专利名称：基于光纤辐射致衰减温度特性的反射式温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及了一种基于光纤辐射致衰减温度特性的反射式温度传感器，属于光纤传感和温度测量技术领域。
背景技术：
温度是工业生产过程中测控的重要参数之一，是设备的重要运行参数。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，温度过高或过低都会对产品和设备造成影响，甚至会使产品报废、设备损坏。因此，在国防、军事、科学 实验及工农业生产过程中，温度的测量和控制具有十分重要的作用。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了包含半导体热电偶传感器在内的多种温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。温度传感器的种类很多，有电阻式温度传感器、热电偶式温度传感器、双金属片温度传感器、石英谐振型温度传感器等。但是在易燃、易爆、空间狭窄、具有腐蚀性环境或有电磁干扰的恶劣环境下，传统的温度测量技术受到很大的限制，甚至无法工作。光纤温度传感器的传感头不带电，且光纤具有体积小、重量轻、易弯曲、抗电磁干扰等特点，使光纤温度传感器在这些场合应用具有明显的优势。目前光纤温度传感器主要包括光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器、半导体吸收式光纤温度传感器和光纤法布里-波罗腔干涉式温度传感器等。其中光纤布拉格光栅温度传感器采用波长调制，解调系统复杂，有温度-应力交叉感应的问题。半导体吸收式光纤温度传感器制作过程较复杂，工艺要求较高，需要价格昂贵的紫外宽带光源并对光纤有较高要求，且耦合效率低于直接耦合，测量精度较低，通常只有±1°C。而光纤法布里-波罗腔干涉式温度传感器的制作工艺复杂，一致性难以保证，解调系统复杂感应温度范围十分有限。
发明内容
本发明是要提供一种基于光纤辐射致衰减温度特性的反射式温度传感器，用以解决现有光纤温度传感器存在的制造工艺较复杂、信号解调系统复杂、成本较高等问题，提高测温的灵敏度。本发明的基于光纤辐射致衰减温度特性的反射式温度传感器，包括光源、耦合器、测量光路、参考光路、两个光电二极管、以及信号处理及光源驱动电路。信号处理及光源驱动电路为光源提供电源，光源通过光纤连接耦合器，耦合器通过光纤分别连接温度敏感兀件、第一光电二极管和第二光电二极管，两个光电二极管将转换的电信号都通过电线传送给信号处理及光源驱动电路，信号处理及光源驱动电路对两路电信号进行处理，转换成温度值；测量光路包括温度敏感元件、连接耦合器与温度敏感元件的光纤A、以及连接耦合器与第一光电二极管的光纤B ;参考光路包括连接耦合器和第二光电二极管的光纤。所述的温度敏感元件的光纤末端存在反射装置，例如，反射装置可以为镀在光纤末端端面的反射膜或刻在光纤末端的光栅。光源发出的光经过耦合器分成强度相等的两束一束光经参考光路到达第二光电二极管；另一束光由光纤A进入温度敏感元件，在温度敏感元件的末端被反射装置反射，回到光纤A，光强被温度场调制，随后由耦合器进入光纤B，经光纤B到达第一光电二极管。本发明的反射式温度传感器还包括信号输出与控制接口，信号处理及光源驱动电路通过信号输出与控制接口，将数字信号形式的温度值输出，并通过信号输出与控制接口接收外部的控制信号，来控制温度测量的频率、模式以及光源的开启与关闭。本发明基于光纤辐射致衰减温度特性的反射式温度传感器的优点和积极效果在于:①安全性高。由于温度敏感兀件的光纤工作 时不带电，系统的光能量微弱，不存在安全隐患，可用于油库等易燃易爆品存放处。②抗电磁干扰。光纤本身是绝缘体，其衰减不受电磁影响，故本发明的传感器可用于电力行业等恶劣电磁环境下。③温度敏感元件制造工艺简单且设计灵活。温度敏感元件只需用辐照后的光纤绕制而成，不存在复杂的结构，对外形限制较少。可通过调整辐照剂量、退火温度和光纤掺杂等工艺因素达到不同的测量精度和测量范围。④成本相对较低。相对其他类型的光纤温度传感器，本发明的传感器没有复杂的解调系统和结构以及特制的器件，可采用工作在通讯波长的光源和光电探测器，制作简单，因而成本相对较低。⑤较高测量精度。可实现优于O. 5°C的测温分辨率。
图I是本发明的光纤温度传感器的整体结构示意图。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。如图I所示，本发明具体实施方式
提供的一种基于光纤辐射致衰减温度特性的反射式光纤温度传感器，包括用于提供光信号的光源I、用于分光的耦合器2、测量光路的光纤A3、测量光路的温度敏感元件4、测量光路的光纤B5、参考光路7、第一光电二极管6、第二光电二极管8、信号处理及光源驱动电路9、以及信号输出与控制接口 10。如图1，光源I通过光纤连接耦合器2，耦合器2通过光纤分别连接第一光电二极管6、第二光电二极管8和温度敏感兀件4,第一光电二极管6和第二光电二极管8分别通过电线连接到信号处理及光源驱动电路9，信号处理及光源驱动电路9通过电线连接信号输出与控制接口 10和光源I。连接耦合器2和温度敏感元件4的光纤为测量光路的光纤A3，连接耦合器2和第一光电二极管6的光纤为测量光路的光纤B5，连接耦合器2和第二光电二极管8的光纤为参考光路7。光电二极管6、8用于将光信号转化为电信号。信号处理及光源驱动电路9的作用是对两路电信号进行滤波、放大、模数转换和数学运算，转换成温度值，并以数字信号的形式通过信号输出与控制接口 10发送给与之相连的计算机或其他设备。
具体的，图I中的光源I可采用稳定SLD (超辐射发光二极管)，例如工作在通信波段1310nm或1550nm的稳定SLD，也可以采用激光光源。参考光路7以及光纤A3和光纤B5可采用普通通信光纤；信号输出和控制接口 10可采用RS232串口。测量光路采用经过辐照退火处理的光纤制作温度敏感元件4，利用其辐射致衰减的温度特性对光强进行调制，实现全光纤温度测量。通过在温度敏感元件4的光纤末端刻制光栅或在光纤末端端面镀反射膜，形成反射式结构，等效于增加了温度敏感元件4的光纤的长度，使温度敏感元件4的等效光纤长度是同样透射式结构的2倍，提高了温度测量的灵敏度。具体测量光路中的温度敏感元件4制作过程如下①对选取的掺杂光纤进行辐照处理；②对辐照后的光纤进行预定时间预定温度的高温退火处理使之充分退火，即在测温范围内恒温下光纤衰减不再随时间改变；③在光 纤的末端刻制光栅或在末端端面镀反射膜；④将光纤绕制成温度敏感元件。掺杂与辐照剂量以及敏感光纤长度将影响最终传感器的灵敏度与测量范围，因而需要根据要求的传感器的灵敏度和测量范围以及允许的敏感光纤长度来选取。例如，如果对灵敏度要求很高且要求敏感光纤长度较短时可以选取掺铒光纤大剂量辐照，对测量范围要求较高可选取掺磷光纤小剂量辐照。高温退火处理的温度要高于最终传感器温度测量范围的上限，例如如果最高测量温度为60°C，可采用70°C进行退火处理。本方法提供的具体实施方式
的工作原理是信号处理及光源驱动电路9为光源I提供电源驱动，光源I发出的光经过耦合器2分成强度相等的两束；一束进入参考光路7，由传光光纤到达第二光电二极管8，转换为电信号传送给信号处理及光源驱动电路9 ;另一束光进入测量光路，由传光光纤A3进入温度敏感元件4，在温度敏感元件4的末端被反射膜或光栅反射，回到传光光纤A3，光强被温度场调制，随后由耦合器2进入传光光纤5，由第一光电二极管6转换为电信号传送给信号处理及光源驱动电路9。信号处理及光源驱动电路9将接收到的两路电信号经过滤波、放大、模数转换和数学运算后，变成温度值以数字信号的形式通过信号输出和控制接口 10发送给与之相连的计算机或其他设备，从而实现温度的显示与记录。计算机或其他设备也可通过信号输出与控制接口 10发送控制信号来控制系统温度测量的频率、模式以及光源的开启与关闭等。本发明的温度测量器利用参考光路的输出信号消除了光源功率波动等因素对测量结果造成的影响，使得温度测量结果更为准确。设第二光电二极管8接收到的光功率为P1 (T)，第一光电二极管6接收到的光功率为P2(T)，T表示温度值。25°C下相应的光功率分别SP1 (25)和P2 (25)，可得温度敏感元件4的归一化衰减A (T)
ml R{T)-1\ (25)25°C下的温度敏感元件4的归一化衰减A(T)的值为OdB。最后根据测试前获得的温度敏感元件4的归一化衰减(同样用25°C归一化)与温度T的关系，将光纤衰减转化相应的温度值T Γ = /(汍7，))=|> .才.(/，)
O
其中，η为多项式拟合阶数，kn为第η阶拟合系数。f (A(T))表示敏感光纤的衰减由于被温度场调制，与温度呈现一定的函数关系。由于光纤掺杂种类、浓度、拉制过程中的应力、辐照剂量、退火温度等等因素上的差异都会对函数f(A(T))带来影响，而且工艺上并不能保证它们完全一致，无法通过理论计算得出kn的值，因此只能通过多项式拟合来确定kn。进行多项式拟合需要获得传感器测量范围内各个标准温度下温度敏感元件4的A(T)，并以其为横轴，温度T为纵轴进行拟合，匕在拟合中被确定。拟合的原则是在达到要求的测量精度下阶数η尽可能的低。进行多项式拟合的目的一方面是在一定程度上改善非线性对温度传感器测量结果造成的影响，另一方面补偿制作工艺对传感器测量带来的影响，是一个对温度传感器进行校准的过程。显然由于工艺上的差别，对于不同的两个传感器，kn的值也会 有所不同。完成校准后等式右端的匕成为已知的常数，因而在传感器的使用过程中可根据A(T)计算得出当前的温度值T。本发明提供的基于光纤辐射致衰减温度特性的反射式温度传感器第一，利用光纤的辐射致衰减的温度特性进行强度调制，实现了较高的测量精度；第二，提出一种反射式测量结构，提高了温度测量的灵敏度，增加了敏感元件设计和使用的灵活性；第三，设置了参考光路，补偿了光源波动对测量结果的影响。
权利要求
1.一种基于光纤辐射致衰减温度特性的反射式温度传感器，其特征在于，包括光源、耦合器、测量光路、参考光路、两个光电二极管、以及信号处理及光源驱动电路；信号处理及光源驱动电路为光源提供电源，光源通过光纤连接耦合器，耦合器通过光纤分别连接温度敏感元件、第一光电二极管和第二光电二极管，两个光电二极管将转换的电信号都传送给信号处理及光源驱动电路，信号处理及光源驱动电路对两路电信号进行处理，转换成温度值；测量光路包括温度敏感元件、连接耦合器与温度敏感元件的光纤A、以及连接耦合器与第一光电二极管的光纤B ;参考光路包括连接耦合器和第二光电二极管的光纤；所述的温度敏感元件的光纤末端存在反射装置；光源发出的光经过耦合器分成强度相等的两束一束光经参考光路到达第二光电二极管；另一束光由光纤A进入温度敏感元件，在温度敏感元件的末端被反射装置反射，回到光纤A，光强被温度场调制，随后由耦合器进入光纤B，经光纤B到达第一光电二极管。
2.根据权利要求I所述的反射式温度传感器，其特征在于，所述的反射装置为镀在光纤末端端面的反射膜或刻制在光纤末端的光栅。
3.根据权利要求I所述的反射式温度传感器，其特征在于，所述的光源为稳定超辐射发光二极管或者为激光光源。
4.根据权利要求I所述的反射式温度传感器，其特征在于，所述的温度敏感元件，其制作过程如下①对选取的掺杂光纤进行辐照处理；②对辐照后的光纤进行高温退火处理使之充分退火，即在测温范围内恒温下光纤衰减不再随时间改变；③在光纤的末端端面镀反射膜或在末端刻制光栅；④将光纤绕制成温度敏感元件。
5.根据权利要求4所述的反射式温度传感器，其特征在于，所述的选取的掺杂光纤，对灵敏度要求高且要求敏感光纤长度较短时选取掺铒光纤，对测量范围要求高时选取掺磷光纤。
6.根据权利要求I 4任一所述的反射式温度传感器，其特征在于，所述的反射式温度传感器还包括信号输出与控制接口，信号处理及光源驱动电路通过信号输出与控制接口，将数字信号形式的温度值输出，并通过信号输出与控制接口接收外部的控制信号，来控制温度测量的频率、模式以及光源的开启与关闭。
全文摘要
本发明提出了一种基于光纤辐射致衰减温度特性的反射式温度传感器，光源发出的光经过耦合器分成强度相等的两束一束光经光纤到达光电二极管；另一束光经光纤进入温度敏感元件，并在光纤末端被反射装置反射返回，光强被温度场调制，经耦合器、光纤到达另一个光电二极管；两个光电二极管进行光电信号转换，将电信号都传送给信号处理及光源驱动电路，信号处理及光源驱动电路根据接收到的两路电信号确定温度值。本发明实现了全光纤温度测量，具有安全性高、抗电磁干扰、成本相对较低、测量精度较高的优点，且使用的温度敏感元件具有制造工艺简单且设计灵活的特点。
文档编号G01K11/32GK102818655SQ20121027984
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月7日 优先权日2012年8月7日
发明者金靖, 刘纪勋, 宋凝芳, 徐娆美, 李彦, 张春熹 申请人:北京航空航天大学
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