CN112729605B - 一种基于光谱吸收原理的光纤测温*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于光谱吸收原理的光纤测温***，是利用气体光谱吸收在压力变化时的多普勒展宽效应，对光谱吸收线的展宽幅度进行测量以实现测温。结构简单、价格低廉，测温量程仅受限于光纤工作温度范围，可达700℃；光纤类型为单模光纤，测温探头和主机距离可达50km以上，解决了现有荧光测温光纤传输距离短的问题。测温探头为全密封结构，避免高温测量时探头受热杂质混入被测介质，内部气体压力不受外部压力影响，测温结果准确；所填充的纯净气体不会产生分解物，进而保证被测环境（如变压器油）的绝缘性能。传输介质和探头均为非金属材质，可用于电磁环境恶劣或者有绝缘要求的场合，如电力变压器、开关柜内部或加热炉等。
Description
技术领域
本发明涉及光纤测温技术领域，尤其是一种基于光谱吸收原理的光纤测温***。
背景技术
目前，公知的光纤测温基本上为如下两种形式：一种是基于温敏荧光材料的荧光特性进行测温，如余晖法荧光测温；另一种是使用布拉格光纤光栅（FBG）***测量。余晖法荧光测温是由光纤与内置有荧光粉的荧光探头相接，当荧光粉受到一定波长的光激励后，受激辐射出荧光能量，当激励撤消后，荧光余晖的持续性（时间）与环境温度相关，进而通过测量荧光余晖时间达到测温的目的；所用荧光测温存在着荧光粉（如红宝石等）价格昂贵、硬度大难以制粉及检测范围窄、荧光光纤传输距离短等问题。布拉格光纤光栅（FBG）***是通过外界温度对光纤布拉格(Bragg)波长的调制来获取传感信息，解调装置复杂、价格昂贵，尤其是光纤光栅测温探头内部填充的导热剂在高温测量时压力增大，传感器本身的温度和应力交叉敏感特性会影响测温精度。另外，现有光纤测温探头中的荧光粉或导热剂在温度过高时均能产生分解物，直接影响被测环境（如变压器油）的绝缘性能。
发明内容
本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种基于光谱吸收原理的光纤测温***。
本发明的技术解决方案是：一种基于光谱吸收原理的光纤测温***，有单片机，单片机通过温度控制器与恒温底座相接，单片机通过电流驱动器与激光器相接，所述激光器置于恒温底座上，激光器与光环行器的输入端相接，光环行器的公共端通过光纤与测温探头相接，光环行器的输出端与光电探测器相接，所述光电探测器的输出端通过A/D转换器与单片机相接，所述测温探头设有石英套管，所述石英套管的一端紧密套接在与光纤相接的自聚焦准直透镜上，所述石英套管的另一端密封相接有与轴线垂直的平面反射镜，在石英套管内填充有对激光有强吸收光谱的纯净气体；所述单片机控制激光器发出波长周期性变化的激光，中心波长为纯净气体最强的吸收谱线所在波长；单片机采集每个激光扫描周期内光电探测器的输出电流变化曲线，获得光谱吸收线的半峰宽度D，所述D= t2-t1，所述t1和t2为每个激光扫描周期内光电探测器的输出电流先后两次达到PH的时刻，所述PH=（Pmax+Pmin）/2，Pmax为光电探测器的输出电流最大值，Pmin为光电探测器的输出电流最小值；测温探头的温度 T=f(D)。
所述自聚焦准直透镜为圆柱体实心结构且与石英套管键合，键合区长度为自聚焦准直透镜长度的50~60%。
所述自聚焦准直透镜的长度为18mm，纯净气体的填充长度至少10mm。
所述纯净气体为乙炔或甲烷。
本发明是基于光谱吸收原理的光纤测温***，利用气体光谱吸收在压力变化时的多普勒展宽效应，对光谱吸收线的展宽幅度进行测量以实现测温。结构简单、价格低廉，测温量程仅受限于光纤工作温度范围，可达700℃（高温涂层光纤）；光纤类型为单模光纤，测温探头和主机传输距离可达50km以上，解决了现有荧光测温光纤传输距离短的问题。测温探头为全密封结构，避免高温测量时探头受热杂质混入被测介质，内部气体压力不受外部压力影响，测温结果准确；所填充的纯净气体不会产生分解物，进而保证被测环境（如变压器油）的绝缘性能。传输介质和探头均为非金属材质，可用于电磁环境恶劣或者有绝缘要求的场合，如电力变压器、开关柜内部或加热炉等。
附图说明
图1是本发明实施例的示意图。
图2是本发明实施例测温探头的结构示意图。
图3是本发明实施例激光扫描周期内光电探测器的输出电流变化曲线图。
具体实施方式
本发明的基于光谱吸收原理的光纤测温***如图1所示，有单片机1，单片机1通过温度控制器2与恒温底座3相接，单片机1通过电流驱动器4与激光器5相接，所述激光器5置于恒温底座3上，激光器5与光环行器6的输入端相接，光环行器6的公共端通过光纤7（单模光纤）与测温探头8相接，光环行器6的输出端与光电探测器9相接，所述光电探测器9的输出端通过A/D转换器10与单片机1相接，所述单片机1、温度控制器2、恒温底座3、电流驱动器4、激光器5、与光环行器6、光纤7、光电探测器9及A/D转换器10均为现有技术，激光器5可采用DFB激光器或VCSEL激光器。测温探头8如图2所示，设有石英套管8-1，石英套管8-1为一端开口、另一端有垂直轴线的平面封底，石英套管8-1的开口端紧密套接在与光纤7相接的自聚焦准直透镜8-2上，在石英套管8-1内填充有对激光有强吸收光谱的浓度为100%的纯净气体8-4，如乙炔、甲烷等，具体可采用现有的气体填充技术在石英套管8-1内填充纯净气体8-4，之后采用键合技术使石英套管8-1与亦采用石英材质制成的圆柱体实心结构的自聚焦准直透镜8-2成为一体化结构，之后在石英套管8-1的另一端封底外面镀一层反射介质膜形成平面反射镜8-3。自聚焦准直透镜8-2的长度可为18mm，则键合区长度为自聚焦准直透镜8-2长度的50%（9mm），纯净气体8-4的填充长度至少10mm。
单片机1通过温度控制器2、电流驱动器4控制及激光器5在一定温度下发出激光信号，激光信号进入光环行器6输入端，从光环行器6的公共端通过光纤7耦合至自聚焦准直透镜8-2，再通过纯净气体8-4至平面反射镜8-3；平面反射镜8-3的反射光信号沿原路返回至光环行器6的公共端，从光环行器6的输出端到达光电探测器9，再通过A/D转换器10至单片机1。
本发明的检测原理：石英套管8-1为全密封结构，当外界温度升高时，石英套管8-1内恒量气体的压力p和绝对温度T成正比。随着内部气体压力变大，其吸收光谱会受到多普勒展宽效应的影响，多普勒展宽系数
可表示为：
，其中P为气体压强，
为压力展宽系数，K为温度系数常数。随着温度的升高，压力增大，多普勒展宽系数
线性增大。气体吸收谱线强度为 
，Δλ为激光器5的输出波长与中心波长的差值；气体吸收谱线强度S的特征是关于
中心对称的类似于开口向下的抛物线，开口大小随
的增大而增大。
通常用半峰宽度来衡量，即气体吸收谱线强度为最大值50%处对应的两个波长的差值。由朗博比尔吸收定律可知，气体的光谱吸收总能量和气体吸收谱线强度成正比。
本发明的温度检测方法：单片机1控制激光器5发出波长周期性变化的激光，其波长变化范围由电流变化幅度决定，其变化大小以覆盖所充纯净气体8-4的单条吸收谱线为准。具体操作为单片机1控制电流驱动器4周期性的输出范围20mA-80mA连续变化的锯齿波电流，激光器5的输出波长和工作电流之间存在0.01nm /mA的相关性，因此激光器5的输出波长也随之产生周期性的变化，波长调节幅度为 60mA*0.01nm =0.6nm。激光器5的激光中心波长为纯净气体8-4最强的吸收谱线所在波长，如纯净气体8-4为乙炔，则中心波长为1530.3nm，如纯净气体8-4为甲烷，则中心波长为1653.7nm；单片机1采集每个激光扫描周期内光电探测器9的输出电流变化曲线（如图3所示），获得光谱吸收线的半峰宽度D，所述D=t2-t1，所述t1和t2为每个激光扫描周期内光电探测器9的输出电流先后两次达到PH的时刻，所述PH=（Pmax+Pmin）/2，Pmax为光电探测器9的输出电流最大值，Pmin为光电探测器9的输出电流最小值；测温探头8的温度 T=f(D)。先按照上述检测方法建立温度 T=f(D)的模型，之后再进行相应的温度检测。
Claims (4)
1.一种基于光谱吸收原理的光纤测温***，其特征在于：有单片机（1），单片机（1）通过温度控制器（2）与恒温底座（3）相接，单片机（1）通过电流驱动器（4）与激光器（5）相接，所述激光器（5）置于恒温底座（3）上，激光器（5）与光环行器（6）的输入端相接，光环行器（6）的公共端通过光纤（7）与测温探头（8）相接，光环行器（6）的输出端与光电探测器（9）相接，所述光电探测器（9）的输出端通过A/D转换器（10）与单片机（1）相接，所述测温探头（8）设有石英套管（8-1），所述石英套管（8-1）的一端紧密套接在与光纤（7）相接的自聚焦准直透镜（8-2）上，所述石英套管（8-1）的另一端密封相接有与轴线垂直的平面反射镜（8-3），在石英套管（8-1）内填充有对激光有强吸收光谱的纯净气体（8-4）；所述单片机（1）控制激光器（5）发出波长周期性变化的激光，中心波长为纯净气体（8-4）最强的吸收谱线所在波长；单片机（1）采集每个激光扫描周期内光电探测器（9）的输出电流变化曲线，获得光谱吸收线的半峰宽度D，所述D= t2-t1，所述t1和t2为每个激光扫描周期内光电探测器（9）的输出电流先后两次达到PH的时刻，所述PH=（Pmax+Pmin）/2，Pmax为光电探测器（9）的输出电流最大值，Pmin为光电探测器（9）的输出电流最小值；测温探头（8）的温度 T=f(D)。
2.根据权利要求1所述的基于光谱吸收原理的光纤测温***，其特征在于：所述自聚焦准直透镜（8-2）为圆柱体实心结构且与石英套管（8-1）键合，键合区长度为自聚焦准直透镜（8-2）长度的50~60%。
3.根据权利要求2所述的基于光谱吸收原理的光纤测温***，其特征在于：所述自聚焦准直透镜（8-2）的长度为18mm，纯净气体（8-4）的填充长度至少10mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的于光谱吸收原理的光纤测温***，其特征在于：所述纯净气体（8-4）为乙炔或甲烷。
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