CN208043281U - 光纤测温传感头和测温装置 - Google Patents

Abstract

一种利用石英光纤温度双折射效应，采用双探测器检测和有效消除光路中损耗变化的光纤测温传感头和测温装置。光纤测温传感头，包括温敏光纤，该温敏光纤外直径为125μm，长度为1.15mm‑1.35mm，在该温敏光纤尾部的端面上镀有铝质的反射膜；温敏光纤上长度在0.8mm‑1.0mm的部分被固定密封在石英玻璃管中。光纤测温装置，包括SLED光源、保偏环形器、沃拉斯特棱镜和光纤测温传感头。其具有结构简单、体积小、线性度好、可靠性高、一次侧无源、绝缘性能好和长期使用稳定等突出优点，由其制作的光纤测温传感器可完全取代点式电学测温传感器，成为高精度、高稳定性、高可靠性第三代智能站温度监测核心部件。

Description

光纤测温传感头和测温装置

技术领域

本实用新型涉及一种光纤测温传感头及带有该传感头的装置和测温方法，特别涉及一种针对电力系统中一次设备设定点位进行测温的光纤测温传感头及带有该传感头的装置和测温方法。

背景技术

光纤测温装置的种类很多，除荧光和分布式光纤测温装置外，还有光纤光栅温度传感器、干涉型光纤测温装置以及基于弯曲损耗的光纤测温装置等等，由于其种类很多，被广泛应用于电力系统、建筑业、航空航天业以及海洋开发领域等等。

光纤测温装置在电力系统的应用中得到发展，由于电力电缆温度、高压配电设备内部温度、发电厂环境的温度等，都需要使用光纤传感器进行测量，因此就促进了光纤传感器的不断完善和发展。尤其是分布式光纤测温装置得到了改善，经过在电力系统行业的应用，从而使其接收信号和处理检测系统的能力都得到了提升。

在科研和工程技术中，有许多场合需要确定温度的分布,例如长距离输油管道、通信电缆或电力电缆等管道的沿线温度场分布，大型电力变压器内部的温度场分布等。传统的电温度传感器不能工作在强电磁环境中，也不宜在易燃、易爆环境或腐蚀性环境中工作，对于采用点式温度传感器实现温度的分布测量还存在难于安装、难于布线、难于维护的问题。而分布式光纤测温装置可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，测试用光纤的跨距可达几十千米，空间分辨率高、误差小，与单点、多点准分布测量相比具有较高的性格比。

针对电力系统中许多装置的温度监控点而言，其温度检测点在空间位置上无相关性，因此，上述分布式光纤测温装置就派不上用场，而且分布式测温造价较高，很难满足一些低成本应用场合，同时分布式测温系统复杂，器件老化较快，电子器件和有源光学器件损坏率比较高。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种利用石英光纤温度双折射效应，采用双探测器检测和有效消除光路中损耗变化的光纤测温传感头、测温装置及和测温方法。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型的光纤测温传感头，包括由保偏光纤制作的温敏光纤，其特征在于：所述温敏光纤包层外直径为125μm，长度为1.15mm-1.35mm，其在波长为1310nm时的拍长约为10mm，在该温敏光纤尾部的端面上镀有铝质的反射膜；由该温敏光纤的尾端至其首端方向长度在0.8mm-1.0mm的温敏光纤被固定密封在内径为250μm-350μm的石英玻璃管中。

在所述石英玻璃管的外壁上设有两层涂层，分别是厚度为45μm-55μm且由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成的内层和厚度为180μm－220μm且由特氟龙材料制成的外层。

所述石英玻璃管的外径为0.8mm-1.2mm，其长度在40mm-50mm。

本实用新型的光纤测温装置，包括SLED光源和光纤测温传感头，其特征在于：在SLED光源与光纤测温传感头之间，还连接有保偏环形器和沃拉斯特棱镜，其中，

SLED光源通过多模光纤与保偏环形器连接；

保偏环形器的一个输出端口通过初段保偏光纤与沃拉斯特棱镜；

沃拉斯特棱镜一个输出端口通过中段保偏光纤与所述光纤测温传感头中的敏感光纤的首端熔接；

所述光纤测温传感头为本实用新型的光纤测温传感头；

所述沃拉斯特棱镜的另一个输出端口通过第一支路保偏光纤与第一光电探测器相接；

所述保偏环形器的另一个输出端口通过第二支路保偏光纤与第二光电探测器相接。

所述熔接拐点处，所述中段保偏光纤的光轴与所述尾段保偏光纤的光轴之间的熔接角为45度。

所述初段保偏光纤、中段保偏光纤、第一支路保偏光纤和第二支路保偏光纤均为PME1300-10椭圆芯保偏光纤。

本实用新型的光纤测温方法，其步骤如下：

1)采用本实用新型的光纤测温装置；

2)由所述光纤测温装置中的SLED光源发出的部分偏振光，经多模光纤传至保偏环形器产生初段线偏振光，该初段线偏振光由该保偏环形器的一个输出端口通过初段保偏光纤送至沃拉斯特棱镜；

3)由该沃拉斯特棱镜的一个输出端口输出一束中段线偏振光通过中段保偏光纤并以偏振方向平行于该中段保偏光纤主轴的方式沿该主轴传送；

4)中段线偏振光经所述的中段保偏光纤与所述光纤测温装置中的光纤测温传感头内的温敏光纤的熔接拐点分解为两束正交模态且沿所述温敏光纤快慢轴传播的尾段线偏振光；

5)两束所述尾段线偏振光通过设置于温度场中的所述温敏光纤产生相位差，再经设置于所述温敏光纤尾部的反射膜的反射后沿原光路返回，此时，两束尾段线偏振光的相位差增加一倍；

6)经过所述熔接拐点后发生干涉效应；

7)两束尾段线偏振光中，沿温敏光纤快轴返回的尾段线偏振光由设置于沃拉斯特棱镜的另一输出端口上的第一光电探测器接收；沿温敏光纤慢轴返回的尾段线偏振光由设置于保偏环形器的另一输出端口上的第二光电探测器接收。

所述第一光电探测器和第二光电探测器将干涉后的两束尾段线偏振光的光强信号转换为小电流信号，经前置放大器放大后送入模数转换器，再经信号处理单元高速采样还原出所述的干涉效应。

本实用新型的光纤测温传感头和测温装置，具有结构简单、体积小、线性度好、可靠性高、一次侧无源、绝缘性能好和长期使用稳定等突出优点，由本实用新型制作的光纤测温传感器可完全取代点式电学测温传感器，成为高精度、高稳定性、高可靠性第三代智能站温度监测核心部件。

附图说明

图1为本实用新型的光纤测温装置的结构示意图。

图2为图1中的装置的信号处理工作原理图。

附图标记如下：

SLED光源1、保偏环形器2、沃拉斯特棱镜3、光纤测温传感头4、第一光电探测器5、第二光电探测器6、反射膜7。

具体实施方式

一、光纤测温传感头4

本实用新型的光纤测温传感头4可测温度范围在-55℃-150℃，温度偏差优于±0.5℃，温度波动度优于±0.01℃。

其由温敏光纤、石英玻璃管、涂敷在石英玻璃管外的内层和外层保护层构成。

温敏光纤由PME1300-10的椭圆芯的保偏光纤所制。其包层外直径为125μm，长度为1.15mm-1.35mm之间，优选1.25mm，在波长为1310nm时的拍长约为10mm，在该温敏光纤尾部的端面上镀有铝质的反射膜7(该反射膜由溅射沉积构成多层纳米结构)，该反射膜7可使由温敏光纤首端向尾端传播的线偏振光反射后按原光路返回，反射光波长为1310nm。

该温敏光纤上有一段密封在石英玻璃管中，密封胶采用353型胶。被密封在石英玻璃管中的温敏光纤的长度在0.8mm-1.0mm，所述石英玻璃管的内径在250μm-350μm，所述反射膜7部分置于石英玻璃管中。

由于石英玻璃是玻璃(Si04)硅氧四面体相互连接构成的，在－Si－O－Si－网络中，氧原子以桥氧的形式存在，在湿度较大或有水的环境中，石英玻璃表面会吸附水气并慢慢发生水解反应，久之导致原网络－Si－O－Si－中的硅氧键断裂，桥氧变成非桥氧－Si－OH－Si－，其结果会造成玻璃裂纹，继而使该裂纹不断增长。另外，OH根的出现也会使光纤对光的吸收损耗增大，使光纤特性发生变化。为了使温敏光纤的纤芯不会因石英玻璃裂纹而受到外界水汽的侵蚀，即随石英玻璃的水解导致该石英玻璃管对管内的温敏光纤造成挤压，本实用新型在所述石英玻璃管的外壁上涂有厚度为45μm-55μm的保护层，简称内层，该内层由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。

为了防止外界水汽对石英玻璃的腐蚀，提高温敏光纤的测温精度和可靠性，在所述内层之外再涂有厚度为180μm－220μm的另一层保护层，简称外层，该外层由特氟龙材料制成。

本实用新型优选石英玻璃管的外径为0.8mm-1.2mm，其长度在40mm-50mm。

二、光纤测温装置

本实用新型的光纤测温装置，特别适用于电力系统中针对一次设备进行定点测温。其具有良好的温度检测性能，可有效检测一次设备自身运行温度变化状态，最大限度的保证一次设备工作稳定性和可靠性。

如图1所示，光纤测温装置包括SLED光源1、保偏环形器2、沃拉斯特棱镜3、本实用新型的所述光纤测温传感头4、光电探测器和信号处理系统构成。

SLED光源1通过多模光纤与保偏环形器2相接，保偏环形器2的一个输出端口通过保偏光纤与沃拉斯特棱镜3相接，沃拉斯特棱镜3的一个输出端口通过保偏光纤与光纤测温传感头4中的温敏光纤的首端以45度角熔接。

在沃拉斯特棱镜3的另一输出端口通过保偏光纤连接第一光电探测器5；在保偏环形器2的另一个输出端口通过保偏光纤连接第二光电探测器6。

信号处理系统分别与SLED光源1、第一光电探测器5和第二光电探测器6相连。

1、SLED光源1

采用DAC(数模转换器)和光源驱动电路控制SLED光源输出恒定光功率，采用ADSP-BF548型的数字信号处理器通过给DAC写入配置参数来控制调节SLED的驱动电流，光源驱动电流采样闭环控制原理，通过采样SLED的实际驱动电流和DAC的设置参数值做减法后送入内置在ADSP-BF548型的数字信号处理器中的闭环控制单元进行调节，最终使SLED的驱动电流保持恒定。

该SLED光源1为发光光谱很宽的光源器件，其为高亮发光二极管，英文全称为：Super-Light-Emitting Diode，其发出的部分偏振光通过多模光纤传送至保偏环形器2。

2、保偏环形器2

使光按特定通道方向传输并且保持线偏振光偏振特性不变的多端口光学器件，光从任意端口输入，只能从特定的下一端口输出。

来自于SLED光源1的部分偏振光经内置于该保偏环形器2中的光纤消偏器后变为非偏振光，其再由保偏环形器2的一个输出端口输出线偏振光，将该线偏振光称为初段线偏振光。

初段线偏振光再给初段保偏光纤传输至所述沃拉斯特棱镜3。

3、沃拉斯特棱镜3

其为可将一束光转化为两束分开的偏振方向相互垂直的线偏振光的光学器件。

来自于保偏环形器2的初段线偏振光进入该沃拉斯特棱镜3后，由其的一个输出端口输出一束线偏振光，将该段的线偏振光称为中段线偏振光，该中段线偏振光以偏振方向平行于该中段保偏光纤主轴的方式沿该中段保偏光纤的主轴传送至所述的光纤传感头。

中段线偏振光经过所述中段保偏光纤与所述温敏光纤的熔接拐点后，分解为两束正交模态且沿该温敏光纤快慢轴传播的尾段线偏振光。

两束所述尾段线偏振光通过设置于温度场中的所述温敏光纤(即将本实用新型的光纤测温传感头4放置在测温场所中)产生相位差，再经设置于所述温敏光纤尾部的反射膜7的反射后沿原光路返回，此时，两束尾段线偏振光的相位差增加一倍，当其返回经过45度角的熔接拐点时发生干涉。

干涉后的两束尾段线偏振光中，沿温敏光纤快轴返回的尾段线偏振光由设置于沃拉斯特棱镜3的另一输出端口输出，并经第一支路保偏光纤被第一光电探测器5接收；沿温敏光纤慢轴返回的尾段线偏振光由设置于保偏环形器2的另一输出端口输出，并经第二支路保偏光纤被第二光电探测器6接收。

4、光电探测器

光电探测器将光信号转化为电信号的器件。

所述第一光电探测器5和第二光电探测器6将干涉后的两束尾段线偏振光的光强信号转换为小电流信号，经前置放大器放大后送入模数转换器，再经信号处理系统高速采样还原出所述的干涉效应。

所述初段保偏光纤、中段保偏光纤、第一支路保偏光纤和第二支路保偏光纤均为PME1300-10椭圆芯保偏光纤。该保偏光纤的纤芯为椭圆形并且保持光传输偏振特性不变的光纤。

5、信号处理系统

如图2所示，本实用新型的信号处理系统采用DSP(数字信号处理技术)+FPGA(现场可编程门阵列)(XC6SLX16)构架，主要由光电探测器、前置放大器、AD转换器(模数转换器)、ADSP-BF548数字信号处理器、DAC(数字模拟转换器)以及光源驱动电路组成，同时扩展了液晶显示、RS485以及光纤以太网接口。

光电探测器主要负责将干涉后的光强信号转换为小电流信号，经过前置放大器后送入模数转换器，系统采用AD7606作为模拟信号到数字信号的转换器件，DSP通过高速采样ADC(模数转换器)的输出来还原光纤传感器的干涉效应。

数字信号处理器主要负责信号的高速采样及软件算法的实现，处理器的运行主频为500MHz，运行VDK(Visual DSP Kemel，中文名为：可视DSP核)嵌入式操作系统进行任务调度。使用内部定时器进行精确定时，在定时器中断中进行信号的采样、滤波、保存，当数据缓冲区填满后在中断中发送信号量给调度器，调度器收到信号量后激活数据拟合任务进行温度拟合运算，本系统采用多阶多项式拟合的方式进行温度还原。

DSP还将解调的温度数据以及内部状态监视信息通过RS485传送到后台进行显示，同时将相关信息写入LCD液晶显示器以及FPGA内部高速RAM中。

Claims (6)

1.一种光纤测温传感头，包括由保偏光纤制作的温敏光纤，其特征在于：所述温敏光纤包层外直径为125μm，长度为1.15mm-1.35mm，其在波长为1310nm时的拍长约为10mm，在该温敏光纤尾部的端面上镀有铝质的反射膜(7)；由该温敏光纤的尾端至其首端方向长度在0.8mm-1.0mm的温敏光纤被固定密封在内径为250μm-350μm的石英玻璃管中。

2.根据权利要求1所述的光纤测温传感头，其特征在于：在所述石英玻璃管的外壁上设有两层涂层，分别是厚度为45μm-55μm且由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成的内层和厚度为180μm－220μm且由特氟龙材料制成的外层。

3.根据权利要求2所述的光纤测温传感头，其特征在于：所述石英玻璃管的外径为0.8mm-1.2mm，其长度在40mm-50mm。

4.一种光纤测温装置，包括SLED光源(1)和光纤测温传感头(4)，其特征在于：在SLED光源(1)与光纤测温传感头(4)之间，还连接有保偏环形器(2)和沃拉斯特棱镜(3)，其中，

SLED光源(1)通过多模光纤与保偏环形器(2)连接；

保偏环形器(2)的一个输出端口通过初段保偏光纤与沃拉斯特棱镜(3)；

沃拉斯特棱镜(3)一个输出端口通过中段保偏光纤与所述光纤测温传感头(4)中的敏感光纤的首端熔接；

所述光纤测温传感头(4)为权利要求1－3中任一项所述的光纤测温传感头(4)；

所述沃拉斯特棱镜(3)的另一个输出端口通过第一支路保偏光纤与第一光电探测器(5)相接；

所述保偏环形器(2)的另一个输出端口通过第二支路保偏光纤与第二光电探测器(6)相接。

5.根据权利要求4所述的光纤测温装置，其特征在于：所述熔接拐点处，所述中段保偏光纤的光轴与尾段保偏光纤的光轴之间的熔接角为45度。

6.根据权利要求5所述的光纤测温装置，其特征在于：所述初段保偏光纤、中段保偏光纤、第一支路保偏光纤和第二支路保偏光纤均为PME1300-10椭圆芯保偏光纤。