一种基于蓝宝石光纤光栅传感器的温度检测系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了一种基于蓝宝石光纤光栅传感器的温度检测系统及方法。本发明专利技术系统包括：宽带光源、蓝宝石光纤光栅传感器、光纤环形器、F‑P滤波器、光电转换模块、A/D转换模块、采集控制模块、D/A转换模块、计算机模块。本发明专利技术方法为使用光谱仪检测每个温度下蓝宝石光纤光栅传感器的反射波长；根据最小二乘法得到反射光波长与温度之间的拟合模型；将蓝宝石光纤光栅传感器放置于待测目标上，宽带光源发射的光束经光纤环形器输出到F‑P滤波器；根据采集控制模块发送的驱动电压数字信号周期性地改变F‑P腔长度；得到F‑P滤波器透射光电压最大值存储于采集控制模块；根据反射光波长与温度之间的拟合模型得出温度信息并将结果进行显示输出。

【技术实现步骤摘要】
一种基于蓝宝石光纤光栅传感器的温度检测系统及方法
本专利技术涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于蓝宝石光纤光栅传感器的温度检测系统及方法。
技术介绍
随着飞机的航程和飞行速度的提高，对飞机的推力、推重比也越来越大，导致了航空发动机的进口温度、燃烧室温度大大提高，目前先进航空发动机涡轮进口温度已经达到1650℃以上，随着航空工业的不断发展，未来更为先进的航空发动机工作温度会进一步提高，使得对航空发动机温度的监测技术成为了急需解决的难题。目前常见的高温测量方法有非接触式测量和接触式测量.非接触式测量仅限于探测光源能够覆盖到的结构表面的温度场测量，而对结构内部或者探测光源无法覆盖到的位置则无法进行温度测量，同时，容易受到环境背景辐射噪声的干扰而降低温度测试精度。接触式测量方法能够实现与被测热源的直接接触，可兼顾被测结构表面及内部的温度测量需要，但是由于受限于材料本身的高温不稳定性及较弱的抗电磁干扰性而无法长时间应用于复杂的电磁环境中进行高温测量。长期以来，在实际应用中，高温测量是个技术性难题。现有技术并不能完全满足实际需求，开发一种精度高、可靠性高并适应各种不同环境的新型测量技术成为急需解决的问题。本专利技术采用的光纤布拉格光栅材料为蓝宝石，是一种性能优异的近红外耐高温光学材料，单晶熔点达到2045℃，耐腐蚀，物理化学性能稳定，机械强度好，用其制作的光纤布拉格光栅温度传感器具有诸多优势，在高温监测领域有广阔的应用前景。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于蓝宝石光纤光栅传感器的温度检测系统及方法。本专利技术采用蓝宝石光纤光栅传感器，可在高温环境下稳定工作，具有接触式测量、高温极限耐受度达到1800℃、抗干扰能力强、高稳定性、高机械强度，高光学稳定性、可实时监测特点。本专利技术系统的技术方案为一种基于蓝宝石光纤光栅传感器的温度检测系统，包括：宽带光源、蓝宝石光纤光栅传感器、光纤环形器、F-P滤波器、光电转换模块、A/D转换模块、采集控制模块、D/A转换模块、计算机模块；所述光纤环形器包含A、B、C三个接口；所述宽带光源与所述光纤环形器的A接口通过光纤连接；所述蓝宝石光纤光栅传感器与所述光纤环形器的B接口通过光纤连接；所述光纤环形器的C接口与所述F-P滤波器通过光纤连接；所述F-P滤波器与所述光电转换模块通过光纤连接；所述光电转换模块与所述A/D转换模块通过导线连接；所述A/D转换模块与所述采集控制模块通过导线连接；所述采集控制模块与所述计算机模块通过导线连接；所述采集控制模块与所述D/A转换模块通过导线连接；所述D/A转换模块与所述F-P滤波器通过导线连接。作为优选，所述宽带光源，光谱范围240mm-2400mm。作为优选，所述蓝宝石光纤光栅传感器，内部采用蓝宝石光纤布拉格光栅，外部采用氮化硼陶瓷套筒进行封装，放置于待测目标上,蓝宝石光纤光栅传感器的反射光波长随外界的温度线性变化。作为优选，所述宽带光源发出的光从所述光纤环形器的A接口输入所述光纤环形器，从所述光纤环形器的B接口输出进入所述蓝宝石光纤光栅传感器；所述蓝宝石光纤光栅传感器的反射光从所述光纤环形器的B接口输入所述光纤环形器，从所述光纤环形器的C接口进入所述F-P滤波器。作为优选，所述F-P滤波器用于输出透射光至所述光电转换模块，输出的透射光波长与所述采集控制模块输出的驱动电压数字信号成线性关系，若所述采集控制模块接收到透射光电压数字信号最大值，则所述蓝宝石光纤光栅传感器的反射光波长与F-P滤波器输出的透射光波长相等；作为优选，所述光电转换模块用于对所述F-P滤波器输出的透射光进行光电转换得到透射光电压模拟信号，将透射光电压模拟信号传输至所述A/D转换模块；作为优选，所述A/D转换模块用于将透射光电压模拟信号进行模数转换得到透射光电压数字信号，将透射光电压数字信号传输至所述采集控制模块；作为优选，所述采集控制模块用于对所述D/A转换模块发送驱动电压数字信号，并将本次采集的透射光电压数字信号与上一次采集的透射光电压数字信号进行比较，直到本次采集的透射光电压数字信号小于上一次采集的透射光电压数字信号，上一次采集的透射光电压数字信号即为为F-P滤波器透射光电压最大值，将上一次对所述D/A转换模块发送的驱动电压数字信号储存在采集控制模块并发送给所述计算机模块。作为优选，所述D/A转换模块用于将所述采集控制模块输出的驱动电压数字信号转换为驱动电压模拟信号；作为优选，所述计算机模块根据所述采集控制模块发送的驱动电压数字信号得到F-P滤波器输出的透射光波长，F-P滤波器输出的透射光波长为蓝宝石光纤光栅传感器的反射光波长，所述计算机模块根据反射光波长与温度之间的拟合模型，计算得到温度信息并输出显示。本专利技术方法的技术方案为一种蓝宝石光纤布拉格光栅高温传感检测方法，具体步骤如下：步骤1：将蓝宝石光纤光栅传感器放入恒温箱内，设定不同的温度并在每个温度下保温一段时间，使用光谱仪检测每个温度下蓝宝石光纤光栅传感器的反射波长；步骤2：将不同环境温度以及不同环境温度下蓝宝石光纤光栅传感器的反射波长，使用最小二乘法进行线型拟合，得出蓝宝石光纤光栅传感器的反射光波长与温度之间的拟合模型；步骤3：将蓝宝石光纤光栅传感器放置于待测目标上，宽带光源发射的光束经光纤环形器的A接口进入光纤环形器，再由光纤环形器的B接口输出，光束经过光纤环形器的B接口进入蓝宝石光纤光栅传感器，待测目标在不同温度下会使蓝宝石光纤光栅传感器的反射光波长发生改变，从蓝宝石光纤光栅传感器的反射光再通过光纤环形器的B接口进入光纤环形器，再从光纤环形器的C接口输出到F-P滤波器；步骤4：采集控制模块将驱动电压数字信号发送给D/A转换模块，D/A转换模块将驱动电压数字信号转换为驱动电压模拟信号，F-P滤波器接收到D/A转换模块发送的驱动电压模拟信号，周期性地改变F-P腔长度，F-P滤波器输出的透射光波长与驱动电压数字信号成线性关系，形成一个窄带滤波器；步骤5：光电转换模块对所述F-P滤波器输出的透射光进行光电转换的透射光电压模拟信号，A/D转换模块将透射光电压模拟信号得到透射光电压数字信号，采集控制模块将驱动电压数字信号发送给D/A转换模块，采集控制模块将本次采集的透射光电压数字信号与上一次采集的透射光电压数字信号进行比较，直到本次采集的透射光电压数字信号小于上一次采集的透射光电压数字信号，上一次采集的透射光电压数字信号即为为F-P滤波器透射光电压最大值，将上一次对所述D/A转换模块发送的驱动电压数字信号储存在采集控制模块并发送给所述计算机模块，此时蓝宝石光纤光栅传感器的反射光波长与F-P滤波器输出的透射光波长相等。步骤6：采集控制模块将F-P滤波器透射光电压最大值所对应的驱动电压数字信号发送给计算机模块，根据驱动电压数字信号与F-P滤波器输出的透射波长所成的线性关系得出F-P滤波器的透射波长，进而得出蓝宝石光纤光栅传感器的反射波长，根据步骤2所得出的反射光波长与温度之间的拟合模型得出温度信息并将结果进行显示输出。作为优选，步骤1中所述不同的温度为T1,T2,...,Tn，步骤1中所述每个温度下蓝宝石光纤光栅传感器的反射波长为λ1,λ2,...,λn，温度Ti对应每个温度下蓝宝石光纤光栅传感器的反射波长为λ1λ2.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于蓝宝石光纤光栅传感器的温度检测系统，包括：宽带光源、蓝宝石光纤光栅传感器、光纤环形器、F‑P滤波器、光电转换模块、A/D转换模块、采集控制模块、D/A转换模块、计算机模块；所述光纤环形器包含A、B、C三个接口；所述宽带光源与所述光纤环形器的A接口通过光纤连接；所述蓝宝石光纤光栅传感器与所述光纤环形器的B接口通过光纤连接；所述光纤环形器的C接口与所述F‑P滤波器通过光纤连接；所述F‑P滤波器与所述光电转换模块通过光纤连接；所述光电转换模块与所述A/D转换模块通过导线连接；所述A/D转换模块与所述采集控制模块通过导线连接；所述采集控制模块与所述计算机模块通过导线连接；所述采集控制模块与所述D/A转换模块通过导线连接；所述D/A转换模块与所述F‑P滤波器通过导线连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于蓝宝石光纤光栅传感器的温度检测系统，包括：宽带光源、蓝宝石光纤光栅传感器、光纤环形器、F-P滤波器、光电转换模块、A/D转换模块、采集控制模块、D/A转换模块、计算机模块；所述光纤环形器包含A、B、C三个接口；所述宽带光源与所述光纤环形器的A接口通过光纤连接；所述蓝宝石光纤光栅传感器与所述光纤环形器的B接口通过光纤连接；所述光纤环形器的C接口与所述F-P滤波器通过光纤连接；所述F-P滤波器与所述光电转换模块通过光纤连接；所述光电转换模块与所述A/D转换模块通过导线连接；所述A/D转换模块与所述采集控制模块通过导线连接；所述采集控制模块与所述计算机模块通过导线连接；所述采集控制模块与所述D/A转换模块通过导线连接；所述D/A转换模块与所述F-P滤波器通过导线连接。2.根据权利要求1所述的基于蓝宝石光纤光栅传感器的温度检测系统，其特征在于：所述宽带光源，光谱范围240mm-2400mm；所述蓝宝石光纤光栅传感器，内部采用蓝宝石光纤布拉格光栅，外部采用氮化硼陶瓷套筒进行封装，放置于待测目标上,蓝宝石光纤光栅传感器的反射光波长随外界的温度线性变化；所述宽带光源发出的光从所述光纤环形器的A接口输入所述光纤环形器，从所述光纤环形器的B接口输出进入所述蓝宝石光纤光栅传感器；所述蓝宝石光纤光栅传感器的反射光从所述光纤环形器的B接口输入所述光纤环形器，从所述光纤环形器的C接口进入所述F-P滤波器；所述F-P滤波器用于输出透射光至所述光电转换模块，输出的透射光波长与所述采集控制模块输出的驱动电压数字信号成线性关系，若所述采集控制模块接收到透射光电压数字信号最大值，则所述蓝宝石光纤光栅传感器的反射光波长与F-P滤波器输出的透射光波长相等；所述光电转换模块用于对所述F-P滤波器输出的透射光进行光电转换得到透射光电压模拟信号，将透射光电压模拟信号传输至所述A/D转换模块；所述A/D转换模块用于将透射光电压模拟信号进行模数转换得到透射光电压数字信号，将透射光电压数字信号传输至所述采集控制模块；所述采集控制模块用于对所述D/A转换模块发送驱动电压数字信号，并将本次采集的透射光电压数字信号与上一次采集的透射光电压数字信号进行比较，直到本次采集的透射光电压数字信号小于上一次采集的透射光电压数字信号，上一次采集的透射光电压数字信号即为为F-P滤波器透射光电压最大值，将上一次对所述D/A转换模块发送的驱动电压数字信号储存在采集控制模块并发送给所述计算机模块；所述D/A转换模块用于将所述采集控制模块输出的驱动电压数字信号转换为驱动电压模拟信号；所述计算机模块根据所述采集控制模块发送的驱动电压数字信号得到F-P滤波器输出的透射光波长，F-P滤波器输出的透射光波长为蓝宝石光纤光栅传感器的反射光波长，所述计算机模块根据反射光波长与温度之间的拟合模型，计算得到温度信息并输出显示；所述宽带光源选用SLS201L；所述蓝宝石光纤光栅传感器测温范围0-1800℃；所述光纤环形器选用Thorlabs6015-3；所述F-P滤波器选用FFP-TF2；所述光电转换模块选用KY-PRM-BW-1-D光电探测器；所述A/D转换模块选用LTC1740；所述采集控制模块选用spartan3xcs400；所述D/A转换模块选用LTC1597；所述计算机模块选用电脑终端。3.一种利用权利要求1所述的基于蓝宝石光纤光栅传感器的温度检测系统进行基于蓝宝石光纤光栅传感器的温度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将蓝宝石光纤光栅传感器放入恒温箱内，设定不同的温度并在每个温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶青，陈克楠，刘顿，陈列，娄德元，杨奇彪，翟中生，郑重，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42