一种用于辐射式光纤温度场测量耦合透镜的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于辐射式光纤温度场测量耦合透镜的设计方法，包括选择平凸透镜作为透镜的初始结构并求出传感器单个测温通道的测温靶点直径与蓝宝石透镜曲率半径之间的关系；根据求出的曲率半径，计算出蓝宝石透镜的厚度，保证蓝宝石光纤的入射端面位于蓝宝石透镜像面的同时与蓝宝石透镜的后端平面贴合；在保证传感器相邻测温通道前端蓝宝石透镜排布互不干涉的前提下，通过增加蓝宝石透镜的直径增加其辐射光耦合能力；利用ZEMAX仿真，比较传感器单个测温通道对待测物上不同直径测温靶点的辐射光耦合能力；利用得到的数据进行曲线拟合，得到传感器单个测温通道测温靶点直径与辐射光耦合能力之间的关系，在保证传感器接收自身测温需要的辐射光能量的前提下，选择测温靶点直径最小的透镜结构。温靶点直径最小的透镜结构。温靶点直径最小的透镜结构。

【技术实现步骤摘要】
一种用于辐射式光纤温度场测量耦合透镜的设计方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，具体是一种用于辐射式光纤温度场测量耦合透镜的设计方法。

技术介绍

[0002]温度是确定物质状态的最重要参数之一，因此温度的测量与控制在军事、工业以及科研等领域有着重要的意义。传统的接触式温度测量方案，例如热电偶、热电阻等是目前应用最为广泛的测温技术。但是，上述方案在测温过程中会与被测物直接接触从而对被测物的温度分布产生影响，同时，接触式温度测量方案本身的可靠性和抗电磁干扰能力较差。基于以上原因，测温
出现了辐射式光纤测温方法和系统，由于其采用非接触式测温技术，所以不会对被测物温度分布产生影响，另外，由于光纤的稳定性以及抗电磁干扰能力强，使得这种测温方法和系统可以适用于很多恶劣环境的高温测量，如航空航天发动机、工业燃炉等。
[0003]传统的石英光纤在超过1200℃的环境下便会发生软化，影响了传感器的性能并限制了传感器的测温范围。作为更好的选择，蓝宝石材料的熔点高达2050℃，因此蓝宝石光纤可以很好的应用于1200℃以上的高温环境。但是，由于蓝宝石光纤的无包层结构，导致蓝宝石光纤的数值孔径较大，使得在利用蓝宝石光纤进行温度场测量时，各个测温通道在待测物上的测温靶点尺寸过大，严重影响传感器的测温空间分辨率。
[0004]为解决传感器的测温空间分辨率问题，采用在蓝宝石光纤前端安装蓝宝石透镜的方式，限制传感器各测温通道的测温靶点直径，增加传感器测温的空间分辨率。辐射式温度传感器在低温区间的测试性能一直受到低温区间物体辐射能量较弱的限制，而过多的限制各个测温通道的测温靶点直径，会减弱传感器的辐射光耦合能力，进一步影响传感器在低温区间的测温能力。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种用于辐射式光纤温度场测量耦合透镜的设计方法，该方法用于探究传感器各测温通道对于待测物上不同直径的测温靶点的辐射光耦合能力，保证在限制温靶点直径的同时，不影响传感器的辐射光耦合能力。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种用于辐射式光纤温度场测量耦合透镜的设计方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1，选择平凸透镜结构作为蓝宝石透镜的初始结构；确定蓝宝石透镜的初始结构时，需要综合考虑蓝宝石透镜的安装以及加工难度，而平凸透镜结构是较好的透镜结构，其安装与加工都较为简单；
[0009]步骤2，建立传感器单个测温通道的测温靶点直径与蓝宝石透镜曲率半径之间的关系；
[0010]步骤3，根据步骤2求出的曲率半径，计算出蓝宝石透镜的厚度，保证蓝宝石光纤的
入射端面与蓝宝石透镜的像面贴合的同时与透镜后端平面贴合，降低蓝宝石透镜的安装难度；因为需要保证蓝宝石光纤束端面位于平凸透镜的像平面上，因此需要设计平凸透镜的厚度，保证平凸透镜的后端平面与透镜像面重合，此时蓝宝石光纤束端面与平凸透镜后端平面重合即满足了要求；
[0011]步骤4，在保证传感器相邻测温通道前端蓝宝石透镜排布互不干涉的前提下，通过增加蓝宝石透镜的直径实现增加蓝宝石透镜的辐射光耦合能力；
[0012]步骤5，利用ZEMAX仿真，获得传感器单个测温通道对待测物上不同直径测温靶点的辐射光耦合能力数据；
[0013]步骤6，利用步骤5得到的数据进行曲线拟合，得到传感器单个测温通道测温靶点直径与辐射光耦合能力之间的关系；
[0014]步骤7，根据步骤6得到的曲线，在保证传感器接收自身测温需要的辐射光能量的前提下，选择测温靶点直径最小的透镜结构。
[0015]作为一种选择，所述步骤2中，采用下述数学模型计算测温靶点直径与蓝宝石透镜曲率半径之间的关系，
[0016][0017]其中,D为测温靶点的直径，d为蓝宝石光纤的直径，β为透镜垂轴放大倍率，l为待测物距透镜物方主平面的距离，l
′
为蓝宝石光纤端面距透镜像方主平面的距离，f
′
为蓝宝石透镜的焦距，r为蓝宝石透镜凸面的曲率半径，n为蓝宝石透镜的折射率。
[0018]作为一种选择，所述步骤5中包括以下步骤：
[0019]步骤5.1，利用ZEMAX非序列模式对辐射式光纤温度场测量系统中一个测温通道进行仿真建模，模型包括：用来模拟待测物的辐射光源、蓝宝石透镜、蓝宝石光纤和探测器；
[0020]步骤5.2，利用步骤5.1中仿真模型模拟该测温通道对不同直径测温靶点的辐射光耦合能力；
[0021]步骤5.3，利用光线追迹法，通过蓝宝石光纤后端探测器接收到的辐射光强表征该测温通道对不同直径测温靶点的辐射光耦合能力。
[0022]与现有技术相比，本专利技术提出了一种用于提高辐射式光纤温度场测量系统测温分辨率的耦合透镜的设计方法，对于光纤辐射测温温度场重建具有重要意义。利用该方法可以在保证传感器光耦合能力的同时，限制传感器各个测温通道在待测物上的测温靶点直径，增加测温的空间分辨率。
附图说明
[0023]图1为本专利技术中传感器单个测温通道的光路原理图，图中展示了蓝宝石透镜限制传感器单个测温通道测温靶点直径的原理；
[0024]图2为辐射式光纤温度场测量系统中单个测温通道在ZEMAX中的仿真模型图；
[0025]图3为辐射式光纤温度场测量各个测温通道排布示意图；
[0026]图中，1
‑
测温靶点，2
‑
蓝宝石透镜，3
‑
蓝宝石光纤，4
‑
物方主平面，5
‑
像方主平面，6
‑
辐射光源，7
‑
探测器。
具体实施方式
[0027]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但不应就此理解为本专利技术所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本专利技术上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本专利技术的范围内。
[0028]如图3所示，辐射式光纤测温传感器包括N条测温通道，每一条测温通道中包括一块蓝宝石透镜2及其对应的蓝宝石光纤3。其中，对于传感器测温靶点1的控制，主要通过蓝宝石透镜2使传感器在待测物上的测温靶点1恰好成像于蓝宝石光纤3端面上。
[0029]如图1所示，所成像的直径恰好与蓝宝石光纤3直径相同，则目标区域以外的辐射光无法进入蓝宝石光纤3中传输。图1中，P代表测温靶点1内一点，P
’
表示P点经透镜成像后的像点，Q代表测温靶点1外一点，Q
’
表示Q点经透镜成像后的像点。
[0030]对于传感器测温靶点1的控制主要通过改变蓝宝石透镜2的曲率完成的，根据如下公式可以得到传感器测温靶点1直径与蓝宝石透镜2的曲率半径之间的关系。
[0031][0032]其中,D为测温靶点1的直径，d为蓝宝石光纤3的直径，β为透镜垂轴放大倍率，l为待测物1距透镜物方主平面4距离，l
′
为光纤端面距透镜像方主平面5距离，f
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于辐射式光纤温度场测量耦合透镜的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，选择平凸透镜结构作为蓝宝石透镜(2)的初始结构；步骤2，建立传感器单个测温通道的测温靶点(1)直径与蓝宝石透镜(2)曲率半径之间的关系；步骤3，根据步骤2求出的曲率半径，计算出蓝宝石透镜(2)的厚度，保证蓝宝石光纤(3)的入射端面与蓝宝石透镜(2)的像面以及后端平面同时贴合；步骤4，在保证传感器相邻测温通道前端蓝宝石透镜(2)排布互不干涉的前提下，通过增加蓝宝石透镜(2)的直径实现增加蓝宝石透镜(2)的辐射光耦合能力；步骤5，利用ZEMAX仿真，获得传感器单个测温通道对待测物上不同直径测温靶点(1)的辐射光耦合能力数据；步骤6，利用步骤5得到的数据进行曲线拟合，得到传感器单个测温通道测温靶点(1)直径与辐射光耦合能力之间的关系；步骤7，根据步骤6得到的曲线，在保证传感器接收自身测温需要的辐射光能量的前提下，选择测温靶点(1)直径最小的透镜结构。2.根据权利要求1所述的一种用于辐射式光纤温度场测量耦合透镜的设计方法，其特征在于：所述步骤2中，采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏峥嵘，唐源蔚，王波涛，邱丹，丁铭，杨宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：