CN101349600A - 基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器 - Google Patents

Abstract

基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器，属辐射传感器技术领域。其目的是提供一种可监测大范围，适用于多种场合，多种频段的基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器。其技术要点是：由聚光镜，光纤光栅，光纤信号传输线，耦合器，波长探测仪和光源组成，聚光镜(1)与光纤光栅(2)通过支架结合构成光纤光栅探头，光纤光栅与光纤信号传输线(3)连接，光纤信号传输线通过耦合器(4)，分别与波长探测仪(5)和光源(6)连接。由于光纤布拉格光栅是光纤中的一种无源器件，光束在其中的传播行为受光栅周期的改变和控制，光栅周期会随外界温度的影响而改变。通过检测光栅光谱的频移，可实现对被测目标区域辐射温度或微波功率的监测。

Description

基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器

技术领域

本发明涉及一种辐射传感器，更特别地说，是指一种基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器。

背景技术

目前，温度传感器被广泛应用于各个领域，其敏感元件随测量原理不同结构各式各样，其中辐射测温是一种非接触式的测量技术。任何物体只要它的温度高于热力学温度(0K或-273℃)，它就一定会不断地发射电磁辐射，包括固体、液体和气体在内的物体都有这种辐射发生。测量待测对象物所发射的辐射谱，从而就可估算待测对象物的实际温度。

这种辐射测温原理同样适用于估算红外和微波场的温度。在强电磁场下，当用常规温度传感器(如热电偶、热电阻等)测温时，金属材料制作的测温探头及导线在高频电磁场下产生感应电流，由于集肤效应和涡流效应，使其自身温度升高，对温度测量造成严重干扰，使温度示值产生很大误差或者无法进行稳定的温度测量。

为解决电磁干扰等问题，可选用光纤温度传感***。光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒介的光纤，具有一系列独特的，其他载体和媒介难以比拟的优点：光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便的进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配；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，体小质轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：结合辐射测温技术与光纤光栅温度传感技术，提供一种结构简单，成本更低，可监测大范围，适用于多种场合，多种频段的基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器。

其技术方案是：一种基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器，包括聚光镜，光纤光栅，光纤信号传输线，耦合器，波长探测仪和光源，其特征在于：所述聚光镜与光纤光栅通过支架结合构成光纤光栅探头，光纤光栅与光纤信号传输线连接，光纤信号传输线通过耦合器，分别与波长探测仪和光源连接。

所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。

其技术效果是：本发明由于采用聚光镜对所监测目标区域进行辐射能量采集，并聚焦于光纤光栅上。从光源发出的检测光束经过耦合器，通过光纤信号传输线到达光纤光栅探头，反射回的光束进入波长探测仪。由于光纤布拉格光栅(FBG)是光纤中的一种无源器件，光束在其中的传播行为受光栅周期的改变和控制，光栅周期会随外界温度的影响而改变。通过检测光栅光谱的频移，可以实现对被测目标区域辐射温度或微波功率的监测。其优点是：

(1)适用于复杂环境探测，由于采用的光学镜头和光纤光栅是完全的电介质，传感信号均为光信号，不会在结构中引起电子回路，具有抗电磁干扰性，不会点火或引起***；

(2)适用于多种频段的辐射量测量，可对待测对象物的红外辐射测量，也可用于测量高频的微波场温度；

(3)适用于大面积探测，采用透射或反射式的镜组阵列，可实现对大面积目标待测温度的同时监测；

(4)高灵敏度和可靠性，本发明仅利用光纤光栅对温度的敏感性，故可以消除应力及其它因素的干扰，另一方面由于本发明可对大面积区域进行监测，其动态响应性能好。

(5)光纤光栅的写入技术比较成熟，便于形成规模生产(商品化)。

(6)结构简单，成本低廉。

附图说明

图1是本发明的结构原理图；

图2是一种透射镜结构示意图；

图3是另一种透射镜结构示意图；

图4是第三种透射镜结构示意图；

图5是第四种透射镜结构示意图；

图6是反射镜的结构示意图；

图7是一种光纤光栅结构示意图；

图8是另一种光纤光栅结构示意图；

图9是一种光纤光栅探头结构示意图；

图10是另一种光纤光栅探头结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于光纤光栅的红外和微波辐射传感器，包括聚光镜，光纤光栅，光纤信号传输线，耦合器，波长探测仪和光源。聚光镜1与光纤光栅2通过支架7结合构成光纤光栅探头，光纤光栅与光纤信号传输线3连接，光纤信号传输线通过耦合器4，分别与波长探测仪5和光源6连接。

被测目标区域0发射出的辐射能量，通过聚光镜1聚焦于光纤光栅探头上。由热辐射中的普朗克公式可知，待测对象物0，在一定温度T状态下，发射出的波长为λ的光辐出度可表示为下式(1)：

$M(\mathrm{\λ},T)={\mathrm{\ϵM}}_b(\mathrm{\λ},T)=\mathrm{\ϵ}\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}^5\exp \left(\frac{C_2}{\mathrm{\λT}}\right)-1}---\left(1\right)$

式(1)中ε为待测对象物的发射率，C₁为第一辐射常数(3.7415×10⁸W·μm⁴·m^-2)，C₂为第二辐射常数(1.4388×10⁴μm·K)。

辐射能量经过通光口径为D，立体角为Ω的聚光镜组，会聚于光纤光栅探头2上。则光纤光栅探头所接收到的辐射功率可由(2)式计算：

$={\left(\frac{\mathrm{\π}D\sin \mathrm{\Ω}}{2}\right)}^2{\∫}_{\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_1}^{\mathrm{\λ}{=\mathrm{\λ}}_2}M(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}---\left(2\right)$

在绝热条件下，辐射功率P导致光纤光栅探头的温度T随时间t上升，其温度升高量ΔT为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{P}{\mathrm{mc}}\mathrm{\Δt}---\left(3\right)$

式(3)中m是光纤光栅的质量，c是它的比热。

从光源6发出的检测光束经过耦合器4，通过光纤信号传输线3到达光纤光栅探头，光纤光栅探头反射回的光束进入波长探测仪5。由于温度变化会引起光纤光栅周期变化，通过检测反射光束的光谱频移，完成对被测目标区域0温度的监测。

光纤光栅探头由聚光镜、光纤光栅和支架构成(见图9、10)。

聚光镜1为透射镜或反射镜。

透射镜可采用滤光透镜11，并镀增透膜(见图2)，选择特定波长范围的红外光通过。

透射镜也可采用菲涅耳透镜(见图3)。菲涅耳透镜12可在相当广阔的波段中工作，具有体积小，重量轻，便于复制价格便宜等优点。根据使用场合，待测目标的温度范围，可选择10mm～500mm通光口径的菲涅耳透镜。另外可通过选用不同的透镜材料或镀膜的方式实现对不同波段的辐射谱通过。

透射镜还可采用菲涅耳透镜12和柱透镜13配合的结构形式(见图4)，或者菲涅耳透镜12

缝14结合的结构形式(见图5)。菲涅耳透镜12聚焦光斑经柱透镜13或狭缝14后压缩为椭圆光斑。相同的辐射热能，聚焦为椭圆光斑导致的光纤光栅2的温升大于圆光斑，有利于提高传感器的灵敏度。

反射镜15可采用球面、抛物面或双焦点式结构(见图6)。在某些情况下，使用反射镜更为有利。相比于红外透镜，反射镜价格便宜，并且它不受色差的影响，对于多波长传感器的设计较为方便。在应用于一些特殊场合时，反射镜的通光口径可以作的比较大，可达几米甚至数十米。

上述的光纤光栅2为光纤布拉格光栅21。

光纤布拉格光栅21连接在光纤信号传输线3端部包层31内的纤芯32中(见图7)。当被测目标区域0温度变化辐射出的热能经透射镜或反射镜聚焦于光纤光栅上时，通过检测光栅的周期变化引起的反射光谱频移，完成对被测目标区域温度的监测。

光纤布拉格光栅还可以是两个。两个光纤布拉格光栅21、22依次串接在光纤信号传输线3端部包层31内的纤芯32中(见图8)。当被测目标区域0辐射出的热能经透射镜或反射镜唯一聚焦于连接在光纤信号传输线3前端的光纤布拉格光栅21上时，则连接在其后的光纤布拉格光栅22无辐射能量聚焦，并且两个光纤布拉格光栅之间无热能交换。因为两个光纤布拉格光栅同在一个环境中，所以室温以及其它非被测目标区域温度变化所造成的影响由于同步而互相抵消。分析两个光纤布拉格光栅的光谱差值，就仅为被测目标区域0温度变化所造成的影响。由于这种光谱分析只需要测量光纤布拉格光栅的光谱相对差值，不涉及光谱谱线的绝对测量，故而准确度更高，更有利于分析。

波长探测仪5还可与微电脑连接，将光纤光栅探头中的温度信息提取后送入微电脑进行控制、显示、报警等后续处理。

本发明的一个具体实施例涉及红外温度探测，采用如图10所示的光纤光栅探头结构，其中光栅21，22采用铝片温度增敏封装。将一功率稳定的红外光源依次放置距反射镜1m，2m至9m，两光栅反射光谱的中心波长间距的变化量分别为2478pm，1418pm，658pm，286pm，143pm，90pm，69pm，42pm，29pm。通过对光栅反射光谱波长的监测，就可在不同位置估算热源温度。增大反射镜口径，可实现远距离温度探测，探测距离可达数十米。利用本发明实施装置可应用于大范围目标区域火灾报警探测。另外可选用适合波长通过的材料制作透镜或反射镜，或增镀透射膜或反射膜，就可采用相同的光纤光栅探头结构，实现对微波辐射探测。

Claims (7)

1、一种基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器，包括聚光镜，光纤光栅，光纤信号传输线，耦合器，波长探测仪和光源，其特征在于：所述聚光镜(1)与光纤光栅(2)通过支架结合构成光纤光栅探头，光纤光栅与光纤信号传输线(3)连接，光纤信号传输线通过耦合器(4)，分别与波长探测仪(5)和光源(6)连接。

2、根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器，其特征在于：所述的聚光镜(1)为透射镜或反射镜。

3、根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器，其特征在于：所述的透射镜为滤光透镜(11)、菲涅耳透镜(12)、菲涅耳透镜(12)与柱透镜(13)组合或菲涅耳透镜(12)与狭缝(14)组合。

4、根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器，其特征在于：所述的反射镜为球面、抛物面或双焦点式反射镜(15)。

5、根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器，其特征在于：所述的光纤光栅(2)为光纤布拉格光栅(21)。

6、根据权利要求5所述的一种基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器，其特征在于：所述的光纤布拉格光栅(21)连接在光纤信号传输线(3)端部包层(31)内的纤芯(32)中。

7、根据权利要求5所述的一种基于光纤光栅的红外和微波辐射测温传感器，其特征在于：所述的光纤布拉格光栅为两个，依次串接在光纤信号传输线(3)端部包层(31)内的纤芯(32)中。

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