專利名稱：微小區(qū)域溫度測量的光纖法布里-珀羅溫度傳感器及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于微小區(qū)域溫度測量的溫度傳感器及其測量方法，涉及法布里-珀羅(法珀)腔的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
溫度是最常見的被測傳感測量參數(shù)之一。利用熱電偶傳感器、熱輻射探測等技術(shù)進(jìn)行溫度測量已廣泛應(yīng)用于很多場合。在ー些特殊應(yīng)用場合需要準(zhǔn)確測量微小區(qū)域的溫度變化，普通的熱電偶傳感器、 熱輻射探測等方法由于測量原理的原因，無法實(shí)現(xiàn)對微小區(qū)域進(jìn)行測量。原因是由于測量區(qū)域小，該區(qū)域總體溫度能量輻射低，并且測量時(shí)易受溫度傳感器的影響而無法獲得實(shí)時(shí)溫度真值。例如在電火エ品中絕大多數(shù)是在兩電極之間用鎢或其它貴重金屬絲形成一個(gè)橋，即灼熱橋絲式電點(diǎn)火裝置，橋絲發(fā)火過程是ー個(gè)熱作用過程，當(dāng)其溫度達(dá)到點(diǎn)火藥溫度吋，引起點(diǎn)火藥持續(xù)燃燒和爆炸。當(dāng)需要測量橋絲發(fā)熱溫度，由于橋絲的尺寸很小(一般直徑1mm，長約10-20m)，光輻射強(qiáng)度很弱，傳統(tǒng)的紅外測溫儀難以進(jìn)行準(zhǔn)確測量。采用熱紅外光譜成像技術(shù)雖然能夠達(dá)到要求，但系統(tǒng)成本高，不適合推廣。法布里-珀羅光學(xué)腔當(dāng)相干光束沿光纖入射到此光學(xué)腔吋，光束在法珀腔內(nèi)形成多光束干渉，通過測量其法珀腔的透射光或反射光的信息可以獲得傳感被測量。透射光、 反射光的光強(qiáng)或波長移動(dòng)與此法珀腔的腔長相關(guān)。目前光纖法珀傳感器多應(yīng)用于應(yīng)變、應(yīng)力測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了適用于微小區(qū)域溫度測量的光纖法布里-珀羅溫度傳感器及其測量方法，以解決現(xiàn)有測量技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對微小區(qū)域進(jìn)行測量、或者即使能夠達(dá)到測量指標(biāo)但測試系統(tǒng)成本高、難以推廣的技術(shù)問題。為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下微小區(qū)域溫度測量的光纖法布里-珀羅溫度傳感器，包括激光光源、耦合分路器、 傳輸光纖、光纖法珀溫度傳感探頭、光電探測器和與光電探測器信號輸出端連接的光波長解調(diào)儀，其中，耦合分路器與光纖法珀溫度傳感探頭分別位于傳輸光纖的兩端；所述光纖法珀溫度傳感探頭的外層設(shè)置有套管，在套管軸向上光纖法珀溫度傳感探頭分為光纖傳導(dǎo)管和法珀腔兩部分，光纖傳導(dǎo)管由外到內(nèi)依次為套管、包層、纖芯，所述法珀腔為封閉腔室，纖芯與法珀腔相接，法珀腔內(nèi)遠(yuǎn)離纖芯一端固定設(shè)置有采用熱膨脹系數(shù)為17. 5-29. 3的金屬材料制成的反射模塊；所述耦合分路器用以將激光光源發(fā)出的激光光束耦合入傳輸光纖中，并將來自法珀腔的反射光分路至光電探測器。上述傳輸光纖最好采用單模光纖。上述激光光源可采用以1310nm或1550nm為中心波長，具有3-20nm波長帶寬的掃描激光器。上述反射模塊最好由鎂、鋁、鉛、銅或其合金材料制成。應(yīng)用如上述光纖法布里-珀羅溫度傳感器進(jìn)行溫度測量的方法，包括以下步驟(1)激光光源輸出激光通過耦合分路器耦合進(jìn)入傳輸光纖中，進(jìn)而傳導(dǎo)至光纖法珀溫度傳感探頭內(nèi)，在法珀腔中產(chǎn)生多光束干渉，并經(jīng)法珀腔的反射端面反射；(2)來自反射端面的反射光信號沿原路返回至耦合分路器，通過耦合分路器輸出至光電探測器；(3)光電探測器將探測到的光信號變?yōu)殡娦盘?，由光波長解調(diào)儀對電信號完成測量、處理信號值，標(biāo)定光纖法珀溫度傳感探頭探測到的外界溫度；(4)當(dāng)被測區(qū)域溫度場溫度變化時(shí)，將引起光纖法珀溫度傳感探頭內(nèi)法珀腔的腔長發(fā)生改變，進(jìn)而改變反射光信號的功率和波長；參照步驟O)、(3)探測得到反射光信號的波長移動(dòng)信息，通過計(jì)算最終獲得實(shí)時(shí)環(huán)境溫度值。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明使用光纖傳感方法，利用法珀腔對溫度敏感的特性，設(shè)計(jì)出具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、光電分離井能夠進(jìn)行微小區(qū)域溫度測量的溫度傳感器。2、由于光纖具有很低的信號傳輸損耗，傳感信號可以傳輸?shù)煤苓h(yuǎn)，保證傳感頭與光源、探測裝置分離。3、使用光纖傳感方法，易于和光纖通信網(wǎng)絡(luò)融合，組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)大范圍的信息檢測與統(tǒng)計(jì)。4、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)成本低，便于市場應(yīng)用推廣。5、本發(fā)明能夠解決微小區(qū)域、微小目標(biāo)的非接觸溫度測量難題，可用于橋絲、人體血管等細(xì)小物體溫度的實(shí)時(shí)檢測，有利于我國國防、電力、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。


圖1為本發(fā)明的測試系統(tǒng)示意圖。圖2為本發(fā)明的光纖法珀溫度傳感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)號說明1-包層；2-纖芯；3-套管；4-法珀腔；5-高熱膨脹系數(shù)材料。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的基本原理是激光光源輸出激光通過耦合分路器進(jìn)入傳輸光纖，傳輸?shù)椒ú祭?珀羅腔中，在法珀腔中產(chǎn)生多光束干渉，從法珀腔反射回的信號通過光電信號解調(diào)儀測量獲得信號的波長信息。被測溫度變化引起法珀腔的腔長發(fā)生改變，腔長變化調(diào)制反射光的波長，通過探測光波長移動(dòng)，能夠獲得溫度變化。法布里-珀羅腔由光纖端面和ー種具有高溫度膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可消除應(yīng)變、應(yīng)カ變化帶來的誤判，降低腔長變化對應(yīng)變的敏感性，使得腔長變化只受溫度變化影響。具體應(yīng)用方法如下(1)激光光源輸出激光通過耦合分路器耦合進(jìn)入傳輸光纖中，進(jìn)而傳導(dǎo)至光纖法珀溫度傳感探頭內(nèi)，在法珀腔中產(chǎn)生多光束干渉，并經(jīng)法珀腔的反射端面反射；
(2)來自反射端面的反射光信號沿原路返回至耦合分路器，通過耦合分路器輸出至光電探測器；(3)光電探測器將探測到的光信號變?yōu)殡娦盘?，由光波長解調(diào)儀對電信號完成測量、處理信號值，標(biāo)定光纖法珀溫度傳感探頭探測到的外界溫度；(4)當(dāng)被測區(qū)域溫度場溫度變化時(shí)，將引起光纖法珀溫度傳感探頭內(nèi)法珀腔的腔長發(fā)生改變，進(jìn)而改變反射光信號的功率和波長；參照步驟O)、(3)探測得到反射光信號的波長移動(dòng)信息，通過計(jì)算最終獲得實(shí)時(shí)環(huán)境溫度值。光纖法珀溫度傳感探頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示，使用高熱膨脹系數(shù)的材料作為一個(gè)腔，與光纖端面組成一個(gè)法珀腔，溫度變化使腔材料膨脹伸縮，使得所組成的法珀腔的腔長發(fā)生改變。高熱膨脹系數(shù)材料同時(shí)還要具備一定耐溫特性和良好的膨脹線性特性，并且能夠便于加工與拋光以保證組成法珀腔面的良好平面度。因此所用材料可以使用金屬材料和金屬合金材料，例如鎂、鋁、鉛、銅等。由于光纖尺寸小，光纖包層直徑多為125 μ m,即使加上保護(hù)層外徑也只有mm量級。因此光纖法珀溫度傳感探頭很小，能夠?qū)ξ⑿^(qū)域范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行精密測量。相比傳統(tǒng)溫度傳感器方法，應(yīng)用于微小目標(biāo)測量的光纖法珀溫度傳感器具有響應(yīng)速度快，靈敏度高的特點(diǎn)，并且由于光纖具有很低的信號傳輸損耗，傳感信號可以傳輸?shù)煤苓h(yuǎn)(幾公里以上)。光纖法珀傳感器易于和光纖通信網(wǎng)絡(luò)融合，這樣可實(shí)現(xiàn)大范圍的信息集成統(tǒng)計(jì)。本發(fā)明的溫度測量精度可達(dá)到0. 1°C，能夠在以下場合克服傳統(tǒng)傳感器不足，獲得廣泛應(yīng)用目前防爆場合的多點(diǎn)溫度監(jiān)測技術(shù)尚未有很好的解決方案，在如油庫、彈藥庫等場所的溫度監(jiān)控裝置中不允許采用傳統(tǒng)帶電傳感器。而本發(fā)明的光纖法珀溫度傳感器以光為信息載體，具有天然防爆特性，能夠成功應(yīng)用于這些場合。光纖法珀溫度傳感器體積小巧，能夠在醫(yī)學(xué)、生物領(lǐng)域中對微小區(qū)域的溫度進(jìn)行測量。傳感器尺寸可做到mm量級，與光纖連接，可隨光纖一起進(jìn)入生物體內(nèi)，進(jìn)行溫度監(jiān)測。體積小也使其能夠應(yīng)用于引信橋絲的真實(shí)溫度測量。光纖法珀溫度傳感器可以組合成網(wǎng)，容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度信號分布測量，可以應(yīng)用于隧道等無人管理區(qū)域的火災(zāi)報(bào)警。光纖法珀溫度傳感器響應(yīng)速度快，能夠達(dá)到納秒(ns)量級，可用于測量爆炸瞬時(shí)溫度。例如可應(yīng)用于火箭點(diǎn)火推進(jìn)時(shí)溫度快速實(shí)時(shí)測量。
權(quán)利要求
1.微小區(qū)域溫度測量的光纖法布里-珀羅溫度傳感器，包括激光光源、耦合分路器、傳輸光纖、光纖法珀溫度傳感探頭、光電探測器和與光電探測器信號輸出端連接的光波長解調(diào)儀，其中，耦合分路器與光纖法珀溫度傳感探頭分別位于傳輸光纖的兩端；所述光纖法珀溫度傳感探頭的外層設(shè)置有套管，在套管軸向上光纖法珀溫度傳感探頭分為光纖傳導(dǎo)管和法珀腔兩部分，光纖傳導(dǎo)管由外到內(nèi)依次為套管、包層、纖芯，所述法珀腔為封閉腔室，纖芯與法珀腔相接，法珀腔內(nèi)遠(yuǎn)離纖芯一端固定設(shè)置有采用熱膨脹系數(shù)為17. 5-29. 3的金屬材料制成的反射模塊；所述耦合分路器用以將激光光源發(fā)出的激光光束耦合入傳輸光纖中， 并將來自法珀腔的反射光分路至光電探測器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖法布里-珀羅溫度傳感器，其特征在于所述傳輸光纖為單模光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖法布里-珀羅溫度傳感器，其特征在于所述激光光源采用以1310nm或1550nm為中心波長，具有3-20nm波長帶寬的掃描激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖法布里-珀羅溫度傳感器，其特征在于所述反射模塊由鎂、鋁、鉛、銅或其合金材料制成。
5.應(yīng)用如權(quán)利要求1所述光纖法布里-珀羅溫度傳感器進(jìn)行溫度測量的方法，包括以下步驟(1)激光光源輸出激光通過耦合分路器耦合進(jìn)入傳輸光纖中，進(jìn)而傳導(dǎo)至光纖法珀溫度傳感探頭內(nèi)，在法珀腔中產(chǎn)生多光束干渉，并經(jīng)法珀腔的反射端面反射；(2)來自反射端面的反射光信號沿原路返回至耦合分路器，通過耦合分路器輸出至光電探測器；(3)光電探測器將探測到的光信號變?yōu)殡娦盘?，由光波長解調(diào)儀對電信號完成測量、處理信號值，標(biāo)定光纖法珀溫度傳感探頭探測到的外界溫度；(4)當(dāng)被測區(qū)域溫度場溫度變化時(shí)，將引起光纖法珀溫度傳感探頭內(nèi)法珀腔的腔長發(fā)生改變，進(jìn)而改變反射光信號的功率和波長；參照步驟O)、(3)探測得到反射光信號的波長移動(dòng)信息，通過計(jì)算最終獲得實(shí)時(shí)環(huán)境溫度值。
全文摘要
本發(fā)明提供了適用于微小區(qū)域溫度測量的光纖法布里-珀羅溫度傳感器及其測量方法，以解決現(xiàn)有測量技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對微小區(qū)域進(jìn)行測量、或者即使能夠達(dá)到測量指標(biāo)但測試系統(tǒng)成本高、難以推廣的技術(shù)問題。激光光源輸出激光通過耦合分路器進(jìn)入傳輸光纖，傳輸?shù)椒ú祭?珀羅腔中，在法珀腔中產(chǎn)生多光束干涉，從法珀腔反射回的信號通過光電信號解調(diào)儀測量獲得信號的波長信息。被測溫度變化引起法珀腔的腔長發(fā)生改變，腔長變化調(diào)制反射光的波長，通過探測光波長移動(dòng)，能夠獲得溫度變化。本發(fā)明能夠解決微小區(qū)域、微小目標(biāo)的非接觸溫度測量難題，可用于橋絲、人體血管等細(xì)小物體溫度的實(shí)時(shí)檢測，有利于我國國防、電力、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。
文檔編號G01K11/32GK102539012SQ20111045673
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者劉志麟, 王允韜, 阮馳 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所, 廣州市敏通光電科技有限公司