CN102401703A - 基于荧光光纤测温的微波测温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于荧光光纤测温的微波测温系统，涉及微波及光纤传感技术领域，包括：测量装置、外部光纤、内部光纤、荧光探头，光纤转接装置，外部光纤一端连接测量装置，另一端连接光纤转接装置，内部光纤的一端可旋转地连接光纤转接装置，荧光探头固定于内部光纤的另一端，光纤转接装置固定在微波腔的孔径中，荧光探头用于接收测量装置发出的光信号，并将其上荧光物质被光信号激发出的荧光信号传输给测量装置，测量装置用于根据荧光信号测量待测物体的温度。本发明实现了在超高频、强电磁场及重干扰的环境中准确地对微波腔内待加热物体的温度测量；且转接装置设计不受微波干扰，微波泄漏少，稳定性高，结构简单，使用简便。
Description
技术领域
本发明涉及微波及光纤传感技术领域，特别涉及一种基于荧光光纤测温的微波测温系统。
背景技术
微波是指在电磁波谱中频率范围为300MHZ到300GHZ的电磁辐射，具有频率高，波长短，能穿透电离层等特点。可以应用在雷达、通讯、科学研究、微波能利用等方面。60年代以后，微波作为一种新型热源得到迅速发展，其加热特点：就地生热、内外同热、不需传热过程瞬间可达高温，所以具有加热速度快、热能利用率高、可实现快速自动控制等优点，因而被广泛用于医疗、化学研究、食品加工、材料热处理等行业中。但由于它属于超高频电磁波，会存在强电磁场，在微波场下的温度测量依然是一个技术难题。比如微波反应器的温度测量问题，在强电磁场下，当用常规温度传感器(如：热电耦、热电阻等)测温时，金属材料制作的测温探头及导线在高频电磁场下产生感应电流，由于集肤效应和涡流效应，使其自身温度升高，对温度测量造成严重干扰，使温度示值产生很大误差或者无法进行稳定的温度测量。因此，研究用于微波场下无干扰的温度传感器具有重大的现实意义。
目前，国内外以传光型光纤温度传感器应用广泛，具体存在以下问题：
1、红外测温仪，根据被测物的红外辐射强度确定其温度，是一种非接触测量仪表，用于对不同温度物体的表面温度测量。由于其非接触性，测量时不破坏被测物的温度，所以也可用于微波场温度测量。但红外测温仪测温时要受物体发射率、气雾的影响，所以限制了它的应用范围，另外红外测温仪直接用于微波反应器测温受到视场小的局限，使用起来也不太便捷。
2、光纤测温的方式有半导体式、光纤光栅式、FP腔式等多种，这几种测温方式虽然都可测量微波腔内待加热物的温度，但是也各存在一些问题。由于微波设备内的待测物一般需要不断旋转以获得均匀的加热，而光纤穿入微波腔体就需要自由旋转转接设计，但是半导体式等基于光功率型的测温，由于光纤需要随待测物体转动，光纤的弯曲移动变化可能带来光功率的不稳定，从而影响测温的不稳定，导致测量的温度不准确。
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：如何在超高频、强电磁场及重干扰的环境中准确地实现对微波腔内待加热物体的温度测量。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于荧光光纤测温的微波测温系统，包括：测量装置、外部光纤、内部光纤、荧光探头，光纤转接装置，所述外部光纤一端连接所述测量装置，另一端连接所述光纤转接装置，内部光纤的一端可旋转地连接所述光纤转接装置，所述荧光探头固定于所述内部光纤的另一端，所述光纤转接装置固定在微波腔的孔径中，所述外部光纤位于微波腔外部，所述内部光纤位于微波腔内部，所述荧光探头用于接收所述测量装置发出的光信号，并将其上荧光物质被所述光信号激发出的荧光信号传输给所述测量装置，所述测量装置用于根据所述荧光信号测量待测物体的温度。
其中，所述光纤转接装置包括：光纤适配器、外光纤连接器、内光纤连接器、保护套，所述光纤适配器固定在所述保护套中，保护套固定在微波腔的孔径中，所述外光纤连接器安装在所述光纤适配器中，所述内光纤连接器可旋转地安装在所述光纤适配器中，所述光纤适配器使得所述外光纤连接器的光纤插入管和所述内光纤连接器的光纤插入管在一条直线上，所述外光纤连接器的光纤插入管用于插入外部光纤，所述内光纤连接器的光纤插入管用于插入内部光纤。
其中，所述外光纤连接器和所述内光纤连接器的邻接端间的距离小于2mm。
其中，所述光纤转接装置还包括：固定环套，所述固定环套套在所述内光纤连接器的周围，用于在所述内光纤连接器的轴向方向固定所述内光纤连接器，所述固定环套外侧固定在所述保护套中。
其中，所述保护套的内壁和外壁上均设有螺纹，所述微波腔的孔径内壁设有与保护套的外壁螺纹相配合的螺纹，所述光纤适配器的外壁及固定环套的外壁均设有与保护套的内壁螺纹相配合的螺纹。
其中，所述保护套采用聚乙烯材料的塑料制成。
其中，所述光纤适配器、外光纤连接器及内光纤连接器由塑料材料制成。
其中，所述内部光纤表面包裹有耐热保护套管。
其中，所述测量装置包括：光源、膜片、聚光透镜及光电转换电路，所述光源发出的光经膜片反射，并通过聚光透镜传输给所述外部光纤，所述光电转换电路接收由外部光纤返回的荧光信号，根据所述荧光信号测量得到待测物体的温度。
其中，还包括显示及控制装置，连接所述测量装置和微波腔，用于显示所述待测物体的温度，并根据待测物体的温度对微波腔的加热程序进行反馈控制。
(三)有益效果
本发明的基于荧光光纤测温的微波测温系统利用了光纤荧光测温对电磁辐射场免疫的特点实现了在超高频、强电磁场及重干扰的环境中准确地对微波腔内待加热物体的温度测量；并且通过可旋转的光纤转接装置，使得荧光探头随待加热物体旋转，实现了更加准确地测温。
附图说明
图1是本发明实施例的一种基于荧光光纤测温的微波测温系统结构示意图；
图2是图1中光纤转接装置沿A-A向的剖面的具体结构示意图；
图3是采用图1中的基于荧光光纤测温的微波测温系统测得的温度与设定温度之间的关系曲线图。
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。
如图1所示，为本发明实施例的一种微波测温系统结构示意图，该微波测温系统包括：测量装置7、外部光纤3、内部光纤4、荧光探头5，光纤转接装置6。外部光纤3位于微波腔1外部，内部光纤4位于微波腔1内部。光纤转接装置6固定在微波腔1的孔径中。外部光纤3一端连接测量装置7，另一端连接光纤转接装置6。由于待测物体2在微波腔1内一般会进行旋转加热，为了使测得的温度更准确，内部光纤4的一端可旋转地连接光纤转接装置6。内部光纤4的另一端固定有荧光探头5。光纤转接装置6接通外部光纤3和内部光纤4，使得光信号能够在测量装置7和荧光探头5间顺利的传播。
本实施中，光纤转接装置6的结构如图2所示，包括：光纤适配器61、外光纤连接器62、内光纤连接器63、保护套64。外光纤连接器62安装在光纤适配器61中，内光纤连接器63可旋转地安装在光纤适配器61中。外光纤连接器62的光纤插入管621中插入外部光纤3，内光纤连接器63的光纤插入管631中插入内部光纤4。光纤适配器61使得外光纤连接器62的光纤插入管621和内光纤连接器63的光纤插入管631在一条直线上，以保证光的传输。纤芯分别与外光纤连接器62和内光纤连接器63的端面是通过光纤细砂纸打磨，保证与适配器端面齐平同时也保证的光的高效传输，而固定光纤是通过外光纤连接器62及内光纤连接器63与光纤的保护套管之间捏合固定。在测温时，内部光纤4被固定在待测物体2上，随待测物体2旋转，从而带动内光纤连接器63旋转。
光纤适配器61固定在保护套64中，保护套64固定在微波腔1的孔径中。为了防止微波泄露，优选地，保护套64内壁和外壁上均设有螺纹，光纤适配器61外壁设有螺纹。保护套64的外壁螺纹与微波腔1的孔径内壁设置的螺纹配合，并密封效果好。内壁螺纹与光纤适配器61外壁上的螺纹相配合以固定光纤适配器61。
进一步地，为了防止内光纤连接器63在旋转时脱落，光纤转接装置6还包括：固定环套65，固定环套65套在内光纤连接器63与内部光纤4连接端的周围，并通过其外壁上的螺纹和保护套64的外壁螺纹相配合将自身固定在保护套64中。
本实施例中，光纤适配器61、外光纤连接器62及内光纤连接器63由塑料材料制成。光纤适配器61采用安捷伦塑料连接器HFBR-4505Z/4515Z。外光纤连接器62及内光纤连接器63采用安捷伦HFBR-4501Z/4511Z的连接头。保护套64采用聚乙烯材料的塑料制成，大小可根据微波腔1的孔径大小自行订制。
由于内部光纤4位于微波腔1内，为了防止光纤受高温的影响，内部光纤4表面包裹有耐热保护套管，如采用耐高温的特氟龙套管来包裹玻璃光纤束。外部光纤3采用普通的保护套管即可。
本实施例的测量装置7包括：光源71、膜片72、聚光透镜73及光电转换电路74。膜片能够反射发射光并能够使返回的荧光透过的膜片，可以是根据光波长的特点进行镀膜的膜片，一面镀成反射发射光(LED光)，另一面镀成透过返回来的荧光。光源71(如：LED灯)发出的光信号经膜片72反射，并通过聚光透镜73传输给外部光纤3，再经过内部光纤4的传播以使得光信号到达荧光探头5。荧光探头5接收光信号，并将其上荧光物质被光信号激发出的荧光信号通过内部光纤4和外部光纤3传输回测量装置7，测量装置7中的光电转换电路74接收荧光信号，并对荧光信号进行放大、滤波等一系列电路处理最终测量待测物体2的温度。本实施例的测量装置7结构简单，实现成本低。当然测量装置7也可以为其他荧光式辐射光纤温度传感器。
进一步地，本实施例的微波测温系统还包括显示及控制装置8，连接测量装置7和微波腔1，用于显示待测物体2的温度，并根据待测物体2的温度对微波腔1的加热程序进行反馈控制。
本实施例采用荧光光纤测温原理，并且能够使荧光探头随待测物体旋转，提高了测量精度，测量精度可达0.1℃，稳定性可高达±0.05℃，且探头反应时间较快。如图3所示，图表显示设定温度与测量温度之间的关系曲线，根据微波设备的温度设定，当待加热的物体升温到设定温度时，采用本实施例的微波测温系统测得的待测物体的温度与设定温度的误差在±0.1℃。另外，本实施例的微波测温系统成本更为低廉，所需器件更少，结构简单，体积更小，非常适合于集成到现有的微波设备中。
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 (9)
1.一种基于荧光光纤测温的微波测温系统，其特征在于，包括：测量装置、外部光纤、内部光纤、荧光探头，光纤转接装置，所述外部光纤一端连接所述测量装置，另一端连接所述光纤转接装置，内部光纤的一端可旋转地连接所述光纤转接装置，所述荧光探头固定于所述内部光纤的另一端，所述光纤转接装置固定在微波腔的孔径中，所述外部光纤位于微波腔外部，所述内部光纤位于微波腔内部，所述荧光探头用于接收所述测量装置发出的光信号，并将其上荧光物质被所述光信号激发出的荧光信号传输给所述测量装置，所述测量装置用于根据所述荧光信号测量待测物体的温度。
2.如权利要求1所述的基于荧光光纤测温的微波测温系统，其特征在于，所述光纤转接装置包括：光纤适配器、外光纤连接器、内光纤连接器、保护套，所述光纤适配器固定在所述保护套中，保护套固定在微波腔的孔径中，所述外光纤连接器安装在所述光纤适配器中，所述内光纤连接器可旋转地安装在所述光纤适配器中，所述外光纤连接器的光纤插入管用于插入外部光纤，所述内光纤连接器的光纤插入管用于插入内部光纤。
3.如权利要求2所述的基于荧光光纤测温的微波测温系统，其特征在于，所述光纤转接装置还包括：固定环套，所述固定环套套在所述内光纤连接器的周围，用于在所述内光纤连接器的轴向方向固定所述内光纤连接器，所述固定环套外侧固定在所述保护套中。
4.如权利要求3所述的基于荧光光纤测温的微波测温系统，其特征在于，所述保护套的内壁和外壁上均设有螺纹，所述微波腔的孔径内壁设有与保护套的外壁螺纹相配合的螺纹，所述光纤适配器的外壁及固定环套的外壁均设有与保护套的内壁螺纹相配合的螺纹。
5.如权利要求4所述的基于荧光光纤测温的微波测温系统，其特征在于，所述保护套采用聚乙烯材料的塑料制成。
6.如权利要求5所述的基于荧光光纤测温的微波测温系统，其特征在于，所述光纤适配器、外光纤连接器及内光纤连接器由塑料材料制成。
7.如权利要求1～6中任一项所述的基于荧光光纤测温的微波测温系统，其特征在于，所述内部光纤表面包裹有耐热保护套管。
8.如权利要求7所述的基于荧光光纤测温的微波测温系统，其特征在于，所述测量装置包括：光源、膜片、聚光透镜及光电转换电路，所述光源发出的光经膜片反射，并通过聚光透镜传输给所述外部光纤，所述光电转换电路接收由外部光纤返回的荧光信号，根据所述荧光信号测量得到待测物体的温度。
9.如权利要求8所述的基于荧光光纤测温的微波测温系统，其特征在于，还包括显示及控制装置，连接所述测量装置和微波腔，用于显示所述待测物体的温度，并根据待测物体的温度对微波腔的加热程序进行反馈控制。
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