專利名稱：一種白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器的制作方法
一種白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器本發(fā)明涉及高溫測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體是關(guān)于一種白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器。 [背景技術(shù)]目前，高溫氣體溫度測(cè)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(cè)溫、火焰圖像測(cè)溫、聲波測(cè)溫技術(shù)、藍(lán)寶石光纖測(cè)溫等，這些技術(shù)都存在著一些不足和缺點(diǎn)。由鉬、銠等貴金屬制造的熱電偶在高溫時(shí)抗氧化性能差，長(zhǎng)期使用會(huì)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(huì)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(chǎng)合下不能使用。水冷槍抽氣熱電偶測(cè)量設(shè)備較笨重，測(cè)試過(guò)程中工作量大，測(cè)試難度大；且不能長(zhǎng)期固定測(cè)量某點(diǎn)煙氣溫度，測(cè)試完成后需退出。紅外測(cè)溫被測(cè)區(qū)域不確定，測(cè)量誤差大；火焰圖像測(cè)溫鏡頭污染以及復(fù)雜圖象處理算法等影響，測(cè)量誤差大，分辨率不高容易產(chǎn)生“偷看”，采光系統(tǒng)復(fù)雜，CCD 攝像機(jī)安裝點(diǎn)較多，結(jié)焦或積灰使鏡頭保養(yǎng)困難，可靠性差，價(jià)格昂貴；聲波測(cè)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(dǎo)致測(cè)量誤差，鍋爐吹灰時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲影響聲波測(cè)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(cè)量裝置損壞?，F(xiàn)有藍(lán)寶石高溫光纖測(cè)溫技術(shù)結(jié)合了接觸式和非接觸式測(cè)溫方法，雖然部分克服了前述測(cè)溫技術(shù)的一些不足，但由于藍(lán)寶石光纖價(jià)格高昂和普通光纖連接技術(shù)復(fù)雜等因素，其工業(yè)化應(yīng)用受到一定的限制。因此，開(kāi)發(fā)出一種新型的高溫測(cè)量技術(shù)和儀器，對(duì)測(cè)溫儀進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，能更好的應(yīng)用于各種工業(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)，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種白光干涉藍(lán)寶石高溫測(cè)量傳感器，其具有耐高溫、耐腐蝕、測(cè)量精確度高、成本低、適用面廣的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供的白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器，包括保護(hù)套管、位于保護(hù)套管內(nèi)的依次間隔排列設(shè)置的準(zhǔn)直透鏡、起偏器、藍(lán)寶石圓片、反射器，其中藍(lán)寶石圓片和反射器位于保護(hù)套管的前端，藍(lán)寶石圓片作為感溫元件；入射白光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后變?yōu)槠叫泄?，?jīng)過(guò)起偏器分為ο光和e光后經(jīng)過(guò)藍(lán)寶石圓片并經(jīng)反射器反射，反射回來(lái)的ο光和e光再次經(jīng)過(guò)藍(lán)寶石圓片，并經(jīng)過(guò)檢偏器進(jìn)行干涉獲得干涉光，干涉光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡后匯聚到準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)。其中，所述的藍(lán)寶石圓片為單晶藍(lán)寶石晶體制成。其中，所述的反射器為角錐棱鏡。其中，所述的起偏器為格蘭泰勒棱鏡，當(dāng)入射白光進(jìn)入格蘭泰勒棱鏡時(shí)，格蘭泰勒棱鏡起起偏器的作用對(duì)光進(jìn)行偏振分光，當(dāng)反射光返回進(jìn)入格蘭泰勒棱鏡時(shí)，其起檢偏器的作用經(jīng)過(guò)檢偏器的光線發(fā)生干涉。
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其中，還包括入射光纖和接收光纖構(gòu)成的光纖接口，其位于保護(hù)套管的后端，入射光纖位于準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)處，用于向準(zhǔn)直透鏡傳送入射白光和接受從準(zhǔn)直透鏡反射回來(lái)的干涉光。其中，所述的光纖接口的光纖為多模光纖。其中，所述的保護(hù)套管的前端為封閉的圓弧狀。其中，所述的保護(hù)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)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用基于白光偏振干涉原理，采用藍(lán)寶石圓片作為感溫元件，并設(shè)計(jì)有角錐反射棱鏡，以反射改變光路，可以在溫度1800°C以及腐蝕性的環(huán)境中使用，具有耐高溫及化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；不受高溫氣體中的水蒸汽及氣體組分的影響，應(yīng)用范圍廣；高溫測(cè)頭為高精度光學(xué)器件，測(cè)量精度高；安裝方便；成本比藍(lán)寶石光纖低，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

圖1為本發(fā)明高溫傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明1.光纖接頭；2.準(zhǔn)直透鏡；3.格蘭泰勒棱鏡；4.保護(hù)套管；5.藍(lán)寶石圓片；6.角錐棱鏡。為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提出的白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器，其具體實(shí)施方式
、結(jié)構(gòu)、 特征及其功效，說(shuō)明如后。本發(fā)明提供的白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器，如圖1所示，包括保護(hù)套管4、光纖接頭1、準(zhǔn)直透鏡2、格蘭泰勒棱鏡3、藍(lán)寶石圓片5、角錐棱鏡6 ；所述的保護(hù)套管4的前端封閉且呈圓弧狀，后端呈開(kāi)口狀。保護(hù)套管4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(cè)環(huán)境氣氛下長(zhǎng)期高溫度的工作。所述的光纖接頭1、準(zhǔn)直透鏡2、格蘭泰勒棱鏡3、藍(lán)寶石圓片5、角錐棱鏡6依次間隔的從保護(hù)套管4的后端排列放置到前端，即光纖接頭1位于保護(hù)套管4的最后端，藍(lán)寶石圓片5和角錐棱鏡6位于保護(hù)套管的最前端，以使在測(cè)溫使用時(shí)藍(lán)寶石圓片5能足夠的位于測(cè)溫區(qū)內(nèi)，保證測(cè)溫的精確。所述光纖接頭1內(nèi)部的光纖為多模光纖，包括入射光纖及接收光纖，分別傳輸光源(圖未示)發(fā)射的光和接收角錐棱鏡6反射回來(lái)的光；光纖接頭1的入射光纖的端面位于準(zhǔn)直透鏡2的焦點(diǎn)上，位于保護(hù)套管4的軸線上；接收光纖的端面凸出于入射光纖的端面，以接收反射回來(lái)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡2的反射光。所述的藍(lán)寶石圓片5作為感溫元件，采用單晶藍(lán)寶石晶體制成。藍(lán)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(xué)性能，具有兩個(gè)折射率不同的光軸，單晶藍(lán)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(lán)寶石晶體可以滿足偏振測(cè)溫需要。同時(shí)，藍(lán)寶石晶體的熔點(diǎn)達(dá)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(dá)1800°C?？梢?jiàn)，藍(lán)寶石晶體可以滿足高溫高壓及高腐蝕環(huán)境下進(jìn)行偏振測(cè)溫的需求， 并且藍(lán)寶石晶體的價(jià)格遠(yuǎn)低于藍(lán)寶石光纖，在實(shí)際應(yīng)用中具有更好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本發(fā)明利用藍(lán)寶石圓片進(jìn)行高溫測(cè)量，其原理是把藍(lán)寶石圓片放在一個(gè)起偏器和檢偏器之間，一束非偏振光經(jīng)過(guò)起偏器后將分成尋常光ο光和非尋常光e光，然后再進(jìn)入藍(lán)寶石圓片，由于藍(lán)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(gè)相位差，光線需經(jīng)過(guò)檢偏器發(fā)生干涉，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化就可以得到這個(gè)相位差，而這個(gè)相位差與藍(lán)寶石圓片的厚度d和藍(lán)寶石晶體的雙折射差Δη有關(guān)，同時(shí)這兩個(gè)因素都與溫度有關(guān)，因此可以通過(guò)檢測(cè)相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。本發(fā)明中藍(lán)寶石圓片為圓盤(pán)形，厚度均勻。兩束偏振光的相位差是由兩束光線的光程差(Optical Path Difference，簡(jiǎn)稱 0PD)來(lái)決定的，即φ = 2 Ji *0PD/ λ(1)OPD = I ne_n。| *d = Δ n*d(2)此處，d為藍(lán)寶石圓片厚度，ne、n。分別為e光和ο光的折射率，λ為波長(zhǎng)。Δη和 d都與藍(lán)寶石晶體所處的溫度有關(guān)，上式可以寫(xiě)作OPD = Ine-n01 *d = Δη(T)*d(T)(3)使用高溫?zé)犭娕歼M(jìn)行標(biāo)定，然后進(jìn)行多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，便可以得到溫度T與光程差OPD的對(duì)應(yīng)關(guān)系式T = f(0PD)。實(shí)際進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，測(cè)出光程差即可得出溫度值。溫度和光程差具有很好一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，關(guān)系式如下T = -0. 3465* (OPD) 3+71. 443* (OPD) 2_4994· 4696* (OPD)+118524. 1127 (4)實(shí)際進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，測(cè)出光程差后根據(jù)式即可得出溫度值。光程差可以利用光譜儀進(jìn)行處理根據(jù)其輸出的數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)。本實(shí)施例中通過(guò)格蘭泰勒棱鏡3實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的偏振和對(duì)從角錐棱鏡6反射回來(lái)的反射光進(jìn)行干涉的作用。格蘭泰勒棱鏡3、準(zhǔn)直透鏡2、藍(lán)寶石圓片5都為圓柱形，他們的軸線在一條直線上，只有光纖接頭1的光線出射端位于透鏡焦點(diǎn)上，光線通過(guò)準(zhǔn)直透鏡2后變?yōu)槠叫泄猓裉m泰勒棱鏡3位于準(zhǔn)直透鏡2之后。格蘭泰勒棱鏡的優(yōu)點(diǎn)就是光的透過(guò)率高、偏光純度高，這樣就能減少光的損失、提高測(cè)量精度。所述的角錐棱鏡6的作為光反射元件并起到改變光路的作用，角錐棱鏡6的光軸與保護(hù)套管4、藍(lán)寶石圓片5的軸線重合，在一條直線上，其反射面位于保護(hù)套管4的最前端。角錐棱鏡6可以選取反光性能好、耐高溫的材料，可以大大增強(qiáng)反射光的強(qiáng)度，減少光的損耗，進(jìn)而增強(qiáng)光接收端的信號(hào)強(qiáng)度，提高溫度測(cè)量精度，減少測(cè)量誤差。角錐棱鏡的作用是進(jìn)行光的反射，優(yōu)點(diǎn)是反射效率更高，光損失更小。同時(shí)角錐棱鏡起到改變光路的作用，使得在光路中只需要一個(gè)起偏器，當(dāng)反射回來(lái)的光從起偏器的另一方向經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生干涉起到檢偏器的作用，節(jié)省器件，同時(shí)安裝方便。通過(guò)光纖接頭1出來(lái)的入射光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2后變?yōu)槠叫泄?，平行光?jīng)過(guò)格蘭泰勒棱鏡3偏振后分為尋常光(ο光)和非尋常光(e光)，o光和e光經(jīng)過(guò)藍(lán)寶石圓片5后由于藍(lán)寶石晶體的雙折射產(chǎn)生一個(gè)相位差Φ，然后ο光和e光進(jìn)入角錐棱鏡6進(jìn)行反射，反射回來(lái)的光再次進(jìn)入藍(lán)寶石圓片5，相當(dāng)于產(chǎn)生了 2Φ的相位差，然后ο光和e光又經(jīng)過(guò)格蘭泰勒棱鏡3產(chǎn)生干涉，干涉的光波經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2進(jìn)入光纖接頭1的接收光纖，最終由光纖導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)和處理。 在此說(shuō)明書(shū)中，本發(fā)明已參照其特定的實(shí)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(shuō)明書(shū)和附圖被認(rèn)為是說(shuō)明性的而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器，其特征在于，包括保護(hù)套管、位于保護(hù)套管內(nèi)的依次間隔排列設(shè)置的準(zhǔn)直透鏡、起偏器、藍(lán)寶石圓片、反射器，其中藍(lán)寶石圓片和反射器位于保護(hù)套管的前端，藍(lán)寶石圓片作為感溫元件；入射白光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后變?yōu)槠叫泄?，?jīng)過(guò)起偏器分為O光和e光后經(jīng)過(guò)藍(lán)寶石圓片并經(jīng)反射器反射，反射回來(lái)的O光和e光再次經(jīng)過(guò)藍(lán)寶石圓片，并經(jīng)過(guò)檢偏器進(jìn)行干涉獲得干涉光，干涉光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡后匯聚到準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器，其特征在于，所述的藍(lán)寶石圓片為單晶藍(lán)寶石晶體制成。
3.如權(quán)利要求1所述的白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器，其特征在于，所述的反射器為角錐棱鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器，其特征在于，所述的起偏器為格蘭泰勒棱鏡，當(dāng)入射白光進(jìn)入格蘭泰勒棱鏡時(shí)，格蘭泰勒棱鏡起起偏器的作用對(duì)光進(jìn)行偏振分光，當(dāng)反射光返回進(jìn)入格蘭泰勒棱鏡時(shí)，其起檢偏器的作用經(jīng)過(guò)檢偏器的光線發(fā)生干涉。
5.如權(quán)利要求1所述的白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器，其特征在于，還包括入射光纖和接收光纖構(gòu)成的光纖接口，其位于保護(hù)套管的后端，入射光纖位于準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)處，用于向準(zhǔn)直透鏡傳送入射白光和接受從準(zhǔn)直透鏡反射回來(lái)的干涉光。
6.如權(quán)利要求5所述的白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器，其特征在于，所述的光纖接口的光纖為多模光纖。
7.如權(quán)利要求1所述的白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器，其特征在于，保護(hù)套管的前端為封閉的圓弧狀。
8.如權(quán)利要求7所述的白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器，其特征在于，保護(hù)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。
全文摘要
本發(fā)明提供的白光干涉藍(lán)寶石高溫傳感器，包括保護(hù)套管、位于保護(hù)套管內(nèi)的依次間隔排列設(shè)置的準(zhǔn)直透鏡、起偏器、藍(lán)寶石圓片、反射器，其中藍(lán)寶石圓片和反射器位于保護(hù)套管的前端，藍(lán)寶石圓片作為感溫元件；入射白光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后變?yōu)槠叫泄?，?jīng)過(guò)起偏器分為o光和e光后經(jīng)過(guò)藍(lán)寶石圓片并經(jīng)反射器反射，反射回來(lái)的o光和e光再次經(jīng)過(guò)藍(lán)寶石圓片，并經(jīng)過(guò)檢偏器進(jìn)行干涉獲得干涉光，干涉光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡后匯聚到準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)。本發(fā)明可以在溫度1800℃以及腐蝕性的環(huán)境中使用，具有耐高溫及化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；不受高溫氣體中的水蒸汽及氣體組分的影響，應(yīng)用范圍廣；高溫測(cè)頭為高精度光學(xué)器件，測(cè)量精度高；安裝方便；成本低。
文檔編號(hào)G01J5/08GK102288304SQ20111019781
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)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(qián)穎杰 申請(qǐng)人:北京宏孚瑞達(dá)科技有限公司