CN102288304A - 一种白光干涉蓝宝石高温传感器 - Google Patents

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本发明提供的白光干涉蓝宝石高温传感器，包括保护套管、位于保护套管内的依次间隔排列设置的准直透镜、起偏器、蓝宝石圆片、反射器，其中蓝宝石圆片和反射器位于保护套管的前端，蓝宝石圆片作为感温元件；入射白光经过准直透镜准直后变为平行光，经过起偏器分为o光和e光后经过蓝宝石圆片并经反射器反射，反射回来的o光和e光再次经过蓝宝石圆片，并经过检偏器进行干涉获得干涉光，干涉光经过准直透镜后汇聚到准直透镜的焦点。本发明可以在温度1800℃以及腐蚀性的环境中使用，具有耐高温及化学性能稳定等优点；不受高温气体中的水蒸汽及气体组分的影响，应用范围广；高温测头为高精度光学器件，测量精度高；安装方便；成本低。

Description

一种白光干涉蓝宝石高温传感器
[技术领域]
本发明涉及高温测量技术领域，具体是关于一种白光干涉蓝宝石高温传感器。
[背景技术]
目前，高温气体温度测量主要有接触式和非接触式两类。接触式主要是热电偶，非接触式有红外测温、火焰图像测温、声波测温技术、蓝宝石光纤测温等，这些技术都存在着一些不足和缺点。由铂、铑等贵金属制造的热电偶在高温时抗氧化性能差，长期使用会产生较大的误差，尤其在某些特殊和腐蚀性气氛的环境下工作，会出现腐蚀、中毒等现象，使用寿命急剧缩短。此外，热电偶抗电磁干扰能力较差，在某些场合下不能使用。水冷枪抽气热电偶测量设备较笨重，测试过程中工作量大，测试难度大；且不能长期固定测量某点烟气温度，测试完成后需退出。红外测温被测区域不确定，测量误差大；火焰图像测温镜头污染以及复杂图象处理算法等影响，测量误差大，分辨率不高容易产生“偷看”，采光系统复杂，CCD摄像机安装点较多，结焦或积灰使镜头保养困难，可靠性差，价格昂贵；声波测温原理是基于理想气体的，烟气的各种热力参数难以精确确定，导致测量误差，锅炉吹灰时产生的高频噪声影响声波测温系统的正常工作，声波发生、接收装置安装位置环境温度高，需要可靠的冷却以避免测量装置损坏。现有蓝宝石高温光纤测温技术结合了接触式和非接触式测温方法，虽然部分克服了前述测温技术的一些不足，但由于蓝宝石光纤价格高昂和普通光纤连接技术复杂等因素，其工业化应用受到一定的限制。
因此，开发出一种新型的高温测量技术和仪器，对测温仪进行合理的设计，能更好的应用于各种工业生产工艺中，比如电力、冶金、陶瓷、玻璃、化工、水泥等行业，有着非常重要的现实意义。
[发明内容]
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种白光干涉蓝宝石高温测量传感器，其具有耐高温、耐腐蚀、测量精确度高、成本低、适用面广的优点。
本发明提供的白光干涉蓝宝石高温传感器，包括保护套管、位于保护套管内的依次间隔排列设置的准直透镜、起偏器、蓝宝石圆片、反射器，其中蓝宝石圆片和反射器位于保护套管的前端，蓝宝石圆片作为感温元件；入射白光经过准直透镜准直后变为平行光，经过起偏器分为o光和e光后经过蓝宝石圆片并经反射器反射，反射回来的o光和e光再次经过蓝宝石圆片，并经过检偏器进行干涉获得干涉光，干涉光经过准直透镜后汇聚到准直透镜的焦点。
其中，所述的蓝宝石圆片为单晶蓝宝石晶体制成。
其中，所述的反射器为角锥棱镜。
其中，所述的起偏器为格兰泰勒棱镜，当入射白光进入格兰泰勒棱镜时，格兰泰勒棱镜起起偏器的作用对光进行偏振分光，当反射光返回进入格兰泰勒棱镜时，其起检偏器的作用经过检偏器的光线发生干涉。
其中，还包括入射光纤和接收光纤构成的光纤接口，其位于保护套管的后端，入射光纤位于准直透镜的焦点处，用于向准直透镜传送入射白光和接受从准直透镜反射回来的干涉光。
其中，所述的光纤接口的光纤为多模光纤。
其中，所述的保护套管的前端为封闭的圆弧状。
其中，所述的保护套管为耐高温的刚玉管、耐高温陶瓷管、水冷或空气冷却金属套管。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明采用基于白光偏振干涉原理，采用蓝宝石圆片作为感温元件，并设计有角锥反射棱镜，以反射改变光路，可以在温度1800℃以及腐蚀性的环境中使用，具有耐高温及化学性能稳定等优点；不受高温气体中的水蒸汽及气体组分的影响，应用范围广；高温测头为高精度光学器件，测量精度高；安装方便；成本比蓝宝石光纤低，具有价格优势。
[附图说明]
图1为本发明高温传感器的结构示意图。
附图标号说明：
1.光纤接头；2.准直透镜；3.格兰泰勒棱镜；4.保护套管；5.蓝宝石圆片；6.角锥棱镜。
[具体实施方式]
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的白光干涉蓝宝石高温传感器，其具体实施方式、结构、特征及其功效，说明如后。
本发明提供的白光干涉蓝宝石高温传感器，如图1所示，包括保护套管4、光纤接头1、准直透镜2、格兰泰勒棱镜3、蓝宝石圆片5、角锥棱镜6；所述的保护套管4的前端封闭且呈圆弧状，后端呈开口状。保护套管4可选用耐高温的刚玉管、耐高温陶瓷管、水冷或空气冷却金属套管，其能在被测环境气氛下长期高温度的工作。所述的光纤接头1、准直透镜2、格兰泰勒棱镜3、蓝宝石圆片5、角锥棱镜6依次间隔的从保护套管4的后端排列放置到前端，即光纤接头1位于保护套管4的最后端，蓝宝石圆片5和角锥棱镜6位于保护套管的最前端，以使在测温使用时蓝宝石圆片5能足够的位于测温区内，保证测温的精确。所述光纤接头1内部的光纤为多模光纤，包括入射光纤及接收光纤，分别传输光源(图未示)发射的光和接收角锥棱镜6反射回来的光；光纤接头1的入射光纤的端面位于准直透镜2的焦点上，位于保护套管4的轴线上；接收光纤的端面凸出于入射光纤的端面，以接收反射回来经过准直透镜2的反射光。
所述的蓝宝石圆片5作为感温元件，采用单晶蓝宝石晶体制成。蓝宝石(Sapphire)晶体是自然界中最硬的氧化物晶体，是氧化铝最基本的单晶形态，具有良好的抗腐蚀性能。它具有良好的光学性能，具有两个折射率不同的光轴，单晶蓝宝石晶体的双折射是随温度变化而变化的。这一性质使蓝宝石晶体可以满足偏振测温需要。同时，蓝宝石晶体的熔点达到2040℃，因此它可以在很高的温度下工作而保持其稳定性，其最高工作温度可达1800℃。可见，蓝宝石晶体可以满足高温高压及高腐蚀环境下进行偏振测温的需求，并且蓝宝石晶体的价格远低于蓝宝石光纤，在实际应用中具有更好的经济价值。
本发明利用蓝宝石圆片进行高温测量，其原理是把蓝宝石圆片放在一个起偏器和检偏器之间，一束非偏振光经过起偏器后将分成寻常光o光和非寻常光e光，然后再进入蓝宝石圆片，由于蓝宝石晶体双折射的影响，两束光将产生Φ的相位差。为了得到这个相位差，光线需经过检偏器发生干涉，通过检测干涉条纹的变化就可以得到这个相位差，而这个相位差与蓝宝石圆片的厚度d和蓝宝石晶体的双折射差Δn有关，同时这两个因素都与温度有关，因此可以通过检测相位差来实现温度的测量。本发明中蓝宝石圆片为圆盘形，厚度均匀。
两束偏振光的相位差是由两束光线的光程差(Optical Path Difference，简称OPD)来决定的，即
Φ＝2π*OPD/λ                      (1)
OPD＝|ne-no|*d＝Δn*d               (2)
此处，d为蓝宝石圆片厚度，ne、no分别为e光和o光的折射率，λ为波长。Δn和d都与蓝宝石晶体所处的温度有关，上式可以写作
OPD＝|ne-no|*d＝Δn(T)*d(T)         (3)
使用高温热电偶进行标定，然后进行多项式进行拟合，便可以得到温度T与光程差OPD的对应关系式T＝f(OPD)。实际进行温度测量时，测出光程差即可得出温度值。温度和光程差具有很好一一对应关系，关系式如下：
T＝-0.3465*(OPD)3+71.443*(OPD)2-4994.4696*(OPD)+118524.1127  (4)
实际进行温度测量时，测出光程差后根据式(4)即可得出温度值。光程差可以利用光谱仪进行处理根据其输出的数据计算出来。
本实施例中通过格兰泰勒棱镜3实现对入射光的偏振和对从角锥棱镜6反射回来的反射光进行干涉的作用。格兰泰勒棱镜3、准直透镜2、蓝宝石圆片5都为圆柱形，他们的轴线在一条直线上，只有光纤接头1的光线出射端位于透镜焦点上，光线通过准直透镜2后变为平行光，格兰泰勒棱镜3位于准直透镜2之后。格兰泰勒棱镜的优点就是光的透过率高、偏光纯度高，这样就能减少光的损失、提高测量精度。
所述的角锥棱镜6的作为光反射元件并起到改变光路的作用，角锥棱镜6的光轴与保护套管4、蓝宝石圆片5的轴线重合，在一条直线上，其反射面位于保护套管4的最前端。角锥棱镜6可以选取反光性能好、耐高温的材料，可以大大增强反射光的强度，减少光的损耗，进而增强光接收端的信号强度，提高温度测量精度，减少测量误差。角锥棱镜的作用是进行光的反射，优点是反射效率更高，光损失更小。同时角锥棱镜起到改变光路的作用，使得在光路中只需要一个起偏器，当反射回来的光从起偏器的另一方向经过时产生干涉起到检偏器的作用，节省器件，同时安装方便。
通过光纤接头1出来的入射光线经准直透镜2后变为平行光，平行光经过格兰泰勒棱镜3偏振后分为寻常光(o光)和非寻常光(e光)，o光和e光经过蓝宝石圆片5后由于蓝宝石晶体的双折射产生一个相位差Φ，然后o光和e光进入角锥棱镜6进行反射，反射回来的光再次进入蓝宝石圆片5，相当于产生了2Φ的相位差，然后o光和e光又经过格兰泰勒棱镜3产生干涉，干涉的光波经准直透镜2进入光纤接头1的接收光纤，最终由光纤导入数据处理系统进行信号的解调和处理。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述，但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明的说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种白光干涉蓝宝石高温传感器，其特征在于，包括保护套管、位于保护套管内的依次间隔排列设置的准直透镜、起偏器、蓝宝石圆片、反射器，其中蓝宝石圆片和反射器位于保护套管的前端，蓝宝石圆片作为感温元件；入射白光经过准直透镜准直后变为平行光，经过起偏器分为o光和e光后经过蓝宝石圆片并经反射器反射，反射回来的o光和e光再次经过蓝宝石圆片，并经过检偏器进行干涉获得干涉光，干涉光经过准直透镜后汇聚到准直透镜的焦点。
2.如权利要求1所述的白光干涉蓝宝石高温传感器，其特征在于，所述的蓝宝石圆片为单晶蓝宝石晶体制成。
3.如权利要求1所述的白光干涉蓝宝石高温传感器，其特征在于，所述的反射器为角锥棱镜。
4.如权利要求1所述的白光干涉蓝宝石高温传感器，其特征在于，所述的起偏器为格兰泰勒棱镜，当入射白光进入格兰泰勒棱镜时，格兰泰勒棱镜起起偏器的作用对光进行偏振分光，当反射光返回进入格兰泰勒棱镜时，其起检偏器的作用经过检偏器的光线发生干涉。
5.如权利要求1所述的白光干涉蓝宝石高温传感器，其特征在于，还包括入射光纤和接收光纤构成的光纤接口，其位于保护套管的后端，入射光纤位于准直透镜的焦点处，用于向准直透镜传送入射白光和接受从准直透镜反射回来的干涉光。
6.如权利要求5所述的白光干涉蓝宝石高温传感器，其特征在于，所述的光纤接口的光纤为多模光纤。
7.如权利要求1所述的白光干涉蓝宝石高温传感器，其特征在于，保护套管的前端为封闭的圆弧状。
8.如权利要求7所述的白光干涉蓝宝石高温传感器，其特征在于，保护套管为耐高温的刚玉管、耐高温陶瓷管、水冷或空气冷却金属套管。
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