CN114608719A

CN114608719A - 一种高温物体的激光测温装置

Info

Publication number: CN114608719A
Application number: CN202210319032.2A
Authority: CN
Inventors: 王云祥; 高玉龙; 史双瑾; 范志强; 苏君; 邱琪
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2042-03-29
Also published as: CN114608719B

Abstract

本发明公开一种高温物体的激光测温装置，属于温度测量技术领域，包括光电锁相环路、温度探测单元、光电探测器和信号处理单元，温度探测单元包括光纤环形器、传输光纤、非球面镜和设置于待测物体上的F‑P标准具，光电锁相环路输出的线性调频光经光纤环形器、传输光纤光、非球面镜至F‑P标准具，反射后传输回光纤环形器，再经光电探测器至信号处理单元处理，通过采集反射光两相邻最强光强的时间，结合线性调频光的频率随时间变化的关系，计算得到待测物体的温度。本发明还提出了一种实现非线性校正的光电锁相环路。本发明实现对高温物体的温度测量，并对纵模间隔进行扫频测量，提高测试精度。

Description

一种高温物体的激光测温装置

技术领域

本发明属于温度测量技术领域，具体涉及一种高温物体的激光测温装置。

背景技术

在工业生产中，对温度的科学控制一直是非常重要的工作内容，特别是当产品工作在高温环境中时，温度决定着生产产品的质量，同时与生产效率存在着紧密的联系，进而可能影响到生产的整体流程和情况。所以在工业生产中对于温度的测量意义重大。

温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测试按照测量方式可分为接触式和非接触式两大类。接触式测温仪器是通过将敏感元件与被测物体充分接触进行热交换以测得温度，方法简单、直观可靠，且测量精度高。

接触式测温仪器按照测温原理不同可分为四类：膨胀式温度计、热电阻式温度计、热电偶式温度计和PN结集成温度传感器。热电阻式温度计将对温度的测量转化为对电阻的测量，其测温原理是导体或半导体的阻值随温度的变化而变化。热电偶温度传感器是将被测温度转化为热电动势信号输出，通过将导线与显示仪表相连接组成测温系统，实现温度测量。热电阻具有测量精度高、测量范围广等特点。一般情况下，测量500℃以上的较高温度时用热电偶，500℃以下环境温度则采用热电阻测量，这是因为在500℃以下的中低温度区域，热电偶输出的热电势很小，对二次仪表的抗干扰措施要求很高，热电偶通常难以实现精确测量。并且在较低温区域，考虑到冷端温度变化所引起的相对误差也非常突出，一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。

非接触式测温比较常见的是通过热辐射进行测量的红外测温。它的优点在于：测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度；测温范围宽，理论上无测量上限，可以测量相当高的温度；探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量；不必接触被测物体，操作方便；可以确定微小目标的温度。

尽管如此，现存的测温技术仍然存在很多不足，热电阻感温部分尺寸大，测温反应慢；热电偶测温需要补偿导线，而且焊锡、高频磁场环境也会对测温产生影响，存在很大的误差；更重要的是，热电阻和热电偶由于它们的物理特性，限制了测温上限范围。而红外测温受外界环境因素的影响比较大，黑体的光谱辐射亮度存在一个极值，极值的变化随温度变化缓慢，因此测量误差较大。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种高温物体的激光测温装置。

本发明所采用的技术方案如下：

一种高温物体的激光测温装置，其特征在于，包括光电锁相环路、温度探测单元、光电探测器和信号处理单元；所述温度探测单元包括光纤环形器、传输光纤、非球面镜和F-P(法布里-珀罗)标准具，所述F-P标准具设置于待测物体上；

所述光电锁相环路用于输出线性调频光，其输出端口光连接至光纤环形器的激光输入端口；光纤环形器的双工端口通过传输光纤光连接至非球面镜的光输入端口，非球面镜的光输出端口光连接F-P标准具；光纤环形器的信号光输出端口光连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端电连接信号处理单元。

进一步地，所述光电锁相环路包括依次首尾连接的宽带可调谐激光器、微光学透镜、第一耦合器、MZ(马赫-曾德尔)干涉仪、第二耦合器、平衡光电探测器、鉴相器、环路滤波器、升/降开关控制电路和积分器；

所述宽带可调谐激光器输出调频光，经微光学透镜耦合至第一耦合器，输出两束光束，其中一束光束作为光电锁相环路的输出，另一束光束输入至MZ干涉仪的输入端口；MZ干涉仪的输出端口经第二耦合器光连接至平衡光电探测器的输入端口，平衡光电探测器的输出端口电连接至鉴相器的输入端口；鉴相器将输入的信号与正弦参考频率信号进行混频，得到频率误差信号，通过鉴相器的输出端口传输至环路滤波器，得到频率控制信号，再依次经过升/降开关控制电路和积分器，输出三角波信号，反馈至宽带可调谐激光器，实现对宽带可调谐激光器的非线性校正，使得光电锁相环路输出线性调频光。

进一步地，所述F-P标准具的晶体材料为三氧化二铝或YAG(钇铝石榴石)。

进一步地，光电锁相环路输出的线性调频光经非球面镜汇聚成平行光，传输至F-P标准具，F-P标准具发出反射光，依次传输回光纤环形器的双工端口，再从信号光输出端口输出至光电探测器中转换为电信号，经信号处理单元处理后得到被测物体的温度T。

进一步地，所述F-P标准具发出的反射光光强与接收的入射光光强的比值为：

其中，I_r为反射光光强；I_i为入射光光强；R₁和R₂分别为F-P标准具前后反射面的反射率；δ为环程相位延迟，与入射光频率v的关系为：

其中，n为F-P标准具晶体材料的折射率；L为F-P标准具前后反射面之间的距离；c为光在真空中传播的速度(3×10⁸m/s)；

获得反射光的纵模间隔(即两相邻最强光强之间的频率差)Δv为：

由于公式(3)中的n和L与温度T相关，对公式(3)两边温度求导可得：

进而得到纵模间隔Δν和待测物体的温度T的关系为：

其中，T₀为室温；β为F-P标准具晶体材料的热光系数；α为F-P标准具晶体材料的线性热膨胀系数；α和β均为常数；Δv₀为测温前F-P标准具的反射光的初始纵模间隔；

所述信号处理单元通过采集反射光两相邻最强光强的时间，根据线性调频光的频率随时间变化的关系，获得反射光两相邻最强光强对应的扫频频率值，二者频率差即为纵模间隔Δν，从而计算得到被测物体的温度T。

进一步地，设置测温前F-P标准具的反射光的初始纵模间隔Δv₀不低于5GHz。

进一步地，当F-P标准具晶体材料为三氧化二铝时，折射率n＝1.53；当F-P标准具晶体材料为YAG时，折射率n＝1.82。

进一步地，所述宽带可调谐激光器的调频带宽大于初始纵模间隔Δν₀的两倍，此时一个调频带宽内获得多个反射光的纵模间隔Δν，通过计算平均值获得待测物体的温度T，以提高激光测温装置的测试精度。

进一步地，所述激光测温装置测试的温度高于1200℃。

进一步地，所述激光测温装置包括多个温度探测单元，还包括第一光开关阵列和第二光开关阵列，实现对多个待测物体的测温；所述光电锁相环路的输出端口通过第一光开关阵列分别光连接至各温度探测单元中光纤环形器的激光输入端口，各温度探测单元中光纤环形器的信号光输出端口经第二光开关阵列光连接至光电探测器，各温度探测单元的F-P标准具设置于对应待测物体上。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出一种高温物体的激光测温装置，利用F-P标准具的温度敏感特性，通过入射线性调频光，测量反射光的光强变化周期，从而得到周期时间对应的扫频频率值，也就是纵模间隔大小，进而获得物体温度，并且由于F-P标准具未镀膜，故可测量高温物体的温度；

2、本发明通过设置宽带可调谐激光器的调频带宽，实现对纵模间隔的扫频测量，以提高测试精度；

3、优选地，本发明提出了一种光电锁相环路，通过闭环控制实现对宽带可调谐激光器的非线性校正，以输出线性调频光，保证测量精确性；

4、优选地，采用传输光纤传输反射光，结合光开关技术(多路光切换)，实现多物体测量。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的高温物体的激光测温装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中F-P标准具的结构示意图；

图3为本发明实施例1中光纤环形器的端口结构示意图；

图4为本发明实施例1中光锁相环输出的线性调频光频率随时间变化的关系图；

图5为本发明实施例1中F-P标准具发出的反射光谱图；

图6为本发明实施例1中纵模间隔Δv和温度T的关系图；

图7为本发明实施例2提供的高温物体的激光测温装置的结构示意图；

附图中各标记的说明如下：

1.宽带可调谐激光器；2.光纤环形器；3.传输光纤；4.非球面镜；5.F-P标准具；6.光电探测器；7.信号处理单元；8.微光学透镜；9-1.第一耦合器；9-2.第二耦合器；10.MZ干涉仪；11.平衡光电探测器；12.鉴相器；13.环路滤波器；14.升/降开关控制电路；15.积分器；16.第一光开关阵列；17.第二光开关阵列。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供了一种高温物体的激光测温装置，结构如图1所示，包括光电锁相环路、温度探测单元、光电探测器6和信号处理单元7；所述温度探测单元依次包括光纤环形器2、传输光纤3、非球面镜4和F-P标准具5，F-P标准具5设置于待测物体上；所述光电锁相环路包括依次首尾连接的宽带可调谐激光器1、微光学透镜8、第一耦合器9-1、MZ干涉仪10、第二耦合器9-2、平衡光电探测器11、鉴相器12、环路滤波器13、升/降开关控制电路14和积分器15。

所述宽带可调谐激光器1输出调频光，经微光学透镜8耦合至第一耦合器9-1，输出两束光束，其中一束光束作为光电锁相环路的输出，另一束光束输入至MZ干涉仪10的输入端口；MZ干涉仪10的输出端口经第二耦合器9-2光连接至平衡光电探测器11的输入端口，平衡光电探测器11的输出端口电连接至鉴相器12的输入端口；鉴相器12将输入的信号与频率相同的正弦参考频率信号进行混频，得到频率误差信号，通过鉴相器12的输出端口传输至环路滤波器13，得到频率控制信号，再依次经过升/降开关控制电路14和积分器15，输出三角波信号，反馈至宽带可调谐激光器1，实现对宽带可调谐激光器1的非线性校正，使得光电锁相环路输出线性调频光。本实施例中输出的线性调频光频率随时间变化的关系如图4所示，调频带宽为60GHz。

所述光电锁相环路输出的线性调频光通过其输出端口传输至光纤环形器2的激光输入端口；光纤环形器2的双工端口通过传输光纤3光连接至非球面镜4的光输入端口，非球面镜4的光输出端口光连接F-P标准具5；光纤环形器2的信号光输出端口光连接光电探测器6的输入端，光电探测器6的输出端电连接信号处理单元7。

具体地，光电锁相环路输出的线性调频光经非球面镜4汇聚成平行光，传输至F-P标准具5，F-P标准具5发出反射光(平行光)，经非球面镜4汇聚耦合到传输光纤3的光纤端面上，再传输回光纤环形器2的双工端口，再从信号光输出端口输出至光电探测器6中转换为电信号，经信号处理单元7处理后得到待测物体的温度变化。

所述宽带可调谐激光器1采用DBR(分布式布拉格反射)半导体激光芯片，其具有独立的调频端口，通过注入三角波进行线性调频。

所述平衡光电探测器11的输出端口输出的光电信号的频率变化反应了调频线性度。

所述鉴相器12是基于混频原理设计的激光频率误差测量电路，输出的频率误差信号是输入信号与正弦参考频率信号之间相位误差的度量，可以提高电路带宽，减小电路延时；通过数字化来降低激光幅度调制引起的频率测量误差，提高信号质量。

所述环路滤波器13是对频率误差信号进行滤波和整形，并不仅仅对高频波形进行滤除，更重要的功能是建立反馈环路的动态特性，以及提供合适的频率控制信号。

所述升/降开关控制电路14在频率控制信号的控制下对积分器15进行周期性的积分复位，不断地使积分后输出的三角波信号驱动宽带可调谐激光器1，直至锁相环输出信号的频率和相位达到稳定。

所述光纤环形器2的端口结构如图3所示，包括激光输入端口、双工端口和信号光输出端口，具有很好的隔离性，使输入的光信号与反射回的信号光不发生串扰，并且将反射光接收输出。

所述传输光纤3用于对光进行传输，可以灵活改变待测物体与测量装置的距离。

所述F-P标准具5为一个块状晶体，结构如图2所示，为YAG材料，线性调频光从前反射面射入，经前反射面和后反射面反射后射出；F-P标准具5发出的反射光光强与接收的入射光光强的比值为：

其中，I_r为反射光光强；I_i为入射光光强；R₁和R₂分别为F-P标准具5的前反射面和后反射面的反射率；δ为环程相位延迟，与入射光频率ν的关系为：

其中，n＝1.82，为F-P标准具5的YAG的折射率；L为F-P标准具5的前反射面和后反射面之间的距离；c为光在真空中传播的速度(3×10⁸m/s)；

实际可通过设置F-P标准具5的前反射面和后反射面之间的距离L和折射率n，以调整测温前F-P标准具5的反射光的初始纵模间隔Δν₀，本实施例中设置测温前F-P标准具5的反射光的初始纵模间隔Δv₀为10GHz，反射光的自由光谱图如图5所示。

由于公式(3)中的n和L与温度T相关，对公式(3)两边求导可得：

所以得到纵模间隔Δv和温度T的关系为：

其中，T₀为室温，取T₀＝27℃；β＝7.3×10^-6℃^-1，为F-P标准具5的YAG的热光系数；α＝7.8×10^-6℃^-1，为F-P标准具5的YAG的线性热膨胀系数；α和β均为常数；本实施例中纵模间隔Δν和温度T的关系如图6所示，基本呈线性关系。在高温情况下，纵模间隔Δν和温度T的关系需根据工作环境作进一步标定。

所述F-P标准具5发出的反射光依次经非球面镜4、传输光纤3、光纤环形器2传输至光电探测器6中转换为电信号，再发送至信号处理单元7；信号处理单元7通过示波器采集反射光两相邻最强光强的时间，根据如图4所示的线性调频光的频率随时间变化的关系，获得反射光两相邻最强光强对应的扫频频率值，二者频率差即为纵模间隔Δν；测量获得F-P标准具5在60GHz调频带宽内的反射光的6个纵模间隔Δν，计算得到各纵模间隔Δν对应的温度值，通过计算平均值获得待测物体的温度。

实施例2

本实施例提供了一种高温物体的激光测温装置，结构如图7所示，包括光电锁相环路、三个温度探测单元、光电探测器6、信号处理单元7、第一光开光阵列16和第二光开关阵列17。

所述温度探测单元依次包括光纤环形器2、传输光纤3、非球面镜4和F-P标准具5，F-P标准具5设置于对应待测物体上，温度探测单元的工作原理与实施例1相同。

所述光电锁相环路包括依次首尾连接的宽带可调谐激光器1、微光学透镜8、第一耦合器9-1、MZ干涉仪10、第二耦合器9-2、平衡光电探测器11、鉴相器12、环路滤波器13、升/降开关控制电路14和积分器15，光电锁相环路的工作原理与实施例1相同。

所述光电锁相环路的输出端口通过第一光开光阵列16分别光连接至各温度探测单元中光纤环形器2的激光输入端口，各温度探测单元中光纤环形器2的信号光输出端口经第二光开关阵列17光连接至光电探测器6，进而连接至信号处理单元7。通过控制第一光开关阵列16和第二光开关阵列17选择对对应待测物体测温，实现对多个待测物体的测温。

上述实施例仅作为本发明提出的高温物体测量的一个示例，其内部光路和电路结构并非用于限制本发明，仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种高温物体的激光测温装置，其特征在于，包括光电锁相环路、温度探测单元、光电探测器和信号处理单元；所述温度探测单元包括光纤环形器、传输光纤、非球面镜和设置于待测物体上的F-P标准具；

2.根据权利要求1所述高温物体的激光测温装置，其特征在于，所述光电锁相环路包括依次首尾连接的宽带可调谐激光器、微光学透镜、第一耦合器、MZ干涉仪、第二耦合器、平衡光电探测器、鉴相器、环路滤波器、升/降开关控制电路和积分器；

所述宽带可调谐激光器输出调频光，经微光学透镜耦合至第一耦合器，输出两束光束，其中一束光束作为光电锁相环路的输出，另一束光束输入至MZ干涉仪的输入端口；MZ干涉仪的输出端口经第二耦合器光连接至平衡光电探测器的输入端口，平衡光电探测器的输出端口电连接至鉴相器的输入端口；鉴相器将输入的信号与正弦参考频率信号进行混频，得到频率误差信号，通过鉴相器的输出端口传输至环路滤波器，得到频率控制信号，再依次经过升/降开关控制电路和积分器，输出三角波信号，反馈至宽带可调谐激光器。

3.根据权利要求1所述高温物体的激光测温装置，其特征在于，所述F-P标准具的晶体材料为三氧化二铝或YAG。

4.根据权利要求1所述高温物体的激光测温装置，其特征在于，所述F-P标准具的反射光光强I_r与入射光光强I_i的比值为：

其中，R₁和R₂分别为F-P标准具前后反射面的反射率；δ为环程相位延迟，与入射光频率ν的关系为：

其中，n为F-P标准具晶体材料的折射率；L为F-P标准具前后反射面之间的距离；c为光在真空中传播的速度；

获得反射光的纵模间隔Δν为：

对公式(3)两边温度求导可得：

进而得到纵模间隔Δν和温度T的关系为：

其中，T₀为室温；β为F-P标准具晶体材料的热光系数；α为F-P标准具晶体材料的线性热膨胀系数；α和β均为常数；Δν₀为反射光的初始纵模间隔；

所述信号处理单元通过采集反射光两相邻最强光强的时间，根据线性调频光的频率与时间的关系，获得反射光两相邻最强光强对应的扫频频率值，二者频率差即为纵模间隔Δν，从而计算得到被测物体的温度T。

5.根据权利要求4所述高温物体的激光测温装置，其特征在于，设置初始纵模间隔Δν₀不低于5GHz。

6.根据权利要求4所述高温物体的激光测温装置，其特征在于，所述宽带可调谐激光器的调频带宽大于初始纵模间隔Δν₀的两倍，此时一个调频带宽内获得多个反射光的纵模间隔Δν，通过计算平均值获得待测物体的温度T。

7.根据权利要求1所述高温物体的激光测温装置，其特征在于，所述激光测温装置测试的温度高于1200℃。

8.根据权利要求1所述高温物体的激光测温装置，其特征在于，包括多个温度探测单元，还包括第一光开关阵列和第二光开关阵列，实现对多个待测物体的测温；所述光电锁相环路的输出端口通过第一光开关阵列分别光连接至各温度探测单元中光纤环形器的激光输入端口，各光纤环形器的信号光输出端口经第二光开关阵列光连接至光电探测器，各F-P标准具设置于对应待测物体上。