一种基于布拉格光栅光纤的笔式自由场光感温度传感器

摘要

本发明涉及一种基于布拉格光栅光纤的笔式自由场光感温度传感器，属于信号检测技术领域。传感器由光路保护壳体、全反射棱镜、平面凸透镜、布拉格光栅光纤和对外光纤接口构成，全反射棱镜通过光路接收窗口接收到爆炸场内的爆炸光束，并反射到平面凸透镜，平面凸透镜将光束聚焦到布拉格光栅光纤，布拉格光栅光纤采集所需波长的光信号，最后通过传感器腔内布拉格短光纤将光信号经对外光纤接口送到传感器外部信号采集设备。本发明结构简单，体积小，通过多个分布于云雾爆炸场内的传感器，能够得到场内中心温度以及其温度梯度分布的情况，适用于强冲击、强震动的恶劣环境。

权利要求

1.一种基于布拉格光栅光纤的笔式自由场光感温度传感器，其特征在于：由光路保护壳体、全反射棱镜、平面凸透镜、布拉格光栅光纤和对外光纤接口构成；

光路保护壳体为不锈钢材质的中空结构的导流罩，头部为锥形结构，主体部分为最大直径小于2.5厘米的柱形结构，主体部分外端面中对应的两侧外端面为圆弧形，连接两侧圆弧形外端面的两段外端面为平面，在其中一段平面外端面上开有光路接收窗口；

全反射棱镜、平面凸透镜、布拉格光栅光纤和对外光纤接口均镶嵌于光路保护壳体的主体部分，其中全反射棱镜镶嵌于壳体主体部分上与光路接收窗口对应的位置，对外光纤接口镶嵌于壳体主体部分的尾部；

全反射棱镜通过光路接收窗口接收到爆炸场内的爆炸光束，并反射到平面凸透镜，平面凸透镜将光束聚焦到布拉格光栅光纤，布拉格光栅光纤采集所需波长的光信号并将光信号经对外光纤接口送到传感器外部信号采集设备。

说明书

一种基于布拉格光栅光纤的笔式自由场光感温度传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于布拉格光栅光纤的笔式自由场光感温度传感器，属于信号检测技术领域。

背景技术

[0002] 随着现代工业的发展，工业爆炸事故时有发生。1989年M&MPC(Marsh&Mclennan Protection Conclusion)对150起工业灾害事故的统计分析结果表明，工业爆炸灾害约占总工业灾害的60％，是最主要的工业灾害之一。在各类工业爆炸事故中，有相当一部分是由于悬浮于空气中的可燃性物质的爆炸引起的。如采煤过程中，瓦斯、煤尘和空气混合并达到一定浓度后，遇火花等意外能量即可发生爆炸事故；石油和化工生产中，泄漏出的可燃气体或小液滴散布在空气中达到一定浓度时，在适当的能量作用下(电火花、明火)也可发生燃烧或爆炸。

[0003] 上述爆炸一般为云雾爆轰，云雾爆轰场的温度毁伤是一种非常重要的毁伤形式。然而，由于受到测试手段的限制，现有的爆轰温度场热毁伤的研究，还停留在依靠经验进行的定性分析。近年来，非接触式光学测温理论发展很快，出现了许多新的测温手段，然而这些方法一方面由于其光学系统比较复杂且配合精密，爆轰场内强烈震动会使光学系统发生紊乱，无法进行测试；另一方面，光学器件抗震能力比较差，有些光学器件易碎。因此这些精密仪器只能在远离云雾爆轰场区外对整个云爆区进行探测，测试出的是云雾爆轰区域的平均温度，而无法得到爆轰中心温度及其温度梯度的分布。虽然采用红外探测法能够显示其大体的温度梯度，但是由于云雾爆轰中不透明物质以及烟尘比较多，严重影响其测试精度。

发明内容

[0004] 本发明为了克服现有技术的缺陷，满足云雾爆轰场中心温度以及爆轰场内温度分布的需要，提出了一种基于布拉格光栅光纤的笔式自由场光感温度传感器。

[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的。

[0006] 本发明的一种基于布拉格光栅光纤的笔式自由场光感温度传感器，由光路保护壳体、全反射棱镜、平面凸透镜、布拉格光栅光纤和对外光纤接口构成；

[0007] 光路保护壳体为不锈钢材质的中空结构的导流罩，头部为锥形结构，主体部分为最大直径小于2.5厘米的柱形结构，主体部分外端面的剖面结构类似于操场跑道的形状：其中对应的两侧外端面为圆弧形，连接两侧圆弧形外端面的两段外端面为平面，在其中一段平面外端面上开有光路接收窗口，测试时将不锈钢壳体的导流罩对准爆炸中心，这样设计一方面减小壳体对流场的影响，二是避免爆轰波直接作用在光路的光窗口，又有利于在平面外端面上开窗，安放光学器件；

[0008] 全反射棱镜、平面凸透镜、布拉格光栅光纤和对外光纤接口均镶嵌于光路保护壳体的主体部分，其中全反射棱镜镶嵌于壳体主体部分上与光路接收窗口对应的位置，对外光纤接口镶嵌于壳体主体部分的尾部；

[0009] 全反射棱镜通过光路接收窗口接收到爆炸场内的爆炸光束，并反射到平面凸透镜，平面凸透镜将光束聚焦到布拉格光栅光纤，由于布拉格光栅光纤具有窄带滤波的特性，且可以按需设计其滤波频点，因此将所需频点的布拉格光栅光纤放置在传感器中，采集所需波长的光信号并将光信号经对外光纤接口送到传感器外部信号采集设备。外部信号采集设备采用光电倍增管作为光电信号的转换器件，将传感器采集的光信号转换为电信号后再经过AD转换为数字信号传输到上位机上进行分析处理，完成一次数据采集过程。

[0010] 本发明的一种基于布拉格光栅光纤的笔式自由场光感温度传感器，其原理是：利用布拉格光纤的窄带滤波特性，将小型全反射棱镜、平面凸透镜以及布拉格光纤集成在不锈钢壳体内，壳体侧面开窗，壳体的导流罩对准爆轰中心，并按照一定的规则分布在爆轰场内。当云雾爆轰发生时，传感器周围的物质发生反应并发出强烈的光，传感器通过侧窗以及内部的光路将信号引入后续的信号转换以及采集装置，将其记录下来，以便后来的分析解算，从而完成光温度的测量。

[0011] 有益效果

[0012] 本发明不需要复杂的物镜系统，结构简单，体积小，通过多个分布于云雾爆轰场内的传感器，能够得到场内中心温度以及其温度梯度分布的情况，适用于强冲击、强震动的恶劣环境。

附图说明

[0013] 图1为本发明的侧视图；

[0014] 图2为本发明的光路保护壳体主体部分外端面的正视图；

[0015] 图3为本发明的内部结构原理示意图；

[0016] 图4为本发明的实施例中传感器在现场的布置示意图。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

[0018] 一种基于布拉格光栅光纤的笔式自由场光感温度传感器，其侧视图及其光路保护壳体主体部分外端面的正视图如图1和图2所示，其内部结构如图3所示，由光路保护壳体、光学装置、腔内短光纤和对外光纤接口构成；

[0019] 光路保护壳体为不锈钢材质的中空结构的导流罩，头部为锥形结构，主体部分为最大直径小于2.5厘米的柱形结构，主体部分外端面的剖面结构类似于操场跑道的形状：其中对应的两侧外端面为圆弧形，连接两侧圆弧形外端面的两段外端面为平面，在其中一段平面外端面上开有光路接收窗口，这样设计既可以减小壳体对流场的影响，又有利于在平面外端面上开窗，安放光学器件；

[0020] 光学装置、腔内短光纤和对外光纤接口均镶嵌于光路保护壳体的主体部分，光学装置包括全反射棱镜、平面凸透镜和窄带滤波片，其中全反射棱镜镶嵌于壳体主体部分上与光路接收窗口对应的位置，对外光纤接口镶嵌于壳体主体部分的尾部。

[0021] 实施例

[0022] 一种基于布拉格光栅光纤的笔式自由场光感温度传感器，用于燃料空气炸药静爆试验，燃料空气炸药共5kg，云雾抛洒范围达到4m，具体实验步骤为：

[0023] 步骤一，将传感器外部的长光纤预先埋好，长光纤一端连接在多通道采集仪的采集通道上，另一端与光感温度传感器的对外光纤接口连接；

[0024] 步骤二、在试验现场内布置3组光感传感器，布置方式如图4所示，分别布置在“1#”、“2#”和“3#”的位置；按照比色测温法，每组2个传感器，传感器内滤光片频率分别为600nm和900nm；其中“1#”、“2#”和“3#”的两个传感器离云雾场中心点的距离分别为2m、
3m和4m；

[0025] 步骤三、固定支架，将传感器安装在支架之上，传感器头部对准燃料空气炸药，此时测试系统搭建完成；

[0026] 步骤四、二次起爆后，从采集仪上读出各个通道的电压值，并利用比色测温算法算出该点温度值。测试系统再次进入准备状态，准备下一次测试。

[0027] 以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。