CN115127690A - 基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置，包括激光器、光模块、光谱仪、光功率计、控制终端、第一感温探头芯和第二感温探头芯；所述第一感温探头芯通过传输光纤与光模块相连；所述光模块还与激光器和光谱仪分别连接；所述第二感温探头芯通过传输光纤连接到光功率计；所述控制终端与光功率计。本发明能够实现从常温到1100K高温的测量。
Description
技术领域
本发明涉及测温领域，具体涉及一种基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置。
背景技术
温度测量在科学研究和我们的生活中随处可见，温度的测量与控制不论是在工业领域，民用领域或者军用领域都有着重要的作用。温度的检测与控制直接与安全生产，产品质量，生产效率，节约能源等重大指标相联系。作为检测类仪表之一的温度传感器越发受到人们的重视。特别是光纤温度传感器因其特性受到人们的广泛关注与研究。光纤温度传感器凭借其体积小，可挠性好，抗电磁干扰，直接接触，高灵敏度，可在强电场，强磁场，超高温和和辐射等等恶劣环境正常工作等优点受到人们广泛关注与研究。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置，能够实现从常温到1100K高温的测量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置，包括激光器、光模块、光谱仪、光功率计、控制终端、第一感温探头芯和第二感温探头芯；所述第一感温探头芯通过传输光纤与光模块相连；所述光模块还与激光器和光谱仪分别连接；所述第二感温探头芯通过传输光纤连接到光功率计；所述控制终端与光功率计。
进一步的，还包括半铜管，用于承载两个感温探头芯。
进一步的，所述传输光纤采用普通石英光纤，并包裹有高温胶。
进一步的，所述激光器为980nm激光器，作为荧光强度比值测温的泵浦光源。
进一步的，所述感温探头芯为烧制成的柱体荧光材料与打磨光滑的光纤耦合良好后用陶瓷管封装，采用的封装粘合剂为耐高温胶。
进一步的，所述感温探头芯制备方法，具体如下：
步骤S1：按预设比例称量氧化钙，氧化钨，氧化铒，氧化镱，放置于研钵中混合；
步骤S2：对研钵中的混合粉末研磨处理，使得氧化钙，氧化钨，氧化铒，氧化镱充分接触；
步骤S3：将研磨好的粉末装入陶瓷管中，压实后将陶瓷管放置于高温炉中，准备煅烧；
步骤S4：煅烧后，冷却至常温，将陶瓷管中的圆柱形固体荧光材料取出，然后稍微打磨至预设尺寸；
步骤S5：将打磨好的圆柱形荧光材料装入同尺寸的陶瓷管中，然后将研磨好的光纤一端插入陶瓷管中，抵住圆柱形荧光材料，然后用高温胶将探测头粘合，使得光纤与圆柱形荧光材料耦合良好。
进一步的，所述光纤另一端制作成连接头。
进一步的，所述控制终端接发收激励光和荧光的模块由PIN电路组成，由LED灯发出激励光传输至荧光探测头再由传输光纤传输回模块，计算荧光寿命，并根据荧光寿命与温度之间的关系式得到温度。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用直接接触法测温以及所采用的材料发光效率较高，通过光纤传递信号，所需激光器泵浦功率较小，安全高效；
2、本发明测温范围大，使用范围广泛；
3、本发明测温灵敏度高，能够在各种恶劣环境中测温而不受电磁干扰，极大的提高了测温的准确度；
4、本发明体积小而轻便，能够实现定点局部精确测温。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的装置图；
图3为本发明实施例的常温下荧光光谱图；
图4为本发明实施例的荧光强度比与温度之间的关系图；
图5为本发明实施例的辐射功率与温度之间的关系图；
图6为本发明实施例中的峰值比。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置，包括激光器、光模块、光谱仪、光功率计、控制终端、第一感温探头芯和第二感温探头芯；本实施例中装置主要有两条光路：第一条光路为一个感温探头芯通过传输光纤与光模块相连，激励光与荧光均通过该光纤传输，激光器通过光纤将激光传输到光模块，再通过传输光纤将激光传到感温探头芯；荧光材料被激光激发发出荧光沿着传输光纤反射回光模块，再通过光纤传输，给光谱仪，光谱仪通过通信接口与工控机相连，经工控机的温度解析程序处理后可以实时得出温度；第二条光路为感温探头芯通过传输光纤连接到光功率计，光功率计通过通信接口与工控机相连，将测得的光功率信号传输到工控机。由工控机温度解析程序处理计算得出温度。
优选的，在本实施例中，激光器为980nm激光器，作为荧光强度比值测温的泵浦光源。
优选的，在本实施例中，光模块主要有三个端口,其中一个为激光源接入端口，980nm激光通过光模块进入光纤内；通过光纤传输到端部的荧光粉上同时激励荧光粉发射上转换荧光；所得到的荧光由同一条光纤经第二个端口回传至光模块，通过滤波片反射经上方荧光出光端口到光纤光谱仪，转换为电信号输入计算机得到上转换荧光光谱。
在本实施例中，还包括用于承载两个感温探头芯的半铜管。
在本实施例中，感温探头芯为烧制成的柱体荧光材料与打磨光滑的光纤耦合良好后用陶瓷管封装，所用封装粘合剂也需用到耐高温胶，防止光纤头在高温下损坏，具体如下：
步骤S1：按预设比例称量氧化钙，氧化钨，氧化铒，氧化镱，放置于研钵中混合；
步骤S2：将研钵中的混合粉末研磨1~2小时，使得氧化钙，氧化钨，氧化铒，氧化镱充分接触；
步骤S3：将研磨好的粉末装入陶瓷管中，压实后将陶瓷管放置于高温炉中，准备煅烧；
步骤S4：将研磨好的粉末装入内径2mm外径4mm高11mm的圆柱形陶瓷管中，压实后将陶瓷管放置于高温炉中，准备煅烧；
步骤S5：将打磨好的圆柱形荧光材料装入内径1mm，外径2mm，高11mm的陶瓷管中。然后将研磨好的光纤一端插入陶瓷管中，抵住荧光材料，然后用DB5012高温胶将探测头粘合，使得光纤与探测头耦合良好。
在本实施例中，优选的，光纤另一端制作成连接头（如ST，FC等），出探头的一段光纤用半铜管承载，用耐高温胶包覆封闭，其长度根据实际使用需要确定，制成耐高温传感光纤。
优选的，控制终端接发收激励光和荧光的模块由PIN电路组成，由LED灯发出激励光传输至荧光探测头再由传输光纤传输回模块，计算荧光寿命，并根据荧光寿命与温度之间的关系式得到温度。
参考图6，低温段是基于光致上转换荧光强度比温度特性进行测温
荧光测温的测量数据经过拟合后，形式上与理论一致。
其中30℃时，531.381nm波长的光的光强为24974.1cps，552.588nm波长的光的光强为47909.01cps，所以根据FIR的理论公式：
计算
，实际值b与其标准值偏差为-9.461‰。
实施例1：
参考图3-5，在本实施例中，在-50℃~400℃温度范围内采用荧光强度比测温，在350℃~800℃温度范围内采用热辐射测温能够比较合适的得到大量程温度精确测量。
在本实施例中，所述通信光纤均为石英光纤、相较于蓝宝石光纤成本低廉。
实验研究得到，该基于光致上转换荧光强度比与热辐射光强测温相结合的光纤测温装置，在-50℃~350℃温度范围内测温灵敏度可达0.0018 K-1,在350℃~800℃温度范围内内测温灵敏度可达 0.012 K-1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置，其特征在于，包括激光器、光模块、光谱仪、光功率计、控制终端、第一感温探头芯和第二感温探头芯；所述第一感温探头芯通过传输光纤与光模块相连；所述光模块还与激光器和光谱仪分别连接；所述第二感温探头芯通过传输光纤连接到光功率计；所述控制终端与光功率计。
2.根据权利要求1所述的基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置，其特征在于，还包括半铜管，用于承载两个感温探头芯。
3.根据权利要求1所述的基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置，其特征在于，所述传输光纤采用普通石英光纤，并包裹有高温胶。
4.根据权利要求1所述的基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置，其特征在于，所述激光器为980nm激光器，作为荧光强度比值测温的泵浦光源。
5.根据权利要求1所述的基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置，其特征在于，所述感温探头芯为烧制成的柱体荧光材料与打磨光滑的光纤耦合良好后用陶瓷管封装，采用的封装粘合剂为耐高温胶。
6.根据权利要求5所述的基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置，其特征在于，所述感温探头芯制备方法，具体如下：
步骤S1：按预设比例称量氧化钙，氧化钨，氧化铒，氧化镱，放置于研钵中混合；
步骤S2：对研钵中的混合粉末研磨处理，使得氧化钙，氧化钨，氧化铒，氧化镱充分接触；
步骤S3：将研磨好的粉末装入陶瓷管中，压实后将陶瓷管放置于高温炉中，准备煅烧；
步骤S4：煅烧后，冷却至常温，将陶瓷管中的圆柱形固体荧光材料取出，然后稍微打磨至预设尺寸；
步骤S5：将打磨好的圆柱形荧光材料装入同尺寸的陶瓷管中，然后将研磨好的光纤一端插入陶瓷管中，抵住圆柱形荧光材料，然后用高温胶将探测头粘合，使得光纤与圆柱形荧光材料耦合良好。
7.根据权利要求5所述的基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置，其特征在于，所述光纤另一端制作成连接头。
8.根据权利要求5所述的基于荧光强度比与热辐射温度特性的高温光纤测温装置，其特征在于，所述控制终端接发收激励光和荧光的模块由PIN电路组成，由LED灯发出激励光传输至荧光探测头再由传输光纤传输回模块，计算荧光寿命，并根据荧光寿命与温度之间的关系式得到温度。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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