CN111855010A - 一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置 - Google Patents

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李金洋
毛国培
马强
何文涛
史青
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Abstract

本发明涉及一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，属于光纤传感领域；包括待测金属壁、安装支架、耐高温光纤探头、特种传输光纤和解调终端；解调终端、特种传输光纤和耐高温光纤探头依次连接；安装支架套装在耐高温光纤探头的外壁；通过安装支架实现将耐高温光纤探头固定安装在指定位置，并通过安装支架实现对耐高温光纤探头角度的调整；耐高温光纤探头对准待测金属壁；本发明有效解决了高温狭窄区域非接触温度测量问题。

Description

一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置
技术领域
本发明属于光纤传感领域，涉及一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置。
背景技术
辐射测温法是根据被测物体光谱信息来测量物体的温度，具有非接触、远距离、测温响应快、温度范围宽等优点。自然界一切温度高于绝对零度的物体都以电磁波的形式向外辐射能量，其特征信息(如能量强度、频谱分布)表现为温度的函数。辐射测温法通过收集测量目标辐射电磁波，提取特征信息，进而获取温度信息。
传统辐射测温装置主要是通过光学透镜，将辐射光信号成像于探测器像元处，转换为电信号进行测量。典型应用包括耳温枪、额温仪和工业非接触测温仪。需要指出的是，非接触辐射测温法要求测温装置探头(或光学镜头)与被测体具备“可视化”条件。而对于特种应用，如某航天器复杂结构内部壁温测量、钢厂某炉体狭长区域壁温测量等，仅当探头放置于高温区域时才能有效接收辐射信号。这对测量装置的耐温性能提出了较高要求。传统辐射测温装置由于采用光学镜头与电学元件集成化设计，难以满足85℃及以上耐温要求，限制了辐射测温装置的进一步应用。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，有效解决了高温狭窄区域非接触温度测量问题。
本发明解决技术的方案是：
一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，包括待测金属壁、安装支架、耐高温光纤探头、特种传输光纤和解调终端；解调终端、特种传输光纤和耐高温光纤探头依次连接；安装支架套装在耐高温光纤探头的外壁；通过安装支架实现将耐高温光纤探头固定安装在指定位置，并通过安装支架实现对耐高温光纤探头角度的调整；耐高温光纤探头对准待测金属壁。
在上述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，
耐高温光纤探头：在高温环境下收集待测金属壁的辐射光信号；
安装支架：为耐高温光纤探头提供支撑，控制耐高温光纤探头的视场角度；
特种传输光纤：用于在高温环境下进行长距离传输，将耐高温光纤探头收集的光信号传输至解调终端；
解调终端：用于处理收集的辐射光信号，将辐射光信号转换为温度信息，并实现温度信息输出。
在上述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，所述耐高温光纤探头和特种传输光纤满足高温环境要求，当耐高温光纤探头和特种传输光纤的工作温度小于300℃时，采用聚酰亚胺光纤；当工作温度小于850℃时，采用镀金光纤。
在上述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，所述耐高温光纤探头采用耐高温光纤准直镜、耐高温光学透镜组合、球面光纤或垂直切割光纤中的一种。
在上述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，所述耐高温光纤探头各部件均采用耐高温材料组成，且满足高温环境要求，采用蓝宝石、石英或高温合金材料。
在上述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，所述特种传输光纤、安装支架、耐高温光纤探头支持特定角度弯曲安装，满足狭小空间特定角度视场需求。
在上述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，所述解调终端采用强度法、比色法、多光谱法中的一种或组合方式进行辐射温度测量。
在上述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，所述耐高温光纤探头、特种传输光纤、解调终端工作波长相互匹配，取各部分工作波长的交集。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过采用耐高温特种光纤构建耐高温光纤探头、特种传输光纤，实现探测端与解调端在空间上的分离，耐高温探测端可以在高温环境中实现对目标结构表面辐射信号的探测；
(2)本发明通过采用柔性耐高温特种光纤作为探测端，可以配合安装支架实现特定角度弯曲，进而实现狭小空间内特定视场辐射信号收集，实现狭小空间非接触测量。
附图说明
图1为本发明非接触温度测量装置结构示意图；
图2为基于镀金光纤和透镜组的非接触温度测量装置结构示意图
图3为不同温度下黑体辐射光谱分布变化规律示意图；
图4为1310nm/1550nm窄带光信号强度比随温度变化规律示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提出的一种基于耐高温特种光纤的非接触温度测量装置，基于红外辐射测温机理，利用柔性耐高温特种光纤进行远距离辐射光信号收集，以解决两方面问题：1高温环境下测温探头难以存活的问题。2难以在狭小空间内设计光路实现特定视场测量的问题。
本发明给出了另一个用于大面积结构表温测量的非接触温度测量装置，如图1所示。该装置由包括待测金属壁1、安装支架2、耐高温光纤探头3、特种传输光纤4和解调终端5；解调终端5、特种传输光纤4和耐高温光纤探头3依次连接；安装支架2套装在耐高温光纤探头3的外壁；通过安装支架2实现将耐高温光纤探头3固定安装在指定位置，并通过安装支架2实现对耐高温光纤探头3角度的调整；耐高温光纤探头3对准待测金属壁1。其中，镀金光纤为端面垂直切割光纤，光纤端面按光纤数值孔径进行一定角度范围内的辐射光信号探测。因此，随着测量距离增大，接收光信号对应的发光表面积越大，测得的温度信息为该范围内表面温度的平均值，本实施例结构简单，适应于大面积均匀温度结构的温度测量。
耐高温光纤探头3：在高温环境下收集待测金属壁1的辐射光信号；
安装支架2：为耐高温光纤探头3提供支撑，控制耐高温光纤探头3的视场角度；
特种传输光纤4：用于在高温环境下进行长距离传输，将耐高温光纤探头3收集的光信号传输至解调终端5；
解调终端5：用于处理收集的辐射光信号，将辐射光信号转换为温度信息，并实现温度信息输出。
该测量装置所包含耐高温光纤探头、特种传输光纤均采用耐高温特种光纤，以满足高温环境要求，耐高温光纤探头能够以特定角度弯曲安装，满足狭小空间特定角度视场需求。解调终端可以采用强度法、比色法、多光谱法中一种或组合进行辐射温度测量。
本发明对耐高温光纤探头3、特种传输光纤4和解调终端5进行了高温工作环境下的特殊设计，具体为：耐高温光纤探头3和特种传输光纤4满足高温环境要求，当耐高温光纤探头3和特种传输光纤4的工作温度小于300℃时，采用聚酰亚胺光纤；当工作温度小于850℃时，采用镀金光纤。耐高温光纤探头3采用耐高温光纤准直镜、耐高温光学透镜组合、球面光纤或垂直切割光纤中的一种。耐高温光纤探头3各部件均采用耐高温材料组成，且满足高温环境要求，包括但不限于蓝宝石、石英、高温合金等。特种传输光纤4、安装支架2、耐高温光纤探头3支持特定角度弯曲安装，满足狭小空间特定角度视场需求。解调终端5采用强度法、比色法、多光谱法中的一种或组合方式进行辐射温度测量。耐高温光纤探头3、特种传输光纤4、解调终端5工作波长相互匹配，取各部分工作波长的交集。
如图2所示，给出了一个用于航天器复杂结构壁温测量的非接触温度测量装置。壁温测量对象为金属壁1，温度约700℃，受限于安装需求和可视化条件，探头安装支架2温度约400℃。该温度测量装置由耐高温光纤探头3、安装支架2、特种传输光纤4、解调终端5构成。其中，耐高温光纤探头3由高温合金镜筒3-1、高纯石英透镜组3-2、镀金光纤3-3组成，用于接收金属壁1辐射光信号。安装支架2用于实现特定角度固定，使耐高温光纤探头对准金属壁1。辐射光信号经镀金光纤构成的特种传输光纤4传递至解调终端5。解调终端5采用比色滤波法进行信号处理，包含1╳2光纤分束器5-1、光纤窄带滤波器A5-2、光纤窄带滤波器B5-3、InGaAs光电探测器A5-4、InGaAs光电探测器B5-5、数据采集及处理模块5-6、数据通信及显示模块5-7。光纤窄带滤波器A5-2、光纤窄带滤波器B5-3中心波长分别为1310nm和1550nm，该波长在InGaAs光电探测器、镀金光纤工作波段内。在工作过程中，中心波长分别为1310nm和1550nm的窄带辐射光信号分别进入光电探测器A5-4和光电探测器B5-5，转换为电信号后由数据采集及处理模块5-6进行处理，得到温度信息，由数据通信及显示模块5-7输出。
图3为金属壁不同温度下的辐射强度分布，可以看出，随着温度升高，不仅辐射强度增大，其中心波长还呈现向短波方向偏移规律。因此，光电探测器A5-4、光电探测器B5-5输出光信号强度比，与温度呈现单调上升函数关系，如图4所示。通过预先标定该对应关系，即可实现温度测量。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，其特征在于：包括待测金属壁(1)、安装支架(2)、耐高温光纤探头(3)、特种传输光纤(4)和解调终端(5)；解调终端(5)、特种传输光纤(4)和耐高温光纤探头(3)依次连接；安装支架(2)套装在耐高温光纤探头(3)的外壁；通过安装支架(2)实现将耐高温光纤探头(3)固定安装在指定位置，并通过安装支架(2)实现对耐高温光纤探头(3)角度的调整；耐高温光纤探头(3)对准待测金属壁(1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，其特征在于：
耐高温光纤探头(3)：在高温环境下收集待测金属壁(1)的辐射光信号；
安装支架(2)：为耐高温光纤探头(3)提供支撑，控制耐高温光纤探头(3)的视场角度；
特种传输光纤(4)：用于在高温环境下进行长距离传输，将耐高温光纤探头(3)收集的光信号传输至解调终端(5)；
解调终端(5)：用于处理收集的辐射光信号，将辐射光信号转换为温度信息，并实现温度信息输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，其特征在于：所述耐高温光纤探头(3)和特种传输光纤(4)满足高温环境要求，当耐高温光纤探头(3)和特种传输光纤(4)的工作温度小于300℃时，采用聚酰亚胺光纤；当工作温度小于850℃时，采用镀金光纤。
4.根据权利要求3所述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，其特征在于：所述耐高温光纤探头(3)采用耐高温光纤准直镜、耐高温光学透镜组合、球面光纤或垂直切割光纤中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，其特征在于：所述耐高温光纤探头(3)各部件均采用耐高温材料组成，且满足高温环境要求，采用蓝宝石、石英或高温合金材料。
6.根据权利要求5所述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，其特征在于：所述特种传输光纤(4)、安装支架(2)、耐高温光纤探头(3)支持特定角度弯曲安装，满足狭小空间特定角度视场需求。
7.根据权利要求6所述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，其特征在于：所述解调终端(5)采用强度法、比色法、多光谱法中的一种或组合方式进行辐射温度测量。
8.根据权利要求7所述的一种基于特种光纤的高温狭窄环境非接触温度测量装置，其特征在于：所述耐高温光纤探头(3)、特种传输光纤(4)、解调终端(5)工作波长相互匹配，取各部分工作波长的交集。
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