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专利名称：用于实时测量多点温度的光纤温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于温度传感器领域，特别涉及一种用于实时测量多点温度的光纤温度传感器。
背景技术：
光纤温度传感器与传统的温度传感器相比，具有很多优点，如光波不受电磁干扰影响；光纤工作频率宽，动态范围大，是一种低损耗传输线；光纤本身不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗辐射性能好。故光纤温度传感器特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用，解决了传统方法无法解决的测温难题。其中，荧光光纤温度传感器根据荧光物质受激励后所出射的荧光参数与温度的一一对应关系，通过检测荧光强度或荧光寿命实现温度传感，现已被广泛应用于电力系统、建筑、航空航天、医疗、食品加工、 石油化工、海洋开发等多种领域。在许多应用场合中，经常需要对多点测温进行监测。如在电力系统中，需要对变电所内的各种电器装备的在线温升进行测量。然而，目前大部分荧光光纤测温系统都仅可用于单点温度探测。故在需要进行多点温度同时测量时，若使用多套单点温度测量系统，则大大增加了成本。采用动态耦合的光学多路转换方案，即通过转换装置分别激发多个荧光探头并进行对应测量，可以实现多路温度监测(贾丹平,多路荧光光纤测温系统的研究，沈阳工业大学硕士论文，2001)。但是该方法的缺点在于一方面，复杂的动态耦合装置引入了动态耦合误差，影响测温的稳定性；另一方面，各路温度需依次转换光路进行测量，无法同时获得。此外，还可通过时分复用的方法实现多点温度测量，但是该方法需要采用多路激发光源及精密的时间同步系统，系统实现复杂、成本昂贵。因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是提出一种有效措施，就能够解决多点温度测量的问题。

发明内容
本发明的目的是提供一种用于实时测量多点温度的光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器的结构是多根传光光纤4分别连接Q个温度传感器光纤探头5和光纤耦合器3，并在温度传感器光纤探头上的涂覆荧光物质；光纤耦合器3再分别连接可强度调制的激励光源模块1和滤波元件6，滤波元件6与光电探测器7组合在一起、调制信号源2分别连接激励光源模块1、数据处理模块9及光电探测器7 ；数据处理模块9及光电探测器7之间连接低通滤波器8。所述温度传感器光纤探头上的荧光物质是直接附着在光纤探头端面，或直接在光纤中掺杂荧光物质，或在光子晶体光纤的气孔中混入荧光物质，所述各温度传感器光纤探头上的荧光物质的激发波长应相同或相近；其荧光物质选择不同浓度的同种材料或激发波长相近的不同材料，并且各荧光物质的荧光寿命在一定的温度范围内不存在交叠区域。所述在光纤中掺杂荧光物质为掺杂Cr3+离子。所述激励光源模块是能够直接进行强度调制，激励光源由所用荧光材料的吸收光谱确定，所述激励光源选用激光器、发光二极管(LED)、高压汞灯或高压氙灯担任。所述光纤耦合器的分光比为光纤探头数量(温度传感通道)分之一。所述传光光纤选用单模或多模的石英光纤，或塑料光纤或聚合物光纤中一种。所述滤波元件由二色镜或滤波片构成。所述光电探测器选择为光电倍增管、雪崩二极管或光电二极管一种用于实时测量多点温度的光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器的结构是多根传光光纤4分别连接多个温度传感器光纤探头5和光纤耦合器3，并在温度传感器光纤探头上的涂覆荧光物质；光纤耦合器3再分别连接可强度调制的激励光源模块 1和滤波元件6，滤波元件6与光电探测器7组合在一起、数据处理模块9及光电探测器7 之间连接低通滤波器8和带模数转换的程序控制单片机10 ；调制信号源2分别连接激励光源模块1、数据处理模块9，在调制信号源2及光电探测器7之间连接移相器11，移相器11 还与调制信号源2和数据处理模块9的共同节点连接。本发明的有益效果是与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明仅采用单一激励光源与信号探测、通过采用单一激励光源与信号探测处理模块降低系统成本、使得结构紧凑，并可实现多点温度的实时定位测量。处理模块即可实现多点温度测量，极大的降低了系统成本；系统结构简单、紧凑；可实现多点温度的同时测量；可实现多点温度的实时定位测量。


图1为一种可实时测量多点温度的荧光光纤温度传感器的结构示意图。图2为另一种可实时测量多点温度的荧光光纤温度传感器的结构示意图。图3为已知掺Cr3+的不同离子浓度的蓝宝石单晶光纤探头的荧光寿命随温度的变化曲线图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细的说明。参照图1，示出了本发明的所述的一种实时测量多点温度的光纤温度传感器的结构示意图，图中，所述光纤温度传感器的结构是多根传光光纤4分别连接Q个(测量通道数)温度传感器光纤探头5和光纤耦合器3 (其中Q > 1)，并在温度传感器光纤探头上涂覆荧光物质(如掺杂Cr3+离子)；各温度传感器光纤探头上的荧光物质的激发波长应相同或相近；其荧光物质选择不同浓度的同种材料或激发波长相近的不同材料，并且各荧光物质的荧光寿命在0-60°C的温度范围内不存在交叠区域。光纤耦合器3 (光纤耦合器的分光比为1/Q)再分别连接可强度调制的激励光源模块1和滤波元件6，滤波元件6与光电探测器 7组合在一起、调制信号源2分别连接激励光源模块1、数据处理模块9及光电探测器7 ；数据处理模块9及光电探测器7之间连接低通滤波器8。
使用光纤温度传感器实时测量多点温度的原理调制信号源2输出的信号对激励光源模块1进行强度调制，使其输出的光强度包络包含N个频率分量(调制频率数)；经调制后的激励光经光纤耦合器3按不同的分光比分光至各温度传感通道，并经传光光纤4传输后，激发温度传感器光纤探头5上的荧光物质，得到荧光信号，所述荧光信号被滤波元件 6滤除激励光后，光电探测器仅对荧光进行锁相探测；实际中，可通过将与激励光源模块1 输出信号同步的信号驱动光电探测器，使其增益受到相应调制，故而在探测过程中即可同时完成混频，再通过低通滤波器8即可实现锁相检测。采用锁相检测的办法(采用外差探测或零差探测)对荧光寿命进行解调，再结合各温度传感器光纤探头5所用荧光物质的信息，再与图3所示的已知掺Cr3+的不同离子浓度的蓝宝石单晶光纤探头的荧光寿命随温度的变化曲线(叶林华，周小芬，张金风，等.LED泵浦蓝宝石光纤荧光温度传感器[J].光子学报.2009,38(9) =2234-2237)进行对比，即可实现多点温度的实时定位测量。激励光源由所用荧光材料的吸收光谱确定，可选用激光器、发光二极管(LED)、高压汞灯或高压氙灯；滤波元件由二色镜或滤波片构成；光电探测器选用光电倍增管、雪崩二极管或光电二极管。传光光纤可为单模或多模的石英光纤、塑料光纤或聚合物光纤。由于光电探测器增益受到调制，所以其探测输出的信号正比于荧光强度与调制信号强度的乘积，即光电探测器相当于作为一个乘法器，再经低通滤波器即可实现锁相检测。 根据激励光调制信号与光电探测器增益调制信号之间的频率关系，可以分为外差探测和零差探测。根据激励光调制信号与参考信号之间的频率关系，可以分为外差探测和零差探测。①外差探测荧光信号与参考信号混频并经低通滤波器后的表达式可写为
权利要求
1.一种用于实时测量多点温度的光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器的结构是多根传光光纤(4)分别连接Q个温度传感器光纤探头( 和光纤耦合器(3)，并在温度传感器光纤探头上的涂覆荧光物质；光纤耦合器( 再分别连接可强度调制的激励光源模块(1)和滤波元件(6)，滤波元件(6)与光电探测器(7)组合在一起、调制信号源(2) 分别连接激励光源模块(1)、数据处理模块(9)及光电探测器(7)；数据处理模块(9)及光电探测器(7)之间连接低通滤波器(8)。
2.根据权利要求1所述用于实时测量多点温度的光纤温度传感器，其特征在于，所述温度传感器光纤探头上的荧光物质是直接附着在光纤探头端面，或直接在光纤中掺杂荧光物质，或在光子晶体光纤的气孔中混入荧光物质。
3.根据权利要求1所述用于实时测量多点温度的光纤温度传感器，其特征在于，所述各温度传感器光纤探头上的荧光物质的激发波长应相同或相近；其荧光物质选择不同浓度的同种材料或激发波长相近的不同材料，并且各荧光物质的荧光寿命在一定的温度范围内不存在交叠区域。
4.根据权利要求1所述用于实时测量多点温度的光纤温度传感器，其特征在于，所述在光纤中掺杂荧光物质为掺杂Cr3+离子。
5.根据权利要求1所述用于实时测量多点温度的光纤温度传感器，其特征在于，所述激励光源模块是能够直接进行强度调制，激励光源由所用荧光材料的吸收光谱确定，所述激励光源选用激光器、发光二极管、高压汞灯或高压氙灯担任。
6.根据权利要求1所述用于实时测量多点温度的光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤耦合器的分光比为1/Q，其中，Q彡1。
7.根据权利要求1所述用于实时测量多点温度的光纤温度传感器，其特征在于，所述传光光纤选用单模或多模的石英光纤，或塑料光纤或聚合物光纤中一种。
8.根据权利要求1所述用于实时测量多点温度的光纤温度传感器，其特征在于，所述滤波元件由二色镜或滤波片构成。
9.根据权利要求1所述用于实时测量多点温度的光纤温度传感器，其特征在于，所述光电探测器选择为光电倍增管、雪崩二极管或光电二极管
10.一种用于实时测量多点温度的光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器的结构是多根传光光纤(4)分别连接Q个温度传感器光纤探头(5)和光纤耦合器(3)，并在温度传感器光纤探头上的涂覆荧光物质；光纤耦合器( 再分别连接可强度调制的激励光源模块(1)和滤波元件(6)，滤波元件(6)与光电探测器(7)组合在一起、数据处理模块 (9)及光电探测器(7)之间连接低通滤波器(8)和带模数转换的程序控制单片机(10)；调制信号源( 分别连接激励光源模块(1)、数据处理模块(9)，在调制信号源( 及光电探测器(7)之间连接移相器(11)，移相器(11)还与调制信号源( 和数据处理模块(9)的共同节点连接。
全文摘要
本发明公开了属于温度传感器领域的一种用于实时测量多点温度的光纤温度传感器。该光纤温度传感器是传光光纤连接温度传感器光纤探头和光纤耦合器，并在温度传感器光纤探头上的涂覆荧光物质；光纤耦合器再分别连接可强度调制的激励光源模块和滤波元件及光电探测器；调制信号源分别连接激励光源模块、数据处理模块及光电探测器。光纤温度传感器使用经过强度调制的包络多个频率分量的激励光激发各通道光纤探头中的荧光物质，并采用锁相检测技术对所收集的荧光信号进行解调，得到各测量点的荧光寿命，进而获得相应点的温度。本发明仅采用单一激励光源与信号探测处理模块实现实时定位测量多点温度；结构简单紧凑、系统成本低廉。
文档编号G01K11/32GK102494798SQ201110361160
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者孔令杰, 李军, 杨昌喜, 肖晓晟 申请人:清华大学