CN1548932A

CN1548932A - 光电式温度传感装置

Info

Publication number: CN1548932A
Application number: CNA031190855A
Authority: CN
Inventors: 张立国
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2004-11-24

Abstract

本发明属于光电技术领域，特别涉及光纤传感远距离温度监控技术和机械式光衰减器领域。长度或热膨胀系数不同的两柱体顶端位置高度差随温度变化而线性变化，其变化精度可达微米甚至亚微米。相互耦合的两光波导分别置于两柱体顶端，利用温度敏感机械部件内柱体顶端位置高度差随温度线性变化的特性，改变波导间耦合特别是光纤端面间耦合状态，根据耦合状态的变化量即耦合损耗的变化量，可以精确的进行温度测量和监控。反过来，该传感装置通过控制柱体温度达到控制光功率衰减量的目的，因此可以用来制作高可靠性高精度机械式光衰减器。本发明光电式温度传感装置是一种结构简单、高精度、高可靠性、低成本、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高压等可远程监控测温的新型光纤传感器，可以单点测温，也可以用于分布式光纤传感测温系统，还可以用来制作高可靠性高精度机械式光衰减器。

Description

光电式温度传感装置

技术领域

本发明属于光电技术领域，特别涉及光纤传感远距离温度监控技术和机械式光衰减器领域。

背景技术

利用光纤传感技术进行温度测量与监控，在工业生产和日常生活中具有及其重要的意义。目前主要采用接触式电传感器技术进行温度监控，但这些技术很难在超高压输电设备、易燃易爆场合等领域应用。在超高压场合，存在电磁干扰，且若绝缘没有做好，将会造成严重的人员伤亡事故。在易燃易爆场合，电传感温度监控方式很容易引起电火花而导致火灾或爆炸。

超高压输电设备，例如高压电开关、变压器、电动机、发电机等，如果由于一些原因导致产生大量的热能，如果不能及时处理，高压电开关和变压器等很可能被烧毁甚至爆炸，造成大规模停电事故和经济损失。因此，对于高压电开关、变压器等设备，必须进行温度监控。

由于超高压输电环境中存在强电场和强磁场，若采用一般的接触式电传感测温系统，必须进行很好绝缘处理和良好的电磁屏蔽，同时需要高灵敏度高精度地探测温度，这在实际应用中存在困难。若采用非接触式的红外辐射(热辐射)测温法，其测量结果受环境温度影响很大。

申请号为02112071.4的中国专利“光传感温度监控装置”，由于采取了光纤传感方法，很好的解决了高电压环境中电磁干扰和电绝缘问题，但是由于需要一系列探测器，且测温精度和范围与探测器数目有关，因此传感头成本很高。

申请号为02112192.3的中国专利“光电式温度监控装置”，由于采取了光纤传感方法，很好的解决了高电压环境中电磁干扰和电绝缘问题，但也存在问题。由于双金属片抗弯曲能力很差，传感头可靠性不好，因此直射方案不可靠；反射式方案中由于采用了反射镜，使得光纤传感头复杂化，使得成本上升，同时，温度与反射境偏转角度之间的关系比较复杂，一旦其发射器端面与镜面距离发生变化，温度与反射境偏转角度之间的关系会有差异，因此在生产中难以保证其产品一致性。

发明内容

本发明将主要针对现有温度监控技术的在高电压或易燃易爆环境中应用存在的问题，提供一种高精度高可靠性低成本远距离光纤传感温度监控装置，它可以在强电场和强磁场及易燃易爆易腐蚀环境下工作，不受环境影响，能够达到较高的测量精度和监控可靠性，同时其传感头的成本可以控制在较低水平。与此同时，通过控制传感头温度，该传感装置用来制作机械式可调光衰减器。

本发明的目的是这样实现的：请见图1(a)，C为导热性能很好的基底，A、B为热膨胀系数不同的等高柱体，在加热或降温时，等高柱体A、B的顶端的高度将产生不一致的位移量，这种变化是很微小的。将光波导置于或接触等高柱体A、B的顶端，在某一参考温度下，波导间刚好获得最佳耦合，此时耦合损耗最小。当温度变化时，A、B顶端位移将不一致，从光波导的耦合状况将发生改变；根据耦合状态的变化，可以精确的得出相对温度变化量和绝对温度值。为了进一步全面叙述本发明方案，请见图1(b)，G为导热性能很好的基底，E、F为柱体，E、F、G三者的热膨胀系数可以相同，可以不同。假如在某一参考温度时，E、F顶端等高，当温度高于相对参考温度ΔT时，E、F顶端位置相对高度变化量可以用公式表示如下：

Δh＝Δh_E-Δh_F＝Δl_G+Δl_E-Δl_F＝l_Gα_GΔT+l_Eα_EΔT-l_Fα_FΔT

＝ΔT(l_Gα_G+l_Eα_E-l_Fα_F)

其中l_G、l_E、l_F分别为G台阶、E、F的高度，α_G、α_E、α_F分别为G、E、F的热膨胀系数。这里可以分几种情况：

1.若α_G相对与α_E、α_F而言很小，此时α_G可以忽略不计。可以选择合适的α_E、α_F与l_E、l_F参数，使得E、F顶端高度差变化精度满足温度监控精度和监控范围的要求。E、F可以为同种材料，此时α_E＝α_F，只需要调整l_E、l_F的差值即可。如果l_E＝l_F，l_G＝0，此即为图1(a)图所示方案，只需要调整α_E、α_F的差值即可。

2.若α_G比较大(很多导热性好的材料，其热膨胀系数比较大)，则基底G的对应E的台阶部分高度随温度变化量不能忽略。此时需要综合考虑参数l_G、l_E、l_F、α_G、α_E、α_F的选择。在确定E、F顶端高度差相对温度变化的精度的前提下，可以通过选择α_G、α_E、α_F，再调整l_G、l_E、l_F；也可以通过选择l_G、l_E、l_F，再调整α_G、α_E、α_F参数(即选择相应材料)；或同时调整以上参数。

光波导耦合对准损耗主要有轴向间距损耗、角向失准损耗、径向偏移损耗。光波导之间的耦合，对角向失准和径向偏移相当敏感。可以利用上述E、F柱体顶端高度差随温度变化而微小变化的机制，从角向或径向改变光波导耦合状态，根据耦合状态的变化量(进行光电信号处理)，可以进行温度测量与监控。

反过来，该温度传感装置用作机械式可调光衰减器。通过同时控制两柱体的温度，从而控制两柱体顶端高度差，也就控制了相互耦合的两波导的角向位错或径向位移，从而很好的控制该光路光功率的衰减量，是一种高可靠性的高精度的可调光衰减器。

整个传感装置的具体结构方式有以下几种：

结构方式之一是，将光束发射器(可以是光纤，可以是光纤准直器，甚至可以是激光光源)固定在其中一个柱体上，光束接收器(可以是光纤，可以是准直器，甚至光探测器)固定在另一个柱体上。当温度变化时，光束发射器与光束接收器之间的耦合状态会发生有规律的改变。根据耦合状态的变化量，可以进行温度测量与监控。

结构方式之二是，将光束发射器(必须是光纤)与光束接收器(必须是光纤)以悬臂梁的形式固定在两个相同性质柱体上，另一柱体在前述两柱体之间，并顶住光束发射器与光束接收器。当温度变化时，光束发射器与光束接收器因受到中间柱体的顶力发生角向位移，其耦合状态会发生有规律的改变。根据耦合状态的变化量，可以进行温度测量与监控。

结构方式之三是，将光束发射器(可以是光纤，可以是光纤准直器，甚至可以是激光光源)与光束接收器(可以是光纤，可以是准直器，甚至光探测器)固定在两个相同性质柱体上，有一挡光片或透射式光衰减片固定在另一柱体上并插入光路。当温度变化时，挡光片或透射式光衰减片插入光路面积发生变化，光束发射器与光束接收器之间的耦合状态会发生有规律的改变。根据耦合状态的变化量，可以进行温度测量与监控。

结构方式之四是，光束发射器和光束接收器是同一光波导(可以是光纤，可以是光纤准直器)，固定在其中一个柱体上，该光波导一端是Y分支光分路器，另一端与反射镜配合，反射镜固定在另一个柱体上。当温度变化时，光束发射接收器波导与反射镜之间的耦合状态会发生有规律的改变。根据耦合状态的变化量，可以进行温度测量与监控。

本发明，光电式温度传感装置，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本发明利用了材料的热胀冷缩的物理特性，提出了温度敏感机械部件，其内部两柱体顶端位置高度差随温度变化而线性变化，变化精度达微米甚至亚微米。

2.本发明将光波导耦合与温度敏感机械部件相结合，利用温度敏感机械部件内柱体顶端位置高度差随温度线性变化的特性，改变波导间耦合特别是光纤端面间耦合状态，根据耦合状态的变化量即耦合损耗的变化量，可以精确的进行温度测量和监控。

3.本发明将光波导耦合与温度敏感机械部件相结合，可以完全解决了强电场、强磁场环境中温度监控装置的电绝缘和电磁干扰的问题，以及易燃易爆环境温度监控时的安全问题。该装置可用于电力系统的变压器、发电机、电动机、电力机车等设备的动态测温，还可用于煤矿、石油、化工等易燃、易爆、易腐蚀和电磁干扰严重的环境测温。

4.本发明装置结构新颖简单，可以精确的进行大范围温度测量和监控，而且其温度传感头的成本非常低廉，制作、安装、维护都非常方便。

5.本发明装置体积小，适合于安装在不同场所(不局限与强电磁场和易燃易爆环境)，温度响应很快，值得注意的是，该装置应用于分布式光纤温度传感领域，其优越性更加明显。

6.与此同时，该传感装置通过控制柱体温度达到控制光功率衰减量的目的，因此可以用来制作高可靠性高精度机械式可调光衰减器。

附图说明

通过以下对本发明光电式温度传感装置的若干实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1发明方案热伸缩柱示意图

图2实施例一结构图

图3实施例二结构图

图4实施例三结构图

图5实施例四结构图

具体实施方式

请参见图2所示，这是本发明光电式温度传感装置第一实施例结构示意图。如图2所示，1为输入光波，7为输出光波，2为输入光纤，5为输出光纤，6为基底，3与4为热膨胀系数不同的等高柱体，其中3为铜柱，热膨胀系数为16.6×10^-6/℃，4为铝柱，热膨胀系数为23×10^-6/℃。2固定在3上，5固定在4上，2与5光纤端面间距40微米，3与4固定在6上。一般单模光纤芯径为5～10微米，光纤输出场型为高斯分布，光束束腰在光纤端面上，距离光纤端面40～60微米时，其模场半径会迅速增大，可达30～40微米。设计3与4高度为5000微米，即5毫米。23摄氏度时，3与4顶端等高，此时光纤2与5处于最佳耦合状态，附加损耗最小。温度升高时，其耦合变差，附加损耗增大。此时在2与5不会发生角向位移，光纤波导间耦合附加损耗的变化与光纤径向位错有确定的关系，通过测量附加损耗的变化，可以获得光纤径向位错的大小，该位错大小与3和4热膨胀差异有关，进而知道温度的变化量。4顶端与3顶端高度差随温度变化速度为：

5000微米×(23×10^-6/℃-16.6×10^-6/℃)＝32纳米/℃

可见，4顶端与3顶端高度差随温度变化而高精度线性变化。本实施例中，4顶端与3顶端高度差最大可达15微米，则本装置测温范围为：

15微米÷32纳米/℃＝468.75℃

因此，本装置能实现大范围高精度温度测量与监控。

实际上，该实施例中2与5还可以为光纤准直器。

请参见图3所示，这是本发明光电式温度传感装置第二实施例结构示意图。1为输入光波，7为输出光波，2为输入光纤，5为输出光纤，8为铝柱，9为铜柱。2与5固定在9上并伸出一段，有一定挠性。常温23摄氏度时，2与5处于最佳耦合状态，此时8刚好同时接触2与5。由于8的热膨胀系数比9大，本实施例中8与9等高。当温度升高时，8的高度增加比9快，因此2与5发生角向失准。此时由于2与5高度变化相同，径向失准忽略不计。测量附加损耗变化量，根据角向失准与附加损耗的关系，可以知道角向失准大小，进而知道8和9的高度差，从而知道温度变化量，达到测量温度的目的。

实际上，该实施例中2与5还可以为光纤准直器。

请参见图4所示，这是本发明光电式温度传感装置第三实施例结构示意图。1为输入光波，7为输出光波，2为输入光纤，5为输出光纤，2与5固定在9上，9为铜柱，高度5毫米。11为铝柱，12为铝挡板，11与12总体高度为5毫米，为了获得较大回波损耗，12的挡光面与光束横截面成8～45度角。挡光板12挡光部分形状可以是矩形，也可以是三角形，或圆弧形，或其它多边形。常温23摄氏度时，2与5处于最佳耦合状态，此时12没有挡光。当温度升高时，11和12总体高度增加比9快，挡光板渐渐插入2与5之间的光路中，附加损耗增加。与实施例一计算方法相同，挡光板插入速率为32纳米/℃。根据损耗的增加量，可以判断温度的变化值，因此该装置可以用来测量温度值。

实际上，该实施例中2与5还可以选择光纤准直器，其温度测量精度将更高。另外，该实施例中12还可以用透光式均匀衰减板，此时附加损耗变化将更缓慢，温度分辨率也很高。

请参见图5所示，这是本发明光电式温度传感装置第四实施例结构示意图。1为输入光波，7为输出光波，13为输入光纤，14为输出光纤，15为探测光纤。13、14、15是熔融光纤拉锥的3dB Y分支分路器三个部分。15固定在柱体铝块16上，18为热膨胀系数几乎为零的固定在铜块17上的垂直反射境，16与17固定在基底6上。常温23摄氏度时，光波1耦合进13，损耗3dB光功率后耦合进15，反射境18靠近15端面，大部分光功率刚好被18反射回15。反射回15的光功率损耗3dB后，耦合进14，变成输出光波7。当温度高于常温时，由于16的热膨胀系数比17大，且16的长度比17大，因此，光纤15纤芯升高的速度比反射境18快，导致部分光能透过18的顶端，18的反射面积减小，反射回15的光波能量减少。根据附加损耗的变化量，可以知道15与18的高度差，继而知道温度变化量。因此，该装置可以实现温度的测量。

以上四种传感结构方式，可以反过来使用，通过控制柱体温度，可以达到控制光功率衰减量的目的，因此这四种传感结构方式，都可以用来制作高可靠性高精度机械式可调光衰减器。

综上所述，本发明光电式温度传感装置是一种高精度、高可靠性、低成本、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高压等可远程监控测温的新型光纤传感器，可以单点测温，也可以用于分布式光纤传感测温系统，还可以用来制作高可靠性高精度机械式可调光衰减器。

Claims

1.一种光电式温度传感装置，包括温度敏感机械装置和信号处理装置，其特征在于温度敏感机械装置中的两柱体高度差随温度变化，从而驱动光路构件进行微小径向或角向位移，改变光路构件间的耦合状况。耦合状况的变化与温度有关联，经光电信号处理后，可以进行温度测量与监控。光路构件可以是光束发射器和光束接收器，可以是光束发射器和光束接收器与挡光片或光衰减片或反射境的组合。

2.如权利要求1所述的一种装置，其特征在于温度敏感机械装置由两柱体或两柱体和基底构成，两柱体可以是同种材料，可以是不同材料，其长度可以相同，也可以不同，温度变化时，两柱体上光学构件安装位置高度差随温度变化而几乎线性变化。

3.如权利要求2所述的一种装置，其特征在于光束发射器可以是光纤，可以是光纤准直器，甚至可以是激光光源。

4.如权利要求2所述的一种装置，其特征在于光束接收器可以是光纤，可以是准直器，甚至可以是光探测器。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种装置，其特征在于其挡光片挡光部分形状可以是矩形，也可以是三角形，或圆弧形，或其它多边形。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种装置，其特征在于其光衰减片在部分挡光时，挡光部分形状可以是矩形，也可以是三角形，或圆弧形，或其它多边形。

7.如权利要求1或2或3或4所述的一种装置，其特征在于其反射镜的热膨胀系数可以忽略不计，也可以比较大使得反射镜本身具有温度敏感性。

8.如权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的一种装置，其特征在于通过该温度传感装置的温度可以达到精确控制光路光功率衰减量。