一种光学温度传感器及测温方法与流程

本发明涉及信息技术领域，具体涉及一种光学温度传感器及测温方法。

背景技术：

近年来光纤传感器在越来越多的领域得到应用，尤其在航空航天、电力设施、医药、食品等方面对温度传感器的测量精度、响应度、稳定性等都有越来越高的要求。

传统电子式传感器存在需要额外的能源供电，强电磁等恶劣环境无法正常工作等限制。基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，简称FBG)的温度传感器虽然克服了上述问题但还是存在时间稳定性较差的问题，即基于FBG的温度传感器放置或使用一段时间后，FBG的中心波长会发生变化，导致相同温度下传感器解调出的温度显示值不同。这是由FBG自身结构决定的，因为利用紫外光在光纤纤芯刻写的周期性结构会随时间的变化出现不同程度的消除，导致反射中心波长的漂移，从而导致测量误差的出现。

因此，如何提供一种长时间稳定保持测量精度的温度传感器成为业界亟须解决的重要课题。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种光学温度传感器及测温方法。

一方面，本发明提出一种光学温度传感器，包括：

壳体，所述壳体内依次设置有第一光纤准直器和第二光纤准直器，在所述第一光纤准直器和所述第二光纤准直器之间设置有至少一个波晶片，且在所述波晶片的两侧均平行设置有偏振片；

其中，经所述第一光纤准直器的光线垂直入射所述偏振片。

其中，所述波晶片有多个，且厚度互不相同。

其中，所述传感器还包括滤光片，所述滤光片设置在与所述第一光纤准直器最接近的所述偏振片和所述第一光纤准直器之间，或设置在与所述第二光纤准直器最接近的所述偏振片和所述第二光纤准直器之间，且所述滤光片与所述偏振片平行。

其中，所述偏振片和所述波晶片通过光胶固定连接。

另一方面，本发明提供一种采用上述任一光学温度传感器进行测温的方法，包括：

将所述光学温度传感器设置在具有设定温度的恒温箱内，使得所述光学温度传感器的温度保持在所述设定温度；

向所述光学温度传感器中的所述第一光纤准直器输出测试光线，经过所述波晶片和所述偏振片的处理后，经由所述第二光纤准直器接收输出光线；

测量所述输出光线的中心波长，将所述中心波长与所述设定温度建立对应关系并存储；

在获得多个所述设定温度与所述输出光线的中心波长之间的对应关系后，通过检测所述输出光线的中心波长，来确定待测温度。

本发明提供的光学温度传感器及测温方法，由于能够通过偏振片和波晶片对入射光线进行处理,获得特定的波峰,通过检测特定波峰中心波长获得环境温度,提高了传感器测量温度的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例光学温度传感器的结构示意图；

图2为本发明另一实施例光学温度传感器的结构示意图；

图3为本发明一实施例测温方法的流程示意图；

附图标记说明：

1-传导光纤； 2-第一光纤准直器；

3-偏振片； 4-波晶片；

5-第二光纤准直器； 6-壳体；

7-滤光片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例光学温度传感器的结构示意图，如图1所示，该光学温度传感器包括：壳体6、第一光纤准直器2、第二光纤准直器5、波晶片4和偏振片3，壳体6内依次设置有第一光纤准直器2和第二光纤准直器5，在第一光纤准直器2和第二光纤准直器5之间设置有至少一个波晶片4，且在波晶片4的两侧均平行设置有偏振片3，其中，经第一光纤准直器2的光线垂直入射偏振片3。

壳体6密封保护第一光纤准直器2、第二光纤准直器5、偏振片3和波晶片4。第一光纤准直器将传导光纤1中传输的光引出为平行光，第二光线准直器5将接收到的光线引入到传导光纤1中。入射光垂直入射波晶片4后分裂成两束光，寻常光(ordinary light，以下简称o光)和非常光(extraordinary light以下简称e光)，o光的振动方向与波晶片4的光轴垂直，e光的振动方面与波晶片4的光轴相同，o光和e光在通过波晶片4后产生相位差，并叠加合成椭圆偏振光，上述入射光为线偏振光，是经过波晶片入射方向的偏振片3形成的，上述椭圆偏振光经过偏振片3后成为相干线偏振光，并出现周期性的透射峰。第一光线准直器2通过传导光纤1与宽谱光源设备连接，第二光线准直器5通过传导光纤1与解调仪连接。

下面对本发明提供的光学温度传感器的工作原理进行说明。经过波晶片4入射方向的偏振片3后的出射光总是线偏振的，因而初始相位差δ_入＝π或δ_入＝0；由波晶片4引起的相位差其中，d为波晶片4的厚度，n_e为e光在波晶片4内的折射率，n_o为o光在波晶片4内的折射率；通过波晶片4出射方向的偏振片3后，引起的相位差δ‘_入＝π或δ‘_入＝0；因此，通过波晶片4及其两侧的偏振片3的总的相位差δ＝δ_入+δ_Δ+δ‘_入，其中：

当δ_入＝π，δ‘_入＝π时，

当δ_入＝0，δ‘_入＝0时，

当δ_入＝0，δ‘_入＝π时或当δ_入＝π，δ‘_入＝0时，

而温度会影响波晶片4厚度d、o光在波晶片4内的折射率n_o和e光波晶片4内的折射率n_e。当温度不同时，d、n_o和n_e的值不同，求得的总的相位差δ值也就不同，与δ相对应的透射峰的中心波长也就不同，也就是说不同的温度对应不同的中心波长。通过对本发明提供的光学温度传感器进行温度准确标定，可以建立温度与波长的关系模型。在实际使用过程中，通过测量透射峰的中心波长，带入已经建立的温度与波长的关系模型中，即可获得需要测量的温度。

下面通过具体的工作过程进一步说明本实施例的技术方案。在实际的应用中需要使用宽谱光源，光学温度传感器，解调仪和计算机。宽谱光源提供测量所需的光源，并通过传导光纤1与所述光学温度传感器连接，解调仪用于测量透射峰中心波长，通过传导光纤1与所述光学温度传感器连接，计算机与所述解调仪连接，用于根据获得的中心波长以及建立的温度与波长的关系模型，计算出需要测量的温度。宽谱光源发出的光线经过传导光纤1，被第一光纤准直器2引出成一束光场均匀的平行光，上述平行光经过偏振片3成为线偏振光，上述线偏振光入射到波晶片4，在波晶片4内分裂成两束光，在出射波晶片4时发生光束叠加合成，上述叠加合成的光线通过波晶片4出射方向的偏振片3后会出现周期性的透射峰，在工作的过程中波晶片4两侧的偏振片的偏振方向保持固定，上述带有周期性透射峰的光线被第二光纤准直器5接收，经过与其连接的传导光纤1传输到解调仪，解调仪测量出所述透射峰的中心波长，并发送上述中心波长到计算机，计算机根据所述中心波长以及已经根据所述光学温度传感器建立的温度与波长的关系模型，计算出所述需要测量的温度。

本发明提供的光学温度传感器，由于能够通过偏振片和波晶片对入射光线进行处理,获得特定的波峰,通过检测特定波峰中心波长获得环境温度,提高了传感器测量温度的稳定性。

在上述各实施例的基础上，进一步地，波晶片4有多个，且厚度互不相同。

具体地，为了提高温度传感器的精度，需要获取特定波长的透射峰，将多个厚度不同的波晶片4以及相应的偏振片3串联起来，便可形成半高全宽(Full Width at Half Maximum，以下简称FWHM)较窄，自由光谱范围(Free Spectral Range，以下简称FSR)较大的滤波器，从而获得需要的透射峰。FWHM越窄，解调仪解调的中心波长越精确，FSR越大越利于波晶片4和偏振片3的选择，越有利于获得特定波长的透射峰。

图2为本发明另一实施例光学温度传感器的结构示意图，如图2所示，在上述各实施例的基础上，进一步地，所述光学温度传感器还包括滤光片7，滤光片7设置在与第一光纤准直器2最接近的偏振片3和第一光纤准直器2之间，或设置在与第二光纤准直器5最接近的偏振片3和第二光纤准直器5之间，且滤光片7与偏振片3平行。

具体地，为了获得带宽较窄的具有周期性透射峰的光线，可以在第一光纤准直器2最接近的偏振片3和第一光纤准直器2之间，或者与第二光纤准直器5最接近的偏振片3和第二光纤准直器5之间设置滤光片7，滤光片7与偏振片3平行。滤光片7的数量可以为多片，根据实际需要进行选择，本实施例不做限定。滤波片7可以是具有特定参数的带通滤波片，例如采用具有波长1550nm，带宽2nm参数的滤波片。带宽较窄的具有周期性透射峰的光线有利于所述解调仪测量透射峰的中心波长。

在上述各实施例的基础上，进一步地，偏振片3和波晶片4通过光胶固定连接。

具体地，偏振片3和波晶片4之间的相对位置固定可以通过光胶连接技术实现，光胶连接即通过分子之间的吸引力实现镜片之间的位置固定，可以避免胶合剂给镜片带来瑕渍，影响光传播和干涉峰质量。

本发明提供的光学温度传感器，由于能够通过偏振片和波晶片对入射光线进行处理,获得特定的波峰,通过检测特定波峰波长值获得环境温度,提高了测量温度的稳定性。而偏振片和波晶片通过光胶固定连接，有利于获得高质量的干涉峰，从而有利于减小测量误差。

图3为本发明实施例测温方法的流程示意图，如图3所示，本发明提供的采用上述任一所述的光学温度传感器进行测温的方法，包括：

S301、将所述光学温度传感器设置在具有设定温度的恒温箱内，使得所述光学温度传感器的温度保持在所述设定温度；

具体地，所述光学温度传感器在使用前需要进行准确标定。首先要把所述光学温度传感器放入到设定温度的恒温箱内，所述恒温箱能够精确地控制温度。为了使得所述光学温度传感器的温度保持在所述设定温度，可以使所述光学温度传感器在设定温度的恒温箱中停留预定时间，比如10分钟。

S302、向所述光学温度传感器中的所述第一光纤准直器输出测试光线，经过所述波晶片和所述偏振片的处理后，经由所述第二光纤准直器接收输出光线；

具体地，激光发生器通过传导光纤1向第一光纤准直器2输出测试光线，所述测试光线垂直入射偏振片3，经过波晶片4和偏振片3处理后成为具有周期性透射峰的输出光线，所述输出光线由第二光线准直器5接收，并通过传导光纤1传输到解调仪。

S303、测量所述输出光线的中心波长，将所述中心波长与所述设定温度建立对应关系并存储；

具体地，解调仪测量所述输出光线的中心波长，从而获得所述设定温度对应的中心波长。更改设定温度，比如升温5℃，重复步骤S302和S303，获得不同温度对应的所述输出光线的中心波长，根据各个所述设定温度及其对应的中心波长建立温度及其对应的中心波长模型，并储存上述模型，例如可以把各个设定温度及其对应的中心波长输入到Matlab软件中，拟合出设定温度和中心波长的函数关系。可理解的是，为了获得温度及其对应的中心波长的准确对应关系，可以采集多组所述设定温度及其中心波长以建立温度及其对应的中心波长模型。

S304、在获得所述设定温度与所述输出光线的中心波长之间的对应关系后，通过检测所述输出光线的中心波长，来确定待测温度。

具体地，在获得所述设定温度与所述输出光线的中心波长之间的对应关系后，把所述光学温度传感器放置到需要测量温度的地方，现场测量所述输出光线的中心波长，根据测量获得的中心波长以及设定温度与中心波长的对应关系，可以获得现场的温度。例如，已经通过Matlab获得了所述设定温度和对应中心波长的函数关系，把测量出的中心波长带入到所述函数关系中，即可计算出现场的温度。

本发明提供的测温方法，由于能够通过偏振片和波晶片对入射光线进行处理,获得特定的波峰,通过检测特定波峰波长值变化获得环境温度,提高了测量温度的稳定性。

在上一实施例的基础上，进一步地，所述经过所述波晶片和所述偏振片的处理包括：

所述测试光线经过所述波晶片入射光方向的所述偏振片后成为线偏振光；所述线偏振光入射所述波晶片后分裂成两束光，在经过所述波晶片后产生相位差，并合成为椭圆偏振光；所述椭圆偏振光经过所述波晶片出射光方向的所述偏振片后出现周期性的透射峰，以便测量中心波长。

具体地，经过第一光纤准直器2的所述测试光线垂直入射波晶片4入射光方向的偏振片3后成为线偏振光，所述线偏振光经过波晶片4后分裂成两束光，o光和e光，由于o光和e光在波晶片4内的折射率不同，在经过波晶片4后产生相位差，并合成为椭圆偏振光；所述椭圆偏振光经过波晶片4出射光方向的偏振片3后又成为线偏振光，并出现周期性的透射峰，具有周期性透射峰的线偏振光由第二光纤准直器5接收，并通过传导光纤1传输到解调仪，以便测量透射峰的中心波长。

本发明提供的测温方法，由于能够通过偏振片和波晶片对入射光线进行处理,获得特定的波峰,通过检测特定波峰波长值变化获得环境温度,提高了测量温度的稳定性。

在上述各实施例的基础上，进一步地，还包括：在经过所述波晶片和所述偏振片的处理前，所述测试光线经过所述滤波片的处理，使得所述测试光线的带宽变窄。

具体地，经过第一光纤准直器2的所述测试光线在入射到波晶片4入射光方向的偏振片3之前，垂直入射到滤波片7。经过滤波片7后，所述测试光线的带宽变窄。

在上述各实施例的基础上，进一步地，还包括：在经过所述波晶片和所述偏振片的处理后的光线经过所述滤波片的处理，以便获得特定波长的单个透射峰。

具体地，所述椭圆偏振光在经过波晶片4出射光方向的偏振片3之后，入射到上述偏振片3与第二光线准直器之间的所述滤波片。具有周期性透射峰的线偏振光经过上述滤波片后，滤除其它透射峰，成为具有特定波长的单个透射峰的线偏振光。

本发明提供的测温方法，由于能够通过偏振片和波晶片对入射光线进行处理,获得特定的波峰,通过检测特定波峰波长值变化获得环境温度,提高了测量温度的稳定性。而通过设置滤波片，有利于获得测量中心波长所需的透射峰，有利于提高测量的准确性。

本发明测温方法实施例的具体流程可以参照上述各光学温度传感器实施例的介绍，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。