CN106500871A - 一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器，包括光纤探头、光源、光电转换及滤波放大模块、除法电路和采集及显示模块；光纤探头包括1根发射光纤TF，2根接收光纤分别是第一根接收光纤RF1和第二根接收光纤RF2，2根接收光纤与发射光纤的轴间距不同：第一根接收光纤RF1布置于发射光纤TF和第二根接收光纤RF2之间，3根光纤的轴心在同一平面上；光纤探头还包括传感器主体、反射体和进液套，反射体和传感器主体通过进液套进行连接；进液套上设有若干进液孔；入射光纤与光源连接，接收光纤的输出端依次通过光电转换及滤波放大模块和除法电路连接采集及显示模块。

Description

一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，特别涉及一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器。
背景技术
变压器、汽轮机滑动轴承、液压油箱等设备中都装有液体，这些设备中液体的温度范围对于设备能否正常运行非常重要。这些设备在工作时，大多处于恶劣环境中，如高电压、强电磁环境、可利用空间狭小、温度变化范围大等。传统的电阻测温传感器、光纤测温传感器在这些环境下测量受到限制，如受到电磁场对电阻温度传感器的影响、光功率变化对光纤测温传感器的影响等。同时，现有的光纤温度传感器主要是基于温敏材料进行检测，具有一定的滞后性，动态响应受到影响。因此，需要一种能适应复杂恶劣环境、实现快速检测的液体温度传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器，以解决上述技术问题；本发明传感器能够抗电磁干扰、体积小、响应速度快、成本低，可用于测量变压器油温、液压油箱油温、滑动轴承油温等。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器，包括光纤探头、光源、光电转换及滤波放大模块、除法电路/上位机和采集及显示模块；光纤探头包括1根发射光纤TF，2根接收光纤分别是第一根接收光纤RF1和第二根接收光纤RF2，2根接收光纤与发射光纤的轴间距不同：第一根接收光纤RF1布置于发射光纤TF和第二根接收光纤RF2之间，3根光纤的轴心在同一平面上；光纤探头还包括传感器主体、反射体和进液套，反射体和传感器主体通过进液套进行连接；进液套上设有若干进液孔；入射光纤与光源连接，接收光纤的输出端依次通过光电转换及滤波放大模块和除法电路/上位机连接采集及显示模块。
进一步的，光源是波长650nm半导体激光器。
进一步的，转换及滤波放大模块的作用是将第一根接收光纤和第二根接收光纤的接收光功率转化成电信号并滤波放大为U1和U2；除法电路/上位机用于对两路电信号U2和U1进行比值处理，并得到M，见式(1)：
进一步的，传感器主体通过金属保护套和铠装包裹三根光纤。
进一步的，金属保护套的左端有两级螺纹：小螺纹和大螺纹；小螺纹与进液套连接，大螺纹为光纤探头的固定螺纹；大螺纹的右侧设有一个凸缘。
进一步的，光纤探头安装于油箱壁的安装孔中；油箱壁与传感器主体的凸缘之间设有密封圈；锁紧螺母与金属保护套的大螺纹配合，将金属保护套锁紧在油箱壁上。
进一步的，液体能够通过进液孔进入进液套中，并在反射体的反射面和传感器主体的端面间形成液体薄膜，油膜厚度为反射距离d：
当油液温度增高时，液体折射率降低，增大了光纤最大入射角，反射距离d不会改变，比值M会增大，检测M值就能够实现温度的检测，见式(2)；式(2)中的系数t0和t1通过对实验标定数据线性化后得到；
T＝t0+t1M (2)
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明光纤探头包括1根发射光纤TF，2根接收光纤分别是第一根接收光纤RF1和第二根接收光纤RF2，2根接收光纤与发射光纤的轴间距不同：第一根接收光纤RF1布置于发射光纤TF和第二根接收光纤RF2之间，3根光纤的轴心在同一平面上；测温时：当液体温度升高时，液体折射率会减小，从而增大发射光线入射至反射面的范围和反射光线的反射范围，当反射镜面距离光纤探头距离不变时，通过转换及滤波放大模块可将第一根接收光纤和第二根接收光纤的接收光功率转化成电信号并滤波放大，并通过除法电路模块对两路电信号进行比值处理(第二路比上第一路)，而且这种比值会随着液体温度的升高而增大，采用式(2)在采集及显示模块中对比值进行处理，可知液体温度值。采用比值处理方法，可消除光源光功率变化、光纤弯曲等因素对测量结果的影响。
本发明抗电磁干扰，不用特殊的热敏材料，结构简单，响应快，消除了光源光功率变化、光纤弯曲等因素对测量结果的影响，不需要高稳定性激光光源，成本低。
附图说明
图1为测量液温的反射式光纤传感器结构示意图；
图2为光纤排列方式示意图；
图3为传感器探头示意图；
图4为传感器主体示意图；
图5为反射体的示意图；其中图5(a)为主视图，图5(b)为图5(a)的左视图；
图6为进液套的示意图；其中图6(a)为主视图，图6(b)为图6(a)的剖视图；
图7为传感器安装示意图；
图8为光纤传感器输出特性图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器，包括光纤探头1、光源2、光电转换及滤波放大模块3、除法电路4(可以采用上位机代替)和采集及显示模块5。
光源2是波长650nm半导体激光器，采集和显示模块5由单片机及其外围电路组成。光纤探头1的光纤排列方式见图2，其中1根发射光纤TF，2根接收光纤分别是第一根接收光纤RF1和第二根接收光纤RF2，2根接收光纤与发射光纤的轴间距不同：第一根接收光纤RF1布置于发射光纤TF和第二根接收光纤RF2之间，3根光纤的轴心在同一平面上。
光纤探头1(见图3)由传感器主体6(见图4)、反射体7(见图5)、进液套8(见图6)组成，反射体7和传感器主体6通过进液套8进行连接，连接方式为螺纹连接，通过控制进液套8的长度，可在反射体7的反射面和传感器主体6的端面间形成确定的反射距离。传感器主体6(见图4)中有三根光纤，排列方式见图2，传感器主体6通过金属保护套61和铠装62包裹光纤；金属保护套61的左端有两级螺纹，小螺纹与进液套8进行连接，大螺纹为光纤探头1固定螺纹，大螺纹的右侧设有一个凸缘；传感器主体6右端三根光纤分别对应入射光纤、第一根接收光纤、第二根接收光纤，三根光纤的接口方式为FC接口63；入射光纤与光源2进行连接，2根接收光纤分别与对应的光电转换接口连接。进液套8上周向均布4个进液孔80，液体可通过进液孔进入进液套中，并在反射体7的反射面和传感器主体的端面间形成液体薄膜(油膜厚度为反射距离)。反射体的反射面71进行精加工，使其反射面粗糙度达到Ra0.4，通过其螺纹与进液套连接。
本发明一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器安装使用时，将传感器主体6的前端传入油箱壁100上设置的安装孔中；油箱壁100与传感器主体6的凸缘之间设有密封圈101；然后通过锁紧螺母102与金属保护套61的大螺纹配合，将金属保护套61锁紧在油箱壁100上；然后将进液套8一端固定在金属保护套61的小螺纹上，将反射体7固定在进液套8的另一端，进液套8上周向均布4个进液孔80，进液孔位于反射面71和传感器主体的端面间，液体可通过进液孔进入进液套中，并在反射体7的反射面71和传感器主体的端面间形成液体薄膜(油膜厚度为反射距离)。
测温工作原理是：当液体温度升高时，液体折射率会减小，从而增大发射光线入射至反射面的范围和反射光线的反射范围，当反射镜面距离光纤探头距离不变时，通过转换及滤波放大模块可将第一根接收光纤和第二根接收光纤的接收光功率转化成电信号并滤波放大，并通过除法电路模块对两路电信号进行比值处理：转换及滤波放大模块的作用是将第一根接收光纤和第二根接收光纤的接收光功率转化成电信号并滤波放大为U1和U2；除法电路/上位机用于对两路电信号U2和U1进行比值处理，并得到M，见式(1)：
而且这种比值会随着液体温度的升高而增大，检测M值就能够实现温度的检测，采用式(2)在采集及显示模块中对比值进行处理，可知液体温度值。采用比值处理方法，可消除光源光功率变化、光纤弯曲等因素对测量结果的影响。(2)中的系数t0和t1通过对实验标定数据线性化后得到；
T＝t0+t1M (2)。

Claims (7)

1.一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器，其特征在于，包括光纤探头(1)、光源(2)、光电转换及滤波放大模块(3)、除法电路(4)/上位机和采集及显示模块(5)；
光纤探头包括1根发射光纤TF，2根接收光纤分别是第一根接收光纤RF1和第二根接收光纤RF2，2根接收光纤与发射光纤的轴间距不同：第一根接收光纤RF1布置于发射光纤TF和第二根接收光纤RF2之间，3根光纤的轴心在同一平面上；
光纤探头(1)还包括传感器主体(6)、反射体(7)和进液套(8)，反射体(7)和传感器主体(6)通过进液套(8)进行连接；进液套(8)上设有若干进液孔(80)；
入射光纤与光源(2)连接，接收光纤的输出端依次通过光电转换及滤波放大模块(3)和除法电路(4)/上位机连接采集及显示模块(5)。
2.根据权利要求1所述的一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器，其特征在于，光源是波长650nm半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器，其特征在于，转换及滤波放大模块的作用是将第一根接收光纤和第二根接收光纤的接收光功率转化成电信号并滤波放大为U1和U2；除法电路/上位机用于对两路电信号U2和U1进行比值处理，并得到M，见式(1)：
。
4.根据权利要求1所述的一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器，其特征在于，传感器主体通过金属保护套和铠装包裹三根光纤。
5.根据权利要求1所述的一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器，其特征在于，金属保护套的左端有两级螺纹：小螺纹和大螺纹；小螺纹与进液套连接，大螺纹为光纤探头的固定螺纹；大螺纹的右侧设有一个凸缘。
6.根据权利要求5所述的一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器，其特征在于，光纤探头安装于油箱壁(100)的安装孔中；油箱壁与传感器主体的凸缘之间设有密封圈；锁紧螺母(102)与金属保护套的大螺纹配合，将金属保护套锁紧在油箱壁上。
7.根据权利要求1所述的一种用于液体温度测量的反射式光纤传感器，其特征在于，液体能够通过进液孔进入进液套中，并在反射体的反射面和传感器主体的端面间形成液体薄膜，油膜厚度为反射距离d：
当油液温度增高时，液体折射率降低，增大了光纤最大入射角，反射距离d不会改变，比值M会增大，检测M值就能够实现温度的检测，见式(2)；式(2)中的系数t0和t1通过对实验标定数据线性化后得到；
。
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