CN109164065A - 热光系数的测量系统及测量方法 - Google Patents

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CN109164065A CN201811242162.0A CN201811242162A CN109164065A CN 109164065 A CN109164065 A CN 109164065A CN 201811242162 A CN201811242162 A CN 201811242162A CN 109164065 A CN109164065 A CN 109164065A
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陈郁芝
李学金
方林
洪学明
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    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G—PHYSICS
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    • 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

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Abstract

本发明提供一种热光系数的测量系统，涉及光纤领域，包括：信号发射器组、光纤热光系数传感器和处理器。信号发射器组与被测材料通过传输光纤连接。被测量材料覆盖于光纤热光系数传感器的表面，或者光纤热光系数传感器位于被测材料中。光纤热光系数传感器与处理器通过传输光纤连接。光纤热光系数传感器包括光纤温度传感器和光纤折射率传感器，光纤温度传感器和光纤折射率传感器串联。本发明还提供一种热光系数的测量方法，将该测量方法应用于热光系数的测量系统，可以同时测量被测材料的同一位置的温度和折射率，进而使得到的热光系数更准确。

Description

热光系数的测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及光纤领域，尤其涉及一种热光系数的测量系统及测量方法。
背景技术
热光系数是指光学材料的折射率随着温度变化的变化率，用光学材料的折射率与温度的比值系数来表示。不同光学材料的热光系数不同，需要一种热光系数测量系统对光学材料的热光系数的进行测量。
现有的热光系数测量系统一般通过测量正在被加热的被测材料的折射率，计算得到该被测材料的热光系数，这种热光系数测量系统普遍无法同时测量被测材料的同一位置的折射率和温度，导致得到的热光系数不准确。
发明内容
本发明提供一种热光系数的测量系统及一种热光系数的测量方法，将该测量方法一个用于该热光系数的测量系统，可以同时测量被测材料的同一位置的折射率和温度，进而使得到的热光系数更准确。
本发明实施例第一方面提供一种热光系数的测量系统，包括：信号发射器组、光纤热光系数传感器和处理器；
所述信号发射器组与被测材料通过传输光纤连接；
所述被测量材料覆盖于所述光纤热光系数传感器的表面，或者所述光纤热光系数传感器位于所述被测材料中；
所述光纤热光系数传感器与所述处理器通过传输光纤连接；
所述光纤热光系数传感器包括光纤温度传感器和光纤折射率传感器，所述光纤温度传感器和所述光纤折射率传感器串联。
本发明还提供一种热光系数的测量方法，该测量方法应用于一种热光系数的测量系统，该测量系统包括：
通过光纤热光系数传感器同时获取被测材料的同一位置的温度数据信号和折射率数据信号，并将所述温度数据信号和折射率数据信号通过传输光纤传输至处理器；
通过所述处理器根据所述温度数据信号和折射率数据信号计算得到所述被测材料的热光系数。
在上述各实施例中，由于设置有光纤热光系数传感器，光纤热光系数传感器包括光纤温度传感器和光纤折射率传感器，且光纤温度传感器和光纤折射率传感器串联，故可以同时测量被测材料的同一位置的温度和折射率，进而使得到的热光系数更准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例提供的热光系数的测量系统的结构示意图；
图2为本发明第二实施例提供的热光系数的测量系统的结构示意图；
图3为本发明第三实施例提供的热光系数的测量系统的结构示意图；
图4为本发明第四实施例提供的热光系数的测量方法的流程图；
图5为本发明第五实施例提供的热光系数的测量方法的流程图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例提供的附图，对本发明实施例提供的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明提供的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明第一实施例提供的热光系数的测量系统的结构示意图，如图1所示，该热光系数的测量系统包括：信号发射器组100、光纤热光系数传感器200和处理器300。
信号发射器组100与被测材料500通过传输光纤400连接。
被测材料500覆盖于光纤热光系数传感器200的表面，或者光纤热光系数传感器200位于被测材料500中。
光纤热光系数传感器200与处理器300通过传输光纤400连接。
光纤热光系数传感器200包括光纤温度传感器210和光纤折射率传感器220，光纤温度传感器210和光纤折射率传感器220串联。
信号发射器组100发射两种不同频率的光信号，两种不同频率的光信号通过传输光纤400被传输至光纤热光系数传感器200，被测材料500被涂抹在光纤热光系数传感器200的表面上，若被测材料500受热易挥发或蒸发，则将被测组件直接插入被测材料中。
信号发射器组100通过传输光纤400将两种不同频率的光信号传输至被测材料500上，被测材料500在两种不同频率的光信号的激励下，分别输出两种不同频率的响应信号，光纤温度传感器210和光纤折射率传感器220接收该两种不同频率的响应信号，同时得到被测材料的同一位置的温度数据信号和折射率数据信号。
对被测材材料进行加热，光纤热光系数传感器200同时得到被测材料的同一位置的折射率数据信号和温度数据信号，并通过传输光纤400将该折射率数据信号和温度数据信号传输至处理器中，处理器根据折射率数据信号和温度数据信号解调得到被测材料的温度数据和折射率数据，并根据该被测材料的折射率随着温度变化的变化率得到该被测材料的热光系数。
需要说明的是，光纤热光系数传感器200为光纤折射率传感器210和光纤温度传感器220串联组合形成的光纤热光系数传感器，图1中仅以光纤温度传感器210通过传输光纤400与信号发射器组100连接，光纤折射率传感器220通过传输光纤400与处理器300连接为例进行说明，光纤折射率传感器220还可以通过传输光纤400与信号发射器组100连接，光纤温度传感器210还可以通过传输光纤400与处理器300连接。
在实际应用中，现有的热光系数的测量系统无法同时保证测量得到的温度数据和折射率数据的空间一致性和时间一致性。先后获取被测材料的同一位置的温度数据和折射率数据，由于被测材料的热传导和热对流，测量位置处的温度会随时间变化而变化，先后测量被测材料的同一位置的温度数据和折射率数据会使热光系数的测量不准确，同时测量被测材料的不同位置处的折射率数据和温度数据，由于热传导不均匀，温度数据与测量折射率数据的位置处的温度会产生误差，进而导致热光系数的测量不准确。本实施例中，由于设置有光纤热光系数传感器200，光纤热光系数传感器200为光纤折射率传感器210和光纤温度传感器220串联组合形成的光纤热光系数传感器，故可以同时测量被测材料的同一位置的温度数据和折射率数据，同时保证温度数据和折射率数据的时间一致性和空间一致性，进而使测量得到的热光系数更加准确。
在本实施例中，由于设置有光纤热光系数传感器，光纤热光系数传感器包括光纤温度传感器和光纤折射率传感器，且光纤温度传感器和光纤折射率传感器串联，故可以同时测量被测材料的同一位置的温度和折射率，进而使得到的热光系数更准确。
请参阅图2，图2为本发明第二实施例提供的热光系数的测量系统的结构示意图，如图2所示，与前述图1所示的热光系数的测量系统不同的是，在本实施例中：
进一步地，信号发射器组100包括：第一光信号发射器110、第二光信号发射器120和光纤合束器130。
第一光信号发射器110和第二光信号发射器120发出的光信号的频率不同。
第一光信号发射器110和第二光信号发射器120分别与光纤合束器130通过传输光纤400连接。
进一步地，该测量系统还包括反射镜600。
第一光信号发射器110、第二光信号发射器120分别与光纤合束器的第一端130a通过传输光纤400连接，光纤合束器的第二端130b通过传输光纤400，分别与被测材料500和光纤热光系数传感器200的第一端连接。
光纤热光系数传感器的第二端200b与反射镜600连接。
光纤合束器的第一端130a还与处理器300通过传输光纤400连接。
进一步地，光纤折射率传感器210为光纤表面等离子体共振传感器、侧抛光纤传感器、拉锥光纤传感器或光纤马赫-贞德干涉传感器中的一种。
光纤温度传感器220为光纤布拉格光栅温度传感器。
处理器300为光谱仪。
在实际应用中，第一光信号发射器110和第二光信号发射器120发射的两个不同频率的第一光信号和第二光信号经过光纤合束器130进入同一根传输光纤400中，并传输至被测材料500中。
信号发射器组100通过传输光纤400将第一光信号和第二光信号传输至被测材料500中，被测材料500在第一光信号和第二光信号的激励下，分别输出两种不同频率的响应信号，光纤温度传感器210和光纤折射率传感器220接收该两种不同频率的响应信号，同时得到被测材料的同一位置的温度数据信号和折射率数据信号。该折射率数据信号和该温度数据信号均为光信号，该折射率数据信号和温度数据信号反射由反射镜600反射后，通过传输光纤400经过光纤合束器130传输至处理器300，同时，光纤合束器130防止折射率数据信号和温度数据信号进入第一光信号发射器或第二光信号发射器。处理器300为光谱仪，光谱仪根据不同的频率，将被调制在一起的折射率数据信号和温度数据信号解调，并得到折射率数据和温度数据，并根据被测材料500的折射率随着温度的变化率得到被测材料500的热光系数。
需要说明的是，由于光纤热光系数传感器的第二端200b除了与反射镜600连接外，未通过传输光纤与其他元件连接，故当被测材料500为受热易蒸发或易挥发的材料时，可以方便地将光纤热光系数传感器的第二端200b插入被测材料500中。
在本实施例中，第一方面，由于设置有光纤热光系数传感器，光纤热光系数传感器包括光纤温度传感器和光纤折射率传感器，且光纤温度传感器和光纤折射率传感器串联，故可以同时测量被测材料的同一位置的温度和折射率，进而使得到的热光系数更准确。第二方面由于设置有发射不同频率光信号的第一光信号发射器和第二光信号发射器，故便于处理器根据频率将调制在一起的折射率数据信号和温度数据信号解调，并得到折射率数据和温度数据。第三方面，由于光纤热光系数传感器的第二端未通过传输光纤与其他元件连接，故当被测材料为受热易挥发或受热易蒸发的材料时，可以方便地将光纤热光系数传感器的第二端插入被测材料中。
请参阅图3，图3为本发明第三实施例提供的热光系数的测量系统的结构示意图，如图3所示，与前述图1所示的热光系数的测量系统不同的是，在本实施例中：
进一步地，信号发射器组100包括：第一光信号发射器110、第二光信号发射器120和光纤合束器130。
第一光信号发射器110和第二光信号发射器120发出的光信号的频率不同。
第一光信号发射器110和第二光信号发射器120分别通过传输光纤400与光纤合束器130连接。
进一步地，第一光信号发射器110、第二光信号发射器120分别与光纤合束器的第一端130a通过传输光纤400连接，光纤合束器的第二端130b通过传输光纤400，分别与光纤热光系数传感器的第一端200a和被测材料500连接。
光纤热光系数传感器的第二端200b与处理器300通过传输光纤400连接。
进一步地，光纤折射率传感器210为光纤表面等离子体共振传感器、侧抛光纤传感器、拉锥光纤传感器或光纤马赫-贞德干涉传感器中的一种。
光纤温度传感器220为光纤布拉格光栅温度传感器。
处理器300为光谱仪。
在实际应用中，第一光信号发射器110和第二光信号发射器120发射的两个不同频率的第一光信号和第二光信号经过光纤合束器130进入同一根传输光纤400中，并传输至被测材料500中。
信号发射器组100通过传输光纤400将第一光信号和第二光信号传输至被测材料500中，被测材料500在第一光信号和第二光信号的激励下，分别输出两种不同频率的响应信号，光纤温度传感器210和光纤折射率传感器220接收该两种不同频率的响应信号，同时得到被测材料的同一位置的温度数据信号和折射率数据信号。通过传输光纤400该折射率数据信号和温度数据信号传输至处理器300。处理器300为光谱仪，光谱仪根据不同的频率，将被调制在一起的折射率数据信号和温度数据信号解调，并得到折射率数据和温度数据，并根据被测材料500的折射率随着温度的变化率得到被测材料500的热光系数。
在本实施例中，第一方面，由于设置有光纤热光系数传感器，光纤热光系数传感器包括光纤温度传感器和光纤折射率传感器，且光纤温度传感器和光纤折射率传感器串联，故可以同时测量被测材料的同一位置的温度和折射率，进而使得到的热光系数更准确。第二方面，由于设置有发射不同频率光信号的第一光信号发射器和第二光信号发射器，故便于处理器根据频率将调制在一起的折射率数据信号和温度数据信号解调，并得到折射率数据和温度数据。
请参阅图4，图4为本发明第四实施例提供的热光系数的测量方法的流程图，该测量方法应用于一种热光系数的测量系统，该测量系统包括：
信号发射器组、光纤热光系数传感器和处理器。
信号发射器组包括：第一光信号发射器、第二光信号发射器和光纤合束器。
光纤热光系数传感器包括光纤折射率传感器和光纤温度传感器，该光纤折射率传感器和该光纤温度传感器串联。
处理器为光谱仪。
如图4所示，该测量方法包括：
S401、通过光纤热光系数传感器同时获取被测材料的同一位置的温度数据信号和折射率数据信号，并将该温度数据信号和该折射率数据信号通过传输光纤传输至处理器。
具体的，通过光纤热光系数传感器同时获取被测材料的同一位置的温度数据信号和折射率数据信号，包括：
通过传输光纤将第一光信号和第二光信号传输至被测材料中，以使得被测材料分别在该第一光信号和该第二光信号的激励下发出第一响应信号和第二响应信号。
光纤热光系数传感器接收到该第一响应信号和第二响应信号，并根据该第一响应信号和该第二响应信号得到折射率数据信号和温度数据信号。
其中，第一光信号和第二光信号的频率不同，第一光信号由第一光信号发射器发出，第二光信号由第二光信号发射器发出，且第一光信号和第二光信号经过光纤合束器进入一根传输光纤中，该第一光信号和该第二光信号通过该传输光纤传输至被测材料中。
在实际应用中，被测材料涂抹在光纤热光系数传感器的表面，或者，当被测材料为受热易挥发或受热易蒸发的材料时，则将光纤热光系数传感器插在被测材料中。
加热被测材料，光纤热光系数传感器同时得到被测材料的同一位置的温度数据信号和折射率数据信号，折射率数据信号随着温度数据信号的变化而变化。
S402、通过处理器根据温度数据信号和折射率数据信号计算得到被测材料的热光系数。
处理器将耦合在一起的温度数据信号和折射率数据信号解调，并得到温度数据和随着温度数据变化的折射率数据。
处理器根据温度数据和折射率数据计算得到被测材料的折射率随着温度变化的变化率，得到被测材料的热光系数。
在本实施例中，第一方面，由于设置有光纤热光系数传感器，光纤热光系数传感器包括光纤温度传感器和光纤折射率传感器，且光纤温度传感器和光纤折射率传感器串联，故可以同时测量被测材料的同一位置的温度和折射率，进而使得到的热光系数更准确。第二方面，由于设置有发射不同频率光信号的第一光信号发射器和第二光信号发射器，故便于处理器根据频率将调制在一起的折射率数据信号和温度数据信号解调，并得到折射率数据和温度数据。
请参阅图5，图5为本发明第五实施例提供的热光系数的测量方法的流程图，该测量方法应用于一种热光系数的测量系统，该测量系统包括：
信号发射器组、光纤热光系数传感器、处理器和反射镜。
信号发射器组包括：第一光信号发射器、第二光信号发射器和光纤合束器。
光纤热光系数传感器包括光纤折射率传感器和光纤温度传感器，该光纤折射率传感器和该光纤温度传感器串联。
处理器为光谱仪。
如图5所示，该测量方法包括：
S501、通过光纤热光系数传感器同时获取被测材料的同一位置的温度数据信号和折射率数据信号，并将该温度数据信号和该折射率数据信号通过传输光纤传输至处理器。
具体的，通过光纤热光系数传感器同时获取被测材料的同一位置的温度数据信号和折射率数据信号，包括：
通过传输光纤将第一光信号和第二光信号传输至被测材料中，以使得被测材料分别在该第一光信号和该第二光信号的激励下发出第一响应信号和第二响应信号。
光纤热光系数传感器接收到该第一响应信号和第二响应信号，并根据该第一响应信号和该第二响应信号得到折射率数据信号和温度数据信号。
其中，第一光信号和第二光信号的频率不同，第一光信号由第一光信号发射器发出，第二光信号由第二光信号发射器发出，且第一光信号和第二光信号经过光纤合束器进入一根传输光纤中，该第一光信号和该第二光信号通过该传输光纤传输至被测材料中。
在实际应用中，被测材料涂抹在光纤热光系数传感器的表面，或者，当被测材料为受热易挥发或受热易蒸发的材料时，则将光纤热光系数传感器插在被测材料中。
加热被测材料，光纤热光系数传感器同时得到被测材料的同一位置的温度数据信号和折射率数据信号，折射率数据信号随着温度数据信号的变化而变化。
光纤热光系数传感器将温度数据信号和折射率数据信号传输至反射镜。
S502、通过反射镜将折射率数据信号和温度数据信号反射至传输光纤中。
具体的，光纤热光系数传感器将温度数据信号和折射率数据信号均为光信号，反射镜通过反射将光纤热光系数传感器的温度数据信号和折射率数据信号反射回传输光纤。
S503、通过处理器根据温度数据信号和折射率数据信号计算得到被测材料的热光系数。
具体的，温度数据信号和折射率数据信号由反射镜反射后，通过传输光纤经过光纤合束器后传输至处理器，光纤合束器可以防止温度数据信号和折射率信号进入第一光信号发射器和第二光信号发射器。
处理器将耦合在一起的温度数据信号和折射率数据信号解调，并得到温度数据和随着温度数据变化的折射率数据。
处理器根据温度数据和折射率数据计算得到被测材料的折射率随着温度变化的变化率，得到被测材料的热光系数。
在本实施例中，第一方面，由于设置有光纤热光系数传感器，光纤热光系数传感器包括光纤温度传感器和光纤折射率传感器，且光纤温度传感器和光纤折射率传感器串联，故可以同时测量被测材料的同一位置的温度和折射率，进而使得到的热光系数更准确。第二方面由于设置有发射不同频率光信号的第一光信号发射器和第二光信号发射器，故便于处理器根据频率将调制在一起的折射率数据信号和温度数据信号解调，并得到折射率数据和温度数据。第二方面，由于光纤热光系数传感器的第二端未通过传输光纤与其他元件连接，故当被测材料为受热易挥发或受热易蒸发的材料时，可以方便地将光纤热光系数传感器的第二端插入被测材料中。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的热光系数的测量系统及测量方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种热光系数的测量系统，其特征在于，包括：信号发射器组、光纤热光系数传感器和处理器；
所述信号发射器组与被测材料通过传输光纤连接；
所述被测量材料覆盖于所述光纤热光系数传感器的表面，或者所述光纤热光系数传感器位于所述被测材料中；
所述光纤热光系数传感器与所述处理器通过传输光纤连接；
所述光纤热光系数传感器包括光纤温度传感器和光纤折射率传感器，所述光纤温度传感器和所述光纤折射率传感器串联。
2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述信号发射器组包括：第一光信号发射器、第二光信号发射器和光纤合束器；
所述第一光信号发射器和所述第二光信号发射器发出的光信号的频率不同；
所述第一光信号发射器和第二光信号发射器分别与光纤合束器通过传输光纤连接。
3.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括反射镜；
所述第一光信号发射器、所述第二光信号发射器分别与所述光纤合束器的第一端通过传输光纤连接，所述光纤合束器的第二端通过传输光纤，分别与所述被测材料和所述光纤热光系数传感器的第一端连接；
所述光纤热光系数传感器的第二端与所述反射镜连接；
所述光纤合束器的第一端还与所述处理器通过传输光纤连接。
4.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述第一光信号发射器、所述第二光信号发射器分别与所述光纤合束器的第一端通过传输光纤连接，所述光纤合束器的第二端通过传输光纤，分别与所述光纤热光系数传感器的第一端和所述被测材料连接；
所述光纤热光系数传感器的第二端与所述处理器通过传输光纤连接。
5.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光纤折射率传感器为光纤表面等离子体共振传感器、侧抛光纤传感器、拉锥光纤传感器或光纤马赫-贞德干涉传感器中的一种；
所述光纤温度传感器为光纤布拉格光栅温度传感器；
所述处理器为光谱仪。
6.一种热光系数的测量方法，其特征在于，所述测量方法应用于如权利要求1-5中任一项所述的热光系数的测量系统；
所述测量方法包括：
通过光纤热光系数传感器同时获取被测材料的同一位置的温度数据信号和折射率数据信号，并将所述温度数据信号和折射率数据信号通过传输光纤传输至处理器；
通过所述处理器根据所述温度数据信号和折射率数据信号计算得到所述被测材料的热光系数。
7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述通过光纤热光系数传感器同时获取被测材料的同一位置的温度数据信号和折射率数据信号，包括：
通过传输光纤将第一光信号和第二光信号传输至被测材料中，以使得被测材料分别在所述第一光信号和所述第二光信号的激励下发出第一响应信号和第二响应信号；
所述光纤热光系数传感器接收到所述第一响应信号和所述第二响应信号，并根据所述第一响应信号和所述第二响应信号得到折射率数据信号和温度数据信号；
其中，所述第一光信号和所述第二光信号的频率不同，所述第一光信号由第一光信号发射器发出，所述第二光信号由第二光信号发射器发出，且所述第一光信号和所述第二光信号经过光纤合束器进入一根传输光纤中，所述第一光信号和所述第二光信号通过传输光纤传输至被测材料中。
8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述通过所述处理器根据所述温度数据信号和折射率数据信号计算得到所述被测材料的热光系数之前还包括：
通过反射镜将所述折射率数据信号和温度数据信号反射至传输光纤中；
其中所述折射率数据信号和所述温度数据信号均为光信号。
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