CN105784197A - 一种大范围超高温温度传感系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大范围超高温温度传感系统，包括复合光纤探头、透镜耦合结构、光纤分束器、耦合器、激光光源、光敏管、荧光信号处理单元、辐射信号处理电路单元和上位机；复合光纤探头通过透镜耦合结构与光纤分束器连接，光纤分束器分出的光分别与光敏管和耦合器连接，耦合器分别与激光光源和荧光信号处理单元连接，光敏管接入到辐射信号处理电路单元，荧光信号处理单元和辐射信号处理电路单元分别与上位机连接；所述的复合光纤探头包括复合光纤和复合光纤端部的感温黑体辐射腔。本发明能够实现‑50~1800℃大范围、超高温的温度监测。
Description
技术领域
本发明涉及设备监测领域，具体涉及一种大范围超高温温度传感系统与方法。
背景技术
航空发动机、超高发动机、重型燃气轮机等动力系统运行过程中，温度是常见且重要的物理量。目前经常使用的高温传感器是以铂、铑等贵金属制成的热电偶，它无法适应恶劣环境，不能满足小型化安装及结构表面安装要求，同时在高温下易化学腐蚀，寿命短，而且价格昂贵，测量温度不超过1600℃，不能有效进行超高温测量，并且无法满足从常温到高温的测试需求。长期以来，在工程应用中，实时显示室温到高温的温度监测情况，同时对高温进行测量，一直是个技术性难题，现有的高温测量技术并不能完全满足工业生产的要求,亟待开发一种准确度高、精度高、响应快、寿命长、适用于恶劣环境中的新型超高温测量技术。因此，我们迫切需要一种能实现温度测量范围大、超高温的温度监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种大范围超高温温度传感系统与方法，能够实现-50～1800℃大范围、超高温的温度监测。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种大范围超高温温度传感系统，其特征在于：它包括复合光纤探头、透镜耦合结构、光纤分束器、耦合器、激光光源、光敏管、荧光信号处理单元、辐射信号处理电路单元和上位机；其中，
复合光纤探头通过透镜耦合结构与光纤分束器连接，光纤分束器分别与光敏管和耦合器连接，耦合器分别与激光光源和荧光信号处理单元连接，光敏管接入到辐射信号处理电路单元，荧光信号处理单元和辐射信号处理电路单元分别与上位机连接；
所述的复合光纤探头包括复合光纤和复合光纤端部的感温黑体辐射腔。
按上述系统，所述的光敏管包括λ1光敏管和λ2光敏管。
按上述系统，所述的感温黑体辐射腔包括依次镀在复合光纤端部的铱膜和Al203膜。
按上述系统，所述的铱膜和Al203膜的厚度均为200nm。
按上述系统，所述的光纤分束器为1×3光纤分束器，由多根多模光纤采用熔接、抛磨和分束工艺获得。
按上述系统，所述的复合光纤探头还包括保护套管，保护套管包覆在复合光纤外部。
按上述系统，所述的保护套管为陶瓷，所述的复合光纤通过无机粘结剂封装在陶瓷中。
按上述系统，所述的复合光纤由红宝石晶体和蓝宝石光纤通过MEMS工艺高温键合技术制备而成，其中红宝石晶体与感温黑体辐射腔连接。
一种利用一种大范围超高温温度传感系统实现的温度传感方法，其特征在于：
复合光纤探头放置于待测温度环境中，同时进行荧光测温和黑体辐射测温；
所述的荧光测温为：激光光源发出的激光通过透镜耦合结构传输到复合光纤探头，被激发的荧光回到透镜耦合结构传输到荧光信号处理单元，获得低温测量信号；
所述的黑体辐射测温为：复合光纤探头中的感温黑体辐射腔在高温环境中辐射光波，光波通过透镜耦合结构进入光敏管转换成电信号，再经辐射信号处理电路单元转换为高温测量信号；
通过对荧光光谱进行分析，荧光光谱较强时采用低温测量信号作为输出；荧光光谱较弱时采用高温测量信号作为输出；所述的荧光较强和较弱通过将荧光光谱与预设值进行比较得到。
按上述方法，所述的光敏管包括λ1光敏管和λ2光敏管，通过对两种波长的光敏管得到的电信号处理得到的高温测量信号，采用比值法进行处理。
本发明的有益效果为：通过复合光纤对低温传感、感温黑体辐射腔对高温传感，两种传感方法在测温范围上互为补充，从而提供一种大范围超高温的温度传感系统，适宜于高温、高压、易燃、易爆、腐蚀、有毒的环境。
附图说明
图1为本发明一实施例的系统结构示意图。
图2为本发明一实施例的复合光纤探头的结构示意图。
图中：1、复合光纤探头，2、透镜耦合结构，3、光纤分束器，4、耦合器，5、激光光源，6、λ1光敏管，7、λ2光敏管，8、荧光信号处理单元，9、辐射信号处理电路单元，10上位机，11、复合光纤，11-1、红宝石晶体，11-2、蓝宝石光纤，12、感温黑体辐射腔，13、保护套管。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种大范围超高温温度传感系统，如图1所示，包括复合光纤探头1、透镜耦合结构2、光纤分束器3、耦合器4、激光光源5、光敏管、荧光信号处理单元8、辐射信号处理电路单元9和上位机10；其中，复合光纤探头1通过透镜耦合结构2与光纤分束器3连接，光纤分束器3分别与光敏管和耦合器4连接，耦合器4分别与激光光源5和荧光信号处理单元8连接，光敏管接入到辐射信号处理电路单元9，荧光信号处理单元8和辐射信号处理电路单元9分别与上位机10连接；所述的复合光纤探头如图2所示，包括复合光纤11和复合光纤端部的感温黑体辐射腔12。
优选的，所述的光敏管包括λ1光敏管6和λ2光敏管7，通过对两种波长的光敏管得到的电信号处理得到的高温测量信号，采用比值法进行处理，可消除光源及光信号传输波动等影响，提高测量精度。
本实施例中，所述的复合光纤探头1还包括保护套管13，保护套管13包覆在复合光纤11外部。优选的，所述的保护套管13为陶瓷，具体为ZrO2耐火陶瓷，所述的复合光纤11通过无机粘结剂封装在陶瓷中，充分考虑防振，避免振动致使复合光纤断裂。进一步的，所述的复合光纤11由红宝石晶体11-1和蓝宝石光纤11-2通过MEMS工艺高温键合技术制备而成，其中红宝石晶体11-1与感温黑体辐射腔12连接，利用红宝石晶体，荧光效应更明显，提高低温测量精度。
所述的感温黑体辐射腔12包括依次镀在复合光纤端部的铱膜和Al203膜。本实施例中，铱膜和Al203膜的厚度均为200nm。制作时，在复合光纤端部先通过磁控溅射镀上一层耐高温的厚度约200nm金属铱膜，并在其外表面再镀上一层厚度约200nm的Al203膜，从而增加复合光纤探头敏感度和测量的稳定性。
本实施例中，激光光源5为发光二极管SLED。耦合器4为1×2耦合器。光纤分束器3为1×3光纤分束器，由多根多模光纤构成，采用熔融、抛磨和分束等技术获得，通过透镜耦合结构可实现1×3光纤分束器完成光信号传输与分束。在复合测温系统中，通过1×3光纤分束器与λ1光敏管和λ2光敏管的结合，将比值法同时引入到高低温测量系统中，提高系统对高温测量的精度。
一种利用一种大范围超高温温度传感系统实现的温度传感方法，复合光纤探头放置于待测温度环境中，同时进行荧光测温和黑体辐射测温；所述的荧光测温为：激光光源发出的激光通过透镜耦合结构传输到复合光纤探头，被激发的荧光回到透镜耦合结构传输到荧光信号处理单元，获得低温测量信号；所述的黑体辐射测温为：复合光纤探头中的感温黑体辐射腔在高温环境中辐射光波，光波通过透镜耦合结构进入光敏管转换成电信号，再经辐射信号处理电路单元转换为高温测量信号；通过对荧光光谱进行分析，荧光光谱较强时采用低温测量信号作为输出；荧光光谱较弱时采用高温测量信号作为输出；所述的荧光较强和较弱通过将荧光光谱与预设值进行比较得到。
本实施例通过有机结合红宝石晶体荧光测温和黑体辐射测温法，其中，红宝石晶体荧光测温法实现对-50～400℃温度范围监测，黑体辐射测温法实现对400-1800℃温度范围监测，以形成对环境温度有效探测的温度传感系统，可实现对-50～1800℃温度大范围、超高温的温度监测。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大范围超高温温度传感系统，其特征在于：它包括复合光纤探头、透镜耦合结构、光纤分束器、耦合器、激光光源、光敏管、荧光信号处理单元、辐射信号处理电路单元和上位机；其中，
复合光纤探头通过透镜耦合结构与光纤分束器连接，光纤分束器分别与光敏管和耦合器连接，耦合器分别与激光光源和荧光信号处理单元连接，光敏管接入到辐射信号处理电路单元，荧光信号处理单元和辐射信号处理电路单元分别与上位机连接；
所述的复合光纤探头包括复合光纤和复合光纤端部的感温黑体辐射腔。
2.根据权利要求1所述的一种大范围超高温温度传感系统，其特征在于：所述的光敏管包括λ1光敏管和λ2光敏管。
3.根据权利要求1所述的一种大范围超高温温度传感系统，其特征在于：所述的感温黑体辐射腔包括依次镀在复合光纤端部的铱膜和Al203膜。
4.根据权利要求3所述的一种大范围超高温温度传感系统，其特征在于：所述的铱膜和Al203膜的厚度均为200nm。
5.根据权利要求2所述的一种大范围超高温温度传感系统，其特征在于：所述的光纤分束器为1×3光纤分束器，由多根多模光纤采用熔接、抛磨和分束工艺获得。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种大范围超高温温度传感系统，其特征在于：所述的复合光纤探头还包括保护套管，保护套管包覆在复合光纤外部。
7.根据权利要求6所述的一种大范围超高温温度传感系统，其特征在于：所述的保护套管为陶瓷，所述的复合光纤通过无机粘结剂封装在陶瓷中。
8.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种大范围超高温温度传感系统，其特征在于：所述的复合光纤由红宝石晶体和蓝宝石光纤通过MEMS工艺高温键合技术制备而成，其中红宝石晶体与感温黑体辐射腔连接。
9.一种利用权利要求1所述的一种大范围超高温温度传感系统实现的温度传感方法，其特征在于：
复合光纤探头放置于待测温度环境中，同时进行荧光测温和黑体辐射测温；
所述的荧光测温为：激光光源发出的激光通过透镜耦合结构传输到复合光纤探头，被激发的荧光回到透镜耦合结构传输到荧光信号处理单元，获得低温测量信号；
所述的黑体辐射测温为：复合光纤探头中的感温黑体辐射腔在高温环境中辐射光波，光波通过透镜耦合结构进入光敏管转换成电信号，再经辐射信号处理电路单元转换为高温测量信号；
通过对荧光光谱进行分析，荧光光谱较强时采用低温测量信号作为输出；荧光光谱较弱时采用高温测量信号作为输出；所述的荧光较强和较弱通过将荧光光谱与预设值进行比较得到。
10.根据权利要求9所述的温度传感方法，其特征在于：所述的光敏管包括λ1光敏管和λ2光敏管，通过对两种波长的光敏管得到的电信号处理得到的高温测量信号，采用比值法进行处理。
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