CN102410886A - 一种光纤温度传感器及测量系统和信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤温度传感器及测量系统和信号处理方法，所述光纤温度传感器由普通光纤和光子晶体光纤组成；所述光子晶体光纤两端与普通光纤熔接，构成光纤温度传感器；所述光子晶体光纤的气孔中填充有荧光物质和折射率温度敏感物质。所述普通光纤为多模光纤或单模光纤。所述光纤温度传感器测量系统由光源、所述光纤温度传感器、耦合器、滤波器、探测器和信号处理单元组成。信号处理时，将传感器输出的激发光和荧光作为温度测量参量，并将激发光和荧光之间的强度比作为温度测量参量，构成多参量测量温度，提高了光纤温度传感器的灵敏度和测量精度。

Description

一种光纤温度传感器及测量系统和信号处理方法

技术领域

本发明涉及温度传感器，尤其涉及基于光子晶体光纤的光纤温度传感器及测量系统和信号处理方法。

背景技术

温度是工业生产及生活中最常用的物理指标，温度传感器有着广泛的应用。近年来，由于光纤温度传感器具有动态范围大、本质安全和抗电磁干扰等优点，越来越受到人们的重视。光纤荧光温度传感器属于光纤温度传感器的一个重要分支。

传统的荧光光纤温度传感器是利用荧光材料的荧光强度随温度而变化，或荧光强度的衰变速度随温度而变化的特性测量温度。最早的荧光光纤温度传感器是利用荧光强度测温，由于光源波动问题，荧光强度测量方法在实际测量温度过程中会有很大的误差。而荧光寿命测温方法具有采样时间长、信号处理复杂、成本较高等问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光纤温度传感器及测量系统和信号处理方法，旨在解决现有荧光光纤温度传感器存在的测量温度缺陷问题。

本发明的技术方案如下：

一种光纤温度传感器，其中，所述光纤温度传感器由普通光纤和光子晶体光纤组成；所述光子晶体光纤两端与普通光纤熔接，构成光纤温度传感器；

所述光子晶体光纤的气孔中填充有荧光物质和折射率温度敏感物质；

所述普通光纤为多模光纤或单模光纤。

所述的光纤温度传感器，其中，所述在光子晶体光纤中填充的荧光物质为罗丹明B或硫化锌；折射率温度敏感材料为乙醇或钟表油。

所述的光纤温度传感器，其中，所述光子晶体光纤上设置有纤芯和气孔，所述气孔在纤芯周围沿着轴向规则排列。

所述的光纤温度传感器，其中，部分所述气孔内填充有荧光材料物质和折射率温度敏感材料。

所述的光纤温度传感器，其中，所述光子晶体光纤为带隙型光子晶体光纤，纤芯孔直径为5.6μm、微小气孔直径为2.2μm、占空比为85%。

所述的光纤温度传感器，其中，所述光子晶体光纤长12cm。

一种光纤温度传感器测量系统，其中，所述光纤温度传感器测量系统由光源、光纤温度传感器、耦合器、滤波器、探测器和信号处理单元组成；

所述光源、光纤温度传感器、耦合器、滤波器、探测器和信号处理单元依次连接；

所述光纤温度传感器由普通光纤和光子晶体光纤组成；所述光子晶体光纤两端与普通光纤熔接，构成光纤温度传感器；

所述光子晶体光纤的气孔中填充有荧光物质和折射率温度敏感物质；

所述普通光纤为多模光纤或单模光纤。

所述的光纤温度传感器测量系统，其中，所述光源为激光器、LED、高压汞灯或高压氙灯。

所述的光纤温度传感器测量系统，其中，所述滤波器设置有两个，分别为第一滤波器和第二滤波器，所述第一滤波器用于对所述光纤温度传感器输出的荧光的进行滤光；所述第二滤波器用于对所述光纤温度传感器输出的激发光的进行滤光；

所述探测器设置有两个，分别与第一滤波器和第二滤波器对应。

一种光纤温度传感器测量系统的信号处理方法，所述光纤温度传感器测量系统由光源、所述光纤温度传感器、耦合器、滤波器、探测器和信号处理单元组成；所述光源、光纤温度传感器、耦合器、滤波器、探测器和信号处理单元依次连接；所述光纤温度传感器由普通光纤和光子晶体光纤组成；所述光子晶体光纤两端与普通光纤熔接，构成光纤温度传感器；所述光子晶体光纤的气孔中填充有荧光物质和折射率温度敏感物质；所述普通光纤为多模光纤或单模光纤，其中，所述信号处理方法为将经过光纤温度传感器的激发光和荧光之间的强度比作为温度测量参量，其具体过程如下：

光源发出的光耦合到光纤温度传感器中，光纤温度传感器的输出的光中包含一部分激发光和荧光，经耦合器分为两路，每路选用与荧光和激发光相对应的滤波器进行滤光后，分别由两个探测器探测激发光信号和荧光信号，光纤温度传感器输出的激发光信号和荧光信号由一信号处理单元对信号进行处理。

有益效果：与传统的荧光光纤温度传感器相比，在光纤温度传感器中填充荧光物质和折射率温度敏感的材料，除了荧光信号以外，激发光也可以作为测量信号。两者信号相互补偿，如将传感器输出的激发光和荧光之间的强度比作为温度测量参量，不仅可以消除光源波动所带来的误差，而且可以大大提高测量灵敏度。

附图说明

图1为本发明的光子晶体光纤的光纤截面图。

图2为本发明光纤温度传感器测量系统的结构示意图。

图3为本发明实施例中光纤中激发光随温度变化曲线图。

图4为本发明实施例中光纤中荧光随温度变化曲线图。

图5本发明实施例中荧光寿命随温度变化图。

图6为本发明实施例中光纤温度传感器输出的激发光/荧光强度比与温度的关系图。

图7为本发明实施例中光源强度与工作电流的关系图。

图8为光源强度与工作电流的关系图在55°C和50°C下光源工作电流激发光/荧光比与温度的关系图。

具体实施方式

本发明提供光纤温度传感器及测量系统和信号处理方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所提供的光纤温度传感器，由普通光纤和光子晶体光纤组成。所述光子晶体光纤两端与普通光纤熔接，构成光纤温度传感器。所述普通光纤可以为多模光纤或单模光纤。所述光子晶体光纤的气孔中填充有填充荧光物质和折射率温度敏感材料，所述荧光物质和折射率温度敏感材料按一定比例混合（如，选取罗丹明B作为荧光材料，乙醇溶液作为折射率温度敏感材料时，罗丹明B浓度为0.01g/L）。所述在光子晶体光纤中填充的荧光物质为罗丹明B、硫化锌或其他荧光材料，所述折射率温度敏感材料为乙醇、钟表油或其他材料。

所述光子晶体光纤，是选择带隙型光子晶体光纤作为工作光纤。请参阅图1，是本发明的光子晶体光纤的光纤截面原理示意图。所述带隙型光子晶体光纤设置有纤芯11和气孔12，所述纤芯11为纤芯孔，所述气孔11为微小气孔，在纤芯11周围沿着轴向规则排列微小气孔。所述的微小气孔内填充有荧光材料物质和折射率温度敏感材料，或有选择性的填充，即有的空填充，而有的空不填。通过这些微小气孔对光的约束，光在光子晶体光纤的纤心孔中传导。在光纤温度传感器的微小气孔的填充荧光物质和折射率温度敏感的材料，光纤温度传感器输出的激发光，其强度与温度有关，可以作为温度测量参量。

本发明还提供一种光纤温度传感器测量系统，如图2所示，其包括光源、所述光纤温度传感器、耦合器、滤波器、探测器和信号处理单元等。所述光源、所述光纤温度传感器、耦合器、滤波器、探测器和信号处理单元依次连接。

采用激发光对所述光纤温度传感器中的荧光材料进行泵浦，测量在不同温度下发出的荧光，以及通过光纤温度传感器输出的激发光，并将荧光信号和所输出的激发光信号共同处理，来实现温度的测量。

所述光源的选择可根据荧光材料的敏感光谱范围来确定，光源可以选用激光器、LED、高压汞灯或高压氙灯。

工作时，将填充了荧光物质和折射率温度敏感材料的光纤温度传感器置于温度场中，如图2中的箭头所示的，光源发出的光通过接入光纤耦合到光纤温度传感器中，光纤温度传感器的输出的光，经耦合器分为两路，每路选用与荧光和激发光相对应的滤波器进行滤光后，分别由两个探测器探测激发光信号和荧光信号。激发光信号和荧光信号由一信号处理单元对信号进行处理。信号处理时，将光纤温度传感器输出的激发光和荧光作为温度测量参量，并将激发光和荧光之间的强度比作为温度测量参量，构成多参量测量温度，提高了光纤温度传感器的灵敏度和测量精度。

所述光纤温度传感器测量系统的信号处理过程为：光源发出的激发光耦合到该光纤温度传感器中，光纤温度传感器中发出的光的荧光通过滤波器滤波，由探测器1接收；通过光纤温度传感器的激发光通过另外一个滤波器滤波后，由探测器2接收，两个探测器的信号由信号处理单元处理，实现对温度的测量与光源波动的补偿。

本发明所提供的光纤温度传感器是在光子晶体光纤中填充荧光物质和折射率温度敏感的材料，在测量温度时，将光纤温度传感器输出的激发光和荧光之间的强度比作为温度测量参量，这种信号处理方法提高了光纤温度传感器的灵敏度和测量精度。当然，也可以将经过荧光温度传感器的激发光和荧光单独作为温度测量参量。

通常情况下，光源强度总是存在有波动现象，会给荧光强度测温法带来测量误差。采用本发明的结构系统与测量方法，可以对光源波动进行补偿。因为光源发出的激发光在光子晶体光纤传感器中传输时，一部分激发荧光物质产生荧光，另外一部分经光子晶体光纤调制后输出。由于光子晶体光纤中填充了折射率温度敏感材料，当温度变化时，光子晶体光纤的光子带隙也随着变化，即光子晶体光纤的光子带隙被温度调节，使得经过光子晶体光纤后的激发光的强度与温度有关，并与光源强度成正比关系。在转换效率和温度一定情况下，荧光强度也与光源强度成正比关系。在本发明效果中，当温度上升时，荧光强度下降，经过光子晶体光纤后的激发光的强度增强，所以经过光子晶体光纤后的激发光与荧光的强度比也是温度相关的，当把光纤温度传感器输出的激发光与荧光的强度比作为温度测量参量时，可以消除光源的波动对荧光强度测温带来的误差。

以下通过实施例对本发明的光纤温度传感及测量系统和信号处理方法做进一步说明。

实施例

在光子晶体光纤的气孔中填充罗丹明B作为荧光物质，以及乙醇溶液作为折射率温度敏感材料后，检测光纤中激发光与荧光随温度的变化特性。乙醇的折射率温度系数为3.94×10^-4 /K，相对于纯硅折射率温度系数8.6×10^-6 /K来说，高出约两个数量级。荧光材料罗丹明B和折射率温度敏感材料酒精的比例为1:5，罗丹明B过多，荧光会饱和，罗丹明B过少，荧光信号会很弱，给探测器测量带来困难。

所述光子晶体光纤选择纤芯孔直径为5.6μm，包层空气孔直径为2.2μm，占空比约为85%的光子带隙光纤，往空气孔中填充荧光物质后，当PCF（光子晶体光纤）长12cm时，由此构成的传感器激发光强度与温度的关系如图3所示。

从图3可以看到，随着温度升高，光子晶体光纤传感器输出的激发光光强逐渐增强。

采用光源对已填充进PCF里的荧光物质进行激发，在外界温度场的作用下检测荧光强度和寿命随温度的变化规律如图4、5所示。从图4和图5可以看到，随着温度升高，荧光光强逐渐减弱，寿命变短。

对经过将光子晶体荧光温度传感器输出的激发光和荧光强度进行处理：激发光和荧光强度比如图6所示，从图中可以看出，如果把强度比作为温度测量参量，可以得到非常高的灵敏度。

选择在55°C和50°C下光源工作电流下测试激发光/荧光强度比，如图7所示，从实验结果中，发现当LED光源工作电流从15mA变化到30 mA时，激发光/荧光强度比几乎不变，如图8所示。选择强度比作为温度测量参量时，可以消除光源波动，同时获得很高的灵敏度。

光子带隙光纤，在未填充物质前，空气孔中空气的折射率可以认为不随温度的变化。在孔中填充折射率温度敏感材料后，填充的材料温度系数越大，则温度对光子晶体光纤的禁带影响越大，模场分布对温度越敏感。随着温度的升高，光纤限制光的能力越来越强，即光子晶体光纤传感器输出的激发光光强越强，如图3实验结果所示，呈非线性状态，具有很高的灵敏度。而荧光的强度和寿命随着温度的升高而下降，如图4、5实验结果所示，呈线性状态，明显低于光子晶体光纤荧光传感器输出的激发光光强的温度灵敏度。光纤温度传感器输出的激发光和荧光之间的强度比作为温度测量参量，实验结果如图6所示，强度比随着温度的升高而增大，呈非线性状态，因而具有很高的灵敏度，更重要的是可以消除光源波动所带来的测量误差。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，将激发光和荧光信号共同处理用于温度测量，以及根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器由普通光纤和光子晶体光纤组成；所述光子晶体光纤两端与普通光纤熔接，构成光纤温度传感器；

所述光子晶体光纤的气孔中填充有荧光物质和折射率温度敏感物质；

所述普通光纤为多模光纤或单模光纤。

2.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述在光子晶体光纤中填充的荧光物质为罗丹明B或硫化锌；折射率温度敏感材料为乙醇或钟表油。

3.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述光子晶体光纤上设置有纤芯和气孔，所述气孔在纤芯周围沿着轴向规则排列。

4.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，部分所述气孔内填充有荧光材料物质和折射率温度敏感材料。

5.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述光子晶体光纤为带隙型光子晶体光纤，纤芯孔直径为5.6μm、微小气孔直径为2.2μm、占空比为85%。

6.根据权利要求5所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述光子晶体光纤长12cm。

7.一种光纤温度传感器测量系统，其特征在于，所述光纤温度传感器测量系统由光源、光纤温度传感器、耦合器、滤波器、探测器和信号处理单元组成；

所述光源、光纤温度传感器、耦合器、滤波器、探测器和信号处理单元依次连接；

所述光纤温度传感器由普通光纤和光子晶体光纤组成；所述光子晶体光纤两端与普通光纤熔接，构成光纤温度传感器；

所述光子晶体光纤的气孔中填充有荧光物质和折射率温度敏感物质；

所述普通光纤为多模光纤或单模光纤。

8.根据权利要求7所述的光纤温度传感器测量系统，其特征在于，所述光源为激光器、LED、高压汞灯或高压氙灯。

9.根据权利要求7所述的光纤温度传感器测量系统，其特征在于，所述滤波器设置有两个，分别为第一滤波器和第二滤波器，所述第一滤波器用于对所述光纤温度传感器输出的荧光的进行滤光；所述第二滤波器用于对所述光纤温度传感器输出的激发光的进行滤光；

所述探测器设置有两个，分别与第一滤波器和第二滤波器对应。

10.一种光纤温度传感器测量系统的信号处理方法，所述光纤温度传感器测量系统由光源、所述光纤温度传感器、耦合器、滤波器、探测器和信号处理单元组成；所述光源、光纤温度传感器、耦合器、滤波器、探测器和信号处理单元依次连接；所述光纤温度传感器由普通光纤和光子晶体光纤组成；所述光子晶体光纤两端与普通光纤熔接，构成光纤温度传感器；所述光子晶体光纤的气孔中填充有荧光物质和折射率温度敏感物质；所述普通光纤为多模光纤或单模光纤，其中，所述信号处理方法为将经过光纤温度传感器的激发光和荧光之间的强度比作为温度测量参量，其具体过程如下：

光源发出的光耦合到光纤温度传感器中，光纤温度传感器的输出的光中包含一部分激发光和荧光，经耦合器分为两路，每路选用与荧光和激发光相对应的滤波器进行滤光后，分别由两个探测器探测激发光信号和荧光信号，光纤温度传感器输出的激发光信号和荧光信号由一信号处理单元对信号进行处理。

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