光電式溫度傳感裝置的製作方法
2023-05-07 10:38:31
專利名稱：光電式溫度傳感裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光電技術領域，特別涉及光纖傳感遠距離溫度監控技術和機械式光衰減器領域。
背景技術：
利用光纖傳感技術進行溫度測量與監控，在工業生產和日常生活中具有及其重要的意義。目前主要採用接觸式電傳感器技術進行溫度監控，但這些技術很難在超高壓輸電設備、易燃易爆場合等領域應用。在超高壓場合，存在電磁幹擾，且若絕緣沒有做好，將會造成嚴重的人員傷亡事故。在易燃易爆場合，電傳感溫度監控方式很容易引起電火花而導致火災或爆炸。
超高壓輸電設備，例如高壓電開關、變壓器、電動機、發電機等，如果由於一些原因導致產生大量的熱能，如果不能及時處理，高壓電開關和變壓器等很可能被燒毀甚至爆炸，造成大規模停電事故和經濟損失。因此，對於高壓電開關、變壓器等設備，必須進行溫度監控。
由於超高壓輸電環境中存在強電場和強磁場，若採用一般的接觸式電傳感測溫系統，必須進行很好絕緣處理和良好的電磁屏蔽，同時需要高靈敏度高精度地探測溫度，這在實際應用中存在困難。若採用非接觸式的紅外輻射(熱輻射)測溫法，其測量結果受環境溫度影響很大。
申請號為02112071.4的中國專利「光傳感溫度監控裝置」，由於採取了光纖傳感方法，很好的解決了高電壓環境中電磁幹擾和電絕緣問題，但是由於需要一系列探測器，且測溫精度和範圍與探測器數目有關，因此傳感頭成本很高。
申請號為02112192.3的中國專利「光電式溫度監控裝置」，由於採取了光纖傳感方法，很好的解決了高電壓環境中電磁幹擾和電絕緣問題，但也存在問題。由於雙金屬片抗彎曲能力很差，傳感頭可靠性不好，因此直射方案不可靠；反射式方案中由於採用了反射鏡，使得光纖傳感頭複雜化，使得成本上升，同時，溫度與反射境偏轉角度之間的關係比較複雜，一旦其發射器端面與鏡面距離發生變化，溫度與反射境偏轉角度之間的關係會有差異，因此在生產中難以保證其產品一致性。
發明內容
本發明將主要針對現有溫度監控技術的在高電壓或易燃易爆環境中應用存在的問題，提供一種高精度高可靠性低成本遠距離光纖傳感溫度監控裝置，它可以在強電場和強磁場及易燃易爆易腐蝕環境下工作，不受環境影響，能夠達到較高的測量精度和監控可靠性，同時其傳感頭的成本可以控制在較低水平。與此同時，通過控制傳感頭溫度，該傳感裝置用來製作機械式可調光衰減器。
本發明的目的是這樣實現的請見圖1(a)，C為導熱性能很好的基底，A、B為熱膨脹係數不同的等高柱體，在加熱或降溫時，等高柱體A、B的頂端的高度將產生不一致的位移量，這種變化是很微小的。將光波導置於或接觸等高柱體A、B的頂端，在某一參考溫度下，波導間剛好獲得最佳耦合，此時耦合損耗最小。當溫度變化時，A、B頂端位移將不一致，從光波導的耦合狀況將發生改變；根據耦合狀態的變化，可以精確的得出相對溫度變化量和絕對溫度值。為了進一步全面敘述本發明方案，請見圖1(b)，G為導熱性能很好的基底，E、F為柱體，E、F、G三者的熱膨脹係數可以相同，可以不同。假如在某一參考溫度時，E、F頂端等高，當溫度高於相對參考溫度ΔT時，E、F頂端位置相對高度變化量可以用公式表示如下Δh＝ΔhE-ΔhF＝ΔlG+ΔlE-ΔlF＝lGαGΔT+lEαEΔT-lFαFΔT＝ΔT(lGαG+lEαE-lFαF)其中lG、lE、lF分別為G臺階、E、F的高度，αG、αE、αF分別為G、E、F的熱膨脹係數。這裡可以分幾種情況1.若αG相對與αE、αF而言很小，此時αG可以忽略不計。可以選擇合適的αE、αF與lE、lF參數，使得E、F頂端高度差變化精度滿足溫度監控精度和監控範圍的要求。E、F可以為同種材料，此時αE＝αF，只需要調整lE、lF的差值即可。如果lE＝lF，lG＝0，此即為圖1(a)圖所示方案，只需要調整αE、αF的差值即可。
2.若αG比較大(很多導熱性好的材料，其熱膨脹係數比較大)，則基底G的對應E的臺階部分高度隨溫度變化量不能忽略。此時需要綜合考慮參數lG、lE、lF、αG、αE、αF的選擇。在確定E、F頂端高度差相對溫度變化的精度的前提下，可以通過選擇αG、αE、αF，再調整lG、lE、lF；也可以通過選擇lG、lE、lF，再調整αG、αE、αF參數(即選擇相應材料)；或同時調整以上參數。
光波導耦合對準損耗主要有軸向間距損耗、角向失準損耗、徑向偏移損耗。光波導之間的耦合，對角向失準和徑向偏移相當敏感。可以利用上述E、F柱體頂端高度差隨溫度變化而微小變化的機制，從角向或徑向改變光波導耦合狀態，根據耦合狀態的變化量(進行光電信號處理)，可以進行溫度測量與監控。
反過來，該溫度傳感裝置用作機械式可調光衰減器。通過同時控制兩柱體的溫度，從而控制兩柱體頂端高度差，也就控制了相互耦合的兩波導的角向位錯或徑向位移，從而很好的控制該光路光功率的衰減量，是一種高可靠性的高精度的可調光衰減器。
整個傳感裝置的具體結構方式有以下幾種結構方式之一是，將光束髮射器(可以是光纖，可以是光纖準直器，甚至可以是雷射光源)固定在其中一個柱體上，光束接收器(可以是光纖，可以是準直器，甚至光探測器)固定在另一個柱體上。當溫度變化時，光束髮射器與光束接收器之間的耦合狀態會發生有規律的改變。根據耦合狀態的變化量，可以進行溫度測量與監控。
結構方式之二是，將光束髮射器(必須是光纖)與光束接收器(必須是光纖)以懸臂梁的形式固定在兩個相同性質柱體上，另一柱體在前述兩柱體之間，並頂住光束髮射器與光束接收器。當溫度變化時，光束髮射器與光束接收器因受到中間柱體的頂力發生角向位移，其耦合狀態會發生有規律的改變。根據耦合狀態的變化量，可以進行溫度測量與監控。
結構方式之三是，將光束髮射器(可以是光纖，可以是光纖準直器，甚至可以是雷射光源)與光束接收器(可以是光纖，可以是準直器，甚至光探測器)固定在兩個相同性質柱體上，有一擋光片或透射式光衰減片固定在另一柱體上並插入光路。當溫度變化時，擋光片或透射式光衰減片插入光路面積發生變化，光束髮射器與光束接收器之間的耦合狀態會發生有規律的改變。根據耦合狀態的變化量，可以進行溫度測量與監控。
結構方式之四是，光束髮射器和光束接收器是同一光波導(可以是光纖，可以是光纖準直器)，固定在其中一個柱體上，該光波導一端是Y分支光分路器，另一端與反射鏡配合，反射鏡固定在另一個柱體上。當溫度變化時，光束髮射接收器波導與反射鏡之間的耦合狀態會發生有規律的改變。根據耦合狀態的變化量，可以進行溫度測量與監控。
本發明，光電式溫度傳感裝置，由於採用了上述的技術方案，使之與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果1.本發明利用了材料的熱脹冷縮的物理特性，提出了溫度敏感機械部件，其內部兩柱體頂端位置高度差隨溫度變化而線性變化，變化精度達微米甚至亞微米。
2.本發明將光波導耦合與溫度敏感機械部件相結合，利用溫度敏感機械部件內柱體頂端位置高度差隨溫度線性變化的特性，改變波導間耦合特別是光纖端面間耦合狀態，根據耦合狀態的變化量即耦合損耗的變化量，可以精確的進行溫度測量和監控。
3.本發明將光波導耦合與溫度敏感機械部件相結合，可以完全解決了強電場、強磁場環境中溫度監控裝置的電絕緣和電磁幹擾的問題，以及易燃易爆環境溫度監控時的安全問題。該裝置可用於電力系統的變壓器、發電機、電動機、電力機車等設備的動態測溫，還可用於煤礦、石油、化工等易燃、易爆、易腐蝕和電磁幹擾嚴重的環境測溫。
4.本發明裝置結構新穎簡單，可以精確的進行大範圍溫度測量和監控，而且其溫度傳感頭的成本非常低廉，製作、安裝、維護都非常方便。
5.本發明裝置體積小，適合於安裝在不同場所(不局限與強電磁場和易燃易爆環境)，溫度響應很快，值得注意的是，該裝置應用於分布式光纖溫度傳感領域，其優越性更加明顯。
6.與此同時，該傳感裝置通過控制柱體溫度達到控制光功率衰減量的目的，因此可以用來製作高可靠性高精度機械式可調光衰減器。
通過以下對本發明光電式溫度傳感裝置的若干實施例結合其附圖的描述，可以進一步理解本發明的目的、具體結構特徵和優點。其中，附圖為圖1發明方案熱伸縮柱示意2實施例一結構3實施例二結構4實施例三結構5實施例四結構圖
具體實施例方式
請參見圖2所示，這是本發明光電式溫度傳感裝置第一實施例結構示意圖。如圖2所示，1為輸入光波，7為輸出光波，2為輸入光纖，5為輸出光纖，6為基底，3與4為熱膨脹係數不同的等高柱體，其中3為銅柱，熱膨脹係數為16.6×10-6/℃，4為鋁柱，熱膨脹係數為23×10-6/℃。2固定在3上，5固定在4上，2與5光纖端面間距40微米，3與4固定在6上。一般單模光纖芯徑為5～10微米，光纖輸出場型為高斯分布，光束束腰在光纖端面上，距離光纖端面40～60微米時，其模場半徑會迅速增大，可達30～40微米。設計3與4高度為5000微米，即5毫米。23攝氏度時，3與4頂端等高，此時光纖2與5處於最佳耦合狀態，附加損耗最小。溫度升高時，其耦合變差，附加損耗增大。此時在2與5不會發生角向位移，光纖波導間耦合附加損耗的變化與光纖徑向位錯有確定的關係，通過測量附加損耗的變化，可以獲得光纖徑向位錯的大小，該位錯大小與3和4熱膨脹差異有關，進而知道溫度的變化量。4頂端與3頂端高度差隨溫度變化速度為5000微米×(23×10-6/℃-16.6×10-6/℃)＝32納米/℃可見，4頂端與3頂端高度差隨溫度變化而高精度線性變化。本實施例中，4頂端與3頂端高度差最大可達15微米，則本裝置測溫範圍為15微米÷32納米/℃＝468.75℃因此，本裝置能實現大範圍高精度溫度測量與監控。
實際上，該實施例中2與5還可以為光纖準直器。
請參見圖3所示，這是本發明光電式溫度傳感裝置第二實施例結構示意圖。1為輸入光波，7為輸出光波，2為輸入光纖，5為輸出光纖，8為鋁柱，9為銅柱。2與5固定在9上並伸出一段，有一定撓性。常溫23攝氏度時，2與5處於最佳耦合狀態，此時8剛好同時接觸2與5。由於8的熱膨脹係數比9大，本實施例中8與9等高。當溫度升高時，8的高度增加比9快，因此2與5發生角向失準。此時由於2與5高度變化相同，徑向失準忽略不計。測量附加損耗變化量，根據角向失準與附加損耗的關係，可以知道角向失準大小，進而知道8和9的高度差，從而知道溫度變化量，達到測量溫度的目的。
實際上，該實施例中2與5還可以為光纖準直器。
請參見圖4所示，這是本發明光電式溫度傳感裝置第三實施例結構示意圖。1為輸入光波，7為輸出光波，2為輸入光纖，5為輸出光纖，2與5固定在9上，9為銅柱，高度5毫米。11為鋁柱，12為鋁擋板，11與12總體高度為5毫米，為了獲得較大回波損耗，12的擋光面與光束橫截面成8～45度角。擋光板12擋光部分形狀可以是矩形，也可以是三角形，或圓弧形，或其它多邊形。常溫23攝氏度時，2與5處於最佳耦合狀態，此時12沒有擋光。當溫度升高時，11和12總體高度增加比9快，擋光板漸漸插入2與5之間的光路中，附加損耗增加。與實施例一計算方法相同，擋光板插入速率為32納米/℃。根據損耗的增加量，可以判斷溫度的變化值，因此該裝置可以用來測量溫度值。
實際上，該實施例中2與5還可以選擇光纖準直器，其溫度測量精度將更高。另外，該實施例中12還可以用透光式均勻衰減板，此時附加損耗變化將更緩慢，溫度解析度也很高。
請參見圖5所示，這是本發明光電式溫度傳感裝置第四實施例結構示意圖。1為輸入光波，7為輸出光波，13為輸入光纖，14為輸出光纖，15為探測光纖。13、14、15是熔融光纖拉錐的3dB Y分支分路器三個部分。15固定在柱體鋁塊16上，18為熱膨脹係數幾乎為零的固定在銅塊17上的垂直反射境，16與17固定在基底6上。常溫23攝氏度時，光波1耦合進13，損耗3dB光功率後耦合進15，反射境18靠近15端面，大部分光功率剛好被18反射回15。反射回15的光功率損耗3dB後，耦合進14，變成輸出光波7。當溫度高於常溫時，由於16的熱膨脹係數比17大，且16的長度比17大，因此，光纖15纖芯升高的速度比反射境18快，導致部分光能透過18的頂端，18的反射面積減小，反射回15的光波能量減少。根據附加損耗的變化量，可以知道15與18的高度差，繼而知道溫度變化量。因此，該裝置可以實現溫度的測量。
以上四種傳感結構方式，可以反過來使用，通過控制柱體溫度，可以達到控制光功率衰減量的目的，因此這四種傳感結構方式，都可以用來製作高可靠性高精度機械式可調光衰減器。
綜上所述，本發明光電式溫度傳感裝置是一種高精度、高可靠性、低成本、抗電磁幹擾、抗腐蝕、耐高壓等可遠程監控測溫的新型光纖傳感器，可以單點測溫，也可以用於分布式光纖傳感測溫系統，還可以用來製作高可靠性高精度機械式可調光衰減器。
權利要求
1.一種光電式溫度傳感裝置，包括溫度敏感機械裝置和信號處理裝置，其特徵在於溫度敏感機械裝置中的兩柱體高度差隨溫度變化，從而驅動光路構件進行微小徑向或角向位移，改變光路構件間的耦合狀況。耦合狀況的變化與溫度有關聯，經光電信號處理後，可以進行溫度測量與監控。光路構件可以是光束髮射器和光束接收器，可以是光束髮射器和光束接收器與擋光片或光衰減片或反射境的組合。
2.如權利要求1所述的一種裝置，其特徵在於溫度敏感機械裝置由兩柱體或兩柱體和基底構成，兩柱體可以是同種材料，可以是不同材料，其長度可以相同，也可以不同，溫度變化時，兩柱體上光學構件安裝位置高度差隨溫度變化而幾乎線性變化。
3.如權利要求2所述的一種裝置，其特徵在於光束髮射器可以是光纖，可以是光纖準直器，甚至可以是雷射光源。
4.如權利要求2所述的一種裝置，其特徵在於光束接收器可以是光纖，可以是準直器，甚至可以是光探測器。
5.如權利要求1或2或3或4所述的一種裝置，其特徵在於其擋光片擋光部分形狀可以是矩形，也可以是三角形，或圓弧形，或其它多邊形。
6.如權利要求1或2或3或4所述的一種裝置，其特徵在於其光衰減片在部分擋光時，擋光部分形狀可以是矩形，也可以是三角形，或圓弧形，或其它多邊形。
7.如權利要求1或2或3或4所述的一種裝置，其特徵在於其反射鏡的熱膨脹係數可以忽略不計，也可以比較大使得反射鏡本身具有溫度敏感性。
8.如權利要求1或2或3或4或5或6或7所述的一種裝置，其特徵在於通過該溫度傳感裝置的溫度可以達到精確控制光路光功率衰減量。
全文摘要
本發明屬於光電技術領域，特別涉及光纖傳感遠距離溫度監控技術和機械式光衰減器領域。長度或熱膨脹係數不同的兩柱體頂端位置高度差隨溫度變化而線性變化，其變化精度可達微米甚至亞微米。相互耦合的兩光波導分別置於兩柱體頂端，利用溫度敏感機械部件內柱體頂端位置高度差隨溫度線性變化的特性，改變波導間耦合特別是光纖端面間耦合狀態，根據耦合狀態的變化量即耦合損耗的變化量，可以精確的進行溫度測量和監控。反過來，該傳感裝置通過控制柱體溫度達到控制光功率衰減量的目的，因此可以用來製作高可靠性高精度機械式光衰減器。本發明光電式溫度傳感裝置是一種結構簡單、高精度、高可靠性、低成本、抗電磁幹擾、抗腐蝕、耐高壓等可遠程監控測溫的新型光纖傳感器，可以單點測溫，也可以用於分布式光纖傳感測溫系統，還可以用來製作高可靠性高精度機械式光衰減器。
文檔編號G01J5/54GK1548932SQ0311908
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月19日 優先權日2003年5月19日
發明者張立國 申請人:張立國