的宽谱信号光，通过传输光纤2和准直器4后进入起偏器11形成偏振方向为P1，振幅为A1的线偏振光，垂直通过双折射晶体12，分解为两束偏振方向互相垂直，但光路相同的寻常光(振幅为Ao)和非寻常光(振幅为Ae)，假定此时双折射晶体的光轴方向C和起偏器11的偏振方向P1的夹角为α，两束寻常光和非寻常光通过检偏器13后，在检偏器13的偏振方向P2上两束光的偏振分量实现干涉，为了让干涉效果达到最佳，使P1和P2的夹角为90°，此时，光的偏振方向演化如图5所示：

寻常光的振幅：

Ao＝A1sinα                            (1)

非寻常光的振幅：

Ae＝A1cosα                            (2)

通过检偏器13后在偏振方向P2上的寻常光分量：

A2o＝A1sinαcosα                      (3)

通过检偏器13后在偏振方向P2上的非寻常光分量：

A2e＝A1sinαcosα                      (4)

寻常光和非寻常光通过双折射晶体后的相位差为：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δn}+\mathrm{\π}---\left(5\right)$

这里，d为双折射晶体的长度，Δn是双折射晶体中非寻常光和寻常光的折射率差，λ是入射光的波长，相位差中还加入了因为A2o和A2e投影产生的附加相位差π。

通常，对于双折射晶体的双折射率差的温度线性特性有：

Δ(Δn)＝kΔT                           (6)

其中，k为特定常数，对应不同的双折射晶体，ΔT为双折射晶体的温度变化量。

另外，双折射晶体的热膨胀系数为β，则双折射晶体长度d随温度的变化率为：

Δd＝dβΔT                       (7)

根据式(5)、(6)和(7)可得，温度变化ΔT后，晶体的相位差为：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}(1+\mathrm{\β\ΔT})(\mathrm{\Δn}+\mathrm{k\ΔT})+\mathrm{\π}---\left(8\right)$

考虑k和β都很小，式(8)可近似为：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}[\mathrm{\Δn}+(k+\mathrm{\β\Δn})\mathrm{\ΔT}]+\mathrm{\π}---\left(9\right)$

其中，相位差随温度的变化量为：

$\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\Δ\φ}\right)=\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}(\mathrm{\β\Δn}+k)\mathrm{\ΔT}---\left(10\right)$

联合以上式(1)到式(9)可得，检偏器13后的出射光强I₁为：

$I_1=\frac{I_0}{4}(1-\cos \{\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}[\mathrm{\Δn}+(k+\mathrm{\β\Δn})\mathrm{\ΔT}]\left\}\right){\sin }^{2}2\mathrm{\α}---\left(11\right)$

为了加强双折射晶干涉的强度，让晶体的光轴方向和起偏器偏振方向夹角α为45°，则式(11)变为：

$I_1=\frac{I_0}{4}(1-\cos \{\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}[\mathrm{\Δn}+(k+\mathrm{\β\Δn})\mathrm{\ΔT}]\left\}\right)---\left(12\right)$

由式(11)或(12)可以看出，透过谱的峰值波长满足：

$\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}[\mathrm{\Δn}+(k+\mathrm{\β\Δn})\mathrm{\ΔT}]=(2m+1)\mathrm{\π}---\left(13\right)$

其中，m为整数。

根据式(10)和(13)，可以得出当温度变化ΔT和峰值波长偏移Δλ的关系为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{\Δn}}{{\mathrm{\λ}}_0(k+\mathrm{\β\Δn})}\mathrm{\Δ\λ}---\left(14\right)$

其中，λ₀为常温下，宽谱光源透过晶体后的峰值波长。因为对于选定的晶体，d、k、β、Δn等都是常数，所以我们可以很方便的通过测量出透过检偏器13后的透过谱的峰值波长的变化测量温度。

如果双折射晶体选用d＝2mm长蓝宝石晶体，根据蓝宝石晶体的特性：k＝5.8*10^-7/K，β＝5*10^-6/K和室温下Δn＝0.008，可计算出常温下的干涉光强输出图，如图7所示，其中横坐标为波长，单位nm，纵坐标为归一化光强，峰值为1。

选取图7中的一个峰值波长λ₀为1523.8nm，该峰值波长和下一个峰值波长的间距为160.4nm，则可探测到的最大温度变化范围ΔT为1358.2℃，并且温度变化和峰值波长的偏移成线性关系，如图8所示，其中横坐标为峰值波长的偏移，单位为nm，纵坐标为变化的温度，单位为℃。若波长探测精度0.01nm，则温度的探测精度为0.08℃。合适的选择蓝宝石晶体的长度d和峰值波长λ₀，可探测最高温度超过2000℃，其中探测精度在0.1℃以内。

本发明的实施例2为反射型光电式温度传感装置，相关附图为2、4和6。从光源1发出的光强为I₀的宽谱信号光，通过光定向传输装置9、传输光纤2和准直器4后进入起偏器11形成偏振方向为P1，振幅为A1的线偏振光，垂直通过双折射晶体12，分解为两束偏振方向互相垂直，但是光路相同的寻常光(振幅为Ao)和非寻常光(振幅为Ae)，假定此时双折射晶体的光轴方向C和起偏器11的偏振方向P1的夹角为α，两束寻常光和非寻常光通过反射器10反射回双折射晶体12，再次通过起偏器11，在起偏器11的偏振方向P1上两束光的偏振分量实现干涉，此时，光的偏振方向演化如图8所示：

通过检偏器13后在偏振方向P2上的寻常光分量：

A2o＝A1sin²α                    (15)

通过检偏器13后在偏振方向P2上的非寻常光分量：

A2e＝A1cos²α                    (16)

寻常光和非寻常光通过双折射晶体后的相位差为：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{4\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δn}---\left(17\right)$

联合式(7)、(9)和(17)可得温度变化ΔT后的相位差为：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{4\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}[\mathrm{\Δn}+(k+\mathrm{\β\Δn})\mathrm{\ΔT}]---\left(18\right)$

其中，相位差随温度的变化量为：

$\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\Δ\φ}\right)=\frac{4\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}(\mathrm{\β\Δn}+k)\mathrm{\ΔT}---\left(19\right)$

由式(15)、(16)和(18)可得，起偏器11后的出射光强I₂为：

$I_2=\frac{I_0}{2}-\frac{I_0}{4}(1-\cos \{\frac{4\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}[\mathrm{\Δn}+(k+\mathrm{\β\Δn})\mathrm{\ΔT}]\left\}\right){\sin }^{2}2\mathrm{\α}---\left(20\right)$

为了加强双折射晶干涉的强度，让晶体的光轴方向和起偏器偏振方向夹角α为45°，则式(20)变为：

$I_2=\frac{I_0}{4}(1+\cos \{\frac{4\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}[\mathrm{\Δn}+(k+\mathrm{\β\Δn})\mathrm{\ΔT}]\left\}\right)---\left(21\right)$

由式(21)可以看出，透射谱的峰值波长满足：

$\frac{4\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}[\mathrm{\Δn}+(k+\mathrm{\β\Δn})\mathrm{\ΔT}]=2\mathrm{m\π}---\left(22\right)$

其中，m为整数。

根据式(19)和(22)，可以得出当温度变化ΔT和峰值波长偏移Δλ的关系为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{\Δn}}{{\mathrm{\λ}}_0(k+\mathrm{\β\Δn})}\mathrm{\Δ\λ}---\left(23\right)$

其中，λ₀为常温下，宽谱光源透过晶体后的峰值波长。因为对于选定的晶体，d、k、β、Δn等都是常数，所以我们可以很方便的通过测量出透过起偏器11后的透过谱的峰值波长的变化测量温度。

如果双折射晶体选用d＝2mm长蓝宝石晶体，根据蓝宝石晶体的特性：k＝5.8*10^-7/K，β＝5*10^-6/K和室温下Δn＝0.008，可计算出常温下的干涉光强输出图，如图9所示，其中横坐标为波长，单位nm，纵坐标为归一化光强，峰值为1。

选取图9中的一个峰值波长λ₀为1523.8nm，该峰值波长和下一个峰值波长的间距为76.2nm，则可探测到的最大温度变化范围ΔT为645.1℃，并且温度变化和峰值波长的偏移成线性关系，如图10所示，其中横坐标为峰值波长的偏移，单位为nm，纵坐标为变化的温度，单位为℃。若波长探测精度0.01nm，则温度的探测精度为0.08℃。合适的选择蓝宝石晶体的长度d和峰值波长λ₀，可探测最高温度超过2000℃，其中探测精度在0.1℃以内。

基于双折射晶体的干涉原理，通过测量经过薄膜滤波器或晶体后的干涉相长或相消所对应的波长的偏移来测量温度，温度探测范围取决于不同类型的晶体以及晶体的长度，温度的探测精度取决于峰值波长的探测精度，如上述实施例1和实施例2所示，温度探测上限可达2000℃以上，温度探测精度在0.1℃左右。

Claims (8)

1.一种光电式光纤温度传感装置，包括无源温度敏感探头、传输光纤和光电信号处理单元，其特征在于：

所述的无源温度敏感探头包含透射式和反射式两种：透射式无源温度敏感探头是由准直器(4)、温度敏感元(5)和准直器(6)依次连接而成；所述的温度敏感元(5)可以是珐-珀(F-P)干涉滤波器，也可以由起偏器(11)、双折射晶体(12)和检偏器(13)构成，其中，起偏器(11)的起偏方向和检偏器(13)的检偏方向不得与双折射晶体(12)的光轴方向平行或垂直，并且起偏方向和检偏方向夹角在0°～90°之间；光电信号处理单元的光源(1)发出的信号光通过传输光纤(2)后，进入准直器(4)，准直后的信号光入射到温度敏感元(5)受温度的调制，调制后的信号光通过准直器(6)、传输光纤(7)进入光电处理单元的探测器(8)，通过测量经过温度敏感元(5)后的相同干涉强度所对应的波长的偏移来测量温度；

反射式无源温度敏感单元是由准直器(4)、温度敏感元(5)和反射器(10)依次连接而成；所述的温度敏感元可以是珐-珀(F-P)干涉滤波器，也可以由起偏器(11)和双折射晶体(12)构成，其中，起偏器(11)的起偏方向不得与双折射晶体(12)的光轴方向平行或垂直；光电信号处理单元的光源(1)发出的信号光通过光定向传输装置(9)，传到传输光纤(2)后，进入准直器(4)，准直后的光入射到温度敏感元(5)受温度信号的调制，调制后的信号光通过反射器(10)反射，再次通过温度敏感元(5)、准直器(4)和传输光纤(2)，进入光定向传输装置(9)，到达光电处理单元的探测器(8)，通过测量经过温度敏感元(5)后的相同干涉强度所对应的波长的偏移来测量温度。

2.根据权利要求1所述的光电式温度传感装置，其特征在于，所述的光源(1)是宽谱光源，所述的探测器(8)是峰值波长探测器，所述的温度探测方法是通过探测透过温度敏感元(5)后的峰值波长的偏移来测量温度。

3.根据权利要求1所述的光电式温度传感装置，其特征在于，所述的光源(1)是工作波长连续可调的窄带光源，所述的探测器(8)是光功率探测器，所述的温度探测方法是通过探测透过温度敏感元(5)后光强损耗最小的信号光所对应的波长的偏移来测量温度。

4.根据权利要求1所述的光电式温度传感装置，其特征在于，所述的温度敏感元(5)可以是珐-珀(F-P)干涉滤波器。

5.根据权利要求1所述的光电式温度传感装置，其特征在于，所述的温度敏感元(5)可以是起偏器、双折射晶体和检偏器构成。

6.根据权利要求5所述的温度敏感元(5)，其特征在于，所述的双折射晶体可以是一块或多块相同的双折射晶体构成，也可以是多块不同的双折射晶体构成。

7.根据权利要求1、5和6所述的光电式温度传感装置，其特征在于，光透过起偏器(11)后的偏振方向与双折射晶体(12)的光轴方向成45°夹角，并且起偏方向和检偏方向成0°或者90°夹角。

8.根据权利要求1、5、6和7所述的光电式温度传感装置，其特征在于，所述的起偏器(11)或检偏器(13)可以是光偏振片，也可以是光偏振分束器或偏振分束棱镜。

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