一种高精度温度遥测系统与方法

1.本发明提出一种高精度温度遥测系统与方法，属于非接触遥测技术领域，该系统可在无人值守或恶劣条件下对特定的位置进行在线检测的高精度温度遥测。


背景技术：

2.随着地质勘探、环境监测、配电变电站等领域的发展。这些领域对温度控制的要求越来越严格。准确监测这些温度波动是很重要的。然而，这些地方很多地处环境恶劣、气候条件复杂的地区。这会造成无人看管或无法检测的环境。同时，这些设施的周边安全等级往往较高。但基础设施相对较差，甚至没有现场供电条件。这也对温度检测提出了更高的要求。远距离设备的远程温度传感，如配电变电站的电气设备。由于配电站长期处于高压环境中，常因热老化引起火灾。直到最近，许多可用于遥感温度的方法被提出。
3.传统的火灾探测系统其传感部件通常是电磁式元件，或是热电偶等接触式测量手段，这种测量方式对流场干扰严重，并且在高温高压、强腐蚀性等恶劣环境下测量精度急剧降低。比如2016年，yarulina等人发表在《催化科学技术》(catalysis science and technology)第14卷第5320页的论文《甲醇制烃反应中热效应在zsm-5上的重要性：对中孔率对催化剂性能的作用》(the importance of heat effects in the methanol to hydrocarbons reaction over zsm-5:on the role of mesoporosity on catalyst performance)中利用多个热电偶配合发射和接收模块对遥感温度进行监测。该方法对实现遥感温度的原位监测有一定的效果，但该技术的非侵入性往往得不到保证。2018年khatri等人在《传感器和执行器a：物理》(sensors and actuators a:physical)第280卷第188页的论文《基于薄膜热电偶和热堆元件的批量生产兼容的多功能热敏传感器》(a batch fabrication-compatible multifunctional thermal sensor based on thin film thermocouple and thermopile elements)提出了一种结合热电偶和高温涂层的高温多功能热传感器，该传感器可采用工业标准的微加工技术批量生产。薄膜热电偶和热电堆功能设计用于同时提供表面温度和表面热流数据。该传感器体积小，便于安装和使用最高测温可达800℃。薄膜热电偶具有结构尺寸薄、响应速度快等优点，但存在引线连接困难，热电特性一致性较差的问题。2019年华中科技大学的杨灿等申请中国专利“一种基于无线充电的内燃机活塞温度遥测系统及方法”(专利号：cn201910550636.6)提出了将带充电的发射模块与热电偶结合进行遥测的方法，这是一种侵入式的测温方法，该方法中的电路放置于高温环境中，容易受到高温的影响，设备寿命短，而且该类型是有源设备会干扰流场，检测中响应速度慢和灵敏度低。在电力行业的应用场合，设备上都有着高压，它的周围有很强的电磁干扰，导致传统的探测器误报、漏报时常发生。而且高温场中的电气监控或传输设备是很脆弱的。长时间运行会因高温影响设备寿命，导致响应慢、灵敏度低。2021年xu等人在《航空发动机》(aeroengine)第47卷第91页发表的论文《航空发动机涡轮叶片涂层热电偶测温技术》(coating thermocouple measurement technique of aeroengine turbine blade temperature)针对航空发动机涡轮叶片测温难题，利用薄膜热电偶结构尺寸薄、响应速度
快等优点，设计了一种与涡轮叶片一体化集成的涂层热电偶传感器结构，并利用热喷涂技术进行了传感器试制。但是该方法在瞬态测量时，涂层对测量结果有一定影响，要得到精确的修正规律，需结合具体试验件及试验工况，进一步讨论涂层厚度、形状、安装位置以及来流条件等多种因素的影响而且会因高温导致电极短路而产生误差。以上技术主要是基于热电偶的测温方式虽然现在搭载无线收发器也可以做到远距离的遥测，但是由于其自身侵入、接触式的测温方式，热电偶和遥测设备在高温环境下测量精度都会受到影响，而且会对温度场造成干扰，不利于长时间的在线监测。
4.对于远程温度监测，示温漆和晶体测温是一种常用于航天航空领域的一次性测温方法。这些方法主要是通过颜色或材料性质的改变进行温度的测量，但是这些技术对于温度的测量往往是一次性的，而且只能测量最高点温度，局限性较大。其中示温漆测温技术被用于温度分布的探测，示温漆测温是航空发动机测温中非常重要的一种接触式测温方法。2016年xu等人在《现代涂料与涂装》(modern paint and finishing)第19卷第26页发表的论文《示温涂料的研究现状和发展趋势》(status and development trend of temperature indicating coating)对示温漆测温方法进行了原理上的介绍，并对现在的研究现状进行了综述。示温漆测温的特性是会根据峰值工作温度呈现不可逆的颜色变化。只需将示温漆涂抹在发动机发热部件上，其颜色会随着发热部件温度的升高而改变，因此，待发动机冷却后，可以很方便地根据其颜色变化判别其温度场的大小和分布情况。示温漆的缺点是不能在线监测，需测试后判读，随着图形处理技术的发展，受人为经验因素干扰，精度较低。辐照晶体测温技术也是一种一次性的测温技术，其工作原理基于晶体释放的温度记忆效应，通过物质的残余缺陷浓度与温度有关的特点，可通过测量残余缺陷浓度获取温度信息。2020年zhang等人发表在《燃气涡轮试验与研究》(gas turbine experiment and research)第33卷第59页发表的论文《国外晶体测温技术研究与应用》(overseas research and application of crystal temperature measurement technique)中提出辐照晶体测温技术与示温漆相比，晶体传感器在高温范围内测量精度更高，抗外界腐蚀能力更强，已广泛应用于航空、航天、机械制造和能源领域。主要用于测量涡喷发动机涡轮叶片及相关设备的温度。但残余缺陷浓度通过常规方法难以测定，此种方法测量的是被测物经历的最高温度，对于实时测量旋转中的涡轮叶片温度具有局限性，并且在被测物表面开孔埋设晶体，需要对被测件进行强度评估，影响被测器件的完整性。以上技术对于长距离温度场测量或者原位温度检测有一定的效果，但是会有温度不准确，温度求解具有滞后性且只能测量最高温度，对于原为温度的实时检测具有局限性。
5.除了示温漆等一次性的测温手段，基于光纤特性和材料发光的可重温利用的测温手段，这些方法可以实现一定的长距离的遥测，但是由于受限于材料的性质，温度的计算具有滞后性或需要较长的计算时间来确保温度的准确性。比如基于光纤传感技术的分布式温度传感技术。2012年ukil等人在《ieee传感器杂志》(ieee sensors journal)第12卷第885页的论文《分布式温度传感：技术与应用综述》(distributed temperature sensing:review of technology and applications)对该技术进行了详细的介绍，分析了该技术具有用于多点长距离测温的潜力。2014年minardo等人在《ieee光电子技术》(ieee photonics technology letters)第26卷第387页的论文《基于bofda的聚合物光纤分布式温度传感》(distributed temperature sensing in polymer optical fiber by bofda)中介绍了一
种基于布里渊光时域反射法和布拉格光栅的在线分布式温度传感器系统，可测量100km以内的传输线温度，在该技术中温度的计算是通过布里渊频移的频谱拟合得到的。但是为了保证测量的准确性，结合谱拟合法推算温度的过程中，扫频点数不会选取的过少，这导致了测量时间为分钟级，甚至更长。而且光纤在长距离的传输中也会受到其他环境因素的影响。近年来，发光测温已发展成为一种无创的遥感测温技术，用于现场温度监测。2018年geitenbeek等人在《acs催化》(acs catalysis)第8卷第2397页的论文《原位发光测温用于局部测量催化反应过程中的温度梯度》(in situ luminescence thermometry to locally measure temperature gradients during catalytic reactions)中介绍了用于工业催化过程的现场温度测量发光测温技术。该技术依赖于两个发射峰的发光强度比值的变化与温度变化之间的线性关系的方法进行非接触式温度测量的方法。这种技术的一大优点是它基于两种状态的发射强度比，因此与探针浓度或激发光收集效率的波动无关。在这项技术中，特殊的荧光粉被用作非接触式发光温度计，这限制了它的应用环境，很难用于开放性的测温现场。以上方法是基于材料特点可以重复利用的测温手段，都可以实现较远距离遥测，但是容易受到环境影响，且温度计算的准确性较差计算时间较长。
6.激光光谱测温技术是一种非接触式的测温技术，包括了反斯托克斯拉曼散射光谱测温、准分子激光诱导碎裂荧光、激光诱导击穿光谱、激光荧光光谱测温以及激光吸收光谱测温。这些技术可以用于温度场中多种变量的测量，但是由于设备较复杂且检测容易受到环境中物质的影响等原因，对温度的检测具有很大的局限性，多数难以用于长距离的温度检测。如反斯托克斯拉曼散射技术作为一种较为先进的光谱测温技术，具有较高的空间分辨率，可以在高温环境下实现准确的温度测量，具有应用于复杂燃烧场的潜力。2018年cutler等人在《燃烧和火焰》(combustion and flame)第189卷第92页的论文《双模超燃冲压发动机中预混乙烯-空气火焰的相干反斯托克斯拉曼光谱》(coherent anti-stokes raman spectroscopy of a premixed ethylene
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air flame in a dual-mode scramjet)中使用相干反斯托克斯拉曼光谱研究了高亚音速空腔稳定的预混乙烯-空气火焰，通过每个测量点的许多单次发射光谱同时拟合氧气的单独温度以及氮气、氧气、一氧化碳和二氧化碳的摩尔分数。然而该技术受限于激光器性能，其重复频率仅有10hz左右。不适用于快速动态的温度测量，同时纳秒相干反斯托克斯拉曼光谱测温技术会受到非共振背景的干扰，信号与非共振背景信号混叠在一起，导致温度拟合变得更加困难。准分子激光诱导碎裂荧光是一种应用于碱金属和碱金属化合物高灵敏度的检测手段。2016年leffler等人在《应用光谱学》(applied spectroscopy)第71卷第1289页的论文《火焰中碱性化合物的激光诱导光碎裂荧光成像》(laser-induced photo fragmentation fluorescence imaging of alkali compounds in flames)中使用使用光碎裂荧光成像的方法检测预混合层流甲烷-空气火焰的火焰区域中的氯化钾和氢氧化钾，来自准分子激光器的高功率紫外脉冲应用于光碎裂，允许实现饱和光解离。但是该方法只可以测到温度的趋势分布，不可以单独实现对温度具体值的检测，需要结合吸收参数才可以有效地实现对温度的反演。激光诱导击穿光谱是一种能够探测物质元素成分的发射光谱分析技术，对发射光谱进行定性与定量分析，从而得到样品的元素种类与含量，具有多元素分析同时进行、检测时间短、实时性好、样品损失小等特点。2010年li等人在《应用光谱学》(applied spectroscopy)第65卷第684页的论文《用定量激光诱导击穿光谱研究层流预混甲烷火焰中燃烧褐煤和松木颗粒释放的钠和
absorption-spectroscopy sensors for high-temperature environments.)设计了一种单端激光出射准直镜，通过燃烧器具有哑光光洁度的内表面对透射光进行了反射回准直镜，然后通过光纤环形器获得激光信号，但是该方法反射信号微弱只能获得较短距离中温度场的均值，无法实现对温度的定点高精度遥测。2019年peng等人发表在《燃烧学会会议录》(proceedings of the combustion institute)第37卷第1435页的论文《单端中红外激光吸收传感器用于旋转爆震发动机环空中水浓度和温度的时间分辨测量》(single-ended mid-infrared laser-absorption sensor for time-resolved measurements of water concentration and temperature within the annulus of a rotating detonation engine)中提出一种单端进行旋转燃烧场的温度高时间分辨率测量的方法，开发和设计了一个20khz测量速率的单端双波长红外传感器。该方法通过一面转向镜将激光束导入燃烧器中，来自镜面抛光的不锈钢燃烧器内表面的反向散射辐射被反射回探测组件，完成温度的测量。该方法可以实现激光和探测信号的同端收发，但是，在这种方法中，燃烧器内表面在多次烧制后失去光泽时，探测信号会十分微弱，使用寿命短，工程应用型弱。而且，该方法测得的是燃烧场的路径积分量，温度是对燃烧场温度的温度场的均值，且检测距离较短只有12.44cm，无法实现对远距离单点的温度测量。以上技术可以实现温度的温度检测，也可以通过发射光路实现对一段较路径的温度均值的测量。但是，测量距离较短，且容易受到路径中空气中气体的影响难以实现对于恶劣环境中温度点的高精度定点遥测。对于长距离的难以检测的场景，需要在探测点进行原位探测才能获得准确的温度信息，而且激光器、探测器、光纤等容易受到环境中温度的影响，从而带来测量较大的噪声，一种新的可用于对原位温度点遥测的方法有待被提出。
8.基于以上背景，本发明提出了一种高精度温度遥测系统与方法，将感应模块置于需要监测的温度点，感应模块是无源器件，里面含有金属蒸气或空气中微量或是没有的分子气体，可以快速地对特定的位置的温度进行感应，所述的感应模块包括了原向反射器件，原向反射器件可以将激光束后向反射回与原始方向完全相反的方形，然后通过透射反射一体化光学模块接收并聚焦到光电探测器，实现遥测的功能，该发明结构简单，反应速度快，灵敏度高，并可实现在线实时检测，利用被动传感模块实现了原位温度遥感，可以用于对无人值守或恶劣条件的高精度温度遥测。


技术实现要素：

9.本发明提出了一种高精度温度遥测系统与方法，系统包括激光发射模块、准直镜、光隔离器件、透射反射一体化光学模块、光电探测器、数据采集处理模块、气体池、原向反射器件按光束传播和电信号产生、传输、处理的路径依次设置组成，所述的气体池和原向反射器件组成感应模块对温度场进行温度的感知。
10.激光发射模块发出调制激光通过准直镜准直后穿过光隔离器后通过透射反射一体化光学模块，透过透射反射一体式光学元件的光入射到气体池，穿过气体池的光通过原向反射器件后原路反射到透射反射一体化光学模块，然后光电探测器接收转换为电信号，光电探测器的输出端接入数据采集处理模块实现对温度的解算；该方法由气体池和原向反射器件组成温度感应模块，基于激光吸收光谱技术通过透射反射一体化光学模块搭配原向反射器件对气体池中含有的分子气体或原子蒸气进行探测，通过吸收信号并利用测量值与
理论值的偏差，通过查表获得气体温度的测量值，气体的温度即为待测温度场的温度。
11.激光发射模块含有可调谐激光器，可以通过调制在一定范围内输出连续波长的激光，激光器的波长可以通过激光干涉仪进行预标定；所述的透射反射一体化光学模块可以对来自不同方向的激光束分别实现透射和反射的功能；所述的气体池中含有对温度敏感且空气组分中没有或十分少对检测不会造成影响的各类原子蒸气和分子气体；所述的原向反射器件可以将激光束后向反射回原始方向，且不受对准的影响；激光发射模块、准直镜、光隔离器、透射反射一体化光学模块、光电探测器、数据采集处理；可以集成为一套监测仪器对位于任何适用温度场中由气体池和原向反射器件组成的感应模块进行温度的高精度遥测。
12.激光发射模块产生频率稳定在气体吸收光谱的中心频率处的光，通过准直镜准直后穿过气体池后由原向反射器件后原路反射被光电探测器接收，根据比尔-朗伯定律，穿过气体后的光强可以表示为，
13.i(v)＝i0(v)exp(-α(v))
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(1)
14.其中，i0(v)和i(v)分别是入射光强和透射光强，所述的入射光强由无吸收的探测信号拟合得到，v是激光频率，α(v)依赖于频率的吸光度，可以表示为，
15.α(v)＝s(v,t)x(v,c,p,t)cpl
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(2)
16.其中，x(v,c,p,t)是吸收面积的线型函数，c和p分别是是气体池中气体的浓度和压强，t是感应模块所在温度场的温度，l是吸收路径的长度，s(v,t)是与温度相关的线强度，不同吸收谱线的线强度随温度变化不一致，对吸光度函数表达式的两边同时积分取反，并定义积分吸光度为，
17.a(v)＝∫α(v)dv＝∫s(v,t)x(v,c,p,t)cpldv
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(3)
18.其中，a(v)是积分吸光度，通过计算该两条谱线积分吸光度的比值r(t)，可消除气体浓度、压力、光程等共同参数的影响，最终得到仅与温度相关的线强的比值，
[0019][0020]
其中，v1、v2代表两条谱线的中心波长，利用两条谱线的线强比值与温度呈单调函数可以进行温度的反演，
[0021][0022]
其中，e
″1和e
″2分别是两条谱线吸收跃迁的低能态能量，s1(v1,t0)和s2(v2,t0)分别是两条谱线在参考温度t0时的谱线强度，h、c、k分别是普朗克常数、光速、玻尔兹曼分布系数，对于分子光谱，所述的e
″1、e
″2、s1(t0)、s2(t0)可以通过分子光谱数据库hitran查询得到；对于原子光谱所述的e
″1、e
″2可以通过原子光谱数据库nist查询得到，所述的s1(t0)、s2(t0)可以通过公式计算，
[0023]
[0024]
其中，i＝1,2是不同的激光器，n0、p0是温度t0条件下的原子数密度和气体压强，a
21
是爱因斯坦自发辐射系数，g1、g2分别是高低能级的统计权重，所述的a
21
、g1、g2可以通过原子光谱数据库nist查询得到。
[0025]
利用两条谱线吸收的积分面积的比值与温度呈单调函数的关系制作查找表，计算二者的测量值与理论查表值的偏差，通过迭代减小偏差，实现温度的测量。首先制作激光吸收积分面积比的查找表，将参考温度tr等间隔划分为d份，
[0026][0027]
其中，t
l
和tu分别为设置的被测区域平均温度的最低下限和最高上限，结合分子光谱数据库hitran和原子光谱数据库nist的数据，可以仿真计算两条谱线的积分面积比a，制成两个温度的查找表a(tr)，然后根据测量值进行查表，因为谱线的积分面积比是关于tr单调的，因此对每一个根据测量值可以通过查表得到一个确定的温度tr(k)，则被测区域的平均温度为t＝t(k1)。
[0028]
本发明的有益效果：本发明结构简单，集成化程度高。通过作为无源器件的感应模块对温度场的温度进行感知，感应模块中的原子蒸气或分子气体可以对环境温度产生快速相应，结合激光吸收光谱技术灵敏度高、测量准确的特点，设计了反射式的检测设备，可以实现对温度场非侵入、快响应、高灵敏度、低成本、高精度的温度场遥测，且系统的灵活度大，所述的透射反射一体化光学模块和原向反射器件有多组选择方案，适配不同的应用场合，对于改变感应模块中气体池的气体成分和相应的激光器组出射光波长，也可以实现对多种环境的应用，应用面广泛，实用性强。
附图说明
[0029]
图1是一种高精度温度遥测系统与方法的典型结构图，
[0030]
其中，101激光发射模块、102准直镜、103光隔离器、104透射反射一体化光学模块、105光电探测器、106数据采集处理模块、107气体池、108原向反射器件。
[0031]
图2是由探测信号计算原子或分子温度的流程图。
[0032]
图3是766.5nm的激光吸收谱。
[0033]
图4是769.8nm的激光吸收谱。
具体实施方式
[0034]
下面结合实例对本发明作进一步说明。
[0035]
本发明的典型结构如图1所示，一种高精度温度遥测系统与方法，包括：
[0036]
本发明提出了一种高精度温度遥测系统与方法，系统包括101激光发射模块、102准直镜、103光隔离器、104透射反射一体化光学模块、105光电探测器、106数据采集处理模块、107气体池、108原向反射器件按光束传播和电信号产生、传输、处理的路径依次设置组成，所述的107气体池和108原向反射器件组成感应模块。
[0037]
本实施例中，所述的101激光发射模块采用两个分布式布拉格反射式半导体激光器，104透射反射一体化光学模块采用口径为50.8mm、反射角度90
°
、反射焦距152.4mm带对3mm准通孔的离轴抛物面反射镜，所述的108原向反射器件采用口径为25.4mm、反射精度为5″
的角锥棱镜，在此条件下，系统的有效遥测距离为1047.800m，遥测距离主要受限于离轴抛物面反射镜的口径和角锥棱镜的反射精度，所述的107气体池和108原向反射器件由折射率匹配的高温环氧树脂粘接组成感应模块。
[0038]
本实施例中，所述的107气体池中含有钾原子蒸气，所述的101激光发射模块采用中心波长为766.5nm和769.8nm的分布式布拉格反射式半导体激光器，感应模块放置于357k的温度点处，具体的激光吸收谱的温度参数解算过程如图3所示，包括以下步骤：
[0039]
步骤一、所述的101激光发射模块，通过控制电流和温度波长调制出射覆盖气体吸收波长的激光，调制后的激光通过102准直镜准直后穿过103光隔离器后通过104透射反射一体化光学模块，透过104透射反射一体式光学元件的光入射到107气体池，穿过107气体池的光通过108原向反射器件后原路反射到104透射反射一体化光学模块，然后105光电探测器接收转换为电信号，105光电探测器的输出端接入106数据采集处理模块的接收端。
[0040]
步骤二、106数据采集处理模块采集到766.5nm和769.8nm处的光强信号i(v)。在106数据采集处理模块上进行感应模块所在位置的温度值的解算。首先由无吸收的探测信号拟合得到入射光强，然后计算吸收率函数α(v)，吸收率如图3和图4所示，利用激光吸收谱面积的测量值与理论查表值偏差，实现温度的测量。对两条谱线的吸收谱面积的测量值查表，获得测量温度值357k，实现温度的高精度测量。
[0041]
所述的101激光发射模块、102准直镜、103光隔离器、104透射反射一体化光学模块、105光电探测器、106数据采集处理；可以集成为一套监测仪器对位于任何适用温度场中由107气体池和108原向反射器件组成的感应模块进行温度的高精度遥测。
[0042]
以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。