專利名稱：一種多fbg光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量裝置及測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量裝置及其測量方法，特別是涉及ー種多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量裝置及測量方法。
背景技術：
在金屬冶金連鑄結(jié)晶過程、連鑄高溫鋼坯表面、冶金爐、火炮發(fā)射、航空及火箭發(fā)動機、強激光解離大氣產(chǎn)生的等離子體等場合的高溫測試中，瞬態(tài)溫度(溫度范圍在800-2000攝氏度，溫度變化在5-lOus)是ー個非常重要的參數(shù)之一，對于結(jié)晶體結(jié)晶過程溫度場研究，鋼鐵冶煉溫度監(jiān)控，鋼坯表面溫度場的分析，火炮的溫度監(jiān)控，發(fā)動機的溫度場分析等有著十分重要的意義。目前對于低溫或是緩慢變化的溫度場(溫度在1000攝氏度以內(nèi)，幾個毫秒 到幾十秒響應時間)一般采用接觸式的測量，如熱電偶、熱電阻、溫敏光纖，專利號為201010279035. 5的ー種光纖光柵單端測溫傳感器，專利號為200820020538. 9的ー種高溫
光纖光柵溫度傳感器。輻射式測溫方法是以普朗克的黑體熱輻射定律為基礎的，實際物體往往是非黑體，因此，引入了輻射溫度、亮度溫度和顔色溫度等表觀溫度的概念，基于以上三種表觀溫度測量方法的高溫計分別稱為全輻射高溫計、亮度式高溫計和比色式高溫計。比色測溫法的優(yōu)點(1)大多數(shù)物體的顔色溫度比亮度溫度和輻射溫度更接近真實溫度。(2)比色法測溫受被測物體光譜發(fā)射率影響小，針對被測物體的輻射特性，以及中間吸收介質(zhì)的光譜吸收特性，合理選擇兩個工作波段，可以大大減小因被測體光譜發(fā)射率變化以及中間介質(zhì)吸收的影響而引起的誤差。比色溫度計尤其適用于測量發(fā)射率較低的表面光亮的物體溫度，或者在光路上存在著塵埃、煙霧等中性吸收介質(zhì)的場所。光纖光柵高溫測量技木，F(xiàn)BG光纖光柵是ー種窄帶光纖濾波，通過光纖芯區(qū)折射率周期變化造成光纖波導條件的改變，從而導致一定波長發(fā)生相應的模式耦合，使得其透射光譜和反射光譜對該波長出現(xiàn)奇異性，一般ー個FBG光纖光柵同時具有溫敏和壓敏特性，可以用來直接測量高溫溫度，如專利申請?zhí)枮?00810048991. 5基于光纖光柵傳感的陶瓷窯爐溫度檢測方法，申請?zhí)枮?00910228048. 7光纖光柵測溫系統(tǒng)及多點測溫方法，申請?zhí)枮?00710038145. O光纖光柵高溫傳感系統(tǒng)。文獻(《光電工程》38 (4) : 1-6，2011)提出了ー種不依賴于CXD光譜特性及其三基色代表性波長的改進比色測溫方法，利用三基色RGB中兩兩基色與溫度的關系得到三個溫度解，最后利用三個溫度解之間的相關性進行優(yōu)化，得出最優(yōu)溫度解，其平均誤差I. 09%,而傳統(tǒng)的比色測溫的平均誤差為2.25%。中國專利號200610083893. 6介紹了ー種利用比色測量高溫溫度場、火焰圖像的裝置和檢測方法，通過聚光光學元件接收紅外輻射到光纖陣列，一支輸入到圖像處理單元，一支輸入到比色測溫系統(tǒng)，在比色測溫中通過Y型分光器分為兩支路，分別通過兩個不同波長的濾波片，然后通過探測器進行比色測溫計算。
中國專利200610047731. 7介紹了ー種金屬粉末激光成型過程中溫度場檢測方法及其裝置，通過將兩種波長的濾光片分時交替的位于光路中，通過紅外攝像機采集光強圖像，根據(jù)灰度圖像做比色測溫，得到其溫度場。中國專利200910077464. I介紹了ー種三CXD溫度場測量裝置及方法，光學鏡頭采集輻射能，再通過分光鏡組，分成三路，在每一路信號后放置濾波片，然后進入三路光譜非相關的CXD圖像，在利用數(shù)據(jù)處理單元進行比色測溫。由于一般的RGB濾色陣列三個顏色通道的波段響應是基于標準人眼的光譜三刺激值進行設計的，所以其光譜響應特性是固定的，而無法自主選擇合適的三波段，實現(xiàn)優(yōu)化測量。針對這個缺點中國專利200910077462. 2介紹了ー種彩色CXD的輻射溫度場測量裝置及其方法。該裝置在光學鏡頭的前面加了ー個具有兩種單峰透過率的濾色片，先對物 體的輻射能進行兩個帶通濾波。經(jīng)過光學鏡頭聚焦后于彩色CCD面陣傳感器的焦平面，并成像，然后通過對RGB通道的任意兩通道進行比色測溫。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種檢測更精準的多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量裝置及測量方法。本發(fā)明的ー種多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量裝置，包括高溫光學鏡頭、傳輸光纖和設置在控制室內(nèi)的高速浮點DSP處理器、串聯(lián)在傳輸光纖上的多個分光器、以及在單個分光器上直接熔接的FBG光纖光柵、以及與所述分光器相對應的探測器和與所述探測器相對應的信號調(diào)理電路。所述高溫光學鏡頭用于拾取高溫物體表面的熱輻射紅外光。所述傳輸光纖用于將所述高溫光學鏡頭拾取到的熱輻射紅外光傳輸至所述控制室。所述分光器，所述分光器為Y型分光器，所述Y型分光器的輸入端為光信號的輸入端，所述Y型分光器的公共端直接耦合所述FBG光纖光柵，所述Y型分光器的輸出端用于將FBG光纖光柵濾波出來的反射光輸入至所述探測器。所述探測器，用于將FBG光纖光柵濾波出來的反射光轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路后輸入到DSP處理器。所述高速浮點DSP處理器包括A/D轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊，用于對輻射光電信號的采集、數(shù)據(jù)濾波、比色值計算、溫度查表、數(shù)據(jù)擬合運算、存儲溫度值并且將溫度曲線顯示在所述顯示模塊上。作為優(yōu)選方式，所述Y型分光器為三個，所述FBG光纖光柵為三個。作為優(yōu)選方式，所述探測器為紅外APD接收管。作為優(yōu)選方式，所述FBG光纖光柵米用激光刻寫方式制作，中心波長為800nm-1000nm,中心波長的偏差為±0. 2nm，波長的3dB帶寬為O. 2nm。作為優(yōu)選方式，所述傳輸光纖、Y型分光器和FBG光纖光柵的連接是通過光纖熔接機直接融合。本發(fā)明的ー種多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量方法，多FBG光纖光柵比色測溫是按照以下步驟確定
一、高溫光學鏡頭拾取高溫物體表面的紅外福射光；
ニ、紅外輻射光經(jīng)過聚焦耦合到傳輸光纖，并通過傳輸光纖傳輸至控制室，以便于做后續(xù)處理；
三、在控制室內(nèi)，光纖通過Y型分光器的輸入端輸入到FBG光纖光柵,被FBG光纖光柵反射的光通過Y型分光器的輸出端輸出，并傳輸至探測器；同時被FBG光纖光柵投射的光通過Y型分光器的公共端進入下ー級的FBG光纖光柵，各級的FBG光纖光柵是通過Y型分光器級聯(lián)的；
四、被各級的FBG光纖光柵反射回來的光信號由與其對應的APD紅外探測器轉(zhuǎn)換為微弱電信號，該電信號經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理后輸入至高速浮點DSP處理器的A/D轉(zhuǎn)換模塊上； 五、高速浮點DSP處理器將A/D轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)進行濾波、比色計算、溫度查表、溫度擬合后，實時存儲在內(nèi)存中，最后將溫度以曲線的方式顯示在液晶顯示器上。與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明的有益效果為
1、與現(xiàn)有的基于熱電偶的快速測溫相比，本發(fā)明由于采用比色測溫，響應速度快，可以達到5-lOus，適合遠距離非接觸式高溫測量；
2、與現(xiàn)有的基于溫敏FBG光纖光柵傳感器測溫相比，本發(fā)明不需要繁瑣的解調(diào)裝置，系統(tǒng)的影響因數(shù)減小，成本更低，響應時間更快；
3、與現(xiàn)有的基于比色測溫系統(tǒng)，如彩色CCD測溫，或濾波片的比色測溫相比，本發(fā)明裝置采用了 FBG光纖光柵，其各個部件的接ロ采用光纖熔接機直接熔接，其損耗可以忽略，其中心波長的誤差精度是濾波片的10倍，故該裝置安裝方便，牢固，準確度和靈敏度高，性能更加可靠；
4、由于系統(tǒng)采用了高速浮點運算的DSP處理器，其運算速度快，處理數(shù)據(jù)時間短，達到了系統(tǒng)所需要的5-10us的響應時間要求。


圖I是本發(fā)明中ー種多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中Y型分光器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明中高速浮點DSP處理器運行時的流程示意圖。圖4是本發(fā)明中利用A/D中讀取光強信號示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進ー步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。參見圖1，ー種多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量裝置，包括高溫光學鏡頭2、傳輸光纖3和設置在控制室4內(nèi)的高速浮點DSP處理器9、串聯(lián)在傳輸光纖3上的三個Y型分光器5、以及在每ー個Y型分光器5上直接熔接的FBG光纖光柵6、以及與Y型分光器5相對應的探測器7和與所述探測器7相對應的信號調(diào)理電路8。所述高溫光學鏡2頭用于拾取高溫物體I表面的熱輻射紅外光。
所述傳輸光纖3用于將所述高溫光學鏡頭I拾取到的熱輻射紅外光傳輸至所述控制室4。所述Y型分光器5的輸入端51為光信號的輸入端,所述Y型分光器5的公共端52直接I禹合所述FBG光纖光柵6,所述Y型分光器5的輸出端53用于將FBG光纖光柵6濾波出來的反射光輸入至所述探測器7。所述傳輸光纖3、Y型分光器5以及FBG光纖光柵6連接時通過光纖熔接機直接融合。其損耗強度可以達到O. 1%以下，保證了發(fā)射光的足夠強度，降低光電探測器的噪聲源。所述信號調(diào)理電路8，主要將探測器7輸出的微弱信號進行兩級放大，濾波，最后輸入到高速浮點DSP處理器內(nèi)。探測器7為紅外APD接收管，主要用來探測微弱光強，響應度是PIN管的5_10倍；用于將FBG光纖光柵6濾波出來的反射光轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路8后輸入到DSP 處理器9。所述高速浮點DSP處理器9包括A/D轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊，用于對輻射光電信號的采集、數(shù)據(jù)濾波、比色值計算、溫度查表、數(shù)據(jù)擬合運算、存儲溫度值并且將溫度曲線顯示在所述顯示模塊上，A/D轉(zhuǎn)換模塊為轉(zhuǎn)換時間為80ns的12位同步采樣A/D轉(zhuǎn)換器，顯示模塊為液晶顯示器10。綜合上述，該裝置利用FBG光纖光柵6做波長選擇器(濾波)，當滿足布拉格條件時，即當入射波與FBG光纖光柵6的中心波長相等時，其反射率一般在95-99%,而其他波長的光被透射出來；FBG光纖光柵6由于采用激光照射方式制作，中心波長為800nm-1000nm，中心波長的偏差為±0. 2nm，波長的3dB帶寬為O. 2nm，也可以做到幾個pm，增加了系統(tǒng)的探測準確度；傳輸光纖3和FBG光纖光柵6通過光纖熔接機直接融合，其熔接損耗可以做到低于O. 1%以下，也就是說強度通過率達到近100%，基本沒有損耗，傳輸光纖3的直接熔接和FBG光纖光柵6反射率都為后續(xù)的探測器7提拱了足夠的強度，以便于探測，降低系統(tǒng)的探測噪聲；通過ー根傳輸光纖3上串聯(lián)三個或三個以上的Y型分光器5,姆ー個Y型分光器5上直接熔接的FBG光纖光柵6，次級的FBG光纖光柵6入射光是上級FBG光纖光柵6的透射光，這樣，基本上每ー級的滿足FBG光纖光柵6反射的光強都幾乎相等，減小了系統(tǒng)誤差。本發(fā)明為了達到微秒響應度，系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)都采取了必要的措施。ー種多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量方法，多FBG光纖光柵比色測溫是按照以下步驟確定
一、高溫光學鏡頭2拾取高溫物體I表面的紅外福射光；
ニ、紅外輻射光經(jīng)過聚焦耦合到傳輸光纖3，并通過傳輸光纖3傳輸至控制室4，以便于做后續(xù)處理；
三、在控制室4內(nèi)，光纖通過Y型分光器5的輸入端51輸入到FBG光纖光柵6,被FBG光纖光柵6反射的光通過Y型分光器5的輸出端53輸出，并傳輸至探測器7 ;同時被FBG光纖光柵6投射的光通過Y型分光器5的公共端52進入下ー級的FBG光纖光柵6，各級的FBG光纖光柵6是通過Y型分光器5級聯(lián)的，F(xiàn)BG光纖光柵6采用激光刻寫方式制作，中心波長為800nm-1000nm，中心波長的偏差為±0. 2nm，波長的3dB帶寬為O. 2nm，級聯(lián)的等級是根據(jù)光強的損耗和實際需要來確定的。四、被各級的FBG光纖光柵6反射回來的光信號由與其對應的APD紅外探測器7轉(zhuǎn)換為微弱電信號，該電信號經(jīng)過信號調(diào)理電路8調(diào)理后輸入至高速浮點DSP處理器9的A/D轉(zhuǎn)換模塊上；
五、高速浮點DSP處理器9將A/D轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)進行濾波、比色計算、溫度查表、溫度擬合后，實時存儲在內(nèi)存中，最后將溫度以曲線的方式顯不在液晶顯不器10上。在瞬態(tài)高溫測量中，為了達到瞬態(tài)(5-lOus的響應時間)，測量裝置是這樣實現(xiàn)的，通過IOOMhz響應度的APD紅外探測器7獲取到由FBG光纖光柵6反射波的光強信號，由IOOHMz響應度的信號調(diào)理電路8調(diào)整信號到A/D轉(zhuǎn)換允許的范圍內(nèi)，并通過轉(zhuǎn)換時間為80ns的12位同步采樣A/D轉(zhuǎn)換器，在高速浮點DSP處理器9內(nèi)部進行兩兩比色并查表，再根據(jù)校準好的比例系數(shù)進行溫度擬合，通過嵌入?yún)R編(每條指令執(zhí)行時間為6. 7ns，數(shù)據(jù)處理的匯編指令條數(shù)在200-300之間)，使得每次溫度的更新率在5-lOus之內(nèi)，將數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部存儲器中，再將溫度以波形和數(shù)據(jù)的格式顯示在液晶顯示器10上。參見圖3和圖4，測試前先開機11，系統(tǒng)程序初始化12后，開始數(shù)據(jù)采集13，在主 程序中檢測是否有新數(shù)據(jù)更新，如果有溫度需要溫度顯示14，則更新溫度波形圖，當A/D中斷15完后，通過DMA傳輸至內(nèi)存中，當每個通道的數(shù)據(jù)達到八條后，進行中值濾波，然后查表，得到三個溫度值，再通過常系數(shù)擬合計算實際溫度值，并存儲在溫度儲存器16中，當溫度值達到一定的數(shù)量后，比如128個點時，再通知主應用程序，有需要的溫度波形數(shù)據(jù)更新了，最后退出中斷17。高速浮點DSP處理器與顯示是按照以下步驟完成
高溫物體表面溫度是根據(jù)普朗克的黑體輻射模型推到的，其公式為
權利要求
1.ー種多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量裝置，其特征在于包括高溫光學鏡頭、傳輸光纖和設置在控制室內(nèi)的高速浮點DSP處理器、串聯(lián)在傳輸光纖上的多個分光器、以及在單個分光器上直接熔接的FBG光纖光柵、以及與所述分光器相對應的探測器和與所述探測器相對應的信號調(diào)理電路； 所述高溫光學鏡頭用于拾取高溫物體表面的熱福射紅外光； 所述傳輸光纖用于將所述高溫光學鏡頭拾取到的熱輻射紅外光傳輸至所述控制室； 所述分光器，所述分光器為Y型分光器，所述Y型分光器的輸入端為光信號的輸入端，所述Y型分光器的公共端直接耦合所述FBG光纖光柵，所述Y型分光器的輸出端用于將滿足FBG光纖光柵的反射光輸入至所述探測器； 所述探測器，用于將FBG光纖光柵濾波出來的反射光轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路后輸入到DSP處理器； 所述高速浮點DSP處理器包括Α/D轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊，用于對輻射光電信號的采集、數(shù)據(jù)濾波、比色值計算、溫度查表、數(shù)據(jù)擬合運算、存儲溫度值并且將溫度曲線顯示在所述顯示模塊上。
2.如根據(jù)權利要求I所述的ー種多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量裝置，其特征在于所述Y型分光器為三個，所述FBG光纖光柵為三個。
3.如根據(jù)權利要求I所述的ー種多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量裝置，其特征在于所述探測器為紅外APD接收管。
4.如權利要求I所述的ー種多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量方法，其特征在于所述FBG光纖光柵采用激光刻寫方式制作，中心波長為800nm-1000nm，中心波長的偏差為±0. 2nm，波長的3dB帶寬為O. 2nm。
5.如權利要求I所述的ー種多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量方法，其特征在于所述傳輸光纖、Y型分光器和FBG光纖光柵的連接是通過光纖熔接機直接融合。
6.ー種多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量方法，其特征在于多FBG光纖光柵比色測溫是按照以下步驟確定 一、高溫光學鏡頭拾取高溫物體表面的紅外福射光； ニ、紅外輻射光經(jīng)過聚焦耦合到傳輸光纖，并通過傳輸光纖傳輸至控制室，以便于做后續(xù)處理； 三、在控制室內(nèi)，光纖通過Y型分光器的輸入端輸入到FBG光纖光柵,被FBG光纖光柵反射的光通過Y型分光器的輸出端輸出，并傳輸至探測器；同時被FBG光纖光柵投射的光通過Y型分光器的公共端進入下ー級的FBG光纖光柵，各級的FBG光纖光柵是通過Y型分光器級聯(lián)的； 四、被各級的FBG光纖光柵反射回來的光信號由與其對應的APD紅外探測器轉(zhuǎn)換為微弱電信號，該電信號經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理后輸入至高速浮點DSP處理器的Α/D轉(zhuǎn)換模塊上； 五、高速浮點DSP處理器將Α/D轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)進行濾波、比色計算、溫度查表、溫度擬合后，實時存儲在內(nèi)部存儲器中，最后將溫度以曲線的方式顯示在液晶顯示器上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種溫度測量裝置，特別是涉及一種多FBG光纖光柵比色瞬態(tài)溫度測量裝置，包括高溫光學鏡頭、傳輸光纖和設置在控制室內(nèi)的高速浮點DSP處理器、多個分光器、FBG光纖光柵、探測器和信號調(diào)理電路，通過100Mhz響應度的APD紅外探測器獲取到由FBG光纖光柵反射波的光強信號，由信號調(diào)理電路調(diào)整信號到A/D轉(zhuǎn)換允許的范圍內(nèi)，通過轉(zhuǎn)換時間為80ns的12位同步A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由高速浮點DSP處理器進行兩兩比色計算并查表，再根據(jù)校準好的比例系數(shù)進行溫度擬合，通過嵌入?yún)R編，使得每次溫度的更新率在5-10us之內(nèi)，將數(shù)據(jù)實時存儲在內(nèi)部存儲器，溫度以波形和數(shù)據(jù)的格式顯示在液晶顯示器上，這樣使得檢測更精準、直觀。
文檔編號G01K11/32GK102692283SQ20121019043
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月11日 優(yōu)先權日2012年6月11日
發(fā)明者李傳亮, 邱選兵, 魏計林 申請人:太原科技大學