CN101726372B - 光纤荧光温度传感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤荧光温度传感器，它包括光谱测量模块、控制与信号处理模块、光电二极管、光源、光纤光分束器、传感器探针，其特征是光谱测量模块连接控制与信号处理模块，控制与信号处理模块分别连接光电二极管和光源，光源连接光纤光分束器，光纤光分束器分别连接光电二极管和传感器探针。本发明的优点是：灵敏度高、信号稳定、可靠性良好、制造简便。

Description

光纤荧光温度传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤荧光温度传感器。

背景技术

某些荧光材料的发光特性与温度有显著的函数关系，测量计算材料荧光的强度、比强度、寿命等特性的变化可以得到相应的温度。荧光温度传感器往往还具有光波导组件，传播来自光源的激发光和来自荧光材料的荧光信号。深圳大学专利号为200810065176的光子晶体光纤荧光温度传感器及测量***，通过激发光和信号光的传播可以通过同一个光路，也可以不同。专利200810177040在利用同一个光波导传播激发光和信号光的温度传感器中，储置于一个罩子凹部的荧光材料被粘合在光波导端面，温度探针用保护套封闭(专利文献2)。保护套与储放荧光材料的罩子连接在一起。之前的荧光温度传感器使用同一个光波导传播激发光和信号光时，存在信号强度较低，因而影响测量精度。热敏区的附加质量较大，探针对快速变化的温度的响应存在迟滞；保护套的热导扰动改变测温点的温度，使传感器不能测量微区环境温度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤荧光温度传感器，传感器探针结构紧凑体型细小，激发光利用率高，信号稳定，兼容荧光强度法的测量，且避免了激发光强度起伏对测量精度的影响。

本发明是这样来实现的，它包括光谱测量模块、控制与信号处理模块、光电二极管、光源、光纤光分束器、传感器探针，其特征是光谱测量模块连接控制与信号处理模块，控制与信号处理模块分别连接光电二极管和光源，光源连接光纤光分束器，光纤光分束器分别连接光电二极管和传感器探针。

本发明所述的光源为经调制为脉冲光或被滤波的激发光光源。

本发明所述的传感器探针包括激发光传输光纤束、信号传输光纤、约束套管、荧光混合物、反射层，其特征是约束套管固定连接六根激发光传输光纤束和一根信号传输光纤，六根激发光传输光纤束包裹一根信号传输光纤形成光纤束，光纤束的一端连有荧光混合物，荧光混合物***连有反射层。

所述的荧光混合物为荧光材料和液态粘合剂的混合后固化产物。

所述的荧光材料为红宝石或其它过渡金属掺杂的化合物、稀土氧化物、有机荧光材料、络合荧光物质或复合荧光材料；所述的液态粘合剂为环氧树脂、丙烯酸酯、硅树脂、透明塑料的前驱体或熔融光学塑料、硅酸盐、硼酸盐或含有上述粘合剂成分的混合物。

所述的反射层的材料为金属、合金、有机物、化合物、氧化物或以上材料的混合物。

本发明的优点是：灵敏度高、信号稳定、可靠性良好、制造简便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明传感器探针的切面图。

图3为本发明传感器探针的结构示意图。

在图中，1、光谱测量模块2、控制与信号处理模块3、光电二极管4、光源5、光纤光分束器6、传感器探针7、激发光传输光纤束8、信号传输光纤9、约束套管10、荧光混合物11、反射层

具体实施方式

如图1所示，本发明是这样来实现的，它包括光谱测量模块1、控制与信号处理模块2、光电二极管3、光源4、光纤光分束器5、传感器探针6，其特征是光谱测量模块1连接控制与信号处理模块2，控制与信号处理模块2分别连接光电二极管3和光源4，光源4连接光纤光分束器5，光纤光分束器5分别连接光电二极管3和传感器探针6。

本发明所述的光源为经调制为脉冲光或被滤波的激发光光源。

如图2、图3所示，本发明所述的传感器探针6包括激发光传输光纤束7、信号传输光纤8、约束套管9、荧光混合物10、反射层11，其特征是约束套管9固定六根激发光传输光纤束7和一根信号传输光纤8，六根激发光传输光纤束7包裹一根信号传输光纤形成光纤束，光纤束的一端连有荧光混合物10，荧光混合物10***连有反射层11。

所述的荧光混合物为荧光材料和液态粘合剂的混合固化产物。

所述的荧光材料为红宝石或其它过渡金属掺杂的化合物、稀土氧化物、有机荧光材料、络合荧光物质、复合荧光材料；所述的液态粘合剂为环氧树脂、丙烯酸酯、硅树脂、透明塑料的前驱体或熔融光学塑料、硅酸盐、硼酸盐或含有上述粘合剂成分的混合物。

所述的反射层的材料为金属、合金、有机物、化合物、氧化物或以上材料的混合物。

温度传感器是利用热敏材料随温度变化的荧光特性来测量温度。***光路中还可以添加隔离器、偏振元件等光学元件。常用光源4有汞灯、惰性气体灯例如氙灯、氘灯、半导体激光器、卤钨灯，根据荧光材料的发光特性和光波导(信号传输光纤8和光纤光分束器5)的窗口范围，选择波长合适的激发光源，并选用合适波段的滤色片。光纤光分束器为1X8分束器，对入射光功率均等分束。源于光源4的激发光经光纤光分束器5分支成为八束等强度光，一束作为冗余悬置，一束由光电二极管3接收作为对光源的监控信号，另外的六束合为激发光传输光纤束7照射到传感器探针6的热敏部，平行入射到凹面反射层11上，然后会聚到荧光混合物10上并激发使其发光。荧光混合物10的发射光部分被凹面反射层11反射，信号荧光进入信号传输光纤8，导出被光谱测量模块1接收，测量荧光的各项温度敏感特性，例如荧光寿命、不同荧光峰的强度等。由控制与信号处理模块2拟合计算对应的温度，并控制协调整套***的运行。

如图所示，1X8光纤光分束器5的六支输出光纤合并为激发光传输光纤束7，六根光纤束排列在信号传输光纤8的周圈，共同在温度传感器探针6的横截面形成六角密堆积的形式。然后，由约束套管9将这七根光纤约束在一起。约束效果一方面取决于约束套管9的内径和密堆积六角的公差配合，此外，在约束套管9内的空隙处可以灌注硅胶、环氧树脂或其它灌缝剂。这样，光纤头被固定，在储存、运送、工作过程中不会发生彼此的移位、扭转、弯曲等变形，从而光的传输是稳定可靠的。

在温度传感器探针6的顶端固定的荧光混合物10含有光学粘合剂成分，因此可以稳定地固定在传感器探针的端面。因此测量是稳定可重复的。由激发光传输光纤束7传播到荧光混合物10的激发光一部分被荧光混合物10吸收和散射，余下部分穿透荧光混合物10，近乎平行地入射到温度传感器探针6顶端的凹面反射层11上。凹面反射层11将穿透过来的激发光会聚到荧光混合物10中沿温度传感器探针6中轴的一点，因此可以提高荧光混合物10对激发光的吸收率；同时材料发射的荧光也被会聚后进入信号传输光纤8，因此信号荧光强度较高，可以保证测量精准度。凹面反射层11的材质可以使用金属例如铝、金、银、钛、铬等，或合金如不锈钢，也可以采用有机物如Teflon，还可以采用化合物如TiN、氧化物、以上材料的混合物、复合材料等。凹面反射层11可以单独加工出来，通过与约束套管9的连接固定在温度传感器探针6的顶端，连接方式可以但不限于以下方式：胶粘、压阻焊、锡焊、熔融焊、卷边铆接等。凹面反射层11可以是反射涂层或镀层的形态，直接附着在荧光混合物10表面。

如图3所示，在温度传感器探针6的顶端固定热敏荧光材料，典型的荧光材料有红宝石及其它过渡金属掺杂的化合物、镧系稀土氧化物等，也可能采用有机荧光材料、络合荧光物质、复合荧光材料。以稀土氧化物Y2O2S:Eu为例：高压汞灯光源的365nm紫外光作为激发光，发射荧光的中心波长位于540nm和630nm。测量这两个波长的荧光强度，求得相对值，就可以由相对值导出相应的被测温度。

与实施方式1的温度传感器探针6的构成不同点在于，荧光材料还可以仅仅固定在信号传输光纤8的端面。激发光传输光纤束7出射的光束在自由空间近乎平行入射到凹面反射层11上，然后被反射。该实施方式要求荧光混合物10堆积厚度和凹面反射层11的焦点位置的配合。任意哪种实施方式，荧光混合物10厚度足够包含凹面反射层11的焦点，且焦点位于信号传输光纤8的接受光立体角范围内，可以保证信号荧光的强度接近最优化。

本发明不限于上述实施方式。

Claims (6)

1.一种光纤荧光温度传感器，它包括光谱测量模块、控制与信号处理模块、光电二极管、光源、光纤光分束器、传感器探针，其特征是光谱测量模块连接控制与信号处理模块，控制与信号处理模块分别连接光电二极管和光源，光源连接光纤光分束器，光纤光分束器分别连接光电二极管和传感器探针。

2.根据权利要求1所述的光纤荧光温度传感器，其特征是所述的光源为经调制为脉冲光或被滤波的激发光光源。

3.根据权利要求1所述的光纤荧光温度传感器，其特征是所述的传感器探针包括激发光传输光纤束、信号传输光纤、约束套管、荧光混合物、反射层，其特征是约束套管固定连接六根激发光传输光纤束和一根信号传输光纤，六根激发光传输光纤束包裹一根信号传输光纤形成光纤束，光纤束的一端连有荧光混合物，荧光混合物***连有反射层。

4.根据权利要求3所述的光纤荧光温度传感器，其特征是所述的荧光混合物为荧光材料和液态粘合剂的混合后固化产物。

5.根据权利要求3所述的光纤荧光温度传感器，其特征是所述的荧光材料为红宝石或Y2O2S:Eu；所述的液态粘合剂为PMMA光学塑料前驱体或熔融PMMA。

6.根据权利要求3所述的光纤荧光温度传感器，其特征是所述的反射层的材料为铝。

Images