CN108007602A - 一种基于分布式光纤光栅与热传导的高温测量装置 - Google Patents

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CN108007602A
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CN201710166314.2A
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祝连庆
李凯
辛璟焘
董明利
何巍
娄小平
刘锋
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Beijing Information Science and Technology University
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering

Abstract

一种基于分布式光纤光栅与热传导的高温测量装置，包括导热材料、多个光纤光栅、宽带光源、环形器，波长解调系统，其特征在于：所述导热材料设置为两端，其中一端为温度测量端，另一端为制冷端；所述光纤上等距离刻写相同波长的多个光纤布拉格光栅，构成分布式光纤布拉格光栅阵列；所述环形器用于接收所述宽带光源发射的光束，将光束传递至所述光纤布拉格光栅阵列中；所述波长解调系统用于同时对光纤布拉格光栅阵列的中心波长偏移量进行测量。

Description

一种基于分布式光纤光栅与热传导的高温测量装置
技术领域
本发明属于高温测量技术领域，涉及一种高温测量系统，具体涉及一种基于分布式光纤光栅与热传导的高温测量系统,可以实现温度高达2000℃的接触式测量。
背景技术
高温电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧、低熔点金属融化、砂型和油漆膜层的干燥等。
在机械加工热处理的行业中，金属材料的退火与正火温度，淬火与回火温度对于金属材料的组织，机械性能和加工性能有着决定性的影响。因而，在生产实际中，常常要测量炉膛内各位置的温度，以便考虑炉内工件应放置的位置，满足热处理工艺规定温度及保温精度的工作空间。
作为热处理炉的一种，目前，虽然高温电阻炉的应用非常广泛，但是现在仍然缺乏相对应的检测手段对其准确性，可靠性进行测量。
因此，找到一套行之有效的方法对于高温电阻炉的检定校准工作有着直接的帮助，也将对于广泛应用于各行业的高温炉的检测准确性、可靠性由非常大的提高。有着非常巨大的社会效益和极大的隐性经济效应。
目前，多采用热电偶传感器来完成对高温电阻炉炉内温度的检测和校准。但由热电偶构成的测温系统仍有不足之处。首先信号调理电路复杂。将热电偶的直接输出电压转换成可用的温度读数，必须进行大量的信号调理。其次精度较低，除了由于构成热电偶的金属本身特性导致的热电偶内部固有不确定性外，热电偶精度还依赖于冷端温度的测量精度。最后易受腐蚀，因为热电偶由两种不同的金属构成，在某些情况下，长时间使用造成腐蚀，所以根据使用条件的不同，可能需要保护措施。
光纤布拉格光栅，简称光纤光栅(FBG)具有波长调制、分辨率高、抗电磁干扰、重复性好以及可进行批量生产等特点，光纤光栅技术正成为当前传感器领域的一大热点。光纤光栅传感器具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、带宽大、并能实现多点分布式测量等优点，已应用于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物、舰船系统、海洋、航空、医学领域、电力系统等，并取得了许多成果。
光纤光栅温度传感器的功能类似于点状的电信号温度传感器，热反应时间短，在同一条检测回路中可以串接多个探头，从而实现对多个温度分布式快速测量。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于分布式光纤光栅与热传导的高温测量装置，包括导热材料、多根光纤、宽带光源、环形器，波长探测调节系统，其特征在于：所述导热材料设置为两端，其中一端为温度测量端，另一端为制冷端；所述光纤上等距离刻写多个同波长光纤布拉格光栅，构成分布式光纤布拉格光栅；所述环形器用于接收所述宽带光源发射的光束，将光束传递至所述光纤布拉格光栅；所述波长探测解调系统用于同时对多个光纤布拉格光栅的波长偏移进行测量。
优选地，所述导热材料由保温隔热材料包裹。
优选地，所述光纤布拉格光栅为等距离同波长光纤光栅阵列。
优选地，所述每个光纤布拉格光栅对应于一个样本点。
优选地，所述光纤布拉格光栅位置靠近制冷端。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了测温系统原理示意图；
图2示出了测温系统具体设计示意图；
图3示出了钨棒温度分布与热传导距离关系曲线。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本发明的目的是提供一种基于热传导和分布式光纤光栅的高温测量系统，在低成本的前提下完成高温测量。
本发明所采用的技术方案：
如图1所示，本装置包括导热材料、多根光纤、宽带光源、环形器，波长探测调节系统，其特征在于：所述导热材料设置为两端，其中一端为温度测量端，另一端为制冷端；所述光纤上等距离刻写多个光纤布拉格光栅，构成分布式光纤布拉格光栅；所述环形器用于接收所述宽带光源发射的光束，将光束传递至所述光纤布拉格光栅；所述波长探测解调系统用于同时对多个光纤布拉格光栅的波长偏移进行测量。
导热材料采用熔点高、热导率高、比热小的导热材料。为避免发生热辐射带来精度上的影响，使用保温隔热材料包裹导热材料。
光纤布拉格光栅(FBG)是利用光纤纤芯层材料的光敏特性，通过紫外曝光的方法，使一段本来沿光纤轴线均匀分布的光纤纤芯折射率发生周期性永久改变形成的一种光栅结构的光学器件，简称光纤光栅。当宽带光通过光纤光栅时，光纤光栅会对此入射光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光，此中心波长称之为布拉格波长，在温度发生变化的情况下，光栅的栅距发生变化，布拉格波长随之发生变化。
在同一根光纤上等距离刻写多个光纤光栅，构成分布式光纤光栅。使用高温胶将光纤光栅贴于导热材料表面，每个光栅对应于一个样本点。为保证光纤光栅测量的温度在其所能承受的最大范围内，光纤光栅位置应尽量靠近制冷端。
当进行温度测量时，从光源发出的光束经环形器进入分布式光纤光栅，每个光栅的工作波长相互分开，经环形器取出反射光后，波长是温度的函数，分布在各处的温度和其相应的波长对应。用波长探测解调系统同时对多个栅的波长偏移进行测量，得到波长差，再利用公式实现对样本点处温度的高精度的测量。再对采集到的温度数据进行处理，最终推算出所需测量的温度。
图2是本发明测温系统具体设计示意图。将导热钨棒的一端作为测量端，另一端作为制冷端，使用TEC制冷，温度T0＝25℃。由于导热钨棒的两端存在温度差，热量会沿着导热钨棒传导至制冷端。本系统所能测量的最高温度设计为2000℃，故热传导部分，选取钨作为导热材料。钨的熔点为3410℃且具有较高的热导率为200W/(m.k)。为方便光纤光栅的粘贴，钨棒被做成长条状。此外，在测量2000℃高温条件下，为保证制冷端的热流量小于1W，根据热流量公式：，钨棒的横截面长宽被设计为1mm，总长度为0.5m。整个热传导过程中钨棒上温度分布情况可由Solidworks仿真得到，对仿真结果进行样点采集，并绘制温度-热传导距离关系曲线图，如图3所示，结果表明钨棒上温度的分布与热传导距离基本成线性关系。
使用飞秒激光器在同一根石英光纤上等距离刻写出10个光纤光栅，光栅间隔为20mm。使用高温陶瓷胶将该分布式光纤光栅贴于导热钨棒的表面，粘贴位置尽量靠近制冷端。将每一个光纤光栅的位置作为样本点，以制冷端为起始点，样本点位置分别记为L1，L2，…L10。
在未进行高温测量时，光纤光栅的中心波长均为。当进行高温测量时，每个样本点处的温度会发生不同的变化，光纤光栅的中心波长也会随之产生不同程度的飘移。用光谱仪对这些栅的波长飘移进行测量，得到每个光栅的波长漂移量Δλ1，Δλ2，…，Δλ10
温度变化量与波长漂移量之间的关系，可以由下式表示：
ΔT＝α·Δλ
所以，样本点的温度T1，T2，…，T10可以由上式得到：
T1＝α·Δλ1+T0
T2＝α·Δλ2+T0
…
T10＝α·Δλ10+T0
由先前的仿真结果可知，钨棒上温度的分布与热传导距离呈线性关系，分别计算每个样本点到起始点(制冷端)之间的直线斜率K1，K2，…，K10。
式中T0＝25℃。对所求系数取平均值
所测温度T即可由公式T＝K·L给出，L为0.5m。
本发明测温系统的特点
(1)本发明将分布式光纤光栅测温系统与热传导相结合，可以实现更高温度的测量，实际可测温度达2000℃。
(2)如果直接使用光纤光栅来测量超高温，对光纤光栅的要求较高，多使用飞秒激光制备的蓝宝石光纤光栅，这种做法成本较高。本测温系统使用普通的掺锗石英光纤光栅就能完成高温的测量，其成本要低于蓝宝石光纤光栅，也远远低于其他消耗型贵金属热电偶。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种基于分布式光纤光栅与热传导的高温测量装置，包括导热材料、多根光纤、宽带光源、环形器，波长探测调节系统，其特征在于：所述导热材料设置为两端，其中一端为温度测量端，另一端为制冷端；所述光纤上等距离刻写多个同波长光纤布拉格光栅，构成分布式光纤布拉格光栅；所述环形器用于接收所述宽带光源发射的光束，将光束传递至所述光纤布拉格光栅；所述波长探测解调系统用于同时对多个光纤布拉格光栅的波长偏移进行测量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述导热材料由保温隔热材料包裹。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光纤布拉格光栅为等距离同波长光纤光栅阵列。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光纤布拉格光栅采用高温胶贴于所述导热材料表面。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述每个光纤布拉格光栅对应于一个样本点。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光纤布拉格光栅位置靠近制冷端。
CN201710166314.2A 2016-11-02 2017-03-20 一种基于分布式光纤光栅与热传导的高温测量装置 Pending CN108007602A (zh)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107024301A (zh) * 2017-03-27 2017-08-08 中山大学 一种基于冷凝通道冷凝长度的测量装置及其方法
CN112413616A (zh) * 2020-10-14 2021-02-26 湖北工业大学 一种高温锅炉自动温度场测量吹灰系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000162444A (ja) * 1998-11-26 2000-06-16 Fuji Electric Co Ltd 光ファイバブラッググレーティング温度センサ
CN101046412A (zh) * 2007-03-16 2007-10-03 东华大学 光纤光栅高温传感系统
CN102364313A (zh) * 2011-10-15 2012-02-29 浙江师范大学 基于球形端面光纤微麦克逊干涉的高温传感方法
CN103233966A (zh) * 2012-12-21 2013-08-07 珠海一多监测科技有限公司 具有测温功能的智能螺栓
CN103994831A (zh) * 2014-04-17 2014-08-20 北京固瑞恩科技有限公司 一种测温耐磨系统及其安装方法
CN206161191U (zh) * 2016-11-06 2017-05-10 浙江师范大学 基于无芯光纤布拉格光栅高温传感装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000162444A (ja) * 1998-11-26 2000-06-16 Fuji Electric Co Ltd 光ファイバブラッググレーティング温度センサ
CN101046412A (zh) * 2007-03-16 2007-10-03 东华大学 光纤光栅高温传感系统
CN102364313A (zh) * 2011-10-15 2012-02-29 浙江师范大学 基于球形端面光纤微麦克逊干涉的高温传感方法
CN103233966A (zh) * 2012-12-21 2013-08-07 珠海一多监测科技有限公司 具有测温功能的智能螺栓
CN103994831A (zh) * 2014-04-17 2014-08-20 北京固瑞恩科技有限公司 一种测温耐磨系统及其安装方法
CN206161191U (zh) * 2016-11-06 2017-05-10 浙江师范大学 基于无芯光纤布拉格光栅高温传感装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YAGE ZHAN等: "A novel fiber Bragg Grating high-temperature sensor", 《OPTIK OPTICS》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107024301A (zh) * 2017-03-27 2017-08-08 中山大学 一种基于冷凝通道冷凝长度的测量装置及其方法
CN112413616A (zh) * 2020-10-14 2021-02-26 湖北工业大学 一种高温锅炉自动温度场测量吹灰系统
CN112413616B (zh) * 2020-10-14 2022-11-18 湖北工业大学 一种高温锅炉自动温度场测量吹灰系统

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