CN115326232B - 温度传感器、无源多点温度测量装置和多点温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种温度传感器、无源多点温度测量装置和多点温度测量方法，利用光栅波分复用的优点，多个传感器可以直接串联而不相互影响，可简化温度传感器阵列检测所需连线数目，从而缩小了体积，且可以对面分布式小空间范围内的温度分布及其变化进行传感，温度场空间分辨率高，可以达到毫米级别，测量精度高。

Description

温度传感器、无源多点温度测量装置和多点温度测量方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种温度传感器、无源多点温度测量装置和多点温度测量方法。

背景技术

光纤光栅传感器是由石英晶体制成，体积小，重量轻，结构简单，不导电，不易腐蚀，同时光纤光栅传感器本身也不产生电磁干扰，可以广泛应用于输油管道、高压传输线路和核电站等高电磁、易燃易爆的场合进行温度探测。但是由于光纤光栅传感器属于线性传感器，适用于线性环境的测量需求，不适应特点环境下面分布式的多点测量要求。采用多根光纤光栅进行平行分布安装来实现温度的平面分布测量，涉及复杂的封装工艺，且无法将体积控制到很小的尺寸。因此，需要设计一种体积小，且能够满足面分布式的多点测量要求的温度测量装置。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种温度传感器、无源多点温度测量装置和多点温度测量方法，用于解决面分布式小空间温度难以测量的问题，包括：

基板，所述基板上设有波导通道，所述波导通道上连接有至少一个光栅温度传感器。

在示例性的实施例中，所述光栅温度传感器与所述波导通道位于非同一平面。

在示例性的实施例中，所述光栅温度传感器位于所述波导通道所在平面以下。

在示例性的实施例中，所述基板上设有多个波导通道，每个所述波导通道上连接多个光栅温度传感器。

在示例性的实施例中，每个所述光栅温度传感器都有其对应的唯一的预设特征波长，所述预设特征波长为预设温度下的特征波长。

在示例性的实施例中，多个所述波导通道呈等间隔平行排布；和/或，所述光栅温度传感器在所述波导通道上等间距排布。

在示例性的实施例中，多个所述光栅温度传感器在所述基板上呈阵列排布。

在示例性的实施例中，多个所述波导通道的波导接口设置于所述基板的同一侧。

在示例性的实施例中，多个所述波导通道合并成一个主通道，所述主通道的波导接口设置于所述基板的一侧。

在示例性的实施例中，与多个所述波导通道一一对应的多个所述波导接口呈等间隔设置。

在示例性的实施例中，相邻所述波导接口之间的间隔距离小于相邻所述波导通道之间的平行距离。

本发明还提供一种无源多点温度测量装置，包括：

上述任意实施例中所述的温度传感器；

多芯光纤带缆，所述多芯光纤带缆通过多芯光纤阵列连接所述基板；

光栅解调仪，所述光栅解调仪连接所述多芯光纤带缆，所述光栅解调仪用于解析所述光栅温度传感器的特征波长。

在示例性的实施例中，所述多芯光纤阵列上设有多个微型槽，所述微型槽与所述波导接口一一对应，所述多芯光纤带缆通过所述微型槽连接所述基板。

在示例性的实施例中，所述多芯光纤带缆通过光纤跳线接口连接所述光栅解调仪。

本发明还提供一种多点温度测量方法，包括：

接收所述的无源多点温度测量装置中的对应各个位置处光栅温度传感器的实时特征波长；

获取预设的对应各个位置处光栅温度传感器的唯一的预设特征波长，所述预设特征波长为预设温度下的特征波长；

根据所述实时特征波长和预设特征波长计算所述各个位置处光栅温度传感器的波长变化量；根据所述波长变化量确定所述各个位置处光栅温度传感器的温度变化量；

根据所述预设温度和所述温度变化量确定多个位置处光栅温度传感器的实时温度。

上述任意实施例，所述根据所述波长变化量确定目标位置的温度变化量包括：

通过温度变化公式计算得到温度变化量；

所述温度变化公式为：△T＝△λ*K，其中，△T为温度变化量，△λ为特征波长变化量，K为温度系数。

上述任意实施例，所述接收所述的无源多点温度测量装置中的对应各个位置处光栅温度传感器的实时特征波长之前，所述方法还包括：

根据波导通道的个数和波导通道上光栅温度传感器个数，确定所述光栅温度传感器的位置数据；

随机选取一个光栅温度传感器的位置数据作为坐标原点；

根据所述位置数据和所述坐标原点建立所述光栅温度传感器位置坐标图。

本发明实施例提供的无源多点温度测量装置和多点温度测量方法，通过在基板上设置波导通道和光栅温度传感器，利用光栅波分复用的优点，多个传感器可以直接串联而不相互影响，可简化温度传感器阵列检测所需连线数目，从而缩小了体积，且可以对面分布式小空间范围内的温度分布及其变化进行传感，温度场空间分辨率高，可以达到毫米级别，测量精度高。

附图说明

图1为本发明温度传感器的结构示意图；

图2为本发明光栅温度传感器的微观结构图；

图3为本发明无源多点温度测量装置的第一结构示意图；

图4为本发明无源多点温度测量装置的第二结构示意图；

图5为本发明光在温度传感器中的传播路径示意图。

其中，1、基板；2、波导通道；3、光栅温度传感器；4、波导接口；5、多芯光纤带缆；6、多芯光纤阵列；7、光栅解调仪；8、光纤跳线接口；9、光纤跳线接适配器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括多个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1～5所示，本发明公开了一种温度传感器和无源多点温度测量装置。如图1和图2所示，一种温度传感器，包括基板1，所述基板1上设有波导通道2，所述波导通道2上连接有至少一个光栅温度传感器3。所述基板1为透明介质的基底材料，例如，透明的石英玻璃等，以便对光进行折射和反射，波导通道2是用飞秒激光加工在波导基板1上，作为光栅温度传感器3的连接线，用于传递多芯光纤带缆5发射的光和光纤传感器发出的光的通道，光栅温度传感器3设置于待测量的温度节点上，当待测量的温度节点上的温度发生变化时，光栅温度传感器3反射的波长就会发生变化，进而根据波长的变化量确定温度的变化量。在示例性的实施例中，基板1上的外形为方形，但不限制于方形结构。通过在基底材料设计波导结构实现光路传播途径，然后采用飞秒激光器在波导通道2结构上加工周期性结构，该栅区结构周期受温度影响变化，对波导通道2传输的光的反射波段具有选择性，使得基底加工的位置均具有温度敏感性。

在示例性的实施例中，所述光栅温度传感器3与所述波导通道2位于非同一平面。具体的，光栅温度传感器3是通过飞秒激光加工在波导通道2上的具有周期性结构，在示例性的实施例中，光栅是由一条刻痕上多个点组成的周期性结构，每个光栅里面有几千到上万个周期性的点，每个点之间的间距就是光栅的周期，如图2所示，光栅的周期为A，当待测量温度节点上的温度发生变化时，基底材料由于热障冷缩发生形变，即温度上升时，基底材料膨胀，周期变大，当温度下降时，基底材料收缩，周期变小，进而导致光栅的反射波长发生变化。

在示例性的实施例中，如图2所示，在折射率为n的基板1上加工出折射率为n1的波导通道2，在波导通道2内壁上加工出折射率为n2的光栅，光栅的周期为A，λr表示入射光的方向，λc标识被光栅反射后反射光的方向。

所述光栅温度传感器3位于所述波导通道2所在平面以下。具体的，光栅温度传感器3通过飞秒激光刻蚀在波导通道2下平面的内壁上。在示例性的实施例中，光栅温度传感器3位于波导通道2上平面50um以下。

所述基板1上设有多个波导通道2，每个所述波导通道2上连接多个光栅温度传感器3。具体的，每个波导通道2上都刻有多个光栅温度传感器3，以便对微小尺寸空间中的多点温度进行精确测量。其中，每个波导通道2上连接的光栅温度传感器3的个数可以根据实际的温度测量需求确定并加工，本方案在此不受限制。在示例性的实施例中，每个波导通道2连接10个光栅温度传感器3。

每个所述光栅温度传感器3都有其对应的唯一的预设特征波长，所述预设特征波长为预设温度下的特征波长。例如，预设温度T₀为25℃时，预设特征波长为λ₀，由于每个波导通道2上连接有多个光栅温度传感器3，为避免光栅温度传感器3之间相互干扰并且对光栅温度传感器3的位置进行区分，每个光栅温度传感器3的预设特征波长唯一。例如，10个光栅温度传感器3在预设温度为25℃时就有10个预设特征波长，分别用λ₀₁,，λ₀₂，…λ₀₁₀表示。

多个所述波导通道2呈等间隔平行排布；和/或，所述光栅温度传感器3在所述波导通道2上等间距排布。具体的，由于需要测量多个点的实时温度，因此，在基板1上刻蚀多个波导通道2，多个波导通道2可以呈等间隔的平行排布同时光栅温度传感器3在波导通道2上也等间距排布，也可以多个波导通道2为不等间隔的平行排布，而光栅温度传感器3在波导通道2上等间距排布，或者是多个波导通道2为等间隔的平行排布，而光栅温度传感器3在波导通道2上不等间距排布，其中波导通道2的排布和光栅温度传感器3在波岛通道上的排布根据具体的温度测量需求确定并加工，本方案在此不做限制。

多个所述光栅温度传感器在所述基板1上呈阵列排布。

多个所述波导通道2的波导接口4设置于所述基板1的同一侧。与多个所述波导通道2一一对应的多个所述波导接口4呈等间隔设置。或者多个所述波导通道2合并成一个主通道，所述主通道的波导接口4设置于所述基板1的一侧。

相邻所述波导接口4之间的间隔距离小于相邻所述波导通道2之间的平行距离。具体的，每个波导通道2都有波导接口4，波导接口4设置在基板1的同一侧，等间距排列，方便进行尾纤耦合操作。

如图3和图4所示，本实施例还提供一种无源多点温度测量装置，包括：

上述任意实施例中所述的温度传感器；

多芯光纤带缆5，所述多芯光纤带缆5通过多芯光纤阵列6连接所述基板1；

光栅解调仪7，所述光栅解调仪7连接所述多芯光纤带缆5，所述光栅解调仪7用于解析所述光栅温度传感器3的特征波长。具体的，光栅温度传感器3是一个反射型滤波器，其中入射光为宽带光源的光，光源带宽覆盖所以传感器的波长范围，宽带光源的光由光栅解调仪7发射出，如图5所示，经过每一个光栅温度传感器3时，该光栅温度传感器3即可反射实时温度下对应的特征波长的光，通过波导通道2和光纤带缆传输到光栅解调仪7进行解析，即可获取该实时温度下特征波长的数值，进而通过特征波长的数值确定实时温度。

所述多芯光纤阵列6上设有多个微型槽，所述微型槽与所述波导接口4一一对应，所述多芯光纤带缆5通过所述微型槽连接所述基板1。多芯光纤阵列6用于连接基板1和多芯光纤带缆5，光纤阵列为标准光学器件，在多芯光纤阵列6上并行加工250um间距的微型槽，用于限位多芯光纤带缆5，使光纤和基板1的波导通道2能一一对应。其中，多芯光缆的长度不受限制，可根据实际测量需求确定。

所述多芯光纤带缆5通过光纤跳线接口8连接所述光栅解调仪7。所述温度传感器装置采用MPO光纤接口作为光路标准接口，连接光纤跳线适配器，可实现快速的光路连接。

本实施例还提供一种多点温度测量方法，包括：

接收所述无源多点温度测量装置中的对应各个位置处光栅温度传感器3的实时特征波长；

获取预设的对应各个位置处光栅温度传感器3的唯一的预设特征波长，所述预设特征波长为预设温度下的特征波长；

根据所述实时特征波长和预设特征波长计算所述各个位置处光栅温度传感器3的波长变化量；根据所述波长变化量确定所述各个位置处光栅温度传感器3的温度变化量；

根据所述预设温度和所述温度变化量确定多个位置处光栅温度传感器3的实时温度。

具体的，在刻蚀光栅温度传感器3时，每个光栅温度传感器3的预设特征波长以及由于温度变化导致的特征波长的变化范围已经确定，例如，第一个光栅温度传感器3的预设特征波长为10um，由于温度变化导致的特征波长的变化范围为5-15um，第二个光栅温度传感器3的预设特征波长为30um，由于温度变化导致的特征波长的变化范围为25-35um，即当光纤解调仪解析到有光栅温度传感器3反射回来的光的特征波长λ为33nm时，确定该特征波长为第二个光纤温度解调仪反射回来的光，进而确定预设特征波长为λ₀₂，即预设特征波长为30un，通过计算特征波长的变化量，进而得到温度的变化量，从而根据温度变化量和预设温度，得到实时温度。

所述根据所述波长变化量确定目标位置的温度变化量包括：

通过温度变化公式计算得到温度变化量；

所述温度变化公式为：△T＝△λ*K，其中，△T为温度变化量，△λ为特征波长变化量，K为温度系数。

具体的，△λ＝λ-λ₀，实时温度为T＝T₀+△T。

所述接收如所述无源多点温度测量装置中的多个位置处光栅温度传感器3的第一特征波长之前，所述方法还包括：

根据所述波导通道2的个数和所述波导通道2上光栅温度传感器3个数，确定所述光栅温度传感器3的位置数据；

随机选取一个光栅温度传感器3的位置数据作为坐标原点；

根据所述位置数据和所述坐标原点建立所述光栅温度传感器3位置坐标图。

具体的，将波导通道2的个数作为横坐标，将波导通道2上光栅温度传感器3的个数作为纵坐标，确定所述光栅温度传感器3的位置数据；例如，如果以从上往下第一个波导通道2上从左向右的第一个光栅温度传感器3为坐标原点，则使用(1，λ₁)表示该光栅温度传感器3的位置，进而确定其余的光栅温度传感器3的位置。例如基板1上一共刻蚀了10条波导通道2，则从上往下，同一条波导通道2上的光栅温度传感器3的横坐标分别为1、2、3...10，每一条波导通道2上刻蚀了10个光栅温度传感器3，则从左往右，同一条波导通道2上的光栅温度传感器3的纵坐标为λ₁,、λ₂…λ₁₀。

在示例性的实施例中，生成光栅温度传感器3位置坐标图后，由于已知光栅温度传感器3的预设特征波长和光栅温度传感器3的对应关系，因此，在接收到实时特征波长后，根据实时特征波长确定预设特征波长，根据预设特征波长确定光栅温度传感器3位置，计算出实时温度后，将实时温度作为竖坐标，标识在光栅温度传感器3位置坐标图上，生成坐标温度图，以便更加直观的观测温度的变化情况。

本发明提供的无源多点温度测量装置和多点温度测量方法，通过在基板上设置波导通道和光栅温度传感器，利用光栅波分复用的优点，多个传感器可以直接串联而不相互影响，可简化温度传感器阵列检测所需连线数目，从而缩小了体积，且可以对面分布式小空间范围内的温度分布及其变化进行传感，温度场空间分辨率高，可以达到毫米级别，测量精度高。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无源多点温度测量装置，其特征在于，包括：

温度传感器，包括基板，所述基板上设有波导通道，所述波导通道上连接有至少一个光栅温度传感器；

其中，所述光栅温度传感器与所述波导通道位于非同一平面；

其中，所述光栅温度传感器位于所述波导通道所在平面以下；

其中，所述基板上设有多个波导通道，每个所述波导通道上连接多个光栅温度传感器；

其中，每个所述光栅温度传感器都有其对应的唯一的预设特征波长，所述预设特征波长为预设温度下的特征波长；

其中，多个所述波导通道呈等间隔平行排布；和/或，所述光栅温度传感器在所述波导通道上等间距排布；

其中，多个所述光栅温度传感器在所述基板上呈阵列排布；

其中，多个所述波导通道的波导接口设置于所述基板的同一侧；

其中，与多个所述波导通道一一对应的多个所述波导接口呈等间隔设置；

其中，相邻所述波导接口之间的间隔距离小于相邻所述波导通道之间的平行距离；

多芯光纤带缆，所述多芯光纤带缆通过多芯光纤阵列连接所述基板；

光栅解调仪，所述光栅解调仪连接所述多芯光纤带缆，所述光栅解调仪用于解析所述光栅温度传感器的特征波长；

其中，所述多芯光纤阵列上设有多个微型槽，所述微型槽与所述波导接口一一对应，所述多芯光纤带缆通过所述微型槽连接所述基板。

2.根据权利要求1所述的无源多点温度测量装置，其特征在于，所述多芯光纤带缆通过光纤跳线接口连接所述光栅解调仪。

3.一种多点温度测量方法，其特征在于，包括：

接收如权利要求1～2中任意一项所述的无源多点温度测量装置中的对应各个位置处光栅温度传感器的实时特征波长；

获取预设的对应各个位置处光栅温度传感器的唯一的预设特征波长，所述预设特征波长为预设温度下的特征波长；

根据所述实时特征波长和预设特征波长计算所述各个位置处光栅温度传感器的波长变化量；根据所述波长变化量确定所述各个位置处光栅温度传感器的温度变化量；

根据所述预设温度和所述温度变化量确定多个位置处光栅温度传感器的实时温度。

4.根据权利要求3所述的多点温度测量方法，其特征在于，所述根据所述波长变化量确定目标位置的温度变化量包括：

通过温度变化公式计算得到温度变化量；

所述温度变化公式为：△T＝△λ*K，其中，△T为温度变化量，△λ为特征波长变化量，K为温度系数。

5.根据权利要求4所述的多点温度测量方法，其特征在于，所述接收如权利要求1～2中任意一项所述的无源多点温度测量装置中的对应各个位置处光栅温度传感器的实时特征波长之前，所述方法还包括：

根据波导通道的个数和波导通道上光栅温度传感器个数，确定所述光栅温度传感器的位置数据；

随机选取一个光栅温度传感器的位置数据作为坐标原点；

根据所述位置数据和所述坐标原点建立所述光栅温度传感器位置坐标图。