[发明专利]基于光纤布拉格光栅的全光纤比色测温方法

说明书

技术领域

本发明涉及温度场的辐射温度测试技术，具体涉及非接触式的比色测温技术及其滤波技术。本发明采用光纤布拉格光栅代替传统的滤光片，实现两种不同波长的窄带滤波，由光纤三端环形器将光波传输到光电探测器，具有全光纤传输、安装调试方便和便于集成的优点；该方法光学系统简单，可与光纤融合，适应在恶劣环境下进行测量。

背景技术

温度测试方法可分为接触式测量和非接触式测量方法。在比较恶劣的环境下，接触式测量容易使传感器损坏，且破坏了被测的温度场，因此，可实现非接触式测量的不同原理的辐射测温方法得到发展。

对于辐射式测温方法，灵敏度比较高，响应速度快，测量温度上限高。但测量精度受被测对象发射率和中间介质影响比较大。而发射率受环境，温度及材料的表面光洁度等各种因素的影响，其不确定性是目前光谱测温的测量难题。

20世纪80年代，比色测温技术开始兴起，该技术利用两种波长信号比较的方法很好地消除了发射率及环境的影响，有效地提高了测温精度，在工业生产、科学研究等方面有着广泛的应用。尤其是应用辐射测温技术进行爆炸温度场测试时，被测量目标为高速流动的燃料、空气及爆轰产物的气、固、液多相混合物，其组成成分及发射率随时间迅速变化，采用单色辐射测温法和全辐射测温法会给测温精度带来很大的误差，应用比色测温技术能够较好地减少目标发射率对测温精度的影响，从而得到被测目标的温度。

但以往的比色测温系统仍存在一些不利于应用的因素。如以往采用光学镜头收集高温物体的辐射，这些光学镜头由不同的光学镜片组成，组装和调试较复杂，体积较大；为了得到所要求的两种不同中心波长的滤光片，要采用特殊膜系制成的高性能滤光片，使成本增加。

以往的比色测温方法，多从光电解调部分进行改进，而从光路的改进较少。如中国专利200810115098.X“基于单台彩色CCD摄像机的双波段比色测温方法”仍然是采用不同中心波长的干涉滤光片将全波段光滤波为两个波段内的窄带光。

发明内容

本发明提出一种基于光纤布拉格光栅(FBG，Fiber Bragg Grating)的全光纤比色测温方法，该方法属于非接触辐射温度测量方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于光纤布拉格光栅的全光纤比色测温方法，用光纤布拉格光栅FBG1、FBG2作为滤波器；由传感头接收的光谱到达三端环形器(10)的1→2端口耦合到FBG1的入射端，FBG1的反射光波由三端环形器(10)的2→3端口传输到第一光电探测器(12)，进行光电转换；同样，FBG1的透射光谱由三端环形器(11)的1→2端口传输到FBG2的入射端，由FBG2产生的反射光波经过三端环形器(11)的2→3端口到达第二光电探测器(13)，完成光电转换得到两种不同波长的电信号，两不同波长的电信号经过信号处理电路处理后，得到所测的温度值。

所述的方法，所述的系统的光探测和传输路径为全光纤结构。

所述的方法，传感头的结构为：在光纤的一端镀接近黑体发射率1的膜层或者在光纤的一端制作大数值孔径的球形收集器。

所述的方法，所述的光纤布拉格光栅为单模光纤布拉格光栅。

该方法的优点在于：

1、窄带滤波采用两个不同布拉格波长的光纤布拉格光栅作为滤波器，具有便于与光纤集成的优点，可实现全光纤传输。光学系统简单，安装灵活，便于在恶劣环境使用。

2、所采用的光纤布拉格光栅具有滤波带宽窄的优点，更接近于单色辐射。

3、所采用的两个不同光栅的布拉格波长可以根据要求选择，两者的布拉格波长可以选择较近，两波长光谱发射率更接近相等，提高了比色测温的精度。

4、系统所用的环形器为光纤三端环形器，与光纤及光纤布拉格光栅融合方便，可实现传感系统的全光纤传输。

5、传统滤光片法需采用分光光路，削弱了每一路的光信号；本发明的光路采用同一光纤传输，不需要分光，不会削弱光功率，有利于探测。

6、传感头的设计采用易于集光的黑体腔光纤传感器，比传统的聚光透镜结构容易安装和调节。

附图说明

图1为基于光纤布拉格光栅的系统工作原理图；

图2为某温度点辐射源的辐射光谱分布及两布拉格光栅的反射谱；

图3为传感头结构之一；

图4为传感头结构之二；

图5为光纤布拉格光栅结构及光谱响应示意图；

图6为光纤环形器外形结构；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。