专利名称：一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法
技术领域：
本发明属于温度传感器领域，特别涉及一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法。
背景技术：
光纤温度传感器与传统的温度传感器相比，具有很多优点，如光波不受电磁干扰影响；光纤工作频率宽，动态范围大，是一种低损耗传输线；光纤本身不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗辐射性能好。故光纤温度传感器特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用，解决了传统方法无法解决的测温难题。其中，荧光光纤温度传感器根据荧光物质受激励后所出射的荧光参数与温度的一一对应关系，通过检测荧光强度或荧光寿命实现温度传感，现已被广泛应用于电力系统、建筑、航空航天、医疗、食品加工、 石油化工、海洋开发等多种领域。在许多应用场合中，经常需要对多点测温进行监测。如在电力系统中，需要对变电所内的各种电器装备的在线温升进行测量。然而，目前大部分荧光光纤测温系统都仅可用于单点温度探测。故在需要进行多点温度同时测量时，若使用多套单点温度测量系统，则会大大增加系统成本。采用动态耦合的光学多路转换方案，即通过转换装置分别激发多个荧光探头并进行对应测量，可以实现多路温度监测(贾丹平，多路荧光光纤测温系统的研究，沈阳工业大学硕士论文，2001)。但是该方法的缺点在于一方面，复杂的动态耦合装置引入了动态耦合误差，影响测温的稳定性；另一方面，各路温度需依次转换光路进行测量，无法同时获得。此外，还可通过借鉴光纤通信中时分复用的方法也可实现多点温度测量，但是该方法需要采用多路激发光源及精密的时间同步系统，系统复杂、成本昂贵。因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是提出一种有效措施，以解决多点温度同时测量的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，该荧光光纤温度传感器是其传光光纤连接温度传感器光纤探头和光纤耦合器，并在温度传感器光纤探头上的涂覆荧光物质；光纤耦合器再分别连接可强度调制的激励光源模块和滤波元件；调制信号源分别连接激励光源模块、数据处理模块及光电探测器；其特征在于，所述荧光光纤温度传感器实时测量多点温度包括如下步骤1)对激励光源模块进行强度调制，使其输出光强包络包含N个频率分量；2)经过强度调制激励光源模块的输出光经光纤耦合器分光，并经传光光纤传输至 Q路温度传感通道中的光纤探头；3)光纤探头上的荧光物质受激发后发出荧光，探头收集荧光并由传光光纤反向传输；
4)荧光经光纤耦合器、滤波元件后，由光电探测器进行探测；5)光电探测器探测到的荧光经过移相器进行K次改变参考信号相位，进行锁相检测，得到K组测量数据；6)数据处理系统对锁相检测信号进行解调，获得一组荧光寿命信息；7)将步骤6)获得的荧光寿命信息与预先标定的不同掺杂浓度下各荧光物质的荧光寿命随温度的变化曲线进行比对，即得各定位点的实时温度。所述各荧光光纤温度传感器光纤探头上荧光物质的激发波长应相同或相近；其荧光物质可选择不同浓度的同种材料或激发波长相近的不同材料，并且所选各荧光物质的荧光寿命在一定的温度范围内不存在交叠区域。所述激励光源模块中的激励光源由所用荧光材料的吸收光谱确定，所述激励光源可选用激光器、发光二极管(LED)、高压汞灯或高压氙灯。所述对激励光源模块进行强度调制的实现方法，可通过直接对独立光源进行强度调制完成，或者通过将独立光源的输出经加载强度调制信号的声光调制器或电光调制器完成。所述光纤耦合器可根据实际需要设计不同的分光比。例如，当有Q个测量点时，可选用各路分光比为1/Q的光纤耦合器。所述传光光纤可选用单模或多模的石英光纤、或塑料光纤或聚合物光纤中一种。所述滤波元件由二色镜或滤波片构成。所述光电探测器选择为光电倍增管、雪崩二极管或光电二极管。所述锁相检测方法可采用外差探测或零差探测。所述调制频率数N与测量通道数Q应满足QSN ；参考信号相位改变数K与调制频率数N需满足奈奎斯特抽样定理，即K > 2N。所述测量通道数Q彡1，调制频率数N彡Q且N彡1，参考信号相位改变数K > 2N 且K彡3。本发明的有益效果是与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明仅采用单一激励光源与信号探测处理模块即可实现多点温度测量，极大的降低了系统成本；系统结构简单、紧凑；可实现多点温度的同时测量；可实现多点温度的实时定位测量。
图1是本发明实施例所述的一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法流程图；图2是具体实施方式
中引自文献(叶林华，周小芬，张金风，等.LED泵浦蓝宝石光纤荧光温度传感器[J].光子学报.2009，38 (9) =2234-2237)的端部掺Cr3+离子的蓝宝石光纤探头在不同掺杂浓度(原子浓度)下其荧光寿命与温度的实验测量关系曲线。图3是本发明实施实例中光纤探头采用不同浓度的荧光物质进行多点温度探测的荧光光纤温度传感器结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细说明。参照图1，示出了本发明的所述的一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法流程图，所述方法具体包括步骤S101，对激励光源模块进行强度调制，使其输出光强包络包含N个频率分量；具体实现中，所述激励光源模块中的激励光源由所用荧光材料的吸收光谱确定， 所述激励光源可选用激光器、发光二极管(LED)、高压汞灯或高压氙灯。所述对激励光源模块进行强度调制的实现方法，可通过直接对独立光源进行强度调制完成，或者通过将独立光源的输出经加载强度调制信号的声光调制器或电光调制器完成。调制频率数N与测量通道数Q应满足Q < N。步骤S 102，激励光经光纤耦合器分光，并经传光光纤传输至Q路温度传感通道中的光纤探头；所述光纤耦合器可根据实际需要设计不同的分光比。例如，当有Q个测量点时，可选用各路分光比为1/Q的光纤耦合器。所述传光光纤可选用单模或多模的石英光纤、或塑料光纤或聚合物光纤中一种。步骤S103，光纤探头上的荧光物质受激发后发出荧光，探头收集荧光并由传光光纤反向传输；所述各光纤探头上荧光物质的激发波长应相同或相近；其荧光物质可选择不同浓度的同种材料或激发波长相近的不同材料，并且所选各荧光物质的荧光寿命在一定的温度范围内不存在交叠区域。步骤S104，荧光经光纤耦合器、滤波元件后，由光电探测器进行探测；荧光相对于激励光波长向长波长方向移动，需要使用滤波元件将激励光滤除。所述滤波元件由二色镜或滤波片构成，所述光电探测器选择为光电倍增管、雪崩二极管或光
电二极管。步骤S105，K次改变参考信号相位，进行锁相检测，得到K组测量数据；所述锁相检测方法可采用外差探测或零差探测，需要引入参考信号。改变参考信号相位，获得多组测量数据，并输入后续的数据处理系统。参考信号相位改变数K与调制频率数N需满足奈奎斯特抽样定理，即K > 2N。步骤S106，数据处理系统对锁相检测信号进行解调，获得各通道中的荧光寿命信息；对光电转换后的数据进行非线性拟合处理，可得多个荧光寿命值。步骤S107，根据各荧光物质寿命和温度预先标定的已知关系(即指数衰减函数关系，例如图2所示)进行比对，即可得各定位点的实时温度。举例对荧光寿命与温度的一一对应关系进行说明。图2所示为端部掺Cr3+离子蓝宝石光纤荧光探针在不同掺杂浓度(原子浓度)下其荧光寿命与温度的实验测量关系曲线 (叶林华，周小芬，张金风，等.LED泵浦蓝宝石光纤荧光温度传感器[J].光子学报.2009， 38(9) :2234-2237)。且由于所述S103中所选各荧光物质的荧光寿命在一定的温度范围内不存在交叠区域。故可根据所用各荧光物质寿命和温度的已知关系进行比对，确定S106中所得各寿命值所对应的荧光物质及其反映的温度，即确定各定位点的实时温度。
上述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的原理为(1)采用经调制的激励光激发各光纤探头的荧光物质所得的荧光信号；调制信号源输出的信号对激励光源进行强度调制，使其输出光强度包络包含多个 频率分量；各温度传感通道中的荧光物质在经激励光照射后发出荧光，该荧光与激励光频 率相同，但二者之间存在相位差，且荧光信号的调制度发生变化。设有Q个温度测量点，所有测量点处荧光物质的5函数冲激响应总和为
权利要求
1.一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，该荧光光纤温度传感器是其传光光纤连接温度传感器光纤探头和光纤耦合器，并在温度传感器光纤探头上涂覆荧光物质；光纤耦合器再分别连接可强度调制的激励光源模块和滤波元件；调制信号源分别连接激励光源模块、数据处理模块及光电探测器；其特征在于，所述荧光光纤温度传感器实时测量多点温度包括如下步骤1)对激励光源模块进行强度调制，使其输出光强包络包含N个频率分量；2)经过强度调制激励光源模块的输出光经光纤耦合器分光，并经传光光纤传输至Q路温度传感通道中的光纤探头；3)光纤探头上的荧光物质受激发后发出荧光，探头收集荧光并由传光光纤反向传输；4)荧光经光纤耦合器、滤波元件后，由光电探测器进行探测；5)光电探测器探测到的荧光经过移相器进行K次改变参考信号相位，进行锁相检测， 得到K组测量数据；6)数据处理系统对锁相检测信号进行解调，获得一组荧光寿命信息；7)将步骤6)获得的荧光寿命信息与预先标定的不同掺杂浓度下各荧光物质的荧光寿命随温度的变化曲线进行比对，即得到各定点通道的实时温度。
2.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于所述各荧光光纤温度传感器光纤探头上荧光物质的激发波长应相同或相近；其荧光物质可选择不同浓度的同种材料或激发波长相近的不同材料，并且所选各荧光物质的荧光寿命在一定的温度范围内不存在交叠区域。
3.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于所述激励光源模块中的激励光源由所用荧光物质的吸收光谱确定，所述激励光源选用激光器、发光二极管LED、高压汞灯或高压氙灯。
4.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于所述对激励光源模块进行强度调制采用直接对激励光源进行强度调制完成，或者通过将激励光源的输出经加载强度调制信号的声光调制器或电光调制器完成。
5.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于所述光纤耦合器的分光比为当有Q个测量点时，选用各路分光比为1/Q的光纤耦合器。
6.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于所述传光光纤选用单模或多模的石英光纤、或塑料光纤或聚合物光纤中一种。
7.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于所述滤波元件由二色镜或滤波片担任。
8.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于所述光电探测器选择为光电倍增管、雪崩二极管或光电二极管。
9.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于所述锁相检测方法为采用外差探测或零差探测。
10.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于调制频率数N与测量通道数Q应满足Q < N ；参考信号相位改变数K与调制频率数N 需满足奈奎斯特抽样定理，即K > 2N。
11.根据权利要求1所述基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法，其特征在于测量通道数Q彡1，调制频率数N彡Q且N彡1，参考信号相位改变数K > 2N且K彡3。
全文摘要
本发明公开了属于温度传感器领域的一种基于荧光光纤温度传感器实时测量多点温度的方法。该方法对激励光源模块进行强度调制，使其输出光强包络包含N个频率分量的激励光激发Q个通道光纤探针中的荧光物质，并采用锁相检测技术对所收集的荧光信号，通过移相获得的K组数据进行解调，得到各测量点的荧光寿命，进而获得相应点的温度。本发明仅采用单一激励光源与信号探测处理模块即可实现多点测量，结构简单紧凑、系统成本低廉，可实现多点温度的实时定位测量。
文档编号G01K11/32GK102435347SQ201110361250
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者孔令杰, 李军, 杨昌喜, 肖晓晟 申请人:清华大学