專利名稱：白光干涉高溫測量傳感器及其應用測量裝置的制作方法
白光干涉高溫測量傳感器及其應用測量裝置本發(fā)明涉及溫度檢測技術領域，具體是關于一種基于白光干涉的光纖傳感高溫測量傳感器及其應用測量裝置。在各種工業(yè)生產(chǎn)工藝中，比如電力、冶金、陶瓷、玻璃、化工、水泥等行業(yè)，高溫溫度的準確測量與監(jiān)控有著非常重要的意義。目前，高溫測量主要有接觸式和非接觸式兩類。 接觸式主要是熱電偶，非接觸式有紅外測溫、火焰圖像測溫、聲波測溫技術等，這些技術都存在著一些缺點。由鉬、銠等貴金屬制造的熱電偶在高溫時抗氧化性能差，長期使用會產(chǎn)生較大的誤差，尤其在某些特殊和腐蝕性氣氛的環(huán)境下工作，會出現(xiàn)腐蝕、中毒等現(xiàn)象，使用壽命急劇縮短。此外，熱電偶抗電磁干擾能力較差，在某些場合下不能使用。水冷槍抽氣熱電偶測量設備較笨重，測試過程中工作量大，測試難度大；且不能長期固定測量某點煙氣溫度，測試完成后需退出。紅外測溫被測區(qū)域不確定、被測區(qū)域的黑度對測量結果影響較大、 空間雜散的光線影響測量精度、測量環(huán)境氣氛(如含水蒸汽等)對光波的不均勻性吸收引起誤差；火焰圖像測溫鏡頭污染以及復雜圖象處理算法等影響，測量誤差大，分辨率不高容易產(chǎn)生“偷看”，采光系統(tǒng)復雜，CCD攝像機安裝點較多，結焦或積灰使鏡頭保養(yǎng)困難，可靠性差，價格昂貴；聲波測溫原理是基于理想氣體的，煙氣的各種熱力參數(shù)難以精確確定，導致測量誤差，鍋爐吹灰時產(chǎn)生的高頻噪聲影響聲波測溫系統(tǒng)的正常工作，聲波發(fā)生、接收裝置安裝位置環(huán)境溫度高，需要可靠的冷卻以避免測量裝置損壞。近幾年出現(xiàn)的藍寶石高溫光纖測溫技術結合了接觸式和非接觸式測溫方法，雖然部分克服了非接觸式測溫的一些不足，但由于藍寶石光纖價格高昂、光纖長度受限、和普通光纖連接技術復雜等因素，其工業(yè)化應用受到一定的限制。因此，為了更好的監(jiān)測各種工業(yè)生產(chǎn)工藝過程中的溫度，需開發(fā)出一種新型的高溫測量傳感器及其應用裝置。本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種耐高溫、耐腐蝕、測量精度高、安裝方便、成本低的高溫測量傳感器及其應用裝置。本發(fā)明提供的白光干涉高溫測量傳感器，包括保護套管、位于保護套管內(nèi)的依次間隔排列設置的入射光纖、接收光纖、準直透鏡、起偏器、藍寶石直角棱鏡，其中藍寶石直角棱鏡位于保護套管的前端，藍寶石直角棱鏡作為感溫元件；入射光纖的端面位于準直透鏡的焦點處，準直透鏡、起偏器、藍寶石直角棱鏡的軸心與保護套管的軸心在一條直線上， 準直透鏡對入射白光準直后變?yōu)槠叫泄?，起偏器將從準直透鏡準直來的入射平行光進行起偏，分為ο光和e光，并傳輸給藍寶石直角棱鏡；藍寶石直角棱鏡將經(jīng)過其的ο光和e光反射回來，反射回來的ο光和e光從所述起偏器的另一方向經(jīng)過起偏器而發(fā)生干涉，干涉光經(jīng)過準直透鏡后匯聚到接收光纖。
其中，所述的藍寶石直角棱鏡為單晶藍寶石晶體制成。其中，所述的藍寶石直角棱鏡為等腰直角棱鏡。其中，所述的起偏器為格蘭泰勒棱鏡，當入射白光進入格蘭泰勒棱鏡時，格蘭泰勒棱鏡起起偏器的作用對光進行偏振分光，當反射光返回進入格蘭泰勒棱鏡時，其起檢偏器的作用使光線發(fā)生干涉。其中，所述的入射光纖和接收光纖構成一光纖接頭，其位于保護套管的后端，所述入射光纖位于光纖接頭的中間，并位于準直透鏡的焦點處；接收光纖為多根，均勻的分布在入射光纖的周邊，入射光纖用于向準直透鏡傳送入射白光，接收光纖接受從準直透鏡反射回來的干涉光。其中，所述的光纖接頭的光纖為多模光纖。其中，保護套管的前端為封閉的圓弧狀。其中，保護套管為耐高溫的剛玉管、耐高溫陶瓷管、水冷或空氣冷卻金屬套管。本發(fā)明提供的白光干涉高溫測量裝置，包括上述所述的白光干涉高溫測量傳感器、白光光源、光譜儀、數(shù)據(jù)處理器，其中，白光光源發(fā)出光經(jīng)過入射光纖進入所述傳感器的準直透鏡、起偏器進行偏光后進入藍寶石直角棱鏡后經(jīng)藍寶石直角棱鏡反射回來再次經(jīng)過檢偏器進行干涉，后進入準直透鏡變成平行光，從一出射光纖出來，進入光譜儀，光譜儀對干涉光進行條紋檢測，將檢測到的光譜干涉條紋數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器對光譜儀傳送來的干涉條紋數(shù)據(jù)進行處理，并計算出溫度。其中，所述的白光干涉高溫測量裝置，還包括顯示輸出設備，所述的數(shù)據(jù)處理器對光譜儀輸入進來的信號進行解調(diào)，獲得光程差0PD，并根據(jù)下式求得溫度T = -0. 3465* (OP D)3+71. 443* (OPD)2-4994. 4696* (OPD)+118524. 1127，并經(jīng)顯示輸出設備進行顯示。本發(fā)明利用藍寶石晶體進行高溫測量，其原理是把藍寶石直角棱鏡放在一個起偏器和檢偏器之間，一束非偏振光經(jīng)過起偏器后將分成尋常光ο光和非尋常光e光，然后再進入藍寶石直角棱鏡，由于藍寶石晶體雙折射的影響，兩束光將產(chǎn)生Φ的相位差。為了得到這個相位差，光線需經(jīng)過檢偏器發(fā)生干涉，通過檢測干涉條紋的變化就可以得到這個相位差，而這個相位差與藍寶石直角棱鏡的厚度d和藍寶石晶體的雙折射差Δη有關，同時這兩個因素都與溫度有關，因此可以通過檢測相位差來實現(xiàn)溫度的測量。本發(fā)明采用藍寶石晶體制成的藍寶石直角棱鏡作為感溫器件可以在溫度高達 1800°C以及腐蝕性的環(huán)境中使用，具有耐高溫及化學性能穩(wěn)定等優(yōu)點；不受高溫氣體中的水蒸汽及氣體組分的影響，應用范圍廣；高溫測頭為高精度光學器件，以及通過起偏器、檢偏器來測出經(jīng)過藍寶石晶體的ο光、e光的相位差來實現(xiàn)溫度的測量，具有測量精度高；同時本發(fā)明的藍寶石直角棱鏡不僅作為感溫元件，同時又作為反射元件來改變光路，使得只要一個元件就可以達到起偏器和檢偏器的作用，元件器件減少，安裝方便；成本比藍寶石光纖低，具有價格優(yōu)勢。

圖1為本發(fā)明白光干涉高溫測量傳感器的應用的裝置的示意圖；圖2為經(jīng)過藍寶石直角棱鏡的光路示意圖。附圖標記說明
1.白光光源；2.輸入光纖；3.光纖接頭；4.準直透鏡；5.保護套管；6.藍寶石直角棱鏡；7.格蘭泰勒棱鏡；8.輸出光纖；9.光譜儀；10.數(shù)據(jù)處理器；11.顯示輸出設備； 100.高溫測量傳感器；13.入射光線1; 14.入射光線2;13\出射光線1 出射光線2; 6.藍寶石直角棱鏡為更進一步闡述本發(fā)明為達成預定目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的白光干涉高溫測量傳感器及其應用裝置，其具體實施方式
、結構、特征及其功效，說明如后。如圖1所示，本發(fā)明的白光干涉高溫測量傳感器的應用裝置包括，白光光源1、輸入光纖2、高溫測量傳感器100、輸出光纖8、光譜儀9、數(shù)據(jù)處理器10、顯示輸出設備11。其中，所述的輸入光纖2、輸出光纖8的一端通過一光纖接頭3與高溫測量傳感器100建立連接，所述的輸入光纖2的另一端與白光光源1建立連接，輸出光纖8的另一端與光譜儀9建立連接，數(shù)據(jù)處理器10連接于光譜儀9與顯示設備11之間。高溫測量傳感器100包括所述的光纖接頭3、保護套管5、位于保護套管5內(nèi)的依次間隔排列的準直透鏡4、包括起偏器和檢偏器作用的格蘭泰勒棱鏡7、作為測溫元件的藍寶石直角棱鏡6。所述的保護套管5的前端封閉且呈圓弧狀，后端呈開口狀。保護套管5可選用耐高溫的剛玉管、耐高溫陶瓷管、水冷或空氣冷卻金屬套管，其能在被測環(huán)境氣氛下長期高溫度的工作。所述的光纖接頭3、準直透鏡4、格蘭泰勒棱鏡7、藍寶石直角棱鏡6依次間隔的從保護套管5的后端排列放置到前端，即光纖接頭3位于保護套管5的最后端，藍寶石直角棱鏡6位于保護套管5的最前端，當保護套管5的前端位于測溫區(qū)時，以使在測溫時藍寶石直角棱鏡6能足夠的位于測溫區(qū)內(nèi)，可以感測溫度，保證測溫的精確。光纖接頭3和準直透鏡4的軸心位于保護套管5的軸心上。所述光纖接頭3內(nèi)部的光纖為多模光纖，包括入射光纖及接收光纖，分別與輸入光纖2和輸出光纖8相連接，已達到傳輸光源1發(fā)射的光和接收藍寶石直角棱鏡6反射回來的光；光纖接頭3的入射光纖的端位于準直透鏡4的焦點上，二者都在保護套管5的軸線上。接收光纖的端面突出于發(fā)射光纖的端面。光纖接頭3呈一光纖束結構，即所述的入射光纖為一根位于光纖束的中間，接收光纖為多根如2-20根，均勻的布設在入射光纖的周邊。本實施例的藍寶石直角棱鏡6采用單晶藍寶石晶體制成，為等腰直角三角形。藍寶石(Sapphire)晶體是自然界中最硬的氧化物晶體，是氧化鋁最基本的單晶形態(tài)，具有良好的抗腐蝕性能。它具有良好的光學性能，具有兩個折射率不同的光軸，單晶藍寶石晶體的雙折射是隨溫度變化而變化的。這一性質(zhì)使藍寶石晶體可以滿足偏振測溫需要。同時，藍寶石晶體的熔點達到2040°C，因此它可以在很高的溫度下工作而保持其穩(wěn)定性，其最高工作溫度可達1800°C?？梢?，藍寶石晶體可以滿足高溫高壓及高腐蝕環(huán)境下進行偏振測溫的需求，并且藍寶石晶體的價格遠低于藍寶石光纖，在實際應用中具有更好的經(jīng)濟價值。本發(fā)明利用藍寶石晶體進行高溫測量，其原理是把藍寶石晶體放在一個起偏器和檢偏器之間，一束非偏振光如白光經(jīng)過起偏器后將分成尋常光ο光和非尋常光e光，然后再進入藍寶石晶體，由于藍寶石晶體雙折射的影響，兩束光將產(chǎn)生Φ的相位差。為了得到這個相位差，光線需經(jīng)過檢偏器發(fā)生干涉，通過檢測干涉條紋的變化就可以得到這個相位差，而這個相位差與藍寶石晶體的厚度d和晶體的雙折射差Δη有關，同時這兩個因素都與溫度有關，因此可以通過檢測相位差來實現(xiàn)溫度的測量。兩束偏振光的相位差是由兩束光線的光程差(Optical Path Difference，簡稱 0PD)來決定的，即φ = 2 Ji *0PD/ λ(1)OPD = I ne_n。| *d = Δ n*d(2)此處，d為藍寶石直角棱鏡厚度(d是個廣義的厚度，是光線在直角棱鏡中經(jīng)過的幾何距離)，ne.no分別為e光和ο光的折射率，λ為波長。Δη和d都與藍寶石晶體所處的溫度有關，上式可以寫作OPD = I ne_n。I *d = Δ η (T) *d (T)(3)使用高溫熱電偶進行標定，然后進行多項式進行擬合，便可以得到溫度T與光程差OPD的對應關系式T = f (OPD)。溫度和光程差具有很好的一一對應關系，關系式如下T = -0. 3465* (OPD) 3+71. 443* (OPD) 2_4994· 4696* (OPD)+118524. 1127 (4)實際進行溫度測量時，測出光程差后根據(jù)式⑷即可得出溫度值。光程差是根據(jù)光譜儀輸出的數(shù)據(jù)計算出來的。本發(fā)明的白光干涉高溫測量裝置的具體實現(xiàn)過程如下所述如圖1所示，進行高溫測量時，保護套管5前部深入被測區(qū)域，藍寶石直角棱鏡6 感受被測區(qū)域的溫度。寬帶白光光源1發(fā)出的光經(jīng)過光纖2進入光纖接頭3，光纖接頭3 位于準直透鏡4的焦點上，然后經(jīng)過準直透鏡4后，光線變?yōu)槠叫杏诒Ｗo套管5軸線的平行光，然后進入格蘭泰勒棱鏡7進行起偏后將分成尋常光ο光和非尋常光e光，產(chǎn)生的偏振光 ο光和e光進入藍寶石直角棱鏡6。藍寶石直角棱鏡6的界面為等腰直角三角形，既有反射作用，還作為測溫元件使用。從藍寶石直角棱鏡6反射回來的光再經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡7進行檢偏，以產(chǎn)生干涉光，之后經(jīng)過準直透鏡4再進入光纖接頭3，從光纖接頭3出來后經(jīng)過光纖8進入光譜儀9，檢測到的光譜干涉條紋數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)處理器10，數(shù)據(jù)處理器10采用一定的解調(diào)算法對光譜儀9輸入進來的信號進行解調(diào)，獲得光程差0PD，根據(jù)式(4)求得溫度，然后進入顯示輸出設備11進行現(xiàn)場顯示或遠程輸出。本實施例中通過格蘭泰勒棱鏡7實現(xiàn)對入射光的偏振和對從藍寶石直角棱鏡6反射回來的反射光進行干涉的作用。格蘭泰勒棱鏡7、準直透鏡4都為圓柱形，他們的軸線在一條直線上，只有光纖接頭3的光線出射端位于透鏡焦點上，光線通過準直透鏡4后變?yōu)槠叫泄?，格蘭泰勒棱鏡7位于準直透鏡4之后。格蘭泰勒棱鏡的優(yōu)點就是光的透過率高、偏光純度高，這樣就能減少光的損失、提高測量精度?？紤]到實際測溫的需要，本發(fā)明光路中采用了反射原理，藍寶石直角棱鏡6既作為感溫元件，又兼有反射的作用，從而把一個雙端的結構變成一個單端結構，解決了實際應用中光線接收端較難實現(xiàn)的問題。此種設計既簡化了結構，便于在實際中的應用，又節(jié)約了成本。如圖2所示，入射光線13和入射光線14為任意兩束光線，二者對應的在藍寶石直角棱鏡6中的反射光線分別為出射光線13、和出射光線由幾何知識可以得出入射光線13和入射光線14在藍寶石直角棱鏡6中傳播的幾何距離相等。入射光線13或入射光線14在藍寶石棱鏡6中進行反射，由于入射角是45°，而藍寶石直角棱鏡6的全反射臨界角為34. 1。左右，由于入射角大于臨界角，因此在藍寶石直角棱鏡6中將發(fā)生全反射，沒有反射損失。本發(fā)明中藍寶石直角棱鏡起到改變光路的作用，使得在光路中只需要一個起偏器，當反射回來的光從起偏器的另一方向經(jīng)過時被干涉起到檢偏器的作用，節(jié)省器件，同時安裝方便。 在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實施例作了描述，但是，很顯然仍可以做出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明的說明書和附圖被認為是說明性的而非限制性的。
權利要求
1.一種白光干涉高溫測量傳感器，其特征在于，包括保護套管、位于保護套管內(nèi)的依次間隔排列設置的入射光纖、接收光纖、準直透鏡、起偏器、藍寶石直角棱鏡，其中藍寶石直角棱鏡位于保護套管的前端，藍寶石直角棱鏡作為感溫元件；入射光纖的端面位于準直透鏡的焦點處，準直透鏡、起偏器、藍寶石直角棱鏡的軸心與保護套管的軸心在一條直線上， 準直透鏡對入射白光準直后變?yōu)槠叫泄?，起偏器將從準直透鏡準直來的入射平行光進行起偏，分為O光和e光，并傳輸給藍寶石直角棱鏡；藍寶石直角棱鏡將經(jīng)過其的O光和e光反射回來，反射回來的ο光和e光從所述起偏器的另一方向經(jīng)過起偏器而發(fā)生干涉，干涉光經(jīng)過準直透鏡后匯聚到接收光纖。
2.如權利要求1所述的白光干涉高溫測量傳感器，其特征在于，所述的藍寶石直角棱鏡為單晶藍寶石晶體制成。
3.如權利要求1所述的白光干涉高溫測量傳感器，其特征在于，所述的藍寶石直角棱鏡為等腰直角棱鏡。
4.如權利要求1所述的白光干涉高溫測量傳感器，其特征在于，所述的起偏器為格蘭泰勒棱鏡，當入射白光進入格蘭泰勒棱鏡時，格蘭泰勒棱鏡起起偏器的作用對光進行偏振分光，當反射光返回進入格蘭泰勒棱鏡時，其起檢偏器的作用使光線發(fā)生干涉。
5.如權利要求1所述的白光干涉高溫測量傳感器，其特征在于，所述的入射光纖和接收光纖構成一光纖接頭，其位于保護套管的后端，所述入射光纖位于光纖接頭的中間，并位于準直透鏡的焦點處；接收光纖為多根，均勻的分布在入射光纖的周邊，入射光纖用于向準直透鏡傳送入射白光，接收光纖接受從準直透鏡反射回來的干涉光。
6.如權利要求5所述的白光干涉高溫測量傳感器，其特征在于，所述的光纖接頭的光纖為多模光纖。
7.如權利要求1所述的白光干涉高溫測量傳感器，其特征在于，保護套管的前端為封閉的圓弧狀。
8.如權利要求7所述的白光干涉高溫測量傳感器，其特征在于，保護套管為耐高溫的剛玉管、耐高溫陶瓷管、水冷或空氣冷卻金屬套管。
9.一種白光干涉高溫測量裝置，其特征在于，包括權利1-8中任一項所述的白光干涉高溫測量傳感器、白光光源、光譜儀、數(shù)據(jù)處理器，其中，白光光源發(fā)出光經(jīng)過入射光纖進入所述傳感器的準直透鏡、起偏器進行偏光后進入藍寶石直角棱鏡后經(jīng)藍寶石直角棱鏡反射回來再次經(jīng)過檢偏器進行干涉，后進入準直透鏡變成平行光，從一出射光纖出來，進入光譜儀，光譜儀對干涉光進行條紋檢測，將檢測到的光譜干涉條紋數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器對光譜儀傳送來的干涉條紋數(shù)據(jù)進行處理，并計算出溫度。
10.一種白光干涉高溫測量裝置，其特征在于，還包括顯示輸出設備，所述的數(shù)據(jù)處理器對光譜儀輸入進來的信號進行解調(diào)，獲得光程差0PD，并根據(jù)下式求得溫度T =-0. 3465* (OPD) 3+71. 443* (OPD) 2_4994. 4696* (OPD)+118524. 1127，并經(jīng)顯示輸出設備進行顯不。
全文摘要
本發(fā)明提供的白光干涉高溫測量裝置，包括傳感器、白光光源、光譜儀、數(shù)據(jù)處理器，其中，傳感器包括準直透鏡、起偏器、藍寶石直角棱鏡，藍寶石直角棱鏡作為感溫元件。白光光源發(fā)出光經(jīng)過入射光纖進入準直透鏡后變?yōu)槠叫泄猓黄鹌鞣譃閛光和e光，并傳輸給藍寶石直角棱鏡；藍寶石直角棱鏡將o光和e光反射回來，反射回來的o光和e光再經(jīng)過起偏器而被干涉獲得干涉光，干涉光經(jīng)過準直透鏡后匯聚到接收光纖，進入光譜儀，光譜儀對干涉光進行條紋檢測，將檢測到的光譜干涉條紋數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器對光譜儀傳送來的干涉條紋數(shù)據(jù)進行處理，并計算出溫度。本發(fā)明具有耐高溫、耐腐蝕、測量精度高、安裝方便、成本低、應用面廣的優(yōu)點。
文檔編號G01J5/08GK102288303SQ20111019778
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權日2011年7月15日
發(fā)明者余淼, 劉勝龍, 張偉, 朱永, 李毅, 王雨蓬, 羅建坤, 錢穎杰 申請人:北京宏孚瑞達科技有限公司