一种基于吸收光谱的温度测量方法

作者：杨超月

1.本发明涉及温度测量技术领域，具体而言是一种基于吸收光谱的温度测量方法。

背景技术：

2.温度测量可以分为两类：非接触式和接触式。非接触式温度计测量目标发射的红外线能量，它们响应快，通常用来测量移动目标或间歇性目标，真空中的目标，以及测量由于恶劣环境、结构限制或安全隐患而无法接近的目标。但它们的成本较高；测量距离受到大气的影响，最长也不超过2.5m；操作精度范围在1％-3％之间。并且，最糟糕的是非接触式温度计难以测量反射表面的温度。这是由于非接触式温度计的工作原理是基于黑体辐射曲线确定红外线能量，黑体辐射概念是红外线测量法的基础。黑体辐射曲线描述了温度高于-273℃的物体辐射出的能量数量与其温度的四次方成比例的关系。这种测量方法的最大问题是将被测物体描述为黑体，而当被测物体具有反射特性时，非接触式温度计不但接收辐射能量，同时也会接收反射能量，结果导致被测物体的温度测量值与实际值有一定的偏差。一般用辐射率衡量物体表面以辐射的形式释放能量相对强弱的能力。物体的辐射率等于物体在一定温度下辐射的能量与同一温度下黑体辐射能量之比。黑体的辐射率等于1，其他物体的辐射率介于0和1之间。现在通用的办法是对不同被测物体的辐射率进行标定，最后对温度测量值进行修正，以保证测量精度。最糟糕的情况是，在测量玻璃窗口内侧的物体时，测得的温度值的实际位置是玻璃表面，并不是被测物体本身。
3.接触式热电偶、rtd和传统的水银或煤油温度计在温度测量应用中最为普遍。这种温度测量装置的优势是它们比较便宜。由于测量的是它们自身的温度因此必须与目标物体接触，响应相对较慢。在使用热电偶型温度计时，温度的测量范围受到测量传感器的限制。不同型号的热电偶有着各自的工作范围，对于较大温度测量范围，则要采用不同的热电偶完成测量。
4.传统的接触式测量温度的办法大多是基于电学方法，去测量电动势、以及电阻值。其主要测量误差在于无法消除的引线电阻，在4线rtd传感器中，可以测量和消除每根引线中的实际电阻，从而留下检测器的精确电阻。这种结构也导致了整个测量传感器略显复杂。

技术实现要素：

5.根据上述技术问题，而提供一种基于吸收光谱的温度测量方法。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种基于吸收光谱的温度测量方法，包括如下步骤：
8.s1：光源发出的信号光经滤光片ⅰ过滤后进入与被测量位置相接触的光纤传感器中；
9.s2：从所述光纤传感器中出来的信号光经滤光片ⅱ过滤后进入光电探测器中；
10.s3：所述光电探测器对信号光进行测量并转换为电信号输入至信号处理系统中；
11.s4：所述信号处理系统将所述电信号转换为数字信号，并与标准数据进行比较，得
到与所述数字信号相匹配的温度值，所述温度值为所述光纤传感器与所述被测位置相接触处的实际温度值。
12.进步一地，所述光纤传感器在其与被测位置接触处的材料为光学吸收对温度变化敏感的敏感材料，为稀土离子yb或nd。
13.进步一地，所述敏感材料掺入光纤传感器的光纤基质中，形成有源光纤，并与未掺入敏感材料的无源光纤熔融成一条光纤。
14.进步一地，所述光源发出的光在所述光纤传感器内的传输满足朗伯-比尔定律：
15.i＝i
0 exp(-σ(t)nl)
16.其中，i0是进入所述光纤传感器的信号光的强度；i是从所述光纤传感器中出去的信号光的强度；n是所述有源光纤中敏感材料的掺杂浓度；l是所述有源光纤的长度；σ(t)是所述有源光纤中敏感材料的吸收截面，且随温度单调变化。
17.进步一地，所述标准数据是指根据现有的标准温度得到的数字信号数据，其得到方法如下：
18.对于给定的标准温度，根据朗伯-比尔定律确定其相对应的σ(t)，根据固定的i0，得到唯一的i；
19.所述光电探测器将探测到的信号光转换为电信号，将信号传输给所述的信号处理系统，所述的信号处理系统将电信号转换为数字信号，储存在信号处理系统的储存器中，作为标准数据。
20.进步一地，在所述步骤s4中，所述信号处理系统将所述电信号转换为数字信号，并与标准数据进行比较，比较过程如下：
21.若测得的数字信号包含于所述的标准信号的集合内，则选择标准信号所对应的温度作为测量值，所述测量值为所述光纤传感器与所述被测位置相接触处的实际温度值；
22.若得的信号值不包含于所述的标准信号的集合内，则选择最邻近的两个标准信号所对应温度的插值所对应的温度作为测量值，所述测量值为所述光纤传感器与所述被测位置相接触处的实际温度值；。
23.进步一地，所述光源为宽带光源或窄带光源，所述宽带光源为氘灯或汞灯或氙灯或发光二极管；所述窄带光源为激光二极管或固体激光器或气体激光器。
24.需要保证光源的光谱宽度小于有源光纤的吸收谱宽度。根据需要选择不同的光源，比如说，对于具有具有宽带吸收的材料应选择宽带光源，而对于具有窄带吸收的材料则应选择窄带光源。
25.进步一地，所述滤光片ⅰ用于限制所述信号光入射到所述光纤传感器中的光谱带宽；
26.所述滤光片ⅱ用于过滤信号光激发有源光纤所产生的杂散光；
27.所述滤光片ⅰ和所述滤光片ⅱ的透光范围覆盖所述光纤的吸收峰区域。
28.进步一地，所述光电探测器为光电转换装置，为光电放大器或雪崩二极管或光电倍增管。
29.本发明中光源发出的信号光经滤光片ⅰ过滤后进入与被测量位置相接触的光纤传感器中；从所述光纤传感器中出来的信号光经滤光片ⅱ过滤后进入光电探测器中；所述光电探测器对信号光进行测量并转换为电信号输入至信号处理系统中；所述信号处理系统将
所述电信号转换为数字信号，并与标准数据进行比较，若测得的数字信号包含于所述的标准信号的集合内，则选择标准信号所对应的温度作为测量值，所述测量值为所述光纤传感器与所述被测位置相接触处的实际温度值；若得的信号值不包含于所述的标准信号的集合内，则选择最邻近的两个标准信号所对应温度的插值所对应的温度作为测量值，所述测量值为所述光纤传感器与所述被测位置相接触处的实际温度值。
30.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
31.1、本发明采用光纤作为信号传输的媒介，有效的避免了传统热电偶型接触式测温装置在不同温度下无法消除的引线电阻的问题。
32.2、本发明采用吸收光谱技术作为测量温度的基础，测量精度高。
33.3、本发明结构简单、测量温度速度快。
34.基于上述理由本发明可在温度测量等领域广泛推广。
附图说明
35.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做以简单地介绍，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。
36.图1为本发明具体实施方式中一种基于吸收光谱的温度测量方法流程图。
37.图2为本发明具体实施方式中掺yb离子的吸收截面随温度的变化关系。
具体实施方式
38.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
39.为使本发明实施例的目的、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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
40.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
41.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号
和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
43.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
44.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
45.如图1～2所示，一种基于吸收光谱的温度测量方法，包括如下步骤：
46.s1：光源1发出的信号光经滤光片ⅰ2过滤后进入与被测量位置8相接触的光纤传感器3中；
47.s2：从所述光纤传感器3中出来的信号光经滤光片ⅱ5过滤后进入光电探测器6中；
48.s3：所述光电探测器6对信号光进行测量并转换为电信号输入至信号处理系统7中；
49.s4：所述信号处理系统7将所述电信号转换为数字信号，并与标准数据进行比较，得到与所述数字信号相匹配的温度值，所述温度值为所述光纤传感器3与所述被测位置8相接触处的实际温度值。
50.进步一地，所述光纤传感器3在其与被测位置8接触处的材料为光学吸收对温度变化敏感的敏感材料4，为稀土离子yb或nd，本实施例为yb。
51.所述敏感材料4掺入光纤传感器3的光纤基质sio2中，形成有源光纤，并与未掺入敏感材料的无源光纤熔融成一条光纤。
52.进步一地，所述光源1为宽带光源或窄带光源，所述宽带光源为氘灯或汞灯或氙灯或发光二极管；所述窄带光源为激光二极管或固体激光器或气体激光器。
53.需要保证光源的光谱宽度小于有源光纤的吸收谱宽度。根据需要选择不同的光源，比如说，对于具有具有宽带吸收的材料应选择宽带光源，而对于具有窄带吸收的材料则应选择窄带光源。本实施例中的光源1采用所述的光源1为窄带激光光源：ingaas激光二极管，中心波长976nm，光谱半高全宽为6nm。
54.所述光源1发出的光在所述光纤传感器3内的传输满足朗伯-比尔定律：
55.i＝i
0 exp(-σ(t)nl)
56.其中，i0是进入所述光纤传感器3的信号光的强度；i是从所述光纤传感器3中出去的信号光的强度；n是所述有源光纤中敏感材料4的掺杂浓度；l是所述有源光纤的长度；σ(t)是所述有源光纤中敏感材料4的吸收截面，且随温度单调变化。
57.所述滤光片ⅰ2用于限制所述信号光入射到所述光纤传感器3中的光谱带宽；
58.所述滤光片ⅱ5用于过滤信号光激发有源光纤所产生的杂散光；
59.所述滤光片ⅰ2和所述滤光片ⅱ5的透光范围覆盖所述光纤的吸收峰区域。
60.光电探测器5是指对经过滤光片ⅱ5的透过的光的波长有较高量子效率的光电转换装置，在本实施例中为光电放大器。
61.所述的信号处理系统7是将所述的光电探测器6输出的模拟电信号转换为数字信号并加以处理的设备，在本实施例中带有数据采集器的计算机。
62.所述标准数据是指根据现有的标准温度得到的数字信号数据，其得到方法如下：
63.对于给定的标准温度，根据朗伯-比尔定律确定其相对应的σ(t)，根据固定的i0，得到唯一的i；
64.所述光电探测器6将探测到的信号光转换为电信号，将信号传输给所述的信号处理系统7，所述的信号处理系统7将电信号转换为数字信号，储存在信号处理系统7的储存器中，作为标准数据。
65.在所述步骤s4中，所述信号处理系统7将所述电信号转换为数字信号，并与标准数据进行比较，比较过程如下：
66.若测得的数字信号包含于所述的标准信号的集合内，则选择标准信号所对应的温度作为测量值，所述测量值为所述光纤传感器3与所述被测位置8相接触处的实际温度值；
67.若得的信号值不包含于所述的标准信号的集合内，则选择最邻近的两个标准信号所对应温度的插值所对应的温度作为测量值，所述测量值为所述光纤传感器3与所述被测位置8相接触处的实际温度值。
68.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。