一種基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器的制作方法
1.本發(fā)明涉及光學(xué)溫度傳感器，特別涉及一種基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，用于快速測量高溫環(huán)境下的溫度值，特別適合于快速、精確的測量熔融金屬的溫度。
背景技術(shù)：
2.高溫溫度測量在科學(xué)研究和生產(chǎn)過程中有著廣泛和重要的應(yīng)用。比如在航空發(fā)動機、燃氣輪機等研制生產(chǎn)中，高溫氣流溫度的準(zhǔn)確測量對獲取其性能參數(shù)和保證安全運行具有重要意義。
3.在冶金工業(yè)領(lǐng)域中，對高溫熔融金屬溫度的準(zhǔn)確、快速測量可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本。
4.現(xiàn)有測量高溫的方法主要有：接觸式的熱電偶測溫法和黑體腔式藍寶石光纖測溫法，以及非接觸式的紅外光譜測溫法和熒光測溫法等。
5.非接觸式的測溫方法適合于測量高溫物體表面溫度，而無法測量物體內(nèi)部如鐵水內(nèi)部溫度。
6.接觸式的測溫方法能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器與被測物體的直接接觸，可以測量物體表面及內(nèi)部溫度。
7.在需要接觸測量的鐵水溫度測量中，目前大量使用的是以鉑銠等貴重金屬制造的熱電偶。由于其高溫下抗腐蝕的能力差、壽命短、消耗大，生產(chǎn)企業(yè)在應(yīng)用熱電偶測量高溫需要消耗巨大資金。
8.此外，在許多特殊的高溫爐中，如高頻加熱爐、微波加熱爐等，由于熱電偶抗干擾能力差，無法在這些場合中準(zhǔn)確測量溫度。
9.基于黑體輻射原理的藍寶石光纖黑體腔高溫溫度傳感器具有很多優(yōu)點，如耐高溫能力強、高準(zhǔn)確度、不受電磁干擾影響。但它也具有自己的缺點，如其測量值取決于發(fā)射率和光路因子，需要采取相應(yīng)的校準(zhǔn)手段；另外藍寶石光纖和黑體腔的表面容易受到污染，使用過一段時間后傳感器的精度下降，無法滿足現(xiàn)在對測溫準(zhǔn)確度的要求。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
10.本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，該傳感器不受電磁干擾、可長時間使用、快速準(zhǔn)確的測量高溫物體如高溫氣體、液體包括熔融金屬的內(nèi)部溫度，而且，可靠性高、響應(yīng)速度快、測量精度高、制作成本低廉。
11.為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
12.一種基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其包括：
13.固定座，其中央設(shè)一通孔；
14.一外殼，其兩端開口，其一端固定于所述固定座一側(cè)面通孔處，與通孔貫通；
15.一測溫套管，其一側(cè)通過高溫膠設(shè)置于所述外殼相對于固定座的另一側(cè)內(nèi)，并與固定座通孔同軸布置，另一側(cè)位于所述外殼外；
16.至少一個光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具，為實心棒狀光學(xué)材料構(gòu)成，其兩側(cè)端面拋光而且平行，所述光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具設(shè)置于位于所述外殼外的測溫套管一側(cè)中；
17.一個導(dǎo)光管，其一端與所述測溫套管一端連接固定在一起，并與該測溫套管同軸；
18.一根導(dǎo)光光纖，其一端插入所述導(dǎo)光管內(nèi)，該端端面與導(dǎo)光管內(nèi)的所述光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具一端端面平行且保持一間隙；
19.一根光纖保護管，套設(shè)于套在伸出所述固定座的導(dǎo)光光纖外，光纖保護管一端固定在固定座上通孔內(nèi)。
20.優(yōu)選的，所述導(dǎo)光光纖上刻寫光纖光柵。
21.優(yōu)選的，所述測溫套管至少有一端開口，或是一端開口一端密閉的直管。
22.優(yōu)選的，所述測溫套管為兩端開口的u型管，對應(yīng)的，設(shè)有兩個連接該兩個端口的導(dǎo)光管及分別設(shè)置于導(dǎo)光管內(nèi)并伸入測溫套管內(nèi)的兩根導(dǎo)光光纖，優(yōu)選的，所述兩根導(dǎo)光光纖中的一根導(dǎo)光光纖繞過u型管的彎曲部。
23.優(yōu)選的，所述測溫套管的材質(zhì)為碳化硅、氧化鋁陶瓷、藍寶石、纖維陶瓷、金屬鎢、鉬、鎢合金或鉬合金。
24.優(yōu)選的，所述外殼的材質(zhì)為碳化硅、氧化鋁陶瓷、藍寶石、纖維陶瓷、金屬鎢、鉬、鎢合金或鉬合金。
25.優(yōu)選的，所述的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具是由單一材料制作而成的棒狀導(dǎo)光材料，其端面形狀是圓形、棱形或三角形，兩個端面拋光而且平行。
26.優(yōu)選的，所述的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的材質(zhì)為石英或藍寶石。
27.優(yōu)選的，所述的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具是兩個端面拋光且平行的一段光纖。
28.優(yōu)選的，所述的導(dǎo)光光纖纖芯的材質(zhì)為摻雜石英、純石英或藍寶石。
29.優(yōu)選的，所述的導(dǎo)光光纖是由一種光纖構(gòu)成，或是由兩種材質(zhì)不一樣的光纖連接而成。
30.優(yōu)選的，所述的導(dǎo)光光纖和光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具之間以及光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具和測溫套管端面之間由導(dǎo)光材料填充。
31.由于測溫套管、光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具和外殼均由耐高溫材料制作，而且在靠近外殼端部的部位，外殼與測溫套管之間的空隙以及導(dǎo)光管與外殼之間的空隙用高溫膠填充，所以這種結(jié)構(gòu)的傳感器可以用在快速測量高溫溫度的場合。
32.測量溫度時，把傳感器伸出外殼的測溫套管伸入被測介質(zhì)中，測溫套管內(nèi)的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具作為感溫元件，光波長檢測儀通過導(dǎo)光光纖測量光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的特性來得到介質(zhì)溫度。
33.光波長檢測儀中的光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器或耦合器進入導(dǎo)光光纖，并由導(dǎo)光光纖的端面輸出，垂直于光纖法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的端面入射到光纖法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具中的光被光纖法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的兩個端面多次反射，形成干涉光。干涉光的一部分由光纖法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的端面透射出，一部分返回到導(dǎo)光光纖中，并經(jīng)過導(dǎo)光光進入光波長檢測儀中的光纖環(huán)形器或耦合器，然后進入光波長檢測分析模塊。光波長檢測分析模塊結(jié)合光源發(fā)出光的特征可以測量到干涉光的強度隨波長的分布情況。
34.光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具中干涉光譜為余弦譜線，干涉光譜強度峰值波長與標(biāo)準(zhǔn)具的長度l有如下關(guān)系：
35.l＝λ1λ2/(λ
2-λ1)
36.其中，λ1，λ2分別為干涉光譜相鄰兩個波峰的峰值波長。通過光波長檢測分析模塊在一定波長范圍內(nèi)測量干涉光譜的峰值，可以獲得光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具的長度l。另一方面，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具的長度發(fā)生變化，即通過長度以及長度的變化量即可獲得光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具的溫度信息。所以，可以通過干涉光的特性來得到光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具的長度變化情況，從而測量出光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具所處的環(huán)境溫度。
37.由于采用光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具作為感溫元件，通過測量光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具中干涉光的特性來計算溫度，所以傳感器具有測量精確度高的特點。光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具由耐高溫的光學(xué)材料制作，如采用石英材料則可承受1200攝氏度，如采用藍寶石材料制作則測量1800攝氏度的高溫，所以傳感器具有耐高溫的特點，可以測量很高的溫度。光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具由兩個端面拋光且平行的導(dǎo)光材料構(gòu)成，所以傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、成本低廉的特點。光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具體積可以做到很小，因而傳感器具有測溫的響應(yīng)速度快的特點。
38.由耐高溫材料制作的測溫套管一方面可以保護光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具，避免其被待測物質(zhì)腐蝕，提高傳感器的使用壽命；另一方面也可以保障光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具在測量溫度時不受應(yīng)變應(yīng)力的影響，提高測量準(zhǔn)確性。
39.導(dǎo)光管可以保證導(dǎo)光光纖出射光的端面與光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具端面對齊，使更多由導(dǎo)光光纖出射的光進入光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具。
40.外殼由耐高溫材料制作，在靠近外殼端部的部位，外殼與測溫套管之間的空隙以及導(dǎo)光管與外殼之間的空隙用高溫膠填充，這能夠隔離導(dǎo)光光纖與高溫環(huán)境，在快速測溫時外殼內(nèi)溫度低于被測溫度，避免導(dǎo)光光纖受到損傷。固定座使傳感器可以方便的安裝在被測環(huán)境中，或者與其它裝置連接。
41.由于作為感溫元件的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具和導(dǎo)光光纖之間的光傳輸在空間進行，傳輸介質(zhì)為氣體，導(dǎo)光光纖可以距離光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具較長的距離，所以在測量溫度時，導(dǎo)光光纖所處位置的溫度要低于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具所處位置的溫度。導(dǎo)光光纖可以采用耐溫范圍可以稍低于法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具耐溫范圍的材料來制作，這樣可以降低傳感器的制作成本。比如光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的材料可以選用高溫下性能可靠的藍寶石制作，而制作導(dǎo)光光纖的材料可以選用石英。
42.優(yōu)選的，所述光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具可以是端面形狀為圓柱形、矩形、棱形或者三角形的棒狀導(dǎo)光材料構(gòu)成，導(dǎo)光材料可以是石英、藍寶石。
43.優(yōu)選的，所述光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具也可以是兩端拋光的一端光纖構(gòu)成，光纖纖芯的材質(zhì)可以是摻雜石英、純石英和藍寶石。
44.優(yōu)選的，導(dǎo)光光纖可以是摻雜石英光纖、純石英光纖和藍寶石光纖，也可以是由由兩根材質(zhì)不一樣的光纖連接而成。
45.優(yōu)選的，所述光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具與導(dǎo)光光纖之間的物質(zhì)可以是氣體，也可以是與光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具和導(dǎo)光光纖材質(zhì)都不一樣的導(dǎo)光材料。光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具與測溫套管端面之間的物質(zhì)可以是氣體，也可以是與光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具材質(zhì)不一樣的導(dǎo)光材料。
46.優(yōu)選的，所述的測溫套管設(shè)置多個光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具，可以測量高溫氣體或液體中的溫度分布情況。
47.進一步的，可以用一根刻寫有光纖光柵的光纖作為的導(dǎo)光光纖，光纖光柵置于測
溫套管內(nèi)，可以與光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具一起測量溫度，增加測量的準(zhǔn)確性。
48.進一步，所述固定座上連接一根操作桿，便于在較遠的距離操作傳感器。
49.本發(fā)明所述的高溫溫度傳感器與現(xiàn)有技術(shù)中的高溫溫度傳感器相比有如下優(yōu)點：
50.1.采用光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具作為感溫元件，光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具由耐高溫的光學(xué)材料如石英或藍寶石制作，傳感器耐高溫，可用在高溫測量場合；通過測量法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具中干涉光的特性來計算溫度，因而傳感器具有較高的測量精度；光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具體積可以做到很小，因而測溫的響應(yīng)速度快；光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具由兩個端面拋光且平行的導(dǎo)光材料構(gòu)成，制作工藝簡單，成本低廉。
51.2.光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具和導(dǎo)光光纖均為光學(xué)材料制作，不易老化；另外，光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具封裝在測溫套管中，測溫套管與導(dǎo)光管固定并緊密連接，外殼與測溫套管之間的間隙用高溫膠密封，形成一個密閉的空腔，可以有效保護光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)光光纖，所以傳感器的可靠性高，使用壽命長。
52.3.在測溫套管不同位置中可以放置兩個長度不一樣的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具，同時測量兩個不同位置的溫度，得到兩個點的溫度梯度；在測溫套管中不同位置也可以放置多個長度不一樣的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具，同時測量多個不同位置點的溫度，得到這些點之間的溫度分布情況。
53.4.當(dāng)靠近光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的一段導(dǎo)光光纖的耐溫性能和光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的耐溫性能相同時，導(dǎo)光光纖可以伸進測溫套管并與光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具保持一定的間距，把導(dǎo)光光纖靠近光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的一側(cè)和光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具靠近導(dǎo)光光纖的一側(cè)固定在測溫套管上，此時，導(dǎo)光光纖靠近光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具一側(cè)的端面與光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具靠近導(dǎo)光光纖一側(cè)的端面以及測溫套管構(gòu)成了另外一個光學(xué)法珀腔，這個光學(xué)法珀腔的長度隨溫度變化，所以也可以用來測量溫度。這樣，傳感器中就存在光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具、和導(dǎo)光光纖靠近光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具一側(cè)的端面與光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具靠近導(dǎo)光光纖一側(cè)的端面以及測溫套管構(gòu)成的光學(xué)法珀腔，這兩個器件可以同時測量溫度，使傳感器測量準(zhǔn)確性更高。
54.5.本發(fā)明可以用有光纖光柵的光纖作為導(dǎo)光光纖，把含有光纖光柵的那一部分光纖置于測溫套管內(nèi)，用光纖光柵和光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具同時測溫，使傳感器測量準(zhǔn)確性更高。
附圖說明
55.圖1是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
56.圖2是本發(fā)明實施例1中光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
57.圖3是本發(fā)明實施例1中光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具另一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
58.圖4是本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；
59.圖5是本發(fā)明實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；
60.圖6是本發(fā)明實施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；
61.圖7是本發(fā)明實施例5的結(jié)構(gòu)示意圖；
62.圖8是本發(fā)明實施例6的結(jié)構(gòu)示意圖；
63.圖9是本發(fā)明實施例7的結(jié)構(gòu)示意圖；
64.圖10是本發(fā)明實施例8的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
65.下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步說明。
66.參見圖1，本發(fā)明所述的基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其包括：
67.固定座1，其中央設(shè)一通孔11；
68.一外殼2，其為兩端開口的管體，其一端固定于所述固定座1一側(cè)面通孔11處，與通孔11貫通；
69.一測溫套管3，其一側(cè)通過高溫膠4設(shè)置于所述外殼2相對于固定座1的另一側(cè)內(nèi)，并與固定座1通孔11同軸布置，另一側(cè)位于所述外殼2外；
70.至少一個光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5，為實心棒狀光學(xué)材料構(gòu)成，其兩端端面拋光而且平行，所述光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5設(shè)置于位于所述外殼2外的測溫套管3一側(cè)中；
71.一個導(dǎo)光管6，其一端與所述測溫套管3一端連接固定在一起，并與該測溫套管3同軸；
72.一根導(dǎo)光光纖7，其一端插入所述導(dǎo)光管6內(nèi)，該端端面與導(dǎo)光管6內(nèi)的所述光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5一端端面平行且保持一間隙；
73.一根光纖保護管8，套設(shè)于套在伸出所述固定座1的導(dǎo)光光纖7外，光纖保護管8一端固定在固定座1上通孔11內(nèi)；
74.所述導(dǎo)光光纖7的另一端接入一個光波長檢測儀(圖中未示)，該光波長檢測儀包括至少一個光源、一個光纖環(huán)形器或耦合器和一個光波長檢測分析模塊。光源與光纖環(huán)形器或耦合器一端連接，光纖環(huán)形器或耦合器另一端與所述導(dǎo)光光纖連接，光纖環(huán)形器或耦合器其它一端與光波長測量分析模塊連接。
75.優(yōu)選的，所述導(dǎo)光光纖7上刻寫光纖光柵。
76.優(yōu)選的，所述測溫套管3至少有一端開口，或是一端開口一端密閉的直管。
77.優(yōu)選的，所述測溫套管3為兩端開口的u型管，對應(yīng)的，設(shè)有兩個連接該兩個端口的導(dǎo)光管及分別設(shè)置于導(dǎo)光管內(nèi)并伸入測溫套管內(nèi)的兩根導(dǎo)光光纖，優(yōu)選的，所述兩根導(dǎo)光光纖中的一根導(dǎo)光光纖繞過u型管的彎曲部。
78.優(yōu)選的，所述測溫套管3的材質(zhì)為碳化硅、氧化鋁陶瓷、藍寶石、纖維陶瓷、金屬鎢、鉬、鎢合金或鉬合金。
79.優(yōu)選的，所述外殼2的材質(zhì)為碳化硅、氧化鋁陶瓷、藍寶石、纖維陶瓷、金屬鎢、鉬、鎢合金或鉬合金。
80.優(yōu)選的，所述的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5是由單一材料制作而成的棒狀導(dǎo)光材料，其端面形狀是圓形、棱形或三角形，兩個端面拋光而且平行。
81.優(yōu)選的，所述的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5的材質(zhì)為石英或藍寶石。
82.優(yōu)選的，所述的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5為兩個端面拋光且平行的一段光纖。
83.優(yōu)選的，所述的導(dǎo)光光纖7纖芯的材質(zhì)為摻雜石英、純石英或藍寶石。
84.優(yōu)選的，所述的導(dǎo)光光纖7是由一種光纖構(gòu)成，或是由兩種材質(zhì)不一樣的光纖連接而成。
85.優(yōu)選的，所述的導(dǎo)光光纖7和光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5之間以及光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5和測溫套管3端面之間由導(dǎo)光材料9填充。
86.參見圖2，在本實施例中，本發(fā)明所述高溫溫度傳感器中的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5由
單一一種導(dǎo)光材料組成圓柱體，其兩個端面51、52拋光、平整光滑且相互平行，端面51、52與圓柱體的軸線垂直；導(dǎo)光材料可以是石英，也可以是藍寶石。
87.垂直于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5的一個端面51入射的光在圓柱體內(nèi)傳輸至另一個端面52，由于圓柱體的折射率與周圍物質(zhì)的折射率不一樣，所以有部分光在端面52被反射回來。在端面52處反射的光經(jīng)過圓柱體到達端面51后，又有部分光在端面51被反射至端面52。這樣，就會有一部分光在圓柱體內(nèi)被兩個端面51、52多次反射，從而形成干涉光。
88.參見圖3，在本實施例中，本發(fā)明所述高溫溫度傳感器中的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5包括：光纖纖芯53及包覆在光纖纖芯53外的光纖包層54，光纖纖芯53的材質(zhì)可以是摻雜石英、純石英或藍寶石。
89.垂直于端面51入射的光在光纖纖芯53內(nèi)傳輸至另一個端面52，由于光纖纖芯53的折射率與周圍物質(zhì)的折射率不一樣，所以有部分光在端面52處被反射回來。在端面52處被反射的光經(jīng)光纖纖芯53到達端面51，同樣的部分光在端面51處被反射至端面52。這樣，就會有一部分光在光纖纖芯53內(nèi)被兩個端面51、52多次反射，從而形成干涉光。光纖體積小，由光纖構(gòu)成的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具做感溫元件，具有響應(yīng)速度快的特點。
90.參見圖4，其所示為本發(fā)明實施例2，在實施例2中，本發(fā)明所述高溫溫度傳感器中的導(dǎo)光光纖7由兩種材質(zhì)不一樣的光纖連接而成，其中第一段光纖71是摻雜石英光纖或純石英光纖，第二段光纖72為耐溫更高的藍寶石光纖；藍寶石光纖的第二段光纖72一部分伸入測溫套管3，靠近光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5。
91.由于導(dǎo)光光纖7的第二段光纖72(藍寶石光纖)一部分伸入測溫套管3，距離光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5更近，將更多的光輸入至光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5，使光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5干涉光的強度更大，更利于測量溫度；與此同時，導(dǎo)光光纖7的第一段光纖71是耐溫低一點的摻雜石英光纖或純石英光纖，減少了藍寶石光纖的用量，降低了成本。
92.另外，導(dǎo)光光纖7的第二段光纖72與光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5之間存在空隙，構(gòu)成的一個法珀腔，用光波長檢測儀測量分析這個法珀腔中形成干涉光的特征，也可以感知環(huán)境溫度。
93.參見圖5，其所示為本發(fā)明實施例3，在實施例3中，本發(fā)明所述高溫溫度傳感器中的導(dǎo)光光纖7和光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5之間以及光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5和測溫套管3端面之間用導(dǎo)光材料9填充。
94.導(dǎo)光材料9材質(zhì)與光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5的材質(zhì)不同，導(dǎo)光材料9緊貼導(dǎo)光光纖7和光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5，使光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5兩端沒有空氣，可以避免光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5在高溫下端面被氧化，從而提高了傳感器的使用壽命。
95.參見圖6，其所示為本發(fā)明實施例4，在實施例4中，本發(fā)明所述高溫溫度傳感器中固定座1的一側(cè)設(shè)一根操作桿10。操作者可以用手握住操作桿10，將測溫套管3伸入被測環(huán)境中進行溫度測量。因為操作桿的長度可以很長，操作者可以離開被測高溫環(huán)境一段距離，使高溫溫度傳感器的使用更安全。
96.參見圖7，其所示為本發(fā)明實施例5，在實施例5中，本發(fā)明所述高溫溫度傳感器中所述測溫套管3一側(cè)中中設(shè)有兩個光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5、5’，該兩個光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5、5’間隔、同軸設(shè)置，且，兩個光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5、5’長度不同。
97.光波長檢測儀中的光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器或耦合器進入導(dǎo)光光纖，再由導(dǎo)
光光纖進入光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5，由于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5的端面反射率小于100％，有部分光沒有在光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5中產(chǎn)生干涉，并透過光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5，垂直入射到光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’中。同樣的，部分入射光被法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’的兩個端面反射，在光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’中產(chǎn)生干涉，形成的干涉光譜為余弦譜線，余弦譜線的頻率與光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’長度及入射光波長對應(yīng)。分析該干涉光譜的特性可以得到法珀腔的長度，從而計算出溫度值。
98.因為光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5的長度與光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’的長度不同，所以在兩個法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具中干涉光光譜的周期也不同，出對應(yīng)光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5中的干涉光頻率信號和對應(yīng)光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’中的干涉光頻率信號，測量頻率值與頻率的變化，可以得到光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5和光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’的長度與長度變化，進而得到光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5和光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’所處環(huán)境的溫度，以及光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5和光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’之間的溫度梯度。
99.參見圖8，其所示為本發(fā)明實施例6，在實施例6中，本發(fā)明所述高溫溫度傳感器中所述測溫套管3一側(cè)中中設(shè)有四個光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5、5’、5”、5"'，該四個光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5、5’、5”、5"'間隔、同軸設(shè)置，且，四個光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5、5’、5”、5"'長度不同。
100.光波長檢測儀中的光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器或耦合器進入導(dǎo)光光纖7，再由導(dǎo)光光纖7進入光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5，由于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5的端面反射率小于100％，有部分光沒有在光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5中產(chǎn)生干涉，并透過光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5，垂直入射到光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’中。部分入射光被光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’的兩個端面反射，在光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’中產(chǎn)生干涉，形成的干涉光。同樣的，由于每個法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的端面反射率小于100％，總有部分光沒有在經(jīng)過的法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具中產(chǎn)生干涉，并透過該法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具，入射到后面的法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具中。而垂直入射到各個法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具中的光有一部分會被法珀腔的端面反射，在腔內(nèi)形成干涉。透過光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’并沒有在光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5’中產(chǎn)生干涉的部分光垂直入射到光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5”中，被光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5”的兩個端面反射的光在法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5”中產(chǎn)生干涉，形成干涉光。透過光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5”并沒有在光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5”中產(chǎn)生干涉的部分光垂直入射到光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5"'中，被光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5"'的兩個端面反射的光在法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5"'中產(chǎn)生干涉，形成干涉光。
101.所有法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具中產(chǎn)生的干涉光譜均為余弦譜線，余弦譜線的頻率與法珀腔長度及入射光波長對應(yīng)。所有法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具中產(chǎn)生的干涉光會有一部分向向傳輸，導(dǎo)光光纖和光纖環(huán)形器或耦合器進入光波長測量分析模塊。通過測量分析進入光波長測量分析模塊的光的頻率信息可以把各個法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具區(qū)分開來，通過測量各個對應(yīng)頻率的大小及其變化，可以得到每個法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的長度和長度變化，進而得到各個法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具所處位置的溫度和溫度變化情況。結(jié)合測溫套管中各個法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具所處位置的溫度，就得到了沿測溫套管的溫度分布情況，從而也測量出了被測物體內(nèi)部的溫度分布。
102.參見圖9，其所示為本發(fā)明實施例7，在實施例7中，本發(fā)明所述高溫溫度傳感器中所述測溫套管3為u型，對應(yīng)的，設(shè)有兩個與u型的測溫套管3的兩端口連接的導(dǎo)光管6、6’及兩根導(dǎo)光光纖7、7’。
103.所述光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5由藍寶石材料制作，固定在u型的測溫套管3中；
104.兩根導(dǎo)光光纖7、7’分別由兩段材質(zhì)不同的光纖連接而成；其中，
105.導(dǎo)光光纖7的第一段光纖71為摻雜石英光纖或純石英光纖，第二段光纖72為耐溫更高的藍寶石光纖；第二段光纖72的一部分伸入u型的測溫套管3中，靠近光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5。
106.導(dǎo)光光纖7’的藍寶石光纖的第二段光纖72’的一部分伸入u型的測溫套管3中并繞到u型彎折處至靠近光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5的位置。
107.光波長檢測儀中的光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器或耦合器進入導(dǎo)光光纖7，再經(jīng)由導(dǎo)光光纖7出射到光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具5中。在光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具5內(nèi)形成干涉，一部分干涉光后向透出光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具5回到導(dǎo)光光纖7，再經(jīng)過導(dǎo)光光纖7進入光波長檢測儀中的光纖環(huán)形器或耦合器，然后進入光波長測量分析模塊；光波長測量分析模塊測量干涉光的強度與波長特征并做分析處理，進而得到光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具5所處環(huán)境的溫度。同時，在光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具5內(nèi)形成的另一部分干涉光前向透出光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具5進入到導(dǎo)光光纖7’，再經(jīng)過導(dǎo)光光纖7’進入光波長檢測儀中的光波長測量分析模塊；光波長測量分析模塊測量這部分前向透射的干涉光的強度與波長特征并做分析處理，也進而得到光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具5所處環(huán)境的溫度。這種傳感器的封裝方式增加了測量溫度的方式，使傳感器的使用更靈活。
108.參見圖10，其所示為本發(fā)明實施例8，在實施例8中，本發(fā)明所述高溫溫度傳感器中所述測溫套管3為u型，對應(yīng)的，設(shè)有兩個與u型的測溫套管3的兩端口連接的導(dǎo)光管6、6’及兩根導(dǎo)光光纖7、7’。
109.所述光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5由藍寶石材料制作，固定在u型的測溫套管3中；
110.兩根導(dǎo)光光纖7、7’分別由兩段材質(zhì)不同的光纖連接而成；其中，
111.導(dǎo)光光纖7的第一段光纖71為摻雜石英光纖或純石英光纖，第二段光纖72為耐溫更高的藍寶石光纖；第二段光纖72的一部分伸入u型的測溫套管3中，靠近光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具5。
112.導(dǎo)光光纖7’的藍寶石光纖的第二段光纖72’的一部分伸入u型的測溫套管3中，且該第二段光纖72’上含有一個光纖光柵721’。
113.光波長檢測儀中的光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器或耦合器進入導(dǎo)光光纖7’，處于光纖光柵721’反射譜內(nèi)的光被發(fā)射。被光纖光柵721’反射的光經(jīng)導(dǎo)光光纖7’進入光波長檢測儀中的光纖環(huán)形器或耦合器，然后進入光波長測量分析模塊。光波長檢測儀中的光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器或耦合器也可以傳輸進入導(dǎo)光光纖7，然后入射到光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具5，在光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具5內(nèi)形成干涉，一部分干涉光后向透出光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具5回到導(dǎo)光光纖7，再進入光波長檢測儀中的光纖環(huán)形器或耦合器，然后進入光波長測量分析模塊。光波長測量分析模塊測量光纖光柵721’反射光和光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具5干涉光的強度與波長特征并做分析處理，可以得到光纖光柵721’和光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具5所處環(huán)境的溫度。這樣，傳感器中有兩種感溫元件光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具和光纖光柵，測量結(jié)構(gòu)更為準(zhǔn)確。
114.總之，本發(fā)明基于光學(xué)法珀標(biāo)準(zhǔn)具實現(xiàn)了以低廉的成本制作可靠性高、響應(yīng)速度快、測量精度高的高溫溫度傳感器，可以不受電磁干擾、可長時間使用、快速準(zhǔn)確的測量高溫物體如高溫氣體、液體包括熔融金屬的內(nèi)部溫度。
技術(shù)特征：
1.一種基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其特征在于，包括：固定座，其中央設(shè)一通孔；一外殼，其兩端開口，其一端固定于所述固定座一側(cè)面通孔處，與通孔貫通；一測溫套管，其一側(cè)通過高溫膠設(shè)置于所述外殼相對于固定座的另一側(cè)內(nèi)，并與固定座通孔同軸布置，另一側(cè)位于所述外殼外；至少一個光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具，為實心棒狀光學(xué)材料構(gòu)成，其兩側(cè)端面拋光而且平行，所述光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具設(shè)置于位于所述外殼外的測溫套管一側(cè)中；一個導(dǎo)光管，其一端與所述測溫套管一端連接固定在一起，并與該測溫套管同軸；一根導(dǎo)光光纖，其一端插入所述導(dǎo)光管內(nèi)，該端端面與導(dǎo)光管內(nèi)的所述光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具一端端面平行且保持一間隙；一根光纖保護管，套設(shè)于套在伸出所述固定座的導(dǎo)光光纖外，光纖保護管一端固定在固定座上通孔內(nèi)。2.如權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其特征在于，所述測溫套管至少有一端開口，或是一端開口一端密閉的直管。3.如權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其特征在于，所述測溫套管為兩端開口的u型管，對應(yīng)的，設(shè)有兩個連接該兩個端口的導(dǎo)光管及分別設(shè)置于導(dǎo)光管內(nèi)并伸入測溫套管內(nèi)的兩根導(dǎo)光光纖，優(yōu)選的，所述兩根導(dǎo)光光纖中的一根導(dǎo)光光纖繞過u型管的彎曲部。4.如權(quán)利要求1或3所述的基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)光光纖是由一種光纖構(gòu)成，或是由兩種材質(zhì)不同的光纖連接而成。5.如權(quán)利要求1或3或4所述的基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)光光纖上刻寫光纖光柵。6.如權(quán)利要求1或2或3所述的基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其特征在于，所述測溫套管的材質(zhì)為碳化硅、氧化鋁陶瓷、藍寶石、纖維陶瓷、金屬鎢、鉬、鎢合金或鉬合金。7.如權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其特征在于，所述外殼的材質(zhì)為碳化硅、氧化鋁陶瓷、藍寶石、纖維陶瓷、金屬鎢、鉬、鎢合金或鉬合金。8.如權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其特征在于，所述光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具是由單一材料制作而成的棒狀導(dǎo)光材料，其兩個端面形狀是圓形、棱形或三角形，該兩個端面拋光而且平行。9.如權(quán)利要求1或8所述的基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其特征在于，所述的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具是兩個端面拋光且平行的一段光纖。10.如權(quán)利要求1或8或9所述的基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其特征在于，所述光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的材質(zhì)為石英或藍寶石。11.如權(quán)利要求1或8或9或10所述的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其特征在于，所述的基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具包括光纖纖芯及包覆在光纖纖芯外的光纖包層；所述光纖纖芯的材質(zhì)為摻雜石英、純石英或藍寶石。12.如權(quán)利要求1或2或3所述的基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)光光纖和光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具之間及光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具和測溫套管端面之間由導(dǎo)
光材料填充。
技術(shù)總結(jié)
一種基于光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具的高溫溫度傳感器，包括：固定座，中央設(shè)一通孔；一外殼，其兩端開口，其一端固定于固定座一側(cè)面通孔處，與通孔貫通；一測溫套管，其一側(cè)通過高溫膠設(shè)于外殼相對于固定座的另一側(cè)內(nèi)，并與固定座通孔同軸布置，另一側(cè)位于外殼外；至少一個光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具，其兩側(cè)端面拋光而且平行，光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具設(shè)于位于外殼外的測溫套管一側(cè)中；一導(dǎo)光管，其一端與測溫套管一端連接固定，并與測溫套管同軸；一導(dǎo)光光纖，其一端插入導(dǎo)光管內(nèi)，導(dǎo)光光纖端面與導(dǎo)光管內(nèi)的光學(xué)法珀腔標(biāo)準(zhǔn)具端面平行。本發(fā)明所述高溫溫度傳感器實現(xiàn)不受電磁干擾、可長時間使用、快速準(zhǔn)確的測量高溫物體如高溫氣體、液體包括熔融金屬的內(nèi)部溫度。溫度。溫度。
