CN102539012B - 微小区域温度测量的光纤法布里-珀罗温度传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了适用于微小区域温度测量的光纤法布里-珀罗温度传感器及其测量方法，以解决现有测量技术无法实现对微小区域进行测量、或者即使能够达到测量指标但测试系统成本高、难以推广的技术问题。激光光源输出激光通过耦合分路器进入传输光纤，传输到法布里-珀罗腔中，在法珀腔中产生多光束干涉，从法珀腔反射回的信号通过光电信号解调仪测量获得信号的波长信息。被测温度变化引起法珀腔的腔长发生改变，腔长变化调制反射光的波长，通过探测光波长移动，能够获得温度变化。本发明能够解决微小区域、微小目标的非接触温度测量难题，可用于桥丝、人体血管等细小物体温度的实时检测，有利于我国国防、电力、医学等领域的发展。

Description

微小区域温度测量的光纤法布里-珀罗温度传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于微小区域温度测量的温度传感器及其测量方法，涉及法布里-珀罗(法珀)腔的应用。

背景技术

温度是最常见的被测传感测量参数之一。利用热电偶传感器、热辐射探测等技术进行温度测量已广泛应用于很多场合。

在一些特殊应用场合需要准确测量微小区域的温度变化，普通的热电偶传感器、热辐射探测等方法由于测量原理的原因，无法实现对微小区域进行测量。原因是由于测量区域小，该区域总体温度能量辐射低，并且测量时易受温度传感器的影响而无法获得实时温度真值。例如在电火工品中绝大多数是在两电极之间用钨或其它贵重金属丝形成一个桥，即灼热桥丝式电点火装置，桥丝发火过程是一个热作用过程，当其温度达到点火药温度时，引起点火药持续燃烧和爆炸。当需要测量桥丝发热温度，由于桥丝的尺寸很小(一般直径1mm，长约10-20m)，光辐射强度很弱，传统的红外测温仪难以进行准确测量。采用热红外光谱成像技术虽然能够达到要求，但系统成本高，不适合推广。

法布里-珀罗光学腔：当相干光束沿光纤入射到此光学腔时，光束在法珀腔内形成多光束干涉，通过测量其法珀腔的透射光或反射光的信息可以获得传感被测量。透射光、反射光的光强或波长移动与此法珀腔的腔长相关。目前光纤法珀传感器多应用于应变、应力测量。

发明内容

本发明提供了适用于微小区域温度测量的光纤法布里-珀罗温度传感器及其测量方法，以解决现有测量技术无法实现对微小区域进行测量、或者即使能够达到测量指标但测试系统成本高、难以推广的技术问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

微小区域温度测量的光纤法布里-珀罗温度传感器，包括激光光源、耦合分路器、传输光纤、光纤法珀温度传感探头、光电探测器和与光电探测器信号输出端连接的光波长解调仪，其中，耦合分路器与光纤法珀温度传感探头分别位于传输光纤的两端；所述光纤法珀温度传感探头的外层设置有套管，在套管轴向上光纤法珀温度传感探头分为光纤传导管和法珀腔两部分，光纤传导管由外到内依次为套管、包层、纤芯，所述法珀腔为封闭腔室，纤芯与法珀腔相接，法珀腔内远离纤芯一端固定设置有采用热膨胀系数为17.5-29.3的金属材料制成的反射模块；所述耦合分路器用以将激光光源发出的激光光束耦合入传输光纤中，并将来自法珀腔的反射光分路至光电探测器。

上述传输光纤最好采用单模光纤。

上述激光光源可采用以1310nm或1550nm为中心波长，具有3-20nm波长带宽的扫描激光器。

上述反射模块最好由镁、铝、铅、铜或其合金材料制成。

应用如上述光纤法布里-珀罗温度传感器进行温度测量的方法，包括以下步骤：

(1)激光光源输出激光通过耦合分路器耦合进入传输光纤中，进而传导至光纤法珀温度传感探头内，在法珀腔中产生多光束干涉，并经法珀腔的反射端面反射；

(2)来自反射端面的反射光信号沿原路返回至耦合分路器，通过耦合分路器输出至光电探测器；

(3)光电探测器将探测到的光信号变为电信号，由光波长解调仪对电信号完成测量、处理信号值，标定光纤法珀温度传感探头探测到的外界温度；

(4)当被测区域温度场温度变化时，将引起光纤法珀温度传感探头内法珀腔的腔长发生改变，进而改变反射光信号的功率和波长；参照步骤(2)、(3)探测得到反射光信号的波长移动信息，通过计算最终获得实时环境温度值。

本发明具有以下优点：

1、本发明使用光纤传感方法，利用法珀腔对温度敏感的特性，设计出具有响应速度快、灵敏度高、光电分离并能够进行微小区域温度测量的温度传感器。

2、由于光纤具有很低的信号传输损耗，传感信号可以传输得很远，保证传感头与光源、探测装置分离。

3、使用光纤传感方法，易于和光纤通信网络融合，组成光纤传感网络，可实现大范围的信息检测与统计。

4、本发明实现成本低，便于市场应用推广。

5、本发明能够解决微小区域、微小目标的非接触温度测量难题，可用于桥丝、人体血管等细小物体温度的实时检测，有利于我国国防、电力、医学等领域的发展。

附图说明

图1为本发明的测试系统示意图。

图2为本发明的光纤法珀温度传感探头的结构示意图。

附图标号说明：

1-包层；2-纤芯；3-套管；4-法珀腔；5-高热膨胀系数材料。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基本原理是：激光光源输出激光通过耦合分路器进入传输光纤，传输到法布里-珀罗腔中，在法珀腔中产生多光束干涉，从法珀腔反射回的信号通过光电信号解调仪测量获得信号的波长信息。被测温度变化引起法珀腔的腔长发生改变，腔长变化调制反射光的波长，通过探测光波长移动，能够获得温度变化。法布里-珀罗腔由光纤端面和一种具有高温度膨胀系数的材料构成，通过结构设计可消除应变、应力变化带来的误判，降低腔长变化对应变的敏感性，使得腔长变化只受温度变化影响。

具体应用方法如下：

(1)激光光源输出激光通过耦合分路器耦合进入传输光纤中，进而传导至光纤法珀温度传感探头内，在法珀腔中产生多光束干涉，并经法珀腔的反射端面反射；

(2)来自反射端面的反射光信号沿原路返回至耦合分路器，通过耦合分路器输出至光电探测器；

(3)光电探测器将探测到的光信号变为电信号，由光波长解调仪对电信号完成测量、处理信号值，标定光纤法珀温度传感探头探测到的外界温度；

(4)当被测区域温度场温度变化时，将引起光纤法珀温度传感探头内法珀腔的腔长发生改变，进而改变反射光信号的功率和波长；参照步骤(2)、(3)探测得到反射光信号的波长移动信息，通过计算最终获得实时环境温度值。

光纤法珀温度传感探头的结构如图2所示，使用高热膨胀系数的材料作为一个腔，与光纤端面组成一个法珀腔，温度变化使腔材料膨胀伸缩，使得所组成的法珀腔的腔长发生改变。高热膨胀系数材料同时还要具备一定耐温特性和良好的膨胀线性特性，并且能够便于加工与抛光以保证组成法珀腔面的良好平面度。因此所用材料可以使用金属材料和金属合金材料，例如镁、铝、铅、铜等。

由于光纤尺寸小，光纤包层直径多为125μm，即使加上保护层外径也只有mm量级。因此光纤法珀温度传感探头很小，能够对微小区域范围内的温度进行精密测量。相比传统温度传感器方法，应用于微小目标测量的光纤法珀温度传感器具有响应速度快，灵敏度高的特点，并且由于光纤具有很低的信号传输损耗，传感信号可以传输得很远(几公里以上)。光纤法珀传感器易于和光纤通信网络融合，这样可实现大范围的信息集成统计。

本发明的温度测量精度可达到0.1℃，能够在以下场合克服传统传感器不足，获得广泛应用：

目前防爆场合的多点温度监测技术尚未有很好的解决方案，在如油库、弹药库等场所的温度监控装置中不允许采用传统带电传感器。而本发明的光纤法珀温度传感器以光为信息载体，具有天然防爆特性，能够成功应用于这些场合。

光纤法珀温度传感器体积小巧，能够在医学、生物领域中对微小区域的温度进行测量。传感器尺寸可做到mm量级，与光纤连接，可随光纤一起进入生物体内，进行温度监测。体积小也使其能够应用于引信桥丝的真实温度测量。

光纤法珀温度传感器可以组合成网，容易实现多点温度信号分布测量，可以应用于隧道等无人管理区域的火灾报警。

光纤法珀温度传感器响应速度快，能够达到纳秒(ns)量级，可用于测量爆炸瞬时温度。例如可应用于火箭点火推进时温度快速实时测量。

Claims (5)

1.微小区域温度测量的光纤法布里-珀罗温度传感器，包括激光光源、耦合分路器、传输光纤、光纤法珀温度传感探头、光电探测器和与光电探测器信号输出端连接的光波长解调仪，其中，耦合分路器与光纤法珀温度传感探头分别位于传输光纤的两端；所述光纤法珀温度传感探头的外层设置有套管，在套管轴向上光纤法珀温度传感探头分为光纤传导管和法珀腔两部分，光纤传导管由外到内依次为套管、包层、纤芯，所述法珀腔为封闭腔室，纤芯与法珀腔相接，法珀腔内远离纤芯一端固定设置有采用热膨胀系数为17.5-29.3的金属材料制成的反射模块；所述耦合分路器用以将激光光源发出的激光光束耦合入传输光纤中，并将来自法珀腔的反射光分路至光电探测器。

2.根据权利要求1所述的光纤法布里-珀罗温度传感器，其特征在于：所述传输光纤为单模光纤。

3.根据权利要求1所述的光纤法布里-珀罗温度传感器，其特征在于：所述激光光源采用以1310nm或1550nm为中心波长，具有3-20nm波长带宽的扫描激光器。

4.根据权利要求1所述的光纤法布里-珀罗温度传感器，其特征在于：所述反射模块由镁、铝、铅、铜或其合金材料制成。

5.应用如权利要求1所述光纤法布里-珀罗温度传感器进行温度测量的方法，包括以下步骤：

(1)激光光源输出激光通过耦合分路器耦合进入传输光纤中，进而传导至光纤法珀温度传感探头内，在法珀腔中产生多光束干涉，并经法珀腔的反射端面反射；

(2)来自反射端面的反射光信号沿原路返回至耦合分路器，通过耦合分路器输出至光电探测器；

(3)光电探测器将探测到的光信号变为电信号，由光波长解调仪对电信号完成测量、处理信号值，标定光纤法珀温度传感探头探测到的外界温度；

(4)当被测区域温度场温度变化时，将引起光纤法珀温度传感探头内法珀腔的腔长发生改变，进而改变反射光信号的功率和波长；参照步骤(2)、(3)探测得到反射光信号的波长移动信息，通过计算最终获得实时环境温度值。

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