CN102435347A - 一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于温度传感器领域的一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法。该方法对激励光源模块进行强度调制，使其输出光强包络包含N个频率分量的激励光激发Q个通道光纤探针中的荧光物质，并采用锁相检测技术对所收集的荧光信号，通过移相获得的K组数据进行解调，得到各测量点的荧光寿命，进而获得相应点的温度。本发明仅采用单一激励光源与信号探测处理模块即可实现多点测量，结构简单紧凑、系统成本低廉，可实现多点温度的实时定位测量。

Description

一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法

技术领域

本发明属于温度传感器领域，特别涉及一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法。

背景技术

光纤温度传感器与传统的温度传感器相比，具有很多优点，如：光波不受电磁干扰影响；光纤工作频率宽，动态范围大，是一种低损耗传输线；光纤本身不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗辐射性能好。故光纤温度传感器特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用，解决了传统方法无法解决的测温难题。其中，荧光光纤温度传感器根据荧光物质受激励后所出射的荧光参数与温度的一一对应关系，通过检测荧光强度或荧光寿命实现温度传感，现已被广泛应用于电力系统、建筑、航空航天、医疗、食品加工、石油化工、海洋开发等多种领域。

在许多应用场合中，经常需要对多点测温进行监测。如在电力系统中，需要对变电所内的各种电器装备的在线温升进行测量。然而，目前大部分荧光光纤测温系统都仅可用于单点温度探测。故在需要进行多点温度同时测量时，若使用多套单点温度测量系统，则会大大增加系统成本。

采用动态耦合的光学多路转换方案，即通过转换装置分别激发多个荧光探头并进行对应测量，可以实现多路温度监测(贾丹平，多路荧光光纤测温系统的研究，沈阳工业大学硕士论文，2001)。但是该方法的缺点在于：一方面，复杂的动态耦合装置引入了动态耦合误差，影响测温的稳定性；另一方面，各路温度需依次转换光路进行测量，无法同时获得。

此外，还可通过借鉴光纤通信中时分复用的方法也可实现多点温度测量，但是该方法需要采用多路激发光源及精密的时间同步系统，系统复杂、成本昂贵。

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是提出一种

有效措施，以解决多点温度同时测量的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，该荧光光纤温度传感器是其传光光纤连接温度传感器光纤探头和光纤耦合器，并在温度传感器光纤探头上的涂覆荧光物质；光纤耦合器再分别连接可强度调制的激励光源模块和滤波元件；调制信号源分别连接激励光源模块、数据处理模块及光电探测器；其特征在于，所述荧光光纤温度传感器实时测量多点温度包括如下步骤：

1)对激励光源模块进行强度调制，使其输出光强包络包含N个频率分量；

2)经过强度调制激励光源模块的输出光经光纤耦合器分光，并经传光光纤传输至Q路温度传感通道中的光纤探头；

3)光纤探头上的荧光物质受激发后发出荧光，探头收集荧光并由传光光纤反向传输；

4)荧光经光纤耦合器、滤波元件后，由光电探测器进行探测；

5)光电探测器探测到的荧光经过移相器进行K次改变参考信号相位，进行锁相检测，得到K组测量数据；

6)数据处理系统对锁相检测信号进行解调，获得一组荧光寿命信息；

7)将步骤6)获得的荧光寿命信息与预先标定的不同掺杂浓度下各荧光物质的荧光寿命随温度的变化曲线进行比对，即得各定位点的实时温度。

所述各荧光光纤温度传感器光纤探头上荧光物质的激发波长应相同或相近；其荧光物质可选择不同浓度的同种材料或激发波长相近的不同材料，并且所选各荧光物质的荧光寿命在一定的温度范围内不存在交叠区域。

所述激励光源模块中的激励光源由所用荧光材料的吸收光谱确定，所述激励光源可选用激光器、发光二极管(LED)、高压汞灯或高压氙灯。

所述对激励光源模块进行强度调制的实现方法，可通过直接对独立光源进行强度调制完成，或者通过将独立光源的输出经加载强度调制信号的声光调制器或电光调制器完成。

所述光纤耦合器可根据实际需要设计不同的分光比。例如，当有Q个测量点时，可选用各路分光比为1/Q的光纤耦合器。

所述传光光纤可选用单模或多模的石英光纤、或塑料光纤或聚合物光纤中一种。

所述滤波元件由二色镜或滤波片构成。

所述光电探测器选择为光电倍增管、雪崩二极管或光电二极管。

所述锁相检测方法可采用外差探测或零差探测。

所述调制频率数N与测量通道数Q应满足Q≤N；参考信号相位改变数K与调制频率数N需满足奈奎斯特抽样定理，即K＞2N。

所述测量通道数Q≥1，调制频率数N≥Q且N≥1，参考信号相位改变数K＞2N且K≥3。

本发明的有益效果是与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明仅采用单一激励光源与信号探测处理模块即可实现多点温度测量，极大的降低了系统成本；系统结构简单、紧凑；可实现多点温度的同时测量；可实现多点温度的实时定位测量。

附图说明

图1是本发明实施例所述的一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法流程图；

图2是具体实施方式中引自文献(叶林华，周小芬，张金风，等.LED泵浦蓝宝石光纤荧光温度传感器[J].光子学报.2009，38(9)：2234-2237)的端部掺Cr³⁺离子的蓝宝石光纤探头在不同掺杂浓度(原子浓度)下其荧光寿命与温度的实验测量关系曲线。

图3是本发明实施实例中光纤探头采用不同浓度的荧光物质进行多点温度探测的荧光光纤温度传感器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

参照图1，示出了本发明的所述的一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法流程图，所述方法具体包括：

步骤S101，对激励光源模块进行强度调制，使其输出光强包络包含N个频率分量；

具体实现中，所述激励光源模块中的激励光源由所用荧光材料的吸收光谱确定，所述激励光源可选用激光器、发光二极管(LED)、高压汞灯或高压氙灯。所述对激励光源模块进行强度调制的实现方法，可通过直接对独立光源进行强度调制完成，或者通过将独立光源的输出经加载强度调制信号的声光调制器或电光调制器完成。

调制频率数N与测量通道数Q应满足Q≤N。

步骤S 102，激励光经光纤耦合器分光，并经传光光纤传输至Q路温度传感通道中的光纤探头；

所述光纤耦合器可根据实际需要设计不同的分光比。例如，当有Q个测量点时，可选用各路分光比为1/Q的光纤耦合器。所述传光光纤可选用单模或多模的石英光纤、或塑料光纤或聚合物光纤中一种。

步骤S103，光纤探头上的荧光物质受激发后发出荧光，探头收集荧光并由传光光纤反向传输；

所述各光纤探头上荧光物质的激发波长应相同或相近；其荧光物质可选择不同浓度的同种材料或激发波长相近的不同材料，并且所选各荧光物质的荧光寿命在一定的温度范围内不存在交叠区域。

步骤S104，荧光经光纤耦合器、滤波元件后，由光电探测器进行探测；

荧光相对于激励光波长向长波长方向移动，需要使用滤波元件将激励光滤除。所述滤波元件由二色镜或滤波片构成，所述光电探测器选择为光电倍增管、雪崩二极管或光电二极管。

步骤S105，K次改变参考信号相位，进行锁相检测，得到K组测量数据；

所述锁相检测方法可采用外差探测或零差探测，需要引入参考信号。改变参考信号相位，获得多组测量数据，并输入后续的数据处理系统。

参考信号相位改变数K与调制频率数N需满足奈奎斯特抽样定理，即K＞2N。

步骤S106，数据处理系统对锁相检测信号进行解调，获得各通道中的荧光寿命信息；

对光电转换后的数据进行非线性拟合处理，可得多个荧光寿命值。

步骤S107，根据各荧光物质寿命和温度预先标定的已知关系(即指数衰减函数关系，例如图2所示)进行比对，即可得各定位点的实时温度。

举例对荧光寿命与温度的一一对应关系进行说明。图2所示为端部掺Cr³⁺离子蓝宝石光纤荧光探针在不同掺杂浓度(原子浓度)下其荧光寿命与温度的实验测量关系曲线(叶林华，周小芬，张金风，等.LED泵浦蓝宝石光纤荧光温度传感器[J].光子学报.2009，38(9)：2234-2237)。

且由于所述S103中所选各荧光物质的荧光寿命在一定的温度范围内不存在交叠区域。故可根据所用各荧光物质寿命和温度的已知关系进行比对，确定S106中所得各寿命值所对应的荧光物质及其反映的温度，即确定各定位点的实时温度。

上述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的原理为：

(1)采用经调制的激励光激发各光纤探头的荧光物质所得的荧光信号；

调制信号源输出的信号对激励光源进行强度调制，使其输出光强度包络包含多个频率分量；各温度传感通道中的荧光物质在经激励光照射后发出荧光，该荧光与激励光频率相同，但二者之间存在相位差，且荧光信号的调制度发生变化。

设有Q个温度测量点，所有测量点处荧光物质的δ函数冲激响应总和为

$F_{\mathrm{\δ}}\left(t\right)=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{a}_q\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_q)---\left(1\right)$

其中，a_q为第q个测量点处的荧光强度，τ_q为相应的荧光寿命。

经强度调制模块调制后的激励光为

其中E₀为与时间无关的平均强度。N为调制频率数，E_n是第n阶谐波频率分量的强度，对应相位为

则上述激励光激发出的荧光强度为

其中QE为量子效率，

为平均荧光强度，相移

和调制度M_n的表达式为

$M_n=\sqrt{A_n^2+B_n^2}---\left(4b\right)$

其中，

$A_n=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\α}}_q\mathrm{nw}{\mathrm{\τ}}_q}{1+{\left(\mathrm{nw}{\mathrm{\τ}}_q\right)}^2}---\left(5a\right)$

$B_n=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\α}}_q}{1+{\left(\mathrm{nw}{\mathrm{\τ}}_q\right)}^2}---\left(5b\right)$

上述表达式中包含如下替换

$\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_q=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{a}_q{\mathrm{\τ}}_q=1---\left(6\right)$

由式(4)可见，相移

和调制度M_n包含各测量点的寿命信息，即反映了各点的温度信息。

(2)采用锁相检测进行荧光寿命暨温度解调

滤波元件滤除激励光后，光电探测器仅对荧光进行探测，采用锁相检测方法确定荧光寿命。此时需引入参考信号，对荧光信号进行锁相检测(即先混频再低通滤波)。

设参考信号的傅里叶展开式为：

其中w′为参考信号的基频，G₀为平均增益，G_m是相位为

的第m阶频率分量幅度，kΔψ为对参考信号额外施加的可调相位。

根据激励光调制信号与参考信号之间的频率关系，可以分为外差探测和零差探测。

①外差探测

荧光信号与参考信号混频并经低通滤波器后的表达式可写为

其中Δω＝|ω-ω′|是荧光信号与参考信号的基频差，M_R，n＝E_nG_n/2E₀G₀为参考调制度，

为参考相位，

是第n通道光纤长度与平均值的差异所引入的相位，参考调制度和参考相位可在未加光纤探头前测量获得，D₀＝QEG₀E₀是平均强度。

由于Δω可以选得足够小(几个Hz到几十Hz)，所以能够在时域上对此信号进行准确采样。

②零差探测

如果Δω＝0，信号在时域上是不随时间变化的，表达式为

此时可以每隔一定的相位步长Δψ做K次测量(k＝0，1，2，3…K-1)，获得各个相位下的信号强度。为满足采样的奈奎斯特定理，K需满足K＞2N。

由于零差探测在实现上更加简单，故一般建议采用零差探测。下面的数据处理将对采用此探测手段所得到的结果进行说明。

(3)数据处理

对锁相检测得到的数据进行处理拟合，计算得出荧光寿命值。为此，将式(9)写成如下三角级数形式：

$D\left(k\right)=D_0+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[v_n\cos \left(\mathrm{kn\Δ\ψ}\right)+w_n\sin \left(\mathrm{kn\Δ\ψ}\right)]---\left(10\right)$

式(10)中的参数可用下述式(11)计算得出：

$D_0=\frac{1}{K}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}D\left(k\right)---\left(11a\right)$

$v_n=\frac{2}{K}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}D\left(k\right)\cos \left(\mathrm{kn\Δ\ψ}\right)---\left(11b\right)$

$w_n=\frac{2}{K}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}D\left(k\right)\sin \left(\mathrm{kn\Δ\ψ}\right)---\left(11c\right)$

其中K为每隔相位步长Δψ所做的测量次数。

据此，可以得到相移和调制度M_n

$M_n=\sqrt{v_n^2+w_n^2}/D_0{M}_{R,n}---\left(12b\right)$

根据误差传播理论，还可计算出和M_n的方差：

${\mathrm{\σ}}_{M_n}^2=\frac{w_n^2+v_n^2}{D_0^2{M}_{R,n}^2}{\mathrm{\σ}}_{D_0}^2+\frac{w_n^2{\mathrm{\σ}}_{v_n}^2+v_n^2{\mathrm{\σ}}_{w_n}^2}{D_0^2{M}_{R,n}^2(w_n^2+v_n^2)}+\frac{w_n^2+v_n^2}{D_0^2{M}_{R,n}^2}{\mathrm{\σ}}_{M_{R,n}}^2---\left(13b\right)$

此时，使用非线性拟合法将

和M_n拟合到式(4)和式(5)，即可得到相应的(a_q，τ_q)。

(4)温度的定点确定

由于各光纤探头所选用的荧光物质在一定的温度范围内荧光寿命不存在交叠，故可对应得到各测量点的荧光寿命值。再根据各荧光物质的荧光寿命τ与温度T的一一对应关系(即荧光寿命为关于温度的指数衰减函数)

$\mathrm{\τ}\left(T\right)=\frac{1+e^{-\mathrm{\ΔE}/\mathrm{kT}}}{R_s+R_T{e}^{-\mathrm{\ΔE}/\mathrm{kT}}}---\left(14\right)$

(其中R_s、R_T、k、ΔE为常数，T为热力学温度)，即可获得对应点的温度(如图2所示)。

实施例：

下面详细叙述本发明的一个实施实例(如图3所示)，光纤探头(Q＝3)采用不同浓度的荧光物质进行多点实时测温。其中，11-带尾纤输出的发光二极管(激励光源)，12-驱动电路，13-调制信号源，14-光纤耦合器，15-石英传光光纤，16-端部具有Cr³⁺离子掺杂蓝宝石光纤探头(光纤探头)(Cr³⁺掺杂浓度，即原子浓度分别为0.4％、1.0％、2.0％)，17-滤光器，18-光电倍增管及工作电路(光电探测器)，19-低通滤波器，20-带模数转换的单片机ATmega16，21-PC机，22-移相器。不同掺Cr³⁺离子浓度的蓝宝石单晶光纤探头在不同掺杂浓度下其荧光寿命随温度的变化曲线不同(叶林华，周小芬，张金风，等.LED泵浦蓝宝石光纤荧光温度传感器[J].光子学报.2009，38(9)：2234-2237)，如图2所示。在一定温度范围内，不同掺杂浓度探针的荧光寿命区间没有交叠。例如，图2中对应Cr³⁺掺杂浓度分别为0.4％、1.0％、2.0％的蓝宝石单晶光纤探头，在0-60℃范围内其荧光寿命区间分别为(3.2ms，3.7ms)、(2.75ms，3.1ms)、(2.25ms，2.5ms)。

实例中的激励光源为带尾纤输出的发光二极管(波长为405nm)。程序控制单片机ATmega16输出带直流偏置的三个正弦波(N＝3，频率分别为1MHz、2MHz和3MHz)的叠加波形，经数模转换器及驱动电路后驱动发光二级管发出激励光，激发三路Cr³⁺离子掺杂蓝宝石光纤探针发出荧光(波长在700nm附近)。混合有激励光的荧光信号经过低端截止波长为600nm的高通滤光片，滤除激励光后进入光电倍增管。光电倍增管的增益也受到ATmega16输出的叠加波形的调制，通过移相器实现波形的相位连续调节

电信号经截止频率为500Hz的低通滤波器滤波，共获得8组锁相检测信号(K＝8保证满足了奈奎斯特采样定理K＞2N)。锁相检测信号被带模数转换的单片机ATmega16采集，送到PC机进行处理。由所测量的荧光寿命值即可确定对应光纤探头的荧光材料(此处即为对应的掺杂浓度)，依据该荧光材料的荧光寿命随温度的变化关系，即可确定各点的温度。例如，测量所得的一组荧光寿命值为3.5ms、3ms、2.3ms，则由所用各荧光探头在0-60℃范围内其荧光寿命区间(3.2ms，3.7ms)、(2.75ms，3.1ms)、(2.25ms，2.5ms)，可知各寿命值所对应的探头分别为：3.5ms为掺Cr³⁺浓度0.4％探头的荧光寿命、3ms为掺Cr³⁺浓度1％探头的荧光寿命、2.3ms为掺Cr³⁺浓度2％探头的荧光寿命。故由已预先标定的不同掺杂浓度下荧光寿命与温度的对应关系(图2)，即可确定各探头对应的温度。需要说明的是，所选用荧光物质的寿命与温度的关系限定了实时定位测量的测温范围(此处为0-60℃，但该测量范围可通过选用其他合适的荧光物质进行拓展)。

综上，采用本发明的方法，仅需要单一激励光源与信号探测处理模块即可实现对多点温度实时测量，系统结构紧凑、成本低廉。

以上对本发明所提出的一种可实时测量多点温度的荧光光纤温度传感器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (11)

1.一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，该荧光光纤温度传感器是其传光光纤连接温度传感器光纤探头和光纤耦合器，并在温度传感器光纤探头上涂覆荧光物质；光纤耦合器再分别连接可强度调制的激励光源模块和滤波元件；调制信号源分别连接激励光源模块、数据处理模块及光电探测器；其特征在于，所述荧光光纤温度传感器实时测量多点温度包括如下步骤：

1)对激励光源模块进行强度调制，使其输出光强包络包含N个频率分量；

2)经过强度调制激励光源模块的输出光经光纤耦合器分光，并经传光光纤传输至Q路温度传感通道中的光纤探头；

3)光纤探头上的荧光物质受激发后发出荧光，探头收集荧光并由传光光纤反向传输；

4)荧光经光纤耦合器、滤波元件后，由光电探测器进行探测；

5)光电探测器探测到的荧光经过移相器进行K次改变参考信号相位，进行锁相检测，得到K组测量数据；

6)数据处理系统对锁相检测信号进行解调，获得一组荧光寿命信息；

7)将步骤6)获得的荧光寿命信息与预先标定的不同掺杂浓度下各荧光物质的荧光寿命随温度的变化曲线进行比对，即得到各定点通道的实时温度。

2.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于：所述各荧光光纤温度传感器光纤探头上荧光物质的激发波长应相同或相近；其荧光物质可选择不同浓度的同种材料或激发波长相近的不同材料，并且所选各荧光物质的荧光寿命在一定的温度范围内不存在交叠区域。

3.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于：所述激励光源模块中的激励光源由所用荧光物质的吸收光谱确定，所述激励光源选用激光器、发光二极管LED、高压汞灯或高压氙灯。

4.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于：所述对激励光源模块进行强度调制采用直接对激励光源进行强度调制完成，或者通过将激励光源的输出经加载强度调制信号的声光调制器或电光调制器完成。

5.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于：所述光纤耦合器的分光比为当有Q个测量点时，选用各路分光比为1/Q的光纤耦合器。

6.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于：所述传光光纤选用单模或多模的石英光纤、或塑料光纤或聚合物光纤中一种。

7.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于：所述滤波元件由二色镜或滤波片担任。

8.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于：所述光电探测器选择为光电倍增管、雪崩二极管或光电二极管。

9.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于：所述锁相检测方法为采用外差探测或零差探测。

10.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于：调制频率数N与测量通道数Q应满足Q≤N；参考信号相位改变数K与调制频率数N需满足奈奎斯特抽样定理，即K＞2N。

11.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于：测量通道数Q≥1，调制频率数N≥Q且N≥1，参考信号相位改变数K＞2N且K≥3。

Images