CN210774419U - 一种蓝宝石光纤光栅高温传感器 - Google Patents

Abstract

一种蓝宝石光纤光栅高温传感器，其包括：一保护壳体，其两端开口；一块基底材料，设置于所述保护壳体中，并固定于所述保护壳体；至少一支蓝宝石光纤光栅，通过高温胶粘贴在所述基底材料上，蓝宝石光纤光栅的一端与传输光纤相连；至少一根传输光纤，一端连接于所述蓝宝石光纤光栅，另一端穿出所述保护壳体连接至一光纤光栅波长检测仪。蓝宝石光纤光栅通过传输光纤与光纤光栅波长检测仪相连，光纤光栅波长检测仪通过测量蓝宝石光纤光栅的波长来感知蓝宝石光纤光栅所处的环境温度。本实用新型光纤温度传感器特别适合于快速、精确的测量冶炼过程中熔炉和熔融金属的温度。

Description

一种蓝宝石光纤光栅高温传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤温度传感器，特别涉及一种蓝宝石光纤光栅高温传感器，用于快速、精确的测量冶炼过程中熔炉和熔融金属的温度。

背景技术

在冶金工业领域中，温度是一个重要参数，对高温的准确、快速测量有着重要的意义。比如，在金属冶炼过程中高炉炉温能够反映高炉冶炼过程的热状态及燃烧比，是代表炉缸热强度指数的重要参量。在高炉冶炼过程中控制充足而稳定的炉温，能够使装入炉内的炉料顺利下降，速度均匀，产生出来的生铁合格，是保证高炉稳定顺行的基本前提，同时也是高炉冶炼过程控制的核心和基础。其中，炉缸中的铁水的温度能正确反映炉温，对高炉冶炼是一个主要的操作指标。及时地掌握铁水温度及其变化趋势，预见性地采取调剂措施，对保证生产的安全、稳定、顺行具有重要意义。对于转炉炼钢工艺来说，温度不仅是炼钢过程的基础，更是获得良好铸坏质量的基础。转炉炼钢***温度控制水平的高低关系到钢铁钢铁料的消耗、合金料消耗、耐火材料消耗等多项指标的好坏，直接决定炼钢成本的高低。

现有测量高温的方法主要有：接触式的热电偶测温法和黑体腔式蓝宝石光纤测温法，以及非接触式的红外光谱测温法和荧光测温法等。非接触式的测温方法适合于测量高温物体表面温度，而无法测量物体内部如铁水内部温度。接触式的测温方法能够实现传感器与被测物体的直接接触，可以测量物体表面及内部温度。

在需要接触测量的铁水温度测量中，目前大量使用的是以铂铑等贵重金属制造的热电偶。由于其高温下抗腐蚀的能力差、寿命短、消耗大，生产企业在应用热电偶测量高温需要消耗巨大资金。此外，在许多特殊的高温炉中，如高频加热炉、微波加热炉等，由于热电偶抗干扰能力差，无法在这些场合中准确测量温度。

基于黑体辐射原理的蓝宝石光纤黑体腔高温传感器具有很多优点，如耐高温能力强、高准确度、不受电磁干扰影响。但它也具有自己的缺点，如其测量值取决于发射率和光路因子，需要采取相应的校准手段；另外蓝宝石光纤和黑体腔的表面容易受到污染，使用过一段时间后传感器的精度下降，无法满足现在对测温准确度的要求。

发明内容

本实用新型的目的在于设计一种蓝宝石光纤光栅高温传感器，能够准确测量物体的表面温度和气体、液体的内部温度，而且测量温度高、可靠性好，可长时间使用，测温成本低，以此克服上述现有技术中存在的问题，达到不受电磁干扰、可长时间使用、精确的测量高温物体的表面温度和高温气体、液体包括熔融金属的内部温度。

为达到上述的目的，本实用新型的技术方案是：

一种蓝宝石光纤光栅高温传感器，其包括：

一保护壳体，其两端开口；

一块基底材料，设置于所述保护壳体中，并固定于所述保护壳体；

至少一支蓝宝石光纤光栅，通过高温胶粘贴在所述基底材料上，蓝宝石光纤光栅的一端与传输光纤相连；

至少一根传输光纤，一端连接于所述蓝宝石光纤光栅，另一端穿出所述保护壳体连接至一光纤光栅波长检测仪，光纤光栅波长检测仪通过测量蓝宝石光纤光栅的波长来感知蓝宝石光纤光栅周围的环境温度。

进一步，还设一块基底材料，将所述蓝宝石光纤光栅包覆于两块基底材料中。

更进一步，还包括一外层保护壳及一安装座；所述外层保护壳一端开口，套设于所述保护壳体及蓝宝石光纤光栅外，所述传输光纤自该开口穿出；所述安装座设一安装孔，外层保护壳开口端固定于所述安装座的安装孔内。

优选的，所述外层保护壳的材质为氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷或耐高温的陶瓷复合材料中任何一种。

又，还包括一手持杆，其为套管结构，该手持杆的一端通过一连接器连接于所述保护壳体后端，所述传输光纤自保护壳体开口穿出，并穿过所述手持杆连接至一光纤光栅波长检测仪。

优选的，所述的基底材料形状包括条形或管状结构。

优选的，所述的基底材料是氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷或耐高温的陶瓷复合材料中任何一种。

优选的，所述的高温胶包括陶瓷胶或石墨胶。

优选的，所述的光纤光栅波长检测仪包括宽带光源、光纤耦合器或环形器、光波长检测模块和数据分析模块。

优选的，所述的光纤光栅波长检测仪包括宽带光源、光可调滤波器、光纤耦合器或环形器、光电探测器和数据采集处理模块。

优选的，所述的光纤光栅波长检测仪包括波长扫描激光器、光纤耦合器或环形器、光电探测器和数据采集处理模块。

本实用新型通过蓝宝石光纤光栅、高温胶、高温基底材料和保护壳体组成高温传感器的感温探头。感温探头中的固定在基底材料上蓝宝石光纤光栅不会受到外界应力影响，只感受温度变化。蓝宝石光纤光栅的波长随环境温度的升高线性变大、随温度的降低线性减小。光纤光栅波长检测仪通过传输光纤，检测出蓝宝石光纤光栅的波长，根据波长与温度的对应关系换算出蓝宝石光纤光栅处的环境温度，从而到达温度测量的目的。

本实用新型与现有技术中的蓝宝石光纤光栅高温传感器相比具有显著的效益。

·可以作接触测量，测量温度高

如上述本实用新型的结构，因为本实用新型的蓝宝石光纤光栅是刻写在蓝宝石光纤上的，蓝宝石光纤物理化学性能稳定、熔点高，蓝宝石光纤光栅的耐温极限达到了1900℃；同时基底材料和保护外壳均采用耐高温材料，所以由蓝宝石光纤光栅、高温基底材料和保护外壳组成测温探头可以测量很高的温度。测温探头可以放置在高温物体表面，也可以***熔融金属如铁水内部作温度测量。探头测量到的温度信号通过传输光纤送到光纤光栅波长检测仪。所以本实用新型的蓝宝石光纤光栅高温传感器测量温度高，可以以接触的方式测量温度。

·抗电磁干扰、测量精度高

如上述本实用新型的结构，因为本实用新型中组成测温探头的蓝宝石光纤光栅、高温基底材料和保护外壳都是无源器件，本身不带电，抗电磁干扰。而且用光波长传感温度信息，而波长参量不受光源功率的波动及连接或耦合损耗的影响。另外，蓝宝石光纤光栅固定在基底材料上，不会受到外界应力影响，只感受温度变化。所以传感器可以具有很高的测量精度。所以本实用新型的蓝宝石光纤光栅高温传感器可以具有很高的测量精度。

·响应速度快

如上述本实用新型的结构，因为本实用新型中蓝宝石光纤光栅的尺寸很小(直径约为100微米)，有很好的导热性能。把蓝宝石光纤光栅固定在小尺寸的基底材料上，传感器感温部分的体积就可以很小，对温度的测量速度就快。所以本实用新型的蓝宝石光纤光栅高温传感器在测量温度时可以具有快速响应的特点。

·可靠性好、使用寿命长

如上述本实用新型的结构，因为本实用新型中蓝宝石光纤光栅具有高强度、高硬度、高耐热性，蓝宝石光纤光栅粘贴在基底材料上，不容易受到高温环境下酸碱物质的腐蚀，同时保护外壳增强了传感器的机械强度。所以本实用新型的蓝宝石光纤光栅高温传感器具备可靠性好、使用寿命长的特点，可以为企业节约生产成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型实施例2的结构示意图；

图3是本实用新型实施例3的结构示意图；

图4是本实用新型实施例中光纤光栅波长检测仪采用宽带光源和波长检测模块的结构示意图；

图5是本实用新型实施例中光纤光栅波长检测仪采用宽带光源和扫描滤波器的结构示意图；

图6是本实用新型实施例中的光纤光栅波长检测仪采用宽带光源和扫描滤波器的结构示意图；

图7是本实用新型实施例中光纤光栅波长检测仪采用可调谐激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

参见图1，本实用新型所述蓝宝石光纤光栅高温传感器，其包括：

一保护壳体1，其两端开口；

一块基底材料2，设置于所述保护壳体1中，并固定于所述保护壳体 1；

至少一支蓝宝石光纤光栅3，通过高温胶粘贴在所述基底材料2上，蓝宝石光纤光栅3的一端与传输光纤相连；

至少一根传输光纤4，一端连接于所述蓝宝石光纤光栅3，另一端穿出所述保护壳体1连接至一光纤光栅波长检测仪5，光纤光栅波长检测仪 5通过测量蓝宝石光纤光栅的波长来感知蓝宝石光纤光栅周围的环境温度。

蓝宝石光纤光栅是在蓝宝石光纤中刻写的一种光纤光栅，它可以将入射到光栅上并满足光栅布拉格谐振条件的光反射。反射光的波长随蓝宝石光纤光栅周围环境温度的升高而变大，随环境温度的降低而减少。比如沿直径60um的蓝宝石光纤径向刻写周期为1.33um的光纤光栅，可以将 1550nm处的光反射。该蓝宝石光纤光栅的温度系数为35pm/℃，即温度每增加一摄氏度，光纤光栅的波长向长波移动35pm。所以检测蓝宝石光纤光栅的反射波长可以感知光栅处的环境温度。因为蓝宝石光纤的熔点高，在蓝宝石光纤上刻写的光纤光栅测量温度高达1900℃，所以蓝宝石光纤光栅可以用来金属冶炼过程中的炉温和熔融金属内部温度。

在图1所示的结构中，因为蓝宝石光纤光栅3直径很小，所以需要用高温胶(如陶瓷胶)将蓝宝石光纤光栅3粘贴在基底材料2(如碳化硅陶瓷材料)上，并把粘贴有光纤光栅的基底材料2固定在保护壳体1(如氧化铝陶瓷管)中，以此增加传感器的机械强度和可靠性。蓝宝石光纤光栅 3的波长信号由传输光纤4传送到光纤光栅波长检测仪5中，由光纤光栅波长检测仪5检测蓝宝石光纤光栅3的波长，从而得到蓝宝石光纤光栅3 周围的环境温度，完成温度测量。

参见图2，本实用新型所述蓝宝石光纤光栅高温传感器，还包括一外层保护壳6及一安装座7；所述外层保护壳6一端开口，套设于所述保护壳体1及蓝宝石光纤光栅3外，所述传输光纤4自该开口穿出；所述安装座7设一安装孔，外层保护壳6开口端固定于所述安装座7的安装孔内。

优选的，所述外层保护壳6的材质为耐高温而且具有良好导热性能的陶瓷材料，如氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷和耐高温的陶瓷复合材料中任何一种。

本实施例所示的结构适合于安装在固定位置对温度进行测量的蓝宝石光纤光栅传感器。在测量温度时，可以将传感器通过安装底座7固定在特定的位置，传感器粘贴有光纤光栅的一端伸入炉体内，直接炉内温度。或者是在熔融的金属倒入炉体后，对其温度进行接触测量。将蓝宝石光纤光栅3、基底材料2、保护壳体1封装进外层保护壳6中，可以保护把蓝宝石光纤光栅、基底材料、保护壳体免受高温熔融金属的侵蚀，延长使用寿命。

参见图3，本实用新型所述蓝宝石光纤光栅高温传感器，还包括一手持杆8，其为套管结构，该手持杆8的一端通过一连接器9连接于所述保护壳体1后端，所述传输光纤4自保护壳体1开口穿出，并穿过所述手持杆8连接至一光纤光栅波长检测仪5。

在测量时，操作人员可以用手握住传感器的手持杆，把传感器粘贴有光纤光栅的一端伸入炉体内的熔融金属中，对其温度进行接触测量。另外，也可以将传感器的手持杆固定在设计好的机械臂上，通过传动机构控制机械臂，将传感器粘贴有光纤光栅的一端伸入炉体内的熔融金属中，作自动测量。

参见图2，所述传输光纤4外套设一用于保护传输光纤4的光纤保护管10，可以增加传输光纤的抗拉和抗压性能。

优选的，所述的基底材料2形状包括条形或管状结构。

优选的，所述的基底材料2是氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷或耐高温的陶瓷复合材料中任何一种。

优选的，所述的高温胶包括陶瓷胶或石墨胶。

参见图2，在本实施例中，所述基底材料2采用实心条形结构。

当传感器粘贴有光纤光栅的一端伸入炉体内或熔融金属中时，粘贴在基底材料上的蓝宝石光纤光栅的波长随炉体的温度或熔融金属的温度变化，测量光栅的波长可感知传感所处的环境温度，测量到炉内熔融金属的温度。光纤光栅传感检测仪是测量光栅波长的仪器。

参见图4，其所示为本实用新型蓝宝石光纤光栅高温传感器中光纤光栅波长检测仪5采用宽带光源和波长检测模块的结构示意图。

如图4所示，所述光纤光栅传感检测仪5，包括光纤耦合器或环形器 11、宽带光源12、光波长检测模块13和数据分析模块14，光纤耦合器或环形器11一端的尾纤111。

其中，宽带光源12通过光纤与光纤耦合器或环形器11相连，光纤耦合器或环形器11用光纤与光波长检测模块13相连，光波长检测模块13 用电线缆与数据分析模块14相连。

宽带光源12发出的宽带光通过光纤耦合器或环形器11入射到光纤耦合器或环形器11的尾纤111中，由光纤耦合器或环形器11的尾纤111传送至传输光纤4，再由传输光纤4传送至传感器上的蓝宝石光纤光栅3中，被蓝宝石光纤光栅反射的窄带光经传输光纤4和光纤耦合器或环形器11 的尾纤111传送至光纤耦合器或环形器11，再通过光纤耦合器或环形器 11进入光波长检测模块13，光波长检测模块13把光栅反射的波长读出，并送到数据分析模块14，数据分析模块14根据光栅反射波长与温度的函数关系把波长转换为测量的温度值。

参见图5，其所示为本实用新型所述光纤光栅波长检测仪5采用宽带光源和扫描滤波器的结构示意图。

如图5所示，所述光纤光栅传感检测仪5包括光纤耦合器或环形器11、宽带光源12、光可调滤波器15、光电探测器16、数据采集处理模块17。其中，宽带光源12用光纤与光可调滤波器15相连，光可调滤波器15用光纤与光纤耦合器或环形器11相连，光纤耦合器或环形器11用光纤与光电探测器16相连，光电探测器16用电线缆与数据采集处理模块17相连。

宽带光源12发出的宽带光通过光纤传输至扫描滤波器18。扫描滤波器18是一种窄带的光通滤波器，处于其通带波长范围的入射光可以通过该滤波器继续向前传输，滤波器的通带波长可以由扫描滤波器被控制由短波长随时间逐渐增加到长波长，不同的时刻对应不同的波长。宽带光源12 发出的宽带光通过光纤传输至扫描滤波器18后就形成了窄带光，窄带光通过光纤耦合器或环形器11，由光纤耦合器或环形器11的尾纤111入射到传输光纤4中，由传输光纤4传送至传感器上的蓝宝石光纤光栅3中，与蓝宝石光纤光栅3反射光波长一致的的窄带光经传输光纤4和光纤耦合器或环形器11的尾纤111传送至光纤耦合器或环形器11，再通过光纤耦合器或环形器11进入光电探测器16中，光电探测器16把光信号转换为电信号并传送至数据采集处理模块17。数据采集处理模块17通过接收到光电探测器16输出电信号的时刻和扫描滤波器18在该时刻的通带波长来判断入射到光电探测器16的光的波长，从而得到传感器上的蓝宝石光纤光栅3的工作波长，进而推算传感器所处的环境温度。

参见图6，其所示为本实用新型所述光纤光栅波长检测仪5采用宽带光源和扫描滤波器的结构示意图。

如图6所示，所述光纤光栅传感检测仪5，包括光纤耦合器或环形器 11、宽带光源12、光可调滤波器15、光电探测器16、数据采集处理模块 17。其中，宽带光源12用光纤与光纤耦合器或环形器11相连，光纤耦合器或环形器11用光纤与光可调滤波器15相连，光可调滤波器15用光纤与光电探测器16相连，光电探测器16用电线缆与数据采集处理模块17 相连。

宽带光源11发出的宽带光通过光纤耦合器或环形器11，由光纤耦合器或环形器11的尾纤111入射到传输光纤4中，由传输光纤4传送至传感器上的蓝宝石光纤光栅3中，与蓝宝石光纤光栅3反射光波长一致的的窄带光经传输光纤4和光纤耦合器或环形器11的尾纤111传送至光纤耦合器或环形器11，再通过光纤耦合器或环形器11进入光可调滤波器15中。控制扫描滤波器18的通带由短波长随时间变化逐渐增加到长波长。与光可调滤波器15的通带波长一致的反射光通过光可调滤波器15，进入光电探测器16中；光电探测器16把光信号转换为电信号，并送到数据采集处理模块17中。数据采集处理模块17通过接收到光电探测器16输出电信号的时刻和扫描滤波器18在该时刻的通带波长来判断入射到光电探测器16的光的波长，从而得到传感器上的蓝宝石光纤光栅3的工作波长，进而推算传感器所处的环境温度。

参见图7，其所示为本实用新型所述光纤光栅波长检测仪5采用可调谐激光器的结构示意图。

如图7所示，所述光纤光栅传感检测仪5，包括光纤耦合器或环形器 11、波长扫描激光器19、光电探测器16、数据采集处理模块17。其中，波长扫描激光器19用光纤与光纤耦合器或环形器11相连，光纤耦合器或环形器11用光纤与光电探测器16相连，光电探测器16用电线缆与数据采集处理模块17相连。

波长扫描激光器19发出窄带激光，该窄带激光的波长可以被控制由短波长随时间逐渐增加到长波长，不同的时刻对应不同的波长。窄带激光通过光纤耦合器或环形器11和光纤耦合器或环形器11的尾纤111入射到传输光纤4中，由传输光纤4传送至传感器上的蓝宝石光纤光栅3中，与蓝宝石光纤光栅3反射光波长一致的的窄带光经传输光纤4和光纤耦合器或环形器11的尾纤111传送至光纤耦合器或环形器11，再通过光纤耦合器或环形器11进入进入光电探测器16，光电探测16把光信号转换为电信号，并送到数据采集处理模块17中。数据采集处理模块17通过接收到光电探测器16输出电信号的时刻和扫描滤波器18在该时刻的通带波长来判断入射到光电探测器16的光的波长，从而得到传感器上的蓝宝石光纤光栅3的工作波长，进而推算传感器所处的环境温度。

Claims (13)

1.一种蓝宝石光纤光栅高温传感器，其特征在于，包括：

一保护壳体，其两端开口；

一块基底材料，设置于所述保护壳体中，并固定于所述保护壳体；

至少一支蓝宝石光纤光栅，通过高温胶粘贴在所述基底材料上，蓝宝石光纤光栅的一端与传输光纤相连；

至少一根传输光纤，一端连接于所述蓝宝石光纤光栅，另一端穿出所述保护壳体连接至一光纤光栅波长检测仪。

2.如权利要求1所述的蓝宝石光纤光栅高温传感器，其特征在于，还设一块基底材料，将所述蓝宝石光纤光栅包覆于两块基底材料中。

3.如权利要求1或2所述的蓝宝石光纤光栅高温传感器，其特征在于，还包括一外层保护壳及一安装座；所述外层保护壳一端开口，套设于所述保护壳体及蓝宝石光纤光栅外，所述传输光纤自该开口穿出；所述安装座设一安装孔，外层保护壳开口端固定于所述安装座的安装孔内。

4.如权利要求3所述的蓝宝石光纤光栅高温传感器，其特征在于，所述外层保护壳的材质为氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷或耐高温的陶瓷复合材料中任何一种。

5.如权利要求1或2所述的蓝宝石光纤光栅高温传感器，其特征在于，还包括一手持杆，其为套管结构，该手持杆的一端通过一连接器连接于所述保护壳体后端，所述传输光纤自保护壳体开口穿出，并穿过所述手持杆连接至一光纤光栅波长检测仪。

6.如权利要求1所述的蓝宝石光纤光栅高温传感器，其特征在于，所述传输光纤外套设一用于保护传输光纤的光纤保护管。

7.如权利要求3所述的蓝宝石光纤光栅高温传感器，其特征在于，所述传输光纤外套设一用于保护传输光纤的光纤保护管。

8.如权利要求4所述的蓝宝石光纤光栅高温传感器，其特征在于，所述传输光纤外套设一用于保护传输光纤的光纤保护管。

9.如权利要求1或2所述的蓝宝石光纤光栅高温传感器，其特征在于，所述的基底材料的形状包括条形或管状结构。

10.如权利要求1或2所述的蓝宝石光纤光栅高温传感器，其特征在于，所述的基底材料是氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷或耐高温的陶瓷复合材料中任何一种。

11.如权利要求9所述的蓝宝石光纤光栅高温传感器，其特征在于，所述的基底材料是氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷或耐高温的陶瓷复合材料中任何一种。

12.如权利要求1所述的蓝宝石光纤光栅高温传感器，其特征在于，所述的高温胶包括陶瓷胶或石墨胶。

13.如权利要求1所述的蓝宝石光纤光栅高温传感器，其特征在于，所述的光纤光栅波长检测仪包括宽带光源、光纤耦合器或环形器、光波长检测模块和数据分析模块；或，所述的光纤光栅波长检测仪包括宽带光源、光可调滤波器、光纤耦合器或环形器、光电探测器和数据采集处理模块；或，所述的光纤光栅波长检测仪包括波长扫描激光器、光纤耦合器或环形器、光电探测器和数据采集处理模块。

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