CN110398302A - 一种单波双路光纤补偿荧光测温系统及方法 - Google Patents

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陈豪
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王杰华
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Abstract

本发明涉及测温领域，尤其涉及一种单波双路光纤补偿荧光测温系统及方法，该系统包括：脉冲激光源、分光器、第一光纤、第二光纤、第一光电接收器、第二光电接收器以及数据处理模块，脉冲激光源发射出的激励光经过分光器分为两束同等波长、频率的光，两束光分别通过第一光纤和第二光纤，激发第一光纤和第二光纤的测温探头上的荧光物质发出荧光；第一光纤的测温探头设于被测环境中；所述第二光纤的测温探头设于恒温环境中；数据处理模块根据第二光电接收器的电信号计算温度补偿参数，再通过温度补偿参数对第一光电接收器的电信号进行温度补偿并计算得到被测环境的温度。本发明根据温度补偿参数对测量组测得的环境温度进行补偿得到更准确的温度。

Description

一种单波双路光纤补偿荧光测温系统及方法
技术领域
本发明涉及测温领域，尤其涉及一种单波双路光纤补偿荧光测温系统及方法。
背景技术
传统的光纤测温技术通常是不进行光补偿的，这样的测温方式就容易受到各种环境影响。如光在光纤中传输光的衰落以及色散，光纤的弯曲、挤压在高温下的变形，光源光功率的波动，光电接收器的温漂、噪声等等。这一系列的光路扰动问题都会影响光纤传感器的测量精度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种单波双路光纤补偿荧光测温系统及方法，以提高测温的精确度。
一方面，一种单波双路光纤补偿荧光测温系统，包括：脉冲激光源、分光器、第一光纤、第二光纤、第一光电接收器、第二光电接收器以及数据处理模块，其中，
所述脉冲激光源发射出的激励光经过分光器分为两束同等波长、频率的光，两束光分别通过第一光纤和第二光纤，并激发第一光纤和第二光纤的测温探头上的荧光物质发出荧光；
所述第一光纤的测温探头设于被测环境中；所述第二光纤的测温探头设于恒温环境中；
所述第一光电接收器采集第一光纤的测温探头上的荧光物质发出的荧光，并转换为电信号；所述第二光电接收器接收第二光纤的测温探头上的荧光物质发出的荧光，并转换为电信号；
所述数据处理模块根据第二光电接收器的电信号计算温度补偿参数，再通过温度补偿参数对第一光电接收器的电信号进行温度补偿并计算得到被测环境的温度。
优选的，所述数据处理模块根据第二光电接收器的电信号计算温度补偿参数包括：
设定恒温环境的实际温度为Th、恒温环境测量温度为Tc；
根据恒温环境的实际温度Th以及测量温度Tc通过公式：Td＝Tc-Th，计算得到温度补偿参数Td。
优选的，所述通过温度补偿参数对第一光电接收器的电信号进行温度补偿并计算得到被测环境的温度包括：
根据对称原理，被测环境实际温度T，和被测环境测量温度Tc1存在Td＝T-Tc1，得出被测环境的实际温度T＝Tc1+Td。
优选的，根据公式：I(t)＝A*Ip(Tc)*exp(-t/tao(Tc))，计算得到恒温环境的测量温度Tc，
其中：A表示常系数；t表示余辉衰减时间；Ip(Tc)表示荧光峰值强度，是温度Tc的相关函数；tao(Tc)表示荧光寿命，也是温度Tc的相关函数。
另一方面，一种单波双路光纤补偿荧光测温方法，包括：
S1：脉冲激光源发射出的激励光经过分光器分为两束同等波长、频率的光，两束光分别通过第一光纤和第二光纤，并激发第一光纤和第二光纤的测温探头上的荧光物质发出荧光；
S2：将第一光纤的测温探头设于被测环境中；所述第二光纤的测温探头设于恒温环境中；
S3：通过第一光电接收器采集第一光纤的测温探头上的荧光物质发出的荧光，并转换为电信号；所述第二光电接收器接收第二光纤的测温探头上的荧光物质发出的荧光，并转换为电信号；
S4：通过数据处理模块根据第二光电接收器的电信号计算温度补偿参数，再通过温度补偿参数对第一光电接收器的电信号进行温度补偿并计算得到被测环境的温度。
优选的，所述通过数据处理模块根据第二光电接收器的电信号计算温度补偿参数包括：
设定恒温环境的实际温度为Th、恒温环境测量温度为Tc；
根据恒温环境的实际温度Th以及测量温度Tc通过公式：Td＝Tc-Th，计算得到温度补偿参数Td。
优选的，所述通过温度补偿参数对第一光电接收器的电信号进行温度补偿并计算得到被测环境的温度包括：
根据对称原理，被测环境实际温度T，和被测环境测量温度Tc1存在Td＝T-Tc1，得出被测环境的实际温度T＝Tc1+Td。
优选的，根据公式：I(t)＝A*Ip(Tc)*exp(-t/tao(Tc))，计算得到恒温环境的测量温度Tc，
其中：A表示常系数；t表示余辉衰减时间；Ip(Tc)表示荧光峰值强度，是温度Tc的相关函数；tao(Tc)表示荧光寿命，也是温度Tc的相关函数。
本发明具备以下有益效果：
通过设置两路相同的激励光、两路光纤、两个光电接收器，其中一路光的环境温度是恒定的，通过测量参考组的环境温度与恒定的实际温度相比较来得到温度补偿参数；另一路光再根据温度补偿参数对测量组测得的环境温度进行补偿得到最终更准确的温度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明一实施例一种单波双路光纤补偿荧光测温系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例一种单波双路光纤补偿荧光测温方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
光在光纤中传输光的衰落以及色散、光纤的弯曲、挤压在高温下的变形、光源光功率的波动、光电接收器的温漂、噪声等等，这一系列的光路扰动问题都会影响光纤传感器的测量精度。而同时，这些光路扰动问题在测温的过程中并不能很好的将其量化来实现对测温的补偿。
本发明的基本思想是设置两路相同的激励光、两路光纤、两个光电接收器，其中一路作为参考组，另外一路作为测量组。参考组的环境温度是恒定的，也就是已知的，通过测量参考组的环境温度与恒定的实际温度相比较来得到温度补偿参数。再根据温度补偿参数对测量组测得的环境温度进行补偿得到最终更准确的温度。
基于以上构思，本发明实施例提出一种单波双路光纤补偿荧光测温系统，如图1所示，包括：脉冲激光源、分光器、第一光纤、第二光纤、第一光电接收器、第二光电接收器以及数据处理模块，其中，
所述脉冲激光源发射出的激励光经过分光器分为两束同等波长、频率的光，两束光分别通过第一光纤和第二光纤，并激发第一光纤和第二光纤的测温探头上的荧光物质发出荧光；
所述第一光纤的测温探头设于被测环境中；所述第二光纤的测温探头设于恒温环境中；
所述第一光电接收器采集第一光纤的测温探头上的荧光物质发出的荧光，并转换为电信号；所述第二光电接收器接收第二光纤的测温探头上的荧光物质发出的荧光，并转换为电信号；
所述数据处理模块根据第二光电接收器的电信号计算温度补偿参数，再通过温度补偿参数对第一光电接收器的电信号进行温度补偿并计算得到被测环境的温度。
在本实施例中，只有一个脉冲激光源，脉冲激光源发出的激励光经过分光器后得到两束同等波长和频率的光。由于是相同波长和频率的光，因此在计算温度补偿参数的过程中，可以不考虑波长和频率对测量温度带来的影响。此外，两束光经过的光纤环境也一样，受到光电接收器的温漂、噪声影响也相同，唯一的区别就是荧光物质受到的温度差别。这样的设计方法可以有效的抵消光路中的各种扰动、光电接收器的噪声、温漂对光纤传感器的测量精度的影响。
在本实施例中，数据处理模块根据第二光电接收器的电信号计算温度补偿参数包括：
设定恒温环境的实际温度为Th、恒温环境测量温度为Tc；
根据恒温环境的实际温度Th以及测量温度Tc通过公式：Td＝Tc-Th，计算得到温度补偿参数Td。
在本实施例中，通过温度补偿参数对第一光电接收器的电信号进行温度补偿并计算得到被测环境的温度包括：
根据对称原理，被测环境实际温度T，和被测环境测量温度Tc1存在Td＝T-Tc1，得出被测环境的实际温度T＝Tc1+Td。
其中，根据公式：I(t)＝A*Ip(Tc)*exp(-t/tao(Tc))，计算得到恒温环境的测量温度Tc，同样也可以计算得到被测环境测量温度Tc1，其中：A表示常系数；t表示余辉衰减时间；Ip(Tc)表示荧光峰值强度，是温度Tc的相关函数；tao(Tc)表示荧光寿命，也是温度Tc的相关函数。
基于上述一种单波双路光纤补偿荧光测温系统，本实施例还提出一种基于正弦波激励的荧光光纤测温方法，如图2所示，包括：
S1：脉冲激光源发射出的激励光经过分光器分为两束同等波长、频率的光，两束光分别通过第一光纤和第二光纤，并激发第一光纤和第二光纤的测温探头上的荧光物质发出荧光；
S2：将第一光纤的测温探头设于被测环境中；所述第二光纤的测温探头设于恒温环境中；
S3：通过第一光电接收器采集第一光纤的测温探头上的荧光物质发出的荧光，并转换为电信号；所述第二光电接收器接收第二光纤的测温探头上的荧光物质发出的荧光，并转换为电信号；
S4：通过数据处理模块根据第二光电接收器的电信号计算温度补偿参数，再通过温度补偿参数对第一光电接收器的电信号进行温度补偿并计算得到被测环境的温度。
在本实施例中，通过数据处理模块根据第二光电接收器的电信号计算温度补偿参数包括：
设定恒温环境的实际温度为Th、恒温环境测量温度为Tc；
根据恒温环境的实际温度Th以及测量温度Tc通过公式：Td＝Tc-Th，计算得到温度补偿参数Td。
在本实施例中，所述通过温度补偿参数对第一光电接收器的电信号进行温度补偿并计算得到被测环境的温度包括：
根据对称原理，被测环境实际温度T，和被测环境测量温度Tc1存在Td＝T-Tc1，得出被测环境的实际温度T＝Tc1+Td。
在本实施例中，根据公式：I(t)＝A*Ip(Tc)*exp(-t/tao(Tc))，计算得到恒温环境的测量温度Tc，同样也可以计算得到被测环境测量温度Tc1。
其中：A表示常系数；t表示余辉衰减时间；Ip(Tc)表示荧光峰值强度，是温度Tc的相关函数；tao(Tc)表示荧光寿命，也是温度Tc的相关函数。
本方法与上述系统所采用的原理及方案相同，也就是设置两路相同的激励光、两路光纤、两个光电接收器，其中一路作为参考组，另外一路作为测量组。参考组的环境温度是恒定的，通过测量参考组的环境温度与恒定的实际温度相比较来得到温度补偿参数，再根据温度补偿参数对测量组测得的环境温度进行补偿得到最终更准确的温度。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种单波双路光纤补偿荧光测温系统，其特征在于，包括：脉冲激光源、分光器、第一光纤、第二光纤、第一光电接收器、第二光电接收器以及数据处理模块，其中，
所述脉冲激光源发射出的激励光经过分光器分为两束同等波长、频率的光，两束光分别通过第一光纤和第二光纤，并激发第一光纤和第二光纤的测温探头上的荧光物质发出荧光；
所述第一光纤的测温探头设于被测环境中；所述第二光纤的测温探头设于恒温环境中；
所述第一光电接收器采集第一光纤的测温探头上的荧光物质发出的荧光，并转换为电信号；所述第二光电接收器接收第二光纤的测温探头上的荧光物质发出的荧光，并转换为电信号；
所述数据处理模块根据第二光电接收器的电信号计算温度补偿参数，再通过温度补偿参数对第一光电接收器的电信号进行温度补偿并计算得到被测环境的温度。
2.根据权利要求1所述的一种单波双路光纤补偿荧光测温系统，其特征在于，所述数据处理模块根据第二光电接收器的电信号计算温度补偿参数包括：
设定恒温环境的实际温度为Th、恒温环境测量温度为Tc；
根据恒温环境的实际温度Th以及测量温度Tc通过公式：Td＝Tc-Th，计算得到温度补偿参数Td。
3.根据权利要求2所述的一种单波双路光纤补偿荧光测温系统，其特征在于，所述通过温度补偿参数对第一光电接收器的电信号进行温度补偿并计算得到被测环境的温度包括：
根据对称原理，被测环境实际温度T，和被测环境测量温度Tc1存在Td＝T-Tc1，得出被测环境的实际温度T＝Tc1+Td。
4.根据权利要求2所述的一种单波双路光纤补偿荧光测温系统，其特征在于，
根据公式：I(t)＝A*Ip(Tc)*exp(-t/tao(Tc))，计算得到恒温环境的测量温度Tc，
其中：A表示常系数；t表示余辉衰减时间；Ip(Tc)表示荧光峰值强度，是温度Tc的相关函数；tao(Tc)表示荧光寿命，也是温度Tc的相关函数。
5.一种单波双路光纤补偿荧光测温方法，其特征在于，包括：
S1：脉冲激光源发射出的激励光经过分光器分为两束同等波长、频率的光，两束光分别通过第一光纤和第二光纤，并激发第一光纤和第二光纤的测温探头上的荧光物质发出荧光；
S2：将第一光纤的测温探头设于被测环境中；所述第二光纤的测温探头设于恒温环境中；
S3：通过第一光电接收器采集第一光纤的测温探头上的荧光物质发出的荧光，并转换为电信号；所述第二光电接收器接收第二光纤的测温探头上的荧光物质发出的荧光，并转换为电信号；
S4：通过数据处理模块根据第二光电接收器的电信号计算温度补偿参数，再通过温度补偿参数对第一光电接收器的电信号进行温度补偿并计算得到被测环境的温度。
6.根据权利要求5所述的一种单波双路光纤补偿荧光测温方法，其特征在于，所述通过数据处理模块根据第二光电接收器的电信号计算温度补偿参数包括：
设定恒温环境的实际温度为Th、恒温环境测量温度为Tc；
根据恒温环境的实际温度Th以及测量温度Tc通过公式：Td＝Tc-Th，计算得到温度补偿参数Td。
7.根据权利要求6所述的一种单波双路光纤补偿荧光测温方法，其特征在于，所述通过温度补偿参数对第一光电接收器的电信号进行温度补偿并计算得到被测环境的温度包括：
根据对称原理，被测环境实际温度T，和被测环境测量温度Tc1存在Td＝T-Tc1，得出被测环境的实际温度T＝Tc1+Td。
8.根据权利要求6所述的一种单波双路光纤补偿荧光测温方法，其特征在于，
根据公式：I(t)＝A*Ip(Tc)*exp(-t/tao(Tc))，计算得到恒温环境的测量温度Tc，
其中：A表示常系数；t表示余辉衰减时间；Ip(Tc)表示荧光峰值强度，是温度Tc的相关函数；tao(Tc)表示荧光寿命，也是温度Tc的相关函数。
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