CN102261966B - 荧光光纤测温光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种荧光光纤测温光学系统，涉及光纤传感领域。该系统包括：激励光源、光纤和光电探测单元；其特征在于，该系统还包括：双包层光纤、荧光探头和光纤耦合器；所述荧光探头设置在所述双包层光纤的第一端；所述激励光源设置在所述双包层光纤的第二端一侧，用于发射激励光，并将所述激励光耦合进所述双包层光纤的单模芯子；所述双包层光纤通过所述光纤耦合器与所述光纤的第一端相连；所述光电探测单元与所述光纤的第二端相连。该发明所述荧光光纤测温光学系统的双包层光纤充分兼顾了激光光源的良好光束质量，以及作为接收光的荧光各向同性的特点，使得系统的收发端均有良好的耦合及接收特性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种荧光光纤测温光学系统。
背景技术
荧光光纤温度传感器已经出现了三十多年了，目前正逐步向商业领域发展。此类传感器采用纯光学原理，因此在抗电磁干扰、高压绝缘、微小尺寸、稳定可靠性、灵敏度及长寿命等方面，是传统传感技术无法比拟的。如今已经逐步开始商用化，被使用于高压电气设备监控、工业微波、磁/热医疗设备、石油化工/煤炭等防爆工业环境、航空/舰船/高端科研等。
早期，研究者们提出了基于荧光强度和荧光寿命的两种方法，对荧光光纤温度传感器的工作性能进行了实验比较。实验结果显示，在一个较宽的温度范围内，基于荧光寿命的测量方法优于基于荧光强度的测量方法。
K.T.V.Granttan等人利用红宝石材料研制出一种简单的荧光光纤温度传感器，在200-300K温度范围内大大提高了传感器的测温精度。A.Babnik等人提出了一种荧光光纤温度传感探头，提高了荧光采集效率并利用严历山大晶体做探头材料，把测温精度提高到±0.3度。国内多家科研单位多年来也已经开展了关于荧光温度传感器的研究，不过一直没有批量化的产品出来，其中一个主要原因是荧光物质的发光率和荧光信号采集率较低，造成信号处理的困难，从而温度测量的稳定性比较低，达不到商用要求。
由于荧光发光没有方向性，所以收集荧光一般采用大芯径的多模光纤，这样一方面需要较多的荧光物质，造成荧光光纤的造价高；另一方面，由于激励光与收集光使用相同的光纤端面来传播，所以荧光收集效率无法保证。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种荧光光纤测温光学系统，以克服传统方案中对荧光物质所发的光收集效率低的缺陷。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种荧光光纤测温光学系统，其包括：激励光源600、光纤500和光电探测单元100；其特征在于，该系统还包括：双包层光纤300、荧光探头200和光纤耦合器400；
所述荧光探头200设置在所述双包层光纤300的第一端；
所述激励光源600设置在所述双包层光纤300的第二端一侧，用于发射激励光，并将所述激励光耦合进所述双包层光纤300；
所述双包层光纤300通过所述光纤耦合器400与所述光纤500的第一端相连；
所述光电探测单元100与所述光纤500的第二端相连。
优选地，所述双包层光纤300包括单模芯子301，包围所述单模芯子301的内包层302，以及包围所述内包层302的外包层303。
优选地，所述单模芯子301直径小于10微米，所述内包层302为纯石英，直径为125微米，所述外包层303为低折射率聚合物涂覆层，直径小于250微米。
优选地，所述荧光探头200包括：设置在所述单模芯子301端部的荧光物质201，套接在部分所述内包层302外部的石英管202，以及与所述石英管202端部相连接的第一滤波片203，所述荧光物质201位于所述石英管202和所述第一滤波片203所围腔室内。
优选地，所述光纤耦合器400通过对所述双包层光纤300和光纤500熔融拉锥或者侧面研磨粘结的方式制作；所述光纤500为大芯径多模光纤。
优选地，所述光电探测单元100包括光电探测器101和第二滤波片102。
优选地，所述第二滤波片102为带通滤波片。
优选地，所述激励光源600包括：
激光器601，设置在所述双包层光纤300的第二端一侧，用于发射激励光；
耦合透镜602，设置在所述激光器601与所述双包层光纤300的第二端之间，用于将所述激励光耦合进所述双包层光纤300。
优选地，所述激光器601为能够发射周期性方波形光脉冲的半导体激光器。
优选地，所述耦合透镜602为Grin透镜或者C透镜。
(三)有益效果
该发明所述荧光光纤测温光学系统的双包层光纤充分兼顾了激光光源的良好光束质量，以及荧光物质所发光各向同性的特点，使得系统的收发端均有良好的耦合及接收特性；独特的荧光探头，大大减小了荧光物质的使用量，有利于降低成本，同时也增大了荧光的收集效率，有利于提高信噪比；全光纤系统的设计有利于提高光学系统的稳定性，有利于其在恶劣环境的工业领域的实际应用。
附图说明
图1为本发明实施例所述荧光光纤测温光学系统的结构图；
图2为本发明实施例所述双包层光纤与荧光探头结构示意图；
图3为本发明实施例所述第一滤波片的透射特性曲线图；
图4为本发明实施例所述第二滤波片的透射特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明实施例所述荧光光纤测温光学系统的结构图。如图1所示，该荧光光纤测温光学系统包括：激励光源600、双包层光纤300、荧光探头200、光纤耦合器400、光纤500和光电探测单元100。所述激励光源600包括激光器601和耦合透镜602。
所述荧光探头200设置在所述双包层光纤300的第一端。所述光纤耦合器400设置在所述双包层光纤300的中部，其用于耦合连接所述双包层光纤300和所述光纤500的第一端，所述光纤500的第二端连接所述光电探测单元100。所述激光器601设置在耦合透镜602的第一侧，所述双包层光纤300的第二端设置在所述耦合透镜602第二侧的透射光路上，激光器601为所述系统提供激励光源。
所述双包层光纤300包括单模芯子301，包围所述单模芯子301的内包层302，以及包围所述内包层302的外包层303。所述单模芯子301直径小于10微米，所述内包层302为纯石英，直径为125微米，所述外包层303为低折射率聚合物涂覆层，直径小于250微米。
所述荧光探头200包括：粘结在所述单模芯子300端部的荧光物质201，套接在所述内包层302外部的石英管202，以及与所述石英管202端部相粘结的第一滤波片203，所述荧光物质201位于所述石英管202和所述第一滤波片203所围腔室内。所述荧光物质201也可以其他方式设置在所述单模芯子300端部；所述第一滤波片203也可以其他方式设置在所述石英管202端部。
所述光纤耦合器400通过对所述双包层光纤300和光纤500熔融拉锥或者侧面研磨粘结的方式制作。所述光纤500为大芯径多模光纤。
所述光电探测单元100包括光电探测器101和第二滤波片102，该第二滤波片102为仅保证荧光波段高效透过的带通滤波片。
所述激光器601为能够发射周期性方波形光脉冲的半导体激光器。
所述耦合透镜602为Grin透镜、C透镜等光学透镜。
图2为本发明实施例所述双包层光纤与荧光探头结构示意图。由于单模芯子301直径很小，所以在所述荧光探头200处的荧光物质201可以很少，其所涂覆的直径仅在几十微米即可，这样会大大节约了荧光物质201的成本。
由于荧光物质201的发光是无方向性的，需要较大的接收面积，此时恰好使用具有良好收光效率的所述双包层光纤300的内包层302来实现荧光收集。本实施例中使用的双包层光纤300的内包层302的直径在125微米左右，已经数倍大于荧光物质201的涂覆直径。同时，内包层302的收光数值孔径(该值越大，接受光的能力越强)在0.3到0.5之间，普通的单模光纤在0.12附近。所以荧光物质201向双包层光纤300方向所发的荧光能够高效的耦合进入双包层光纤300的内包层302。
荧光探头200处的双包层光纤300的外包层303被去掉并被粘上一个尺寸合适的石英管202，在石英管202端部粘接有第一滤波片203。
图3为本发明实施例所述第一滤波片203的透射特性曲线图。第一滤波片203能够透过激光器601发出的激励光，同时反射荧光物质201发出的荧光(即发射光)，实现对荧光的高效收集，同时不造成激励光的反射，有利于信噪比的提高。反射回的荧光也能够高效的耦合进入双包层光纤300的内包层302，实现荧光的收集率的翻倍增加。
在内包层302中传播的荧光反向传播后经过光纤耦合器400。此光纤耦合器400采用包层分叉处理的方式，仅耦合输出内包层302中的光而不对单模芯子301中传播的激励光产生影响。此光纤耦合器400可以通过熔融拉锥的方式制作，也可以通过侧面研磨粘接的方式制作。
经过耦合分光的荧光通过光纤500导入光电探测单元100进行探测。光电探测单元100包括光电探测器101和第二滤波片102。在光电探测器101前设置第二滤波片102，用于阻挡激励光及其他波长杂散光，透射荧光。
图4为本发明实施例所述第二滤波片102的透射特性曲线图。如图4所示，第二滤波片102为带通滤波片，仅保证荧光(即发射光)波段能够高效透过。
透过的荧光被光电探测器101探测，测量在激励光关闭期间的荧光衰减时间特性，得出荧光寿命，并将此荧光寿命与温度进行对应关联，就可以得出荧光探头200所在处的温度。
该荧光光纤测温光学系统工作原理概括如下：半导体激光器601发射激光，激光经耦合透镜602进入双包层光纤300的单模芯子301，并传播到双包层光纤端面，打到荧光探头200的荧光物质201上，荧光物质201发光返回后经过分光进入光电探测器101。在激光器601停止激励发光的时刻，荧光物质201就会发射荧光，而且所发荧光会随时间出现指数衰减，而此荧光的衰减时间(即荧光寿命)与荧光物质201所处的温度相关，所以，就可以通过测量荧光寿命得出荧光探头200所在处的温度。
该发明所述荧光光纤测温光学系统的双包层光纤300充分兼顾了激光光源的良好光束质量，以及作为接收光的荧光各向同性的特点，使得系统的收发端均有良好的耦合及接收特性；独特的荧光探头200，大大减小了荧光物质201的使用量，有利于降低成本，同时也增大了发射荧光的收集效率，有利于提高信噪比；全光纤系统的设计有利于提高光学系统的稳定性，有利于其在恶劣环境中的广泛应用。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1.一种荧光光纤测温光学系统，其包括：激励光源(600)、光纤(500)和光电探测单元(100)；其特征在于，该系统还包括：双包层光纤(300)、荧光探头(200)和光纤耦合器(400)；
所述荧光探头(200)设置在所述双包层光纤(300)的第一端；
所述激励光源(600)设置在所述双包层光纤(300)的第二端一侧，用于发射激励光，并将所述激励光耦合进所述双包层光纤(300)；
所述双包层光纤(300)通过所述光纤耦合器(400)与所述光纤(500)的第一端相连；
所述光电探测单元(100)与所述光纤(500)的第二端相连。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双包层光纤(300)包括单模芯子(301)，包围所述单模芯子(301)的内包层(302)，以及包围所述内包层(302)的外包层(303)。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述单模芯子(301)直径小于10微米，所述内包层(302)为纯石英，直径为125微米，所述外包层(303)为低折射率聚合物涂覆层，直径小于250微米。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述荧光探头(200)包括：设置在所述单模芯子(301)端部的荧光物质(201)，套接在部分所述内包层(302)外部的石英管(202)，以及与所述石英管(202)端部相连接的第一滤波片(203)，所述荧光物质(201)位于所述石英管(202)和所述第一滤波片(203)所围腔室内。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤耦合器(400)通过对所述双包层光纤(300)和光纤(500)熔融拉锥或者侧面研磨粘结的方式制作；所述光纤(500)为大芯径多模光纤。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光电探测单元(100)包括光电探测器(101)和第二滤波片(102)。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二滤波片(102)为带通滤波片。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激励光源(600)包括：
激光器(601)，设置在所述双包层光纤(300)的第二端一侧，用于发射激励光；
耦合透镜(602)，设置在所述激光器(601)与所述双包层光纤(300)的第二端之间，用于将所述激励光耦合进所述双包层光纤(300)。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述激光器(601)为能够发射周期性方波形光脉冲的半导体激光器。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述耦合透镜(602)为Grin透镜或者C透镜。
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