CN104101446B - 温度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的温度测量系统，用于测量待测物体的温度，具有这样的特征，包括：光源部，包含：用于提供激光的光源单元、聚焦透镜、及滤波光纤环；转换部，包含：电荷耦合元件CCD；探温部，包含：用于放入待测物体中的传感光纤环，以及获取计算部，包含：与电荷耦合元件相连接的图像获取单元、与图像获取单元相连接的角度获取单元、及基于旋转角度计算出温度的温度计算单元，其中，当传感光纤环未放入待测物体中时，图像获取单元获取激光的初始光斑图像，当传感光纤环放入待测物体中时，激光经由传感光纤环时发生旋转，图像获取单元获取旋转后的激光的旋转光斑图像，角度获取单元根据初始光斑图像和旋转光斑图像得到旋转角度。

Description

温度测量系统

技术领域

本发明涉及一种温度测量装置，具体涉及一种结构简单、能够快速测量出存在电磁干扰或腐蚀性液体等特殊环境中的待测物体的温度的温度测量系统。

背景技术

温度传感器作为测量物体温度的装置，目前已被广泛的应用于各个领域中。但是，当需要对一些特殊环境中的待测物体进行测量温度时，例如、存在电磁干扰或者腐蚀性液体的特殊环境，传统的温度传感器由于不具有抗干扰、抗腐蚀的特性而无法完成该种情况下的温度的测量。中的待测物体的温度的温度测量传统传感器无法完成。由于传统温度传感器易受电磁干扰影响、体积大、使用寿命短和灵活性差等原因，因此，光纤温度传感器逐渐代替了传统的温度传感器。如今，使用较多的是光纤光栅传感器，还有掺杂质的光纤传感器等，这些都是基于光谱或光强的传感器，在实现对温度进行测量时需要高昂的附属测量设备配合测量。

因此，现有技术中缺乏一种结构简单并且能够快速测量出存在电磁干扰或腐蚀性液体等特殊环境中的待测物体的温度的温度测量装置。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种结构简单、能 够快速测量出存在电磁干扰或腐蚀性液体等特殊环境中的待测物体的温度的温度测量系统。

本发明提供的温度测量系统，用于测量待测物体的温度，具有这样的特征，包括：光源部，包含：用于提供激光的光源单元、对激光进行聚焦的聚焦透镜、及对聚焦后的激光进行滤波的滤波光纤环；转换部，包含：用于将至少通过聚焦及滤波后的激光的光信号转化为电信号的电荷耦合元件CCD；探温部，包含：通过光纤连接在滤波光纤环和电荷耦合元件之间用于放入待测物体中的传感光纤环，以及获取计算部，包含：与电荷耦合元件相连接的图像获取单元、与图像获取单元相连接用于获取激光通过传感光纤环发生旋转的旋转角度的角度获取单元、及基于旋转角度根据温度角度公式计算出温度的温度计算单元，其中，当传感光纤环未放入待测物体中时，激光经由传感光纤环进入电荷耦合元件中，图像获取单元获取激光的初始光斑图像，当传感光纤环放入待测物体中时，激光经由传感光纤环时发生旋转，旋转的激光进入电荷耦合元件中，图像获取单元获取旋转后的激光的旋转光斑图像，角度获取单元根据初始光斑图像和旋转光斑图像得到旋转角度。

在本发明提供的温度测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，转换部还包含连接在电荷耦合元件与传感光纤环之间的半圆光纤环，该半圆光纤环用于改变激光的传播方向，使得由传感光纤环发出的激光回返至电荷耦合元件中。

在本发明提供的温度测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，滤波光纤环是由单模光纤以第一预定直径和第一预定圈数绕制形成的光纤 环，传感光纤环是由单模光纤以第二预定直径和第二预定圈数绕制形成的光纤环。

在本发明提供的温度测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，转换部还包含连接在电荷耦合元件与传感光纤环之间的半圆光纤环，该半圆光纤环用于改变激光的传播方向，使得由传感光纤环发出的激光回返至电荷耦合元件中，滤波光纤环是由单模光纤以第一预定直径和第一预定圈数绕制形成的光纤环，传感光纤环是由单模光纤以第二预定直径和第二预定圈数绕制形成的光纤环，第一预定直径为18mm，第一预定圈数为1.5圈，第二预定直径为24mm，第二预定圈数为5圈，半圆光纤环的直径为24mm，且该半圆光纤环的圈数为0.5圈。

在本发明提供的温度测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，温度角度公式为：θ＝k·T，T为温度，k为常数，θ为旋转角度。

在本发明提供的温度测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，光源部和转换部形成为被用户手持的手持部件，探温部作为被放入待测物体中的探温头。

发明的作用和效果

根据本发明所涉及的温度测量系统，光源单元发出的激光经聚焦透镜聚焦后进入滤波光纤环内进行滤波，滤波后的激光进入传感光纤环中，当传感光纤环未放入待测物体中时，滤波后的激光经传感光纤环进入电荷耦合元件中，此时，图像获取单元获取激光的初始光斑图像，当传感光纤环放入待测物体中时，滤波后的激光经在传感光纤环内发生旋转，旋转的激 光进入电荷耦合元件中，此时，图像获取单元获取旋转的激光的旋转光斑图像，角度获取单元根据初始光斑图像和旋转光斑图像得到旋转角度，温度计算单元根据温度角度公式计算出待测物体的温度，因此，本发明实现了对待测物体的温度进行测量，另外，本发明的温度测量系统的结构简单，易实现。

附图说明

图1是本发明的实施例中温度测量系统的立体图；

图2是本发明的实施例中温度测量系统的结构示意图；以及

图3是本发明的实施例中温度测量系统的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明温度测量系统作具体阐述。

图1是本发明的实施例中温度测量系统的立体图。

如图1所示，在本实施例中，温度测量系统100用于测量出图中未显示的特殊环境中的待测物体的温度T，该待测物体可以为气体、液体或固体，特殊环境是指存在电磁干扰或腐蚀性液体的环境，本实施例中，以测量腐蚀性液体的温度T为例进行详细说明。

整个温度测量系统100可以分为三大部分，即、手持部件101，探温头102，以及图3中所示的获取计算部40。用户手持部件101将探温头102放入待测物体中，即可快速测量出待测物体的温度T,方便、快捷。

以下详细阐述手持部件101、探温头102和获取计算部40的具体结构及待测物体的温度T的测量过程：

图2是本发明的实施例中温度测量系统的结构示意图。

如图2所示，温度测量系统100包含：光源部10、探温部20、转换部30以及图3中所示的获取计算部40，即、光源部10和转换部30形成了手持部件101，且探温部20作为探温头102。

光源部10包含：光源单元11、聚焦透镜12和滤波光纤环13。

光源单元11用于提供测量过程所需的激光，该光源单元11具有电源接口11a，通过电源接口11a为光源单元11提供电源，本实施例中的光源单元11为半导体激光器。聚焦透镜12与光源单元11相连接，对光源单元11所发出的激光进行聚焦，滤波光纤环13与聚焦透镜12通过第一光纤14实现连接，光源单元11发出的激光被聚焦透镜12聚焦耦合进入第一光纤14中进行传输，滤波光纤环13对由第一光纤14传输来的激光进行滤波。本实施例中的滤波光纤环13是采用单模光纤绕制形成的光纤环，具有第一预定直径D1和第一预定圈数C1，该第一预定直径D1为18mm，第一预定圈数C1为1.5圈，另外，光纤14也采用的是单模光纤。

探温部20包含两端分别通过第二光纤21和第三光纤22连接在滤波光纤环13和探温部20之间的传感光纤环23，即、第二光纤连接在滤波光纤环13和传感光纤环23之间，第三光纤22连接在传感光纤23和转换部30之间，该传感光纤环23用于放入待测物体中。被滤波后的激光经第二光纤21传输至传感光纤环23中，由传感光纤环23输出的激光经第三光纤22传输至转换部30中。本实施例中，传感光纤环23是采用单模光纤绕制形 成的光纤环，具有第二预定直径D2和第二预定圈数C2，该第二预定直径D2为24mm，第二预定圈数C2为5圈，另外，第二光纤21和第三光纤22都采用的是单模光纤。探温部20通过利用单模光纤的传感特性来探测待测物体的温度，即、当受温度影响使光纤中传输的光发生旋转，通过旋转角度与温度之间的关系间接测量温度。在本实施例中，具体为：在测量待测物体的温度T时，将传感光纤环23放入待测物体中，受待测物体温度的影响，使经由传感光纤环23进行传输的激光发生旋转，这样，根据激光的旋转角度即可间接得到待测物体的温度T。

转换部30包含：半圆光纤环31、电荷耦合元件(即CCD)32以及光纤固定单元33。

半圆光纤环31与第三光纤22相连接，进而实现与传感光纤环23相连接，通过半圆光纤环31使由第三光纤22传输来的激光的传播方向发生改变，即在图1中，半圆光纤环31使激光的传播方向由向上传播改变为向左传播，进而是的转换部30整体与光源部10相对称，从而形成手持部件101。电荷耦合元件32通过第四光纤34与半圆光纤环31相连接，半圆光纤环31输出的激光经第四光纤34输入电荷耦合元件32中，该电荷耦合元件32将输入的激光的光信号转化为电信号。当传感光纤环23未放入待测物体中时，电荷耦合元件32将依次经过聚焦、滤波后的激光的光信号转化为电信号，当传感光纤环23放入待测物体中时，电荷耦合元件32将依次经过聚焦、滤波、旋转后的激光的光信号转化为电信号。光纤固定单元33连接在第四光纤34与电荷耦合元件32相连接的一端，起固定作用，防止第四光纤34与电荷耦合元件32相连接的位置产生晃动，对传输过程中的激光产 生影响。另外，电荷耦合元件32具有输出端口32a，电荷耦合元件32转化来的电信号通过该输出端口32a与获取计算部40相连接。在本实施例中，半圆光纤环31呈半圆状，采用单模光纤制成，该半圆光纤环31的直径D3为24mm，且圈数为0.5圈，其次，第四光纤34为单模光纤，另外，电荷耦合元件32的输出端口32a为USB接口。

图3是本发明的实施例中温度测量系统的结构框图。

如图3所示，获取计算部40包含：图像获取单元41、角度获取单元42以及温度计算单元43。

图像获取单元41与电荷耦合元件32的输出端口32a相连接，从而接收电荷耦合元件32输出的电信号，并根据该电信号获取与传输来的激光相匹配的光斑图像。因此，当传感光纤环23未放入待测物体中时，图像获取单元41获取的是激光的初始光斑图像，当传感光纤环23放入待测物体中时，图像获取单元41获取的是产生旋转后的激光的旋转光斑图像。

角度获取单元42根据图像获取单元41获取的初始光斑图像和旋转光斑图像得到传感光纤环23被放入待测物体前后的经传感光纤环23传输的激光受待测物体的温度影响所发生旋转的旋转角度θ。

温度计算单元43根据角度获取单元所得到的旋转角度θ代入温度角度计算公式中进行计算，得到待测物体的温度T。该温度角度计算公式为θ＝k·T，其中，T为温度，k为常数，θ为旋转角度。经多次反复实验发现：激光发生旋转的旋转角度θ与待测物体的温度T之间存在线性关系，即、随着待测物体温度T的增加，激光发生旋转的旋转角度θ增加，K为该线性关系中的常数，另外，传感光纤环23对待测物体的温度的灵敏度受传感 光纤环23的直径和圈数的影响，即、在传感光纤环23的直径相同的前提下，传感光纤环23对待测物体的温度的灵敏度随着传感光纤环23的圈数的增加而增加，或在传感光纤环23的圈数相同的前提下，传感光纤环23对待测物体的温度的灵敏度随着传感光纤环23的直径的增加而增加，因而，本实施例中，根据传感光纤环23对待测物体的温度的灵敏度，设定传感光纤环23的直径为24mm、圈数为5圈,使得测量效果更好、结果更精确，另外，此时温度角度计算公式中的常数k的值即为已知的。

在本实施例中，获取计算部40为PC机，通过PC机上安装的matlab软件实现测量待测物体的温度T。PC机通过数据线与电荷耦合元件32的USB接口相连接，这样，PC机上的matlab软件通过接收到电荷耦合元件32转化来的电信号进而获取与被传输的激光相匹配的的光斑图像，由于滤波光纤环13的直径为18mm，因此，通过matlab软件观察到的光斑图像中包含三个光斑。当传感光纤环23未放入待测物体中时，matlab软件获取的是激光的初始光斑图像，当传感光纤环23放入待测物体中时，matlab软件获取的是发生旋转后的激光的旋转光斑图像，此时，matlab软件根据初始光斑图像和旋转光斑图像得到旋转角度θ，该旋转角度θ即为传感光纤环23放入待测物体中受待测物体的温度的影响而发生旋转的角度大小，将该旋转角度θ代入温度角度计算公式中进行计算，由于k的值为已知的，经过计算即可计算出待测物体的温度T。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的温度测量系统，光源单元发出的激光经聚焦透 镜聚焦后进入滤波光纤环内进行滤波，滤波后的激光进入传感光纤环中，当传感光纤环未放入待测物体中时，滤波后的激光经传感光纤环进入电荷耦合元件中，此时，图像获取单元获取激光的初始光斑图像，当传感光纤环放入待测物体中时，滤波后的激光经在传感光纤环内发生旋转，旋转的激光进入电荷耦合元件中，此时，图像获取单元获取旋转的激光的旋转光斑图像，角度获取单元根据初始光斑图像和旋转光斑图像得到旋转角度，温度计算单元根据温度角度公式计算出待测物体的温度，因此，本实施例实现了对待测物体的温度进行测量，另外，本实施例的温度测量系统的结构简单，易实现。

在本实施例的温度测量系统中，由于转换部还包含半圆光纤环，因此，实现了改变激光的传播方向，使转换部和光源部的位置相对称，从而使本实施例的结构更均匀，更利于手持部件的形成。

在本实施例的温度测量系统中，滤波光纤环、传感光纤环以及半圆光纤环都是采用单模光纤绕制形成，结构简单，成本低，易实现。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

本实施例中，滤波光纤环的直径为18mm，传感光纤环的直径为24mm，传感光纤环的圈数为5圈，由于传感光纤环的灵敏度随传感光纤环的圈数的增多、直径的增大而提高，所以在考虑待测环境和光斑周期性的影响的前提下应选择合适的圈数和直径，在本发明所提供的温度测量系统中，滤波光纤环的直径还可以为12mm至18mm中的任意值，传感光纤环的直径还以为16mm至24mm中的任意值，传感光纤环的圈数还可以为4圈至7圈中的任意值。

Claims (6)

1.一种温度测量系统，用于测量待测物体的温度，其特征在于，包括：

光源部，包含：用于提供激光的光源单元、对所述激光进行聚焦的聚焦透镜、及对聚焦后的所述激光进行滤波的滤波光纤环；

转换部，包含：用于将至少通过聚焦及滤波后的所述激光的光信号转化为电信号的电荷耦合元件CCD；

探温部，包含：通过光纤连接在所述滤波光纤环和所述电荷耦合元件之间用于放入所述待测物体中的传感光纤环；以及

获取计算部，包含：与所述电荷耦合元件相连接的图像获取单元、与所述图像获取单元相连接用于获取所述激光通过所述传感光纤环发生旋转的旋转角度的角度获取单元、及基于所述旋转角度根据温度角度公式计算出所述温度的温度计算单元，

其中，当所述传感光纤环未放入所述待测物体中时，所述激光经由所述传感光纤环进入所述电荷耦合元件中，所述图像获取单元获取所述激光的初始光斑图像，

当所述传感光纤环放入所述待测物体中时，所述激光经由所述传感光纤环时发生旋转，旋转的所述激光进入所述电荷耦合元件中，所述图像获取单元获取旋转后的所述激光的旋转光斑图像，

所述角度获取单元根据所述初始光斑图像和所述旋转光斑图像得到所述旋转角度。

2.根据权利要求1所述的温度测量系统，其特征在于：

其中，所述转换部还包含连接在所述电荷耦合元件与所述传感光纤环之间的半圆光纤环，该半圆光纤环用于改变所述激光的传播方向，使得由所述传感光纤环发出的所述激光回返至所述电荷耦合元件中。

3.根据权利要求1所述的温度测量系统，其特征在于：

其中，所述滤波光纤环是由单模光纤以第一预定直径和第一预定圈数绕制形成的光纤环，

所述传感光纤环是由单模光纤以第二预定直径和第二预定圈数绕制形成的光纤环。

4.根据权利要求1所述的温度测量系统，其特征在于：

其中，所述转换部还包含连接在所述电荷耦合元件与所述传感光纤环之间的半圆光纤环，该半圆光纤环用于改变所述激光的传播方向，使得由所述传感光纤环发出的所述激光回返至所述电荷耦合元件中，

所述滤波光纤环是由单模光纤以第一预定直径和第一预定圈数绕制形成的光纤环，

所述传感光纤环是由单模光纤以第二预定直径和第二预定圈数绕制形成的光纤环，

所述第一预定直径为18mm，所述第一预定圈数为1.5圈，

所述第二预定直径为24mm，所述第二预定圈数为5圈，

所述半圆光纤环的直径为24mm，且该半圆光纤环的圈数为0.5圈。

5.根据权利要求1所述的温度测量系统，其特征在于：

其中，所述温度角度公式为：θ＝k·T，T为温度，k为常数，θ为旋转角度。

6.根据权利要求1所述的温度测量系统，其特征在于：

其中，所述光源部和所述转换部形成为被用户手持的手持部件，

所述探温部作为被放入所述待测物体中的探温头。