一种温度测量设备

1.本发明属于温度检测技术领域，具体涉及一种温度测量设备。


背景技术：

2.温度测量在现代工农业生产、科学研究、国防建设等领域应用广泛，而光纤温度传感器由于不产生火花，在易燃、易爆等危险场所，有很好的安全特性而广受青睐。
3.然而现有的以光纤作为感温元件的光纤温度传感器，因光纤本身较为脆弱，尤其是在较高温度下，丧失涂覆层保护的光纤与空气接触会发生脆化，因此其测温范围受到了很大的限制；
4.现有的以金属作为感温元件的光纤温度传感器，因所搭建光路的特性，及用金属感知温度方式的限制，导致其不能在高灵敏度和占用空间小上同时兼顾。
5.同时，实际应用过程中，单一型号温度传感器无法满足在不同使用场合下，温度测量的精度、范围各不相同的需求。


技术实现要素：

6.本发明实施例的目的是提供一种温度测量设备，能够解决现有的温度检测装置往往采用单一型号温度传感器，测温范围受到很大的限制，灵敏度较低，难以满足不同的应用场景的技术问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
8.本发明实施例提供了一种温度测量设备，包括：采集单元、传导单元、光纤探头和感温探头；
9.采集单元包括控制单元、激光光源和光电解调器，激光光源和光电解调器均与控制单元连接；
10.激光光源通过传导单元与光纤探头连接；
11.光纤探头通过传导单元与光电解调器连接；
12.光纤探头包括准直器和部分反射镜，准直器与部分反射镜连接；
13.感温探头包括感温元件和完全反射镜，完全反射镜与感温元件连接，完全反射镜与部分反射镜相对设置；
14.其中，准直器用于将从激光光源发出的入射光束调整为垂直入射至部分反射镜的准直光束，部分反射镜将入射光束分解为第一光束和第二光束；
15.第一光束返回，第二光束通过部分反射镜入射至完全反射镜，第二光束经完全反射镜反射后返回；
16.在外界温度发生变化时，感温元件产生形变，以带动完全反射镜产生位移以改变部分反射镜和完全反射镜之间的距离，通过第一光束与第二光束可测量部分反射镜和完全反射镜之间的距离，根据部分反射镜和完全反射镜之间的距离计算外界温度值。
17.在本发明实施例中，在外界温度发生变化时，感温元件产生形变，以带动完全反射
镜产生位移以改变部分反射镜和完全反射镜之间的距离，通过第一光束与第二光束可测量部分反射镜和完全反射镜之间的距离，根据部分反射镜和完全反射镜之间的距离计算外界温度值。本发明提供的温度测试设备的测温范围广，灵敏度高，可以满足不同的应用场景。同时还具有无火花、高精度、探头占用空间小、成本低、高适配等特点，满足了日常生活及工业生产中对温度测量的大多数要求。
附图说明
18.图1是本发明实施例提供的一种温度测量设备的结构示意图；
19.图2是本发明实施例提供的另一种温度测量设备的结构示意图。
20.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例、参照附图做进一步说明。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
23.应当理解，在本公开中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
24.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本发明实施例提供的温度测量设备进行详细地说明。
25.参照图1，示出了本发明实施例提供的一种温度测量设备的结构示意图。
26.参照图2，示出了本发明实施例提供的另一种温度测量设备的结构示意图。
27.本发明实施例提供的一种温度测量设备，包括：采集单元10、传导单元20、光纤探头30和感温探头40。
28.采集单元10包括控制单元101、激光光源102和光电解调器103，激光光源102和光电解调器103均与控制单元101连接。
29.其中，激光光源102发出的激光光束的频率可调谐。
30.其中，控制单元101可以控制激光光源102发出激光光束的频率，同时控制单元101还可以控制光电解调器103对干涉光进行信息提取。
31.激光光源102通过传导单元20与光纤探头30连接。
32.光纤探头30通过传导单元20与光电解调器103连接。
33.光纤探头30包括准直器301和部分反射镜302，准直器301与部分反射镜302连接。
34.感温探头40包括感温元件401和完全反射镜402，完全反射镜402与感温元件401连
接，完全反射镜402与部分反射镜302相对设置。
35.其中，准直器301用于将从激光光源102发出的入射光束调整为垂直入射至部分反射镜302的准直光束，部分反射镜302将入射光束分解为第一光束和第二光束；第一光束返回，第二光束通过部分反射镜302入射至完全反射镜402，第二光束经完全反射镜402反射后返回。
36.在外界温度不变时，感温元件401保持原样，部分反射镜302和完全反射镜402之间的距离值不变；温度变化时，感温元件将温度的变化体现在其形变上。
37.在外界温度发生变化时，感温元件401产生形变，以带动完全反射镜402产生位移以改变部分反射镜302和完全反射镜402之间的距离，通过第一光束与第二光束可测量部分反射镜302和完全反射镜402之间的距离，根据部分反射镜302和完全反射镜402之间的距离计算外界温度值。
38.在本发明实施例中，在外界温度发生变化时，感温元件401产生形变，以带动完全反射镜402产生位移以改变部分反射镜302和完全反射镜402之间的距离，通过第一光束与第二光束可测量部分反射镜302和完全反射镜402之间的距离，根据部分反射镜302和完全反射镜402之间的距离计算外界温度值。本发明提供的温度测试设备的测温范围广，灵敏度高，可以满足不同的应用场景。同时还具有无火花、高精度、探头占用空间小、成本低、高适配等特点，满足了日常生活及工业生产中对温度测量的大多数要求。
39.在一种可能的实施方式中，传导单元20包括环形器201和单模光纤202；激光光源102的输出端通过单模光纤202与环形器201的第一端连接；光电解调器103的输入端通过单模光纤202与环形器201的第二端连接；环形器201的第三端通过单模光纤202与光纤探头30连接。
40.其中，环形器201一方面可将从激光光源102射出的激光光束传导到光纤探头30，另一方面可将从光纤探头30返回的干涉光传导到光电解调器103。
41.在一种可能的实施方式中，感温探头40与光纤探头30可拆卸连接，在面对不同测温需求的情况下，可更换相应的感温探头40，以满足不同应用场景测温的需要。
42.进一步地，感温探头40与光纤探头30之间可以通过螺纹连接的方式实现可拆卸连接。
43.进一步地，为了方便温度测量并与感温探头400对接，光纤探头30还包括固定端子304和壳体305，壳体305设置有空腔，在感温探头40与光纤探头30连接在一起时，壳体305的一端固定设置有部分反射镜302，完全发射镜402可在空腔内移动，此时部分反射镜302和完全发射镜402之间形成了一个干涉腔，将两面反射镜之间的距离称为腔长。
44.在一种可能的实施方式中，感温探头40还包括金属外壳403；金属外壳403内部设置有容纳空间；感温元件401至少部分设置于容纳空间中；感温元件401的内端固定设置于金属外壳403，感温元件401的外端可活动；完全反射镜402固定设置于感温元件401的外端。
45.其中，工作时，将感温探头40放置在测量环境中，金属外壳403最先与温度场接触，金属外壳403将环境场中的温度传递给感温元件401，并保护感温元件401的形变不受除了温度之外的因素影响。
46.在一种可能的实施方式中，感温元件401由双金属片进行螺旋绕制而成，双金属片包括叠层设置的第一金属片4011和第二金属片4012，第一金属片与第二金属片的热膨胀系
数不同。
47.进一步地，外侧的第一金属片4011为高膨胀系数金属，作为主动层，内侧的第二金属片4012为低膨胀系数金属，作为被动层。温度升高时，感温元件401的外端向前移动；温度下降时，感温元件101的外端向后移动。
48.需要说明的是，发明人在研究温度测量技术的过程中发现：由两种不同膨胀系数的金属叠焊在一起而形成的双金属片，即第一金属片4011和第二金属片4012，将其螺旋绕制而制成的感温元件401，内端固定，外端可活动，在受温度影响时，由于两种金属材料的热膨胀系数不同，第一金属片4011和第二金属片4012互相制约，所以感温元件401在径向的形变与单一金属相比较小，外端的形变与单一金属相比较多。在温度变化时，感温元件外端的形变主要在一个二维平面内，且对同一个感温元件401来说，其在某一温度下的位置形变是唯一的。通过测量其在某一维度的形变量，可以找到形变量和温度之间的对应关系。因此，反过来，通过测量其形变量，即可找到对应的温度值，完成温度测量。
49.进一步地，由同一型号双金属片按不同方式螺旋绕制而成的感温元件，在受温度影响时，形变量各不相同。根据这一特点，可以制备各种样式的感温元件，满足不同的测温需要。
50.同时，双金属片进行螺旋绕制的尺寸参数、绕制方式可以根据不同的工作环境确定。
51.在一种可能的实施方式中，感温元件401受到外界温度变化而产生形变，以带动完全反射镜402产生的位移为：
52.δd＝l
′k′
δt公式1
53.其中，δd为位移量，l'为感温元件有效感温长度，k'为感温元件有效热膨胀系数，δt为温度变化量。
54.在一种可能的实施方式中，部分反射镜302与完全反射镜402的中心线对齐，被部分反射镜302反射回的第一光束与被完全反射镜402反射回的第二光束形成干涉光，光电解调器103可从干涉光中提取干涉光中提取部分反射镜302与完全反射镜402之间的距离信息。
55.需要说明的是，第一光束和第二光束满足频率相同，相位差恒定，振动方向一致的干涉条件，因此，当第一光束与第二光束相遇时，两者会形成干涉光。干涉光中含有两部分光的光程差信息，即两面反射镜之间的距离信息。利用一定的光电转换和解调方法，即可提取出其中的距离信息。
56.进一步地，干涉光光强可表示为：
[0057][0058]
其中，i1和i2分别是第一部分光和第二部分光的光强，l为光程差，v为激光光源输出激光的瞬时频率，c为光速。通过公式可知，当光程差不变，激光光源102输出的激光频率随时间线性变化时，干涉光光强是一个关于激光频率的余弦函数。通过对这个函数分析可以得到光程差：
[0059][0060]
其中，为f干涉光光强信号频率，δv为激光光源频率扫描范围，δt为激光光源频
率扫描时间。其中δv与δt已知。
[0061]
在一种可能的实施方式中，由于d＝l/2，光电解调器103根据公式2计算出部分反射镜302与完全反射镜402之间的距离：
[0062][0063]
其中，d为两面反射镜之间的距离，f为干涉光光强信号频率，δv为激光光源频率扫描范围，δt为激光光源频率扫描时间。
[0064]
在一种可能的实施方式中，控制单元101根据公式3得到温度值：
[0065][0066]
其中，t为当前温度值，t0为温度变化前的温度值，δf为温度变化后和温度变化前干涉光光强信号频率的差值。
[0067]
在一种可能的实施方式中，光纤探头30还包括铜管303；准直器301和部分反射镜302均与铜管303固定连接，以使准直器301与部分反射镜302之间的位置保持不变。
[0068]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。