CN201680925U - 一种基于荧光寿命检测的荧光光纤温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型旨在提供一种基于荧光寿命检测的荧光光纤温度传感器，以解决背景技术中所述的传统光纤温度传感器结构较复杂、测量精度较低、受光强变化影响大等问题。该荧光光纤温度传感器包括光源驱动电路、荧光激励光源、光路耦合系统、荧光光纤测温探头、荧光信号检测处理系统和显示系统；荧光光纤测温探头由传光光纤、荧光材料和保护套组成，荧光材料用环氧胶粘接于传光光纤的末端，荧光材料和传光光纤作为整体完全由保护套包裹。本实用新型具有结构简单、体积小、重量轻、测量精度高、测量范围大，抗腐蚀、抗电磁干扰能力强等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于荧光寿命检测的荧光光纤温度传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
现有的光纤测温技术主要基于光反射、光吸收、光干涉、光散射、热辐射等原理实现，其中，基于光反射原理实现的光纤光栅温度传感器和光干涉原理实现的光纤法泊温度传感器，都是基于波长变化解调出温度变化信息，光纤解调仪制造复杂，对所用分立器件性能要求高，制造成本高，而且其传感器本身受应力等其它因素的影响也很大，需要比较复杂的补偿技术才能得到能实用的温度信息；基于光纤拉曼散射的测温技术，更是综合了OTDR等技术，技术难度更大，成本更高；基于热辐射技术，适用于高温(1000℃以上)非接触测量，目前技术成熟，成本低，但应用领域有限，市场较小；基于光吸收技术的光纤测温仪，测量误差太大，测量可重复性差，受光强变化影响大，难以实用。
实用新型内容
本实用新型旨在提供一种基于荧光寿命检测的荧光光纤温度传感器，以解决背景技术中所述的传统光纤温度传感器结构较复杂、测量精度较低、受光强变化影响大等问题。
本实用新型的测温原理是基于稀土荧光物质的材料特性实现的，某些稀土荧光物质受紫外线照射并激发后，在可见光谱中发射线状光谱，即荧光及其余辉(余辉为激励停止后的发光)。荧光余辉的衰变时间常数是温度的单值函数，通常温度越高，时间常数越小。只要测得时间常数的值，就可以求出温度。应用这种方法测温的最大优点，就是被测温度只取决于荧光材料的时间常数，而与系统的其他变量无关，例如光源强度的变化、传输效率、耦合程度的变化等都不影响测量结果，较光强测温法和波长解调法原理上有明显优势。
本实用新型提出的基于荧光寿命检测的荧光光纤温度传感器，包括光源驱动电路、荧光激励光源、光路耦合系统、荧光光纤测温探头、荧光信号检测处理系统和显示系统，其中光路耦合系统包括第一耦合透镜、第二耦合透镜、第三耦合透镜和滤波片；所述荧光激励光源能够产生脉冲光波；所述光源驱动电路与荧光激励光源相连，在荧光激励光源形成的出射光路上依次设置有第一耦合透镜、滤波片和第二耦合透镜，在第二耦合透镜所在的出射光路后方设置有光纤接头，光纤接头经光纤与荧光光纤测温探头连接；在荧光光纤测温探头形成的荧光反射光路上依次设置有第二耦合透镜、第三耦合透镜和半反半透的滤波片，在第三耦合透镜所在的荧光反射光路后方设置有属于荧光信号检测处理系统的荧光探测器；显示系统与荧光信号检测处理系统电连接。
上述半反半透的滤波片能够对波长为300～500nm的光波全反射，对波长为500～700的光波全透射。光路耦合系统中的耦合透镜可采用非球面透镜、球透镜、自聚焦透镜或塑料透镜，结构件实现滤波片和耦合透镜的固定，更需要实现光路耦合设计要求的精确定位，一般来说滤波片在光路上呈45度角放置，使得第二耦合透镜和第三耦合透镜在同一轴线上平行设置。
上述荧光光纤测温探头由传光光纤、荧光材料和保护套组成，荧光材料用环氧胶粘接于传光光纤的末端，荧光材料和传光光纤作为整体被包裹于保护套内。
上述传光光纤采用石英光纤、多组份玻璃光纤或塑料光纤，荧光材料采用稀土三基色荧光粉、硫氧化钆铽或氟锗酸镁；保护套采用耐高温聚四氟乙烯材料制成，所述传光光纤的末端端面上涂覆有硅酮树脂，以提高反射率，使更多的激发光返回到光纤。
上述荧光激励光源采用波长为350～420nm的发光二极管、激光二极管或低压汞灯。该发光二极管具有光源体积小、耗电少，寿命长，同时光源发出的光易于光纤耦合等优点。
上述荧光探测器为光敏二极管，所述荧光信号检测处理系统还包括信号放大电路、脉冲整形电路、低通滤波电路、带模数转换的单片机、时钟电路。由光敏二极管接受荧光光纤测温探头产生的荧光信号，实现光电转换，信号放大电路将该电信号进行放大处理、脉冲整形、滤波等处理，得到与荧光衰减信号对应的电压脉冲信号。该电压脉冲传给单片机，进行模数转换，同时计数器开始计时，当发现电压脉冲信号低于预定电压时，计数停止。通过计数器开始停止的时间从而推算出荧光衰减时间。
上述显示系统由液晶显示屏或光电二极管显示屏或其它数码管显示屏、显示处理电路组成，实时显示测试温度。
上述荧光信号检测处理系统与光源驱动电路通信连接，在实时测量的过程中可根据荧光信号检测处理结果对激励光源的参数进行控制，如脉宽调制等，从而使温度检测不断优化。
上述光源驱动电路由单片机控制，产生周期性电脉冲来驱动LED光源，使其产生相应的激励脉冲光波。
本实用新型的优点包括：
传感器的结构设计简单合理，制造成本低；
测量范围大，可实现温度-50～350℃温度范围的测量，测量精度高，可实现精度高于±0.5℃；
测温探头尺寸小，柔韧性好，耐高温，可实现探头直径0.2mm～3mm，弯曲半径最小到5mm以下，测温探头可以互换，测温探头替换后不需要校正，测温探头无金属材料，具有完全的电绝缘性，不受高压、强电磁场的影响，抗化学腐蚀和无污染；
在重复的热循环下，传感器的材料和结构非常稳定；
传感器的性能对光信号强度的变化不敏感，使用寿命长；
可以采用接触式的测量方式，也可以采用非接触式的测量方式，并可远距离传输，使传感器的光电器件脱离测温现场，避开了恶劣的环境。
不仅限于物体表面的定向测量，其探头还可以插入固体物质中、浸入液体中或导入设备中，到达特定区域。
本实用新型尤其适用于高压部件的温度监测、电力变压器温度监控、高压断路器灭弧室温度测量、大电机定子、轴瓦、端部汇流环等温度监测、大电机/变压器/互感器绕组等高压设备的热点温度直接监测、水轮发电机定子绕组温度测量、电气设备温度在线实时监测；化学过程如高腐蚀环境或电化学处理过程的温度测量，微波辐射加热情况下的安全测温；生物与医学领域如手术过程中温度测量，电磁辐射下生理反应的研究等。
附图说明
图1是基于荧光寿命检测的光纤温度传感器组成示意图。
图2是一种荧光光纤测温探头结构示意图。
附图标号说明：1-荧光光纤测温探头，2-光纤，3-光路耦合系统，4-光源驱动电路，5-荧光信号探测电路，6-信号解调处理系统，7-显示系统，11-荧光材料，12-保护套，31-光纤接头，32-第二耦合透镜，33-滤波片，34-第一耦合透镜，35-荧光激励光源，36-第三耦合透镜，37-探测器。
具体实施方式
如图1所示，一种基于荧光寿命检测的荧光光纤温度传感器，包括包括光源驱动电路4、光路耦合系统3、光纤2、荧光光纤测温探头1、荧光信号探测电路5及信号解调处理系统6和显示系统7等。光源驱动电路4与荧光激励光源35相连，由荧光激励光源35产生脉冲荧光激励光源，荧光激励光源35选用紫色超高亮度LED作为激励光源，波长400～410nm，工作电流在200mA以内。激励光源35可以也可以是激光二极管(LD)或者低压汞灯等。该激励光源发出的光经过第一耦合透镜34和滤波片33反射到第二耦合透镜32，由第二耦合透镜32进行聚焦耦合。耦合后的激励光再通过光纤接头31将光耦合到光纤2中，光纤2的端头为荧光光纤测温探头1。荧光激励光源在荧光光纤测温探头1的作用下，产生荧光(此时波长大约为630～670nm)并反射后由光纤2传回光路耦合系统3，透过滤波片33后再由第三耦合透镜36耦合到探测器37。探测器37为光敏二级管，探测峰值波长与荧光探头所产生的荧光峰值波长对应，以提高探测灵敏度。探测器37把荧光光信号转化成电信号，再由荧光信号探测电路5进行信号放大、滤波处理，再由信号解调处理系统6进行模数转换、信号解调等数字信号处理，信号解调处理系统6输出标准RSS232串口信号，提供给显示系统7，由显示系统7实时显示测量温度信息；同时可根据信号解调处理系统6得到的数据对光源驱动电路4进行控制，以调节荧光激励光源35的脉宽、幅值等参数。
如图2所示，荧光光纤测温探头1是光纤温度传感器的核心部分之一，通常将荧光材料11涂覆在光纤2的端面，荧光材料11可采用氟锗酸镁或其它稀土发光材料，荧光材料11用环氧胶粘接在传光光纤2的一端面上，再涂上硅酮树脂以提高反射率，使更多的激发光返回到光纤2。同时用光学胶合剂及较复杂的外保护套12以增加机械强度和稳定性。
Claims (8)
1.一种基于荧光寿命检测的荧光光纤温度传感器，其特征在于：该荧光光纤温度传感器包括光源驱动电路、荧光激励光源、光路耦合系统、荧光光纤测温探头、荧光信号检测处理系统和显示系统，其中光路耦合系统包括第一耦合透镜、第二耦合透镜、第三耦合透镜和半反半透的滤波片；所述荧光激励光源能够产生脉冲光波；所述光源驱动电路与荧光激励光源相连，在荧光激励光源形成的出射光路上依次设置有第一耦合透镜、滤波片和第二耦合透镜，在第二耦合透镜所在的出射光路后方设置有光纤接头，光纤接头经光纤与荧光光纤测温探头连接；在荧光光纤测温探头形成的荧光反射光路上依次设置有第二耦合透镜、第三耦合透镜和半反半透的滤波片，在第三耦合透镜所在的荧光反射光路后方设置有属于荧光信号检测处理系统的荧光探测器；显示系统与荧光信号检测处理系统电连接。
2.根据权利要求1所述的荧光光纤温度传感器，其特征在于：所述半反半透的滤波片能够对波长为300～500nm的光波全反射，对波长为500～700的光波全透射。
3.根据权利要求2所述的荧光光纤温度传感器，其特征在于：所述荧光光纤测温探头由传光光纤、荧光材料和保护套组成，荧光材料用环氧胶粘接于传光光纤的末端，荧光材料和传光光纤作为整体被包裹于保护套内。
4.根据权利要求3所述的荧光光纤温度传感器，其特征在于：所述传光光纤采用石英光纤、多组份玻璃光纤或塑料光纤，荧光材料采用稀土三基色荧光粉、硫氧化钆铽或氟锗酸镁，保护套采用耐高温聚四氟乙烯材料制成；所述传光光纤的末端端面上涂覆有硅酮树脂。
5.根据权利要求1至4任一所述的荧光光纤温度传感器，其特征在于：荧光激励光源采用波长为350～420nm的发光二极管、激光二极管或低压汞灯。
6.根据权利要求5所述的荧光光纤温度传感器，其特征在于：所述荧光探测器为光敏二极管，所述荧光信号检测处理系统还包括信号放大电路、脉冲整形电路、低通滤波电路、带模数转换的单片机、时钟电路。
7.根据权利要求6所述的荧光光纤温度传感器，其特征在于：所述荧光信号检测处理系统与光源驱动电路通信连接。
8.根据权利要求7所述的荧光光纤温度传感器，其特征在于：所述光源驱动电路由单片机控制，产生周期性电脉冲来驱动LED光源，使其产生相应的激励脉冲光波。
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