[發(fā)明專利]基于光纖布拉格光柵的全光纖比色測溫方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210107442.7
• 申請日: 2012-04-13
• 公開（公告）號: CN102680114A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發(fā)明（設計）人: 李仰軍;王燕紅;王高;周漢昌
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01J5/60
• 分類號: G01J5/60
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及溫度場的輻射溫度測試技術，具體涉及非接觸式的比色測溫技術及其濾波技術。本發(fā)明采用光纖布拉格光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濾光片，實現(xiàn)兩種不同波長的窄帶濾波，由光纖三端環(huán)形器將光波傳輸?shù)焦怆娞綔y器，具有全光纖傳輸、安裝調(diào)試方便和便于集成的優(yōu)點；該方法光學系統(tǒng)簡單，可與光纖融合，適應在惡劣環(huán)境下進行測量。

背景技術

溫度測試方法可分為接觸式測量和非接觸式測量方法。在比較惡劣的環(huán)境下，接觸式測量容易使傳感器損壞，且破壞了被測的溫度場，因此，可實現(xiàn)非接觸式測量的不同原理的輻射測溫方法得到發(fā)展。

對于輻射式測溫方法，靈敏度比較高，響應速度快，測量溫度上限高。但測量精度受被測對象發(fā)射率和中間介質(zhì)影響比較大。而發(fā)射率受環(huán)境，溫度及材料的表面光潔度等各種因素的影響，其不確定性是目前光譜測溫的測量難題。

20世紀80年代，比色測溫技術開始興起，該技術利用兩種波長信號比較的方法很好地消除了發(fā)射率及環(huán)境的影響，有效地提高了測溫精度，在工業(yè)生產(chǎn)、科學研究等方面有著廣泛的應用。尤其是應用輻射測溫技術進行爆炸溫度場測試時，被測量目標為高速流動的燃料、空氣及爆轟產(chǎn)物的氣、固、液多相混合物，其組成成分及發(fā)射率隨時間迅速變化，采用單色輻射測溫法和全輻射測溫法會給測溫精度帶來很大的誤差，應用比色測溫技術能夠較好地減少目標發(fā)射率對測溫精度的影響，從而得到被測目標的溫度。

但以往的比色測溫系統(tǒng)仍存在一些不利于應用的因素。如以往采用光學鏡頭收集高溫物體的輻射，這些光學鏡頭由不同的光學鏡片組成，組裝和調(diào)試較復雜，體積較大；為了得到所要求的兩種不同中心波長的濾光片，要采用特殊膜系制成的高性能濾光片，使成本增加。

以往的比色測溫方法，多從光電解調(diào)部分進行改進，而從光路的改進較少。如中國專利200810115098.X“基于單臺彩色CCD攝像機的雙波段比色測溫方法”仍然是采用不同中心波長的干涉濾光片將全波段光濾波為兩個波段內(nèi)的窄帶光。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種基于光纖布拉格光柵(FBG，F(xiàn)iber?Bragg?Grating)的全光纖比色測溫方法，該方法屬于非接觸輻射溫度測量方法。

本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于光纖布拉格光柵的全光纖比色測溫方法，用光纖布拉格光柵FBG1、FBG2作為濾波器；由傳感頭接收的光譜到達三端環(huán)形器(10)的1→2端口耦合到FBG1的入射端，F(xiàn)BG1的反射光波由三端環(huán)形器(10)的2→3端口傳輸?shù)降谝还怆娞綔y器(12)，進行光電轉(zhuǎn)換；同樣，F(xiàn)BG1的透射光譜由三端環(huán)形器(11)的1→2端口傳輸?shù)紽BG2的入射端，由FBG2產(chǎn)生的反射光波經(jīng)過三端環(huán)形器(11)的2→3端口到達第二光電探測器(13)，完成光電轉(zhuǎn)換得到兩種不同波長的電信號，兩不同波長的電信號經(jīng)過信號處理電路處理后，得到所測的溫度值。

所述的方法，所述的系統(tǒng)的光探測和傳輸路徑為全光纖結(jié)構。

所述的方法，傳感頭的結(jié)構為：在光纖的一端鍍接近黑體發(fā)射率1的膜層或者在光纖的一端制作大數(shù)值孔徑的球形收集器。

所述的方法，所述的光纖布拉格光柵為單模光纖布拉格光柵。

該方法的優(yōu)點在于：

1、窄帶濾波采用兩個不同布拉格波長的光纖布拉格光柵作為濾波器，具有便于與光纖集成的優(yōu)點，可實現(xiàn)全光纖傳輸。光學系統(tǒng)簡單，安裝靈活，便于在惡劣環(huán)境使用。

2、所采用的光纖布拉格光柵具有濾波帶寬窄的優(yōu)點，更接近于單色輻射。

3、所采用的兩個不同光柵的布拉格波長可以根據(jù)要求選擇，兩者的布拉格波長可以選擇較近，兩波長光譜發(fā)射率更接近相等，提高了比色測溫的精度。

4、系統(tǒng)所用的環(huán)形器為光纖三端環(huán)形器，與光纖及光纖布拉格光柵融合方便，可實現(xiàn)傳感系統(tǒng)的全光纖傳輸。

5、傳統(tǒng)濾光片法需采用分光光路，削弱了每一路的光信號；本發(fā)明的光路采用同一光纖傳輸，不需要分光，不會削弱光功率，有利于探測。

6、傳感頭的設計采用易于集光的黑體腔光纖傳感器，比傳統(tǒng)的聚光透鏡結(jié)構容易安裝和調(diào)節(jié)。

附圖說明

圖1為基于光纖布拉格光柵的系統(tǒng)工作原理圖；

圖2為某溫度點輻射源的輻射光譜分布及兩布拉格光柵的反射譜；

圖3為傳感頭結(jié)構之一；

圖4為傳感頭結(jié)構之二；

圖5為光纖布拉格光柵結(jié)構及光譜響應示意圖；

圖6為光纖環(huán)形器外形結(jié)構；

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。