CN113607304A

CN113607304A - 一种光纤温度传感器

Info

Publication number: CN113607304A
Application number: CN202110329975.9A
Authority: CN
Inventors: 孙小燕; 吕伟伟; 张伟; 胡友旺; 段吉安
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2021-11-05

Abstract

本发明公开了一种基于荧光强度检测的光纤温度传感器，包括光纤泵浦光源、单模光纤、光纤耦合器、光电探测器和特种掺杂光纤。其中泵浦光源用于产生激发光，并通过光纤耦合器和单模光纤将发射的泵浦激光传输至特种掺杂光纤端；特种光纤作为传感端，在泵浦激光激发下，产生更长波段的荧光信号；该荧光信号沿透射方向可直接被光电探测器接收，也可沿反向传输，经由单模光纤和光纤耦合器，被光电探测器接收，实现荧光信号的强度检测。特种光纤的受激辐射光强度随环境温度升高而减弱，基于此原理实现了一种光纤温度传感器的制作。该器件可以实现高温温度测量，且系统温度响应快，在爆炸环境下的瞬态温度检测以及消防工程中的极端环境温度监测等领域有广阔的应用前景。

Description

一种光纤温度传感器

技术领域

本发明实施涉及高温温度传感技术领域，特别是涉及一种光纤温度传感器。

技术背景

随着信息技术的不断发展和传统产业集群的转型升级，对高温、瞬时测量技术提出了新的要求，尤其在深海矿井温度监控、冶金行业、消防结构工程等领域，温度的准确测量和控制关系到生产效率、产品质量以及生产安全等重要方面，快速准确可靠的温度测量技术就显得尤为重要。

传统基于电信号的温度传感设备，在极端环境下抗电磁干扰能力弱，且不耐腐蚀，在远距离温度检测中有一定的局限性，光纤作为一种适合远距离光信号传输的光波导很好的解决了此问题。光纤传感器凭借其结构紧凑，抗电磁干扰能力强，成本低等特点，在温度传感领域得到广泛研究。

目前较为成熟的光纤温度传感器根据温度检测原理不同可分为光强调制型和相位调制型，其中相位调制型光纤温度传感器，通过在光纤中加工微结构实现传感测试，受光纤传感探头材料和结构稳定性影响，很难实现极端温度环境下的远程温度监测，在瞬态温度检测方面也有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现瞬态、高温、可靠性高的光纤温度传感器。

本发明一方面创新性地提出了一种基于荧光材料的受激辐射发光强度随环境温度升高而减弱的原理的温度传感器。

本发明另一方面提出了利用光纤结构实现上述原理的温度传感器。传感器结构主要包括光纤泵浦光源、单模光纤、光纤耦合器、光电探测器和特种光纤。

其具体工作过程为：泵浦光源产生激发光，并通过光纤耦合器和单模光纤将发射的泵浦激光传输至特种掺杂光纤端；特种光纤在泵浦激光激发下，产生更长波段的荧光信号；该荧光信号沿透射方向可直接被光电探测器接收，也可沿反向传输，经由单模光纤和光纤耦合器，被光电探测器接收，实现荧光信号的强度检测。

并可实现瞬态、远距离、高温温度检测。

本发明相比于其它类型的光纤温度传感器有以下特点：

1.本发明的优点在于全光纤熔接制造，传感器机械性能可靠，可通过调节单模光纤长度，控制安全测温距离，也可实现远距离的温度监测。

2.本光纤温度传感器可实现透射式和反射式信号测量。并利用光纤可同时传输多个波段的光信号特点，可实现多路复用温度检测。

3.本发明对温度变化速率敏感，可用于瞬态温度检测。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1为反射式光纤温度传感器结构示意图。

图2为掺铒光纤受激辐射的原理示意图。

图3为辐射荧光强度随泵浦光强的变化情况原理图(左)、实验图(右)。

图4为本光纤温度传感器在不同温度场下的辐射荧光光强度变化图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本发明涉及的一种新型光纤温度传感器，反射式光纤温度传感器的具体实例包括：980nm泵浦光源、3dB耦合器、掺铒光纤、单模光纤和功率计。操作时，利用管式加热炉模拟实际温度检测环境，具体操作步骤如下：

如图1所示，连接光纤温度传感装置，将980nm泵浦光源输入尾纤和功率计的输入尾纤分别连接到3dB耦合器的两输入端口侧， 3dB耦合器的输出端口连接适当长度的单模光纤，并将由掺铒光纤制备的传感探头和单模光纤另一端熔接，构成本发明的装置实例。

根据掺铒光纤受激辐射的原理示意图，如图2所示，说明本装置实例的测温原理：980nm泵浦光源通过尾纤输出980nm激光，泵浦光经3dB耦合器和单模光纤传输到掺铒光纤，当泵浦光强度适当时，由于受激吸收，铒离子的外层电子发生能级跃迁，跃迁到激发单重态，激发态下的铒离子不稳定，会跃迁到亚稳态，即第一激发单重态的最低振动能级。亚稳态下的铒离子由于自发辐射，辐射跃迁产生 1520nm-1570nm波段的荧光信号。掺铒光纤产生的荧光信号经3dB 耦合器返回到检测波长设定为1530nm的光功率计中，测量辐射的荧光信号的光强。

泵浦光强度随输入电流增大而增加。当掺铒光纤长度和尺寸规格确定时，泵浦光强度对掺铒光纤受激辐射出的荧光强度影响较大，可通过调节泵浦光源的工作电流来控制输出泵浦光的功率，如图3所示。泵浦光强度未达到掺铒光纤受激吸收发生能级跃迁的能量阈值时，无辐射光信号。当泵浦光强度超过其能量阈值时，随着泵浦光能量的提升，辐射的荧光光强也不断增强并达到饱和值，继续增大泵浦光能量，辐射光强度会下降并最终趋于稳定。

工作时，选择泵浦激光器工作电流强度为0.8A，将掺铒光纤制备的传感探头放入到管式加热炉的恒温加热区域，控制加热炉，从 20-700℃，每间隔100℃取一个温度值进行保温和检测，通过功率计读取到的从传感探头返回的辐射荧光强度，进而对温度进行表征。

如图4所示，通过实验数据分析可知，本发明的具体实例的测温范围为20℃-700℃，温度灵敏度在0.005dBm/℃，辐射光强随温度升高而降低。这种光纤温度传感器，温度响应快，在爆炸环境下的瞬态温度检测以及消防工程中的极端环境温度监测等领域有广阔的应用前景。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims

1.本发明提出一种基于荧光检测的光纤温度传感器。

2.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，其基本原理为特种光纤受激发光辐照而产生的荧光，其发光强度随环境温度变化而变化。

3.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于，其结构主要包括光纤泵浦光源、单模光纤、光纤耦合器、光电探测器和特种掺杂光纤。

4.根据权利要求1、2和3所述的光纤温度传感器，其特征在于，其工作过程为首先泵浦光源产生激发光，并通过光纤耦合器和单模光纤将发射的泵浦激光传输至特种掺杂光纤端；特种光纤在泵浦激光激发下，产生更长波段的荧光信号；该荧光信号沿透射方向可直接被光电探测器接收，也可沿反向传输，经由单模光纤和光纤耦合器，被光电探测器接收，实现荧光信号的检测。

5.根据权利要求1、2、3和4所述的光纤温度传感器，其特征在于，特种光纤为稀土元素掺杂或特种液体填充等能实现荧光发射的光纤。

6.根据权利要求1、2、3和4所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述的荧光信号包含荧光中心波长和光强信息。

7.根据权利要求1、2、3和4所述的光纤温度传感器，其特征在于，所述的光电探测器包括光谱仪、功率计和CCD。

8.根据权利要求1、2、3和4所述的光纤温度传感器，其特征在于，可以实现透射式检测或反射式检测。