專利名稱：一種基于熒光壽命檢測的熒光光纖溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于熒光壽命檢測的熒光光纖溫度傳感器，屬于光纖傳感技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的光纖測溫技術(shù)主要基于光反射、光吸收、光干涉、光散射、熱輻射等原理實 現(xiàn)，其中，基于光反射原理實現(xiàn)的光纖光柵溫度傳感器和光干涉原理實現(xiàn)的光纖法泊溫度 傳感器，都是基于波長變化解調(diào)出溫度變化信息，光纖解調(diào)儀制造復(fù)雜，對所用分立器件性 能要求高，制造成本高，而且其傳感器本身受應(yīng)力等其它因素的影響也很大，需要比較復(fù)雜 的補償技術(shù)才能得到能實用的溫度信息；基于光纖拉曼散射的測溫技術(shù)，更是綜合了 OTDR 等技術(shù)，技術(shù)難度更大，成本更高；基于熱輻射技術(shù)，適用于高溫(ioocrc以上)非接觸測 量，目前技術(shù)成熟，成本低，但應(yīng)用領(lǐng)域有限，市場較??；基于光吸收技術(shù)的光纖測溫儀，測 量誤差太大，測量可重復(fù)性差，受光強變化影響大，難以實用。

實用新型內(nèi)容本實用新型旨在提供一種基于熒光壽命檢測的熒光光纖溫度傳感器，以解決背景 技術(shù)中所述的傳統(tǒng)光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、測量精度較低、受光強變化影響大等問題。本實用新型的測溫原理是基于稀土熒光物質(zhì)的材料特性實現(xiàn)的，某些稀土熒光物 質(zhì)受紫外線照射并激發(fā)后，在可見光譜中發(fā)射線狀光譜，即熒光及其余輝(余輝為激勵停 止后的發(fā)光)。熒光余輝的衰變時間常數(shù)是溫度的單值函數(shù)，通常溫度越高，時間常數(shù)越小。 只要測得時間常數(shù)的值，就可以求出溫度。應(yīng)用這種方法測溫的最大優(yōu)點，就是被測溫度只 取決于熒光材料的時間常數(shù)，而與系統(tǒng)的其他變量無關(guān)，例如光源強度的變化、傳輸效率、 耦合程度的變化等都不影響測量結(jié)果，較光強測溫法和波長解調(diào)法原理上有明顯優(yōu)勢。本實用新型提出的基于熒光壽命檢測的熒光光纖溫度傳感器，包括光源驅(qū)動電 路、熒光激勵光源、光路耦合系統(tǒng)、熒光光纖測溫探頭、熒光信號檢測處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)， 其中光路耦合系統(tǒng)包括第一耦合透鏡、第二耦合透鏡、第三耦合透鏡和濾波片；所述熒光激 勵光源能夠產(chǎn)生脈沖光波；所述光源驅(qū)動電路與熒光激勵光源相連，在熒光激勵光源形成 的出射光路上依次設(shè)置有第一耦合透鏡、濾波片和第二耦合透鏡，在第二耦合透鏡所在的 出射光路后方設(shè)置有光纖接頭，光纖接頭經(jīng)光纖與熒光光纖測溫探頭連接；在熒光光纖測 溫探頭形成的熒光反射光路上依次設(shè)置有第二耦合透鏡、第三耦合透鏡和半反半透的濾波 片，在第三耦合透鏡所在的熒光反射光路后方設(shè)置有屬于熒光信號檢測處理系統(tǒng)的熒光探 測器；顯示系統(tǒng)與熒光信號檢測處理系統(tǒng)電連接。上述半反半透的濾波片能夠?qū)ΣㄩL為300 500nm的光波全反射，對波長為 500 700的光波全透射。光路耦合系統(tǒng)中的耦合透鏡可采用非球面透鏡、球透鏡、自聚焦 透鏡或塑料透鏡，結(jié)構(gòu)件實現(xiàn)濾波片和耦合透鏡的固定，更需要實現(xiàn)光路耦合設(shè)計要求的 精確定位，一般來說濾波片在光路上呈45度角放置，使得第二耦合透鏡和第三耦合透鏡在同一軸線上平行設(shè)置。上述熒光光纖測溫探頭由傳光光纖、熒光材料和保護套組成，熒光材料用環(huán)氧膠 粘接于傳光光纖的末端，熒光材料和傳光光纖作為整體被包裹于保護套內(nèi)。上述傳光光纖采用石英光纖、多組份玻璃光纖或塑料光纖，熒光材料采用稀土三 基色熒光粉、硫氧化釓鋱或氟鍺酸鎂；保護套采用耐高溫聚四氟乙烯材料制成，所述傳光光 纖的末端端面上涂覆有硅酮樹脂，以提高反射率，使更多的激發(fā)光返回到光纖。上述熒光激勵光源采用波長為350 420nm的發(fā)光二極管、激光二極管或低壓汞 燈。該發(fā)光二極管具有光源體積小、耗電少，壽命長，同時光源發(fā)出的光易于光纖耦合等優(yōu) 點ο上述熒光探測器為光敏二極管，所述熒光信號檢測處理系統(tǒng)還包括信號放大電 路、脈沖整形電路、低通濾波電路、帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的單片機、時鐘電路。由光敏二極管接受熒光 光纖測溫探頭產(chǎn)生的熒光信號，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，信號放大電路將該電信號進行放大處理、脈 沖整形、濾波等處理，得到與熒光衰減信號對應(yīng)的電壓脈沖信號。該電壓脈沖傳給單片機， 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時計數(shù)器開始計時，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電壓脈沖信號低于預(yù)定電壓時，計數(shù)停止。通 過計數(shù)器開始停止的時間從而推算出熒光衰減時間。上述顯示系統(tǒng)由液晶顯示屏或光電二極管顯示屏或其它數(shù)碼管顯示屏、顯示處理 電路組成，實時顯示測試溫度。上述熒光信號檢測處理系統(tǒng)與光源驅(qū)動電路通信連接，在實時測量的過程中可根 據(jù)熒光信號檢測處理結(jié)果對激勵光源的參數(shù)進行控制，如脈寬調(diào)制等，從而使溫度檢測不 斷優(yōu)化。上述光源驅(qū)動電路由單片機控制，產(chǎn)生周期性電脈沖來驅(qū)動LED光源，使其產(chǎn)生 相應(yīng)的激勵脈沖光波。本實用新型的優(yōu)點包括傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單合理，制造成本低；測量范圍大，可實現(xiàn)溫度-50 350°C溫度范圍的測量，測量精度高，可實現(xiàn)精度 高于 士0. 50C ；測溫探頭尺寸小，柔韌性好，耐高溫，可實現(xiàn)探頭直徑0. 2mm 3mm，彎曲半徑最小 到5mm以下，測溫探頭可以互換，測溫探頭替換后不需要校正，測溫探頭無金屬材料，具有 完全的電絕緣性，不受高壓、強電磁場的影響，抗化學(xué)腐蝕和無污染；在重復(fù)的熱循環(huán)下，傳感器的材料和結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定；傳感器的性能對光信號強度的變化不敏感，使用壽命長；可以采用接觸式的測量方式，也可以采用非接觸式的測量方式，并可遠距離傳輸， 使傳感器的光電器件脫離測溫現(xiàn)場，避開了惡劣的環(huán)境。不僅限于物體表面的定向測量，其探頭還可以插入固體物質(zhì)中、浸入液體中或?qū)?入設(shè)備中，到達特定區(qū)域。本實用新型尤其適用于高壓部件的溫度監(jiān)測、電力變壓器溫度監(jiān)控、高壓斷路器 滅弧室溫度測量、大電機定子、軸瓦、端部匯流環(huán)等溫度監(jiān)測、大電機/變壓器/互感器繞組 等高壓設(shè)備的熱點溫度直接監(jiān)測、水輪發(fā)電機定子繞組溫度測量、電氣設(shè)備溫度在線實時 監(jiān)測；化學(xué)過程如高腐蝕環(huán)境或電化學(xué)處理過程的溫度測量，微波輻射加熱情況下的安全
4測溫；生物與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如手術(shù)過程中溫度測量，電磁輻射下生理反應(yīng)的研究等。
圖1是基于熒光壽命檢測的光纖溫度傳感器組成示意圖。圖2是一種熒光光纖測溫探頭結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)號說明1-熒光光纖測溫探頭，2-光纖，3-光路耦合系統(tǒng)，4-光源驅(qū)動電 路，5-熒光信號探測電路，6-信號解調(diào)處理系統(tǒng)，7-顯示系統(tǒng)，11-熒光材料，12-保護套， 31-光纖接頭，32-第二耦合透鏡，33-濾波片，34-第一耦合透鏡，35-熒光激勵光源，36-第 三耦合透鏡，37-探測器。
具體實施方式
如圖1所示，一種基于熒光壽命檢測的熒光光纖溫度傳感器，包括包括光源驅(qū)動 電路4、光路耦合系統(tǒng)3、光纖2、熒光光纖測溫探頭1、熒光信號探測電路5及信號解調(diào)處理 系統(tǒng)6和顯示系統(tǒng)7等。光源驅(qū)動電路4與熒光激勵光源35相連，由熒光激勵光源35產(chǎn) 生脈沖熒光激勵光源，熒光激勵光源35選用紫色超高亮度LED作為激勵光源，波長400 410nm，工作電流在200mA以內(nèi)。激勵光源35可以也可以是激光二極管(LD)或者低壓汞燈 等。該激勵光源發(fā)出的光經(jīng)過第一耦合透鏡34和濾波片33反射到第二耦合透鏡32，由第 二耦合透鏡32進行聚焦耦合。耦合后的激勵光再通過光纖接頭31將光耦合到光纖2中， 光纖2的端頭為熒光光纖測溫探頭1。熒光激勵光源在熒光光纖測溫探頭1的作用下，產(chǎn)生 熒光(此時波長大約為630 670nm)并反射后由光纖2傳回光路耦合系統(tǒng)3，透過濾波片 33后再由第三耦合透鏡36耦合到探測器37。探測器37為光敏二級管，探測峰值波長與熒 光探頭所產(chǎn)生的熒光峰值波長對應(yīng)，以提高探測靈敏度。探測器37把熒光光信號轉(zhuǎn)化成電 信號，再由熒光信號探測電路5進行信號放大、濾波處理，再由信號解調(diào)處理系統(tǒng)6進行模 數(shù)轉(zhuǎn)換、信號解調(diào)等數(shù)字信號處理，信號解調(diào)處理系統(tǒng)6輸出標(biāo)準RSS232串口信號，提供給 顯示系統(tǒng)7，由顯示系統(tǒng)7實時顯示測量溫度信息；同時可根據(jù)信號解調(diào)處理系統(tǒng)6得到的 數(shù)據(jù)對光源驅(qū)動電路4進行控制，以調(diào)節(jié)熒光激勵光源35的脈寬、幅值等參數(shù)。如圖2所示，熒光光纖測溫探頭1是光纖溫度傳感器的核心部分之一，通常將熒光 材料11涂覆在光纖2的端面，熒光材料11可采用氟鍺酸鎂或其它稀土發(fā)光材料，熒光材料 11用環(huán)氧膠粘接在傳光光纖2的一端面上，再涂上硅酮樹脂以提高反射率，使更多的激發(fā) 光返回到光纖2。同時用光學(xué)膠合劑及較復(fù)雜的外保護套12以增加機械強度和穩(wěn)定性。
權(quán)利要求一種基于熒光壽命檢測的熒光光纖溫度傳感器，其特征在于該熒光光纖溫度傳感器包括光源驅(qū)動電路、熒光激勵光源、光路耦合系統(tǒng)、熒光光纖測溫探頭、熒光信號檢測處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)，其中光路耦合系統(tǒng)包括第一耦合透鏡、第二耦合透鏡、第三耦合透鏡和半反半透的濾波片；所述熒光激勵光源能夠產(chǎn)生脈沖光波；所述光源驅(qū)動電路與熒光激勵光源相連，在熒光激勵光源形成的出射光路上依次設(shè)置有第一耦合透鏡、濾波片和第二耦合透鏡，在第二耦合透鏡所在的出射光路后方設(shè)置有光纖接頭，光纖接頭經(jīng)光纖與熒光光纖測溫探頭連接；在熒光光纖測溫探頭形成的熒光反射光路上依次設(shè)置有第二耦合透鏡、第三耦合透鏡和半反半透的濾波片，在第三耦合透鏡所在的熒光反射光路后方設(shè)置有屬于熒光信號檢測處理系統(tǒng)的熒光探測器；顯示系統(tǒng)與熒光信號檢測處理系統(tǒng)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熒光光纖溫度傳感器，其特征在于所述半反半透的濾波片 能夠?qū)ΣㄩL為300 500nm的光波全反射，對波長為500 700的光波全透射。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熒光光纖溫度傳感器，其特征在于所述熒光光纖測溫探頭 由傳光光纖、熒光材料和保護套組成，熒光材料用環(huán)氧膠粘接于傳光光纖的末端，熒光材料 和傳光光纖作為整體被包裹于保護套內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熒光光纖溫度傳感器，其特征在于所述傳光光纖采用石英 光纖、多組份玻璃光纖或塑料光纖，熒光材料采用稀土三基色熒光粉、硫氧化釓鋱或氟鍺酸 鎂，保護套采用耐高溫聚四氟乙烯材料制成；所述傳光光纖的末端端面上涂覆有硅酮樹脂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的熒光光纖溫度傳感器，其特征在于熒光激勵光源 采用波長為350 420nm的發(fā)光二極管、激光二極管或低壓汞燈。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熒光光纖溫度傳感器，其特征在于所述熒光探測器為光敏 二極管，所述熒光信號檢測處理系統(tǒng)還包括信號放大電路、脈沖整形電路、低通濾波電路、 帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的單片機、時鐘電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熒光光纖溫度傳感器，其特征在于所述熒光信號檢測處理 系統(tǒng)與光源驅(qū)動電路通信連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熒光光纖溫度傳感器，其特征在于所述光源驅(qū)動電路由單 片機控制，產(chǎn)生周期性電脈沖來驅(qū)動LED光源，使其產(chǎn)生相應(yīng)的激勵脈沖光波。
專利摘要本實用新型旨在提供一種基于熒光壽命檢測的熒光光纖溫度傳感器，以解決背景技術(shù)中所述的傳統(tǒng)光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、測量精度較低、受光強變化影響大等問題。該熒光光纖溫度傳感器包括光源驅(qū)動電路、熒光激勵光源、光路耦合系統(tǒng)、熒光光纖測溫探頭、熒光信號檢測處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)；熒光光纖測溫探頭由傳光光纖、熒光材料和保護套組成，熒光材料用環(huán)氧膠粘接于傳光光纖的末端，熒光材料和傳光光纖作為整體完全由保護套包裹。本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、測量精度高、測量范圍大，抗腐蝕、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點。
文檔編號G01K11/32GK201680925SQ20102019349
公開日2010年12月22日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者張文松, 朱香平, 趙衛(wèi) 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所