白光干涉高温测量传感器及其应用测量装置

摘要

本发明提供的白光干涉高温测量装置，包括：传感器、白光光源、光谱仪、数据处理器，其中，传感器包括准直透镜、起偏器、蓝宝石直角棱镜，蓝宝石直角棱镜作为感温元件。白光光源发出光经过入射光纤进入准直透镜后变为平行光，被起偏器分为o光和e光，并传输给蓝宝石直角棱镜；蓝宝石直角棱镜将o光和e光反射回来，反射回来的o光和e光再经过起偏器而被干涉获得干涉光，干涉光经过准直透镜后汇聚到接收光纤，进入光谱仪，光谱仪对干涉光进行条纹检测，将检测到的光谱干涉条纹数据进入数据处理器，数据处理器对光谱仪传送来的干涉条纹数据进行处理，并计算出温度。本发明具有耐高温、耐腐蚀、测量精度高、安装方便、成本低、应用面广的优点。

说明书

[技术领域]

本发明涉及温度检测技术领域，具体是关于一种基于白光干涉的光纤传感 高温测量传感器及其应用测量装置。

[背景技术]

在各种工业生产工艺中，比如电力、冶金、陶瓷、玻璃、化工、水泥等行 业，高温温度的准确测量与监控有着非常重要的意义。目前，高温测量主要有 接触式和非接触式两类。接触式主要是热电偶，非接触式有红外测温、火焰图 像测温、声波测温技术等，这些技术都存在着一些缺点。由铂、铑等贵金属制 造的热电偶在高温时抗氧化性能差，长期使用会产生较大的误差，尤其在某些 特殊和腐蚀性气氛的环境下工作，会出现腐蚀、中毒等现象，使用寿命急剧缩 短。此外，热电偶抗电磁干扰能力较差，在某些场合下不能使用。水冷枪抽气 热电偶测量设备较笨重，测试过程中工作量大，测试难度大；且不能长期固定 测量某点烟气温度，测试完成后需退出。红外测温被测区域不确定、被测区域 的黑度对测量结果影响较大、空间杂散的光线影响测量精度、测量环境气氛(如 含水蒸汽等)对光波的不均匀性吸收引起误差；火焰图像测温镜头污染以及复 杂图象处理算法等影响，测量误差大，分辨率不高容易产生“偷看”，采光系统 复杂，CCD摄像机安装点较多，结焦或积灰使镜头保养困难，可靠性差，价格 昂贵；声波测温原理是基于理想气体的，烟气的各种热力参数难以精确确定， 导致测量误差，锅炉吹灰时产生的高频噪声影响声波测温系统的正常工作，声 波发生、接收装置安装位置环境温度高，需要可靠的冷却以避免测量装置损坏。 近几年出现的蓝宝石高温光纤测温技术结合了接触式和非接触式测温方法，虽 然部分克服了非接触式测温的一些不足，但由于蓝宝石光纤价格高昂、光纤长 度受限、和普通光纤连接技术复杂等因素，其工业化应用受到一定的限制。

因此，为了更好的监测各种工业生产工艺过程中的温度，需开发出一种新 型的高温测量传感器及其应用装置。

[发明内容]

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种耐高温、耐腐蚀、测 量精度高、安装方便、成本低的高温测量传感器及其应用装置。

本发明提供的白光干涉高温测量传感器，包括：保护套管、位于保护套管 内的依次间隔排列设置的入射光纤、接收光纤、准直透镜、起偏器、蓝宝石直 角棱镜，其中蓝宝石直角棱镜位于保护套管的前端，蓝宝石直角棱镜作为感温 元件；入射光纤的端面位于准直透镜的焦点处，准直透镜、起偏器、蓝宝石直 角棱镜的轴心与保护套管的轴心在一条直线上，准直透镜对入射白光准直后变 为平行光，起偏器将从准直透镜准直来的入射平行光进行起偏，分为o光和e 光，并传输给蓝宝石直角棱镜；蓝宝石直角棱镜将经过其的o光和e光反射回 来，反射回来的o光和e光从所述起偏器的另一方向经过起偏器而发生干涉， 干涉光经过准直透镜后汇聚到接收光纤。

其中，所述的蓝宝石直角棱镜为单晶蓝宝石晶体制成。

其中，所述的蓝宝石直角棱镜为等腰直角棱镜。

其中，所述的起偏器为格兰泰勒棱镜，当入射白光进入格兰泰勒棱镜时， 格兰泰勒棱镜起起偏器的作用对光进行偏振分光，当反射光返回进入格兰泰勒 棱镜时，其起检偏器的作用使光线发生干涉。

其中，所述的入射光纤和接收光纤构成一光纤接头，其位于保护套管的后 端，所述入射光纤位于光纤接头的中间，并位于准直透镜的焦点处；接收光纤 为多根，均匀的分布在入射光纤的周边，入射光纤用于向准直透镜传送入射白 光，接收光纤接受从准直透镜反射回来的干涉光。

其中，所述的光纤接头的光纤为多模光纤。

其中，保护套管的前端为封闭的圆弧状。

其中，保护套管为耐高温的刚玉管、耐高温陶瓷管、水冷或空气冷却金属 套管。

本发明提供的白光干涉高温测量装置，包括：上述所述的白光干涉高温测 量传感器、白光光源、光谱仪、数据处理器，其中，白光光源发出光经过入射 光纤进入所述传感器的准直透镜、起偏器进行偏光后进入蓝宝石直角棱镜后经 蓝宝石直角棱镜反射回来再次经过检偏器进行干涉，后进入准直透镜变成平行 光，从一出射光纤出来，进入光谱仪，光谱仪对干涉光进行条纹检测，将检测 到的光谱干涉条纹数据进入数据处理器，数据处理器对光谱仪传送来的干涉条 纹数据进行处理，并计算出温度。

其中，所述的白光干涉高温测量装置，还包括显示输出设备，所述的数据 处理器对光谱仪输入进来的信号进行解调，获得光程差OPD，并根据下式求得 温度：T＝-0.3465*(OPD)³+71.443*(OPD)²-4994.4696*(OPD)+118524.1127，并经显示输出 设备进行显示。

本发明利用蓝宝石晶体进行高温测量，其原理是把蓝宝石直角棱镜放在一 个起偏器和检偏器之间，一束非偏振光经过起偏器后将分成寻常光o光和非寻 常光e光，然后再进入蓝宝石直角棱镜，由于蓝宝石晶体双折射的影响，两束 光将产生Φ的相位差。为了得到这个相位差，光线需经过检偏器发生干涉，通 过检测干涉条纹的变化就可以得到这个相位差，而这个相位差与蓝宝石直角棱 镜的厚度d和蓝宝石晶体的双折射差Δn有关，同时这两个因素都与温度有关， 因此可以通过检测相位差来实现温度的测量。

本发明采用蓝宝石晶体制成的蓝宝石直角棱镜作为感温器件可以在温度高 达1800℃以及腐蚀性的环境中使用，具有耐高温及化学性能稳定等优点；不受 高温气体中的水蒸汽及气体组分的影响，应用范围广；高温测头为高精度光学 器件，以及通过起偏器、检偏器来测出经过蓝宝石晶体的o光、e光的相位差 来实现温度的测量，具有测量精度高；同时本发明的蓝宝石直角棱镜不仅作为 感温元件，同时又作为反射元件来改变光路，使得只要一个元件就可以达到起 偏器和检偏器的作用，元件器件减少，安装方便；成本比蓝宝石光纤低，具有 价格优势。

[附图说明]

图1为本发明白光干涉高温测量传感器的应用的装置的示意图；

图2为经过蓝宝石直角棱镜的光路示意图。

附图标记说明：

1.白光光源；2.输入光纤；3.光纤接头；4.准直透镜；5.保护套管；6.蓝宝 石直角棱镜；7.格兰泰勒棱镜；8.输出光纤；9.光谱仪；10.数据处理器；11.显 示输出设备；100.高温测量传感器；13.入射光线1；14.入射光线2；13`.出射 光线1；14`.出射光线2；6.蓝宝石直角棱镜

[具体实施方式]

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结 合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的白光干涉高温测量传感器及其应用 装置，其具体实施方式、结构、特征及其功效，说明如后。

如图1所示，本发明的白光干涉高温测量传感器的应用装置包括，白光光 源1、输入光纤2、高温测量传感器100、输出光纤8、光谱仪9、数据处理器 10、显示输出设备11。其中，所述的输入光纤2、输出光纤8的一端通过一光 纤接头3与高温测量传感器100建立连接，所述的输入光纤2的另一端与白光 光源1建立连接，输出光纤8的另一端与光谱仪9建立连接，数据处理器10 连接于光谱仪9与显示设备11之间。

高温测量传感器100包括所述的光纤接头3、保护套管5、位于保护套管5 内的依次间隔排列的准直透镜4、包括起偏器和检偏器作用的格兰泰勒棱镜7、 作为测温元件的蓝宝石直角棱镜6。所述的保护套管5的前端封闭且呈圆弧状， 后端呈开口状。保护套管5可选用耐高温的刚玉管、耐高温陶瓷管、水冷或空 气冷却金属套管，其能在被测环境气氛下长期高温度的工作。所述的光纤接头 3、准直透镜4、格兰泰勒棱镜7、蓝宝石直角棱镜6依次间隔的从保护套管5 的后端排列放置到前端，即光纤接头3位于保护套管5的最后端，蓝宝石直角 棱镜6位于保护套管5的最前端，当保护套管5的前端位于测温区时，以使在 测温时蓝宝石直角棱镜6能足够的位于测温区内，可以感测温度，保证测温的 精确。光纤接头3和准直透镜4的轴心位于保护套管5的轴心上。

所述光纤接头3内部的光纤为多模光纤，包括入射光纤及接收光纤，分别 与输入光纤2和输出光纤8相连接，已达到传输光源1发射的光和接收蓝宝石 直角棱镜6反射回来的光；光纤接头3的入射光纤的端位于准直透镜4的焦点 上，二者都在保护套管5的轴线上。接收光纤的端面突出于发射光纤的端面。 光纤接头3呈一光纤束结构，即所述的入射光纤为一根位于光纤束的中间，接 收光纤为多根如2-20根，均匀的布设在入射光纤的周边。

本实施例的蓝宝石直角棱镜6采用单晶蓝宝石晶体制成，为等腰直角三角 形。蓝宝石(Sapphire)晶体是自然界中最硬的氧化物晶体，是氧化铝最基本 的单晶形态，具有良好的抗腐蚀性能。它具有良好的光学性能，具有两个折射 率不同的光轴，单晶蓝宝石晶体的双折射是随温度变化而变化的。这一性质使 蓝宝石晶体可以满足偏振测温需要。同时，蓝宝石晶体的熔点达到2040℃，因 此它可以在很高的温度下工作而保持其稳定性，其最高工作温度可达1800℃。 可见，蓝宝石晶体可以满足高温高压及高腐蚀环境下进行偏振测温的需求，并 且蓝宝石晶体的价格远低于蓝宝石光纤，在实际应用中具有更好的经济价值。

本发明利用蓝宝石晶体进行高温测量，其原理是把蓝宝石晶体放在一个起 偏器和检偏器之间，一束非偏振光如白光经过起偏器后将分成寻常光o光和非 寻常光e光，然后再进入蓝宝石晶体，由于蓝宝石晶体双折射的影响，两束光 将产生Φ的相位差。为了得到这个相位差，光线需经过检偏器发生干涉，通过 检测干涉条纹的变化就可以得到这个相位差，而这个相位差与蓝宝石晶体的厚 度d和晶体的双折射差Δn有关，同时这两个因素都与温度有关，因此可以通 过检测相位差来实现温度的测量。

两束偏振光的相位差是由两束光线的光程差(Optical Path Difference，简 称OPD)来决定的，即

Φ＝2π*OPD/λ                     (1)

OPD＝|n_e-n_o|*d＝Δn*d              (2)

此处，d为蓝宝石直角棱镜厚度(d是个广义的厚度，是光线在直角棱镜中 经过的几何距离)，ne、no分别为e光和o光的折射率，λ为波长。Δn和d 都与蓝宝石晶体所处的温度有关，上式可以写作

OPD＝|n_e-n_o|*d＝Δn(T)*d(T)        (3)

使用高温热电偶进行标定，然后进行多项式进行拟合，便可以得到温度T 与光程差OPD的对应关系式T＝f(OPD)。温度和光程差具有很好的一一对应关 系，关系式如下：

T＝-0.3465*(OPD)³+71.443*(OPD)²-4994.4696*(OPD)+118524.1127  (4)

实际进行温度测量时，测出光程差后根据式(4)即可得出温度值。光程差 是根据光谱仪输出的数据计算出来的。

本发明的白光干涉高温测量装置的具体实现过程如下所述：

如图1所示，进行高温测量时，保护套管5前部深入被测区域，蓝宝石直 角棱镜6感受被测区域的温度。宽带白光光源1发出的光经过光纤2进入光纤 接头3，光纤接头3位于准直透镜4的焦点上，然后经过准直透镜4后，光线 变为平行于保护套管5轴线的平行光，然后进入格兰泰勒棱镜7进行起偏后将 分成寻常光o光和非寻常光e光，产生的偏振光o光和e光进入蓝宝石直角棱 镜6。蓝宝石直角棱镜6的界面为等腰直角三角形，既有反射作用，还作为测 温元件使用。从蓝宝石直角棱镜6反射回来的光再经过格兰泰勒棱镜7进行检 偏，以产生干涉光，之后经过准直透镜4再进入光纤接头3，从光纤接头3出 来后经过光纤8进入光谱仪9，检测到的光谱干涉条纹数据进入数据处理器10， 数据处理器10采用一定的解调算法对光谱仪9输入进来的信号进行解调，获 得光程差OPD，根据式(4)求得温度，然后进入显示输出设备11进行现场显 示或远程输出。

本实施例中通过格兰泰勒棱镜7实现对入射光的偏振和对从蓝宝石直角棱 镜6反射回来的反射光进行干涉的作用。格兰泰勒棱镜7、准直透镜4都为圆 柱形，他们的轴线在一条直线上，只有光纤接头3的光线出射端位于透镜焦点 上，光线通过准直透镜4后变为平行光，格兰泰勒棱镜7位于准直透镜4之后。 格兰泰勒棱镜的优点就是光的透过率高、偏光纯度高，这样就能减少光的损失、 提高测量精度。

考虑到实际测温的需要，本发明光路中采用了反射原理，蓝宝石直角棱镜6 既作为感温元件，又兼有反射的作用，从而把一个双端的结构变成一个单端结 构，解决了实际应用中光线接收端较难实现的问题。此种设计既简化了结构， 便于在实际中的应用，又节约了成本。如图2所示，入射光线13和入射光线 14为任意两束光线，二者对应的在蓝宝石直角棱镜6中的反射光线分别为出射 光线13`和出射光线14`，由几何知识可以得出入射光线13和入射光线14在蓝 宝石直角棱镜6中传播的几何距离相等。入射光线13或入射光线14在蓝宝石 棱镜6中进行反射，由于入射角是45°，而蓝宝石直角棱镜6的全反射临界角 为34.7°左右，由于入射角大于临界角，因此在蓝宝石直角棱镜6中将发生全 反射，没有反射损失。本发明中蓝宝石直角棱镜起到改变光路的作用，使得在 光路中只需要一个起偏器，当反射回来的光从起偏器的另一方向经过时被干涉 起到检偏器的作用，节省器件，同时安装方便。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述，但是，很显然仍 可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明的说明 书和附图被认为是说明性的而非限制性的。