专利名称：热致色变光纤温度传感器及其传感方法
技术领域：
本发明属于光学传感器领域，具体涉及一种热致色变光纤温度传感器及其传感方法。
背景技术：
电力系统是工农业生产和国民经济发展的保障，为缓解电力紧张的局面，电力系统朝着超高压、大容量的交流输电和高压直流输电方向发展。发电厂、变电站电气设备的各种触点、连接点，由于高电压、大电流的作用，在重负荷下有可能由于接触点的高热而导致设备的烧毁和停电。因而对高压带电传输网中的各种连接点温度的在线监测和控制是保证电网安全运行的重要内容。长期以来，开关柜触头的温度很难实时监测，这是因为开关柜空间有限，但柜内元件较多，且高压带电元件大多裸露，常规的温度测量方法无法使用。普通的温度监测方法主要采用热电偶、热电阻、半导体温度传感器等温度传感元件实现的，这种方法要么传感器本身带有金属，在强磁场环境下，传感器的功能失灵；要么需要金属导线传输信号，在紧凑的开关柜内，要实现系统可靠的绝缘困难很大。

发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种热致色变光纤温度传感器及其传感方法，该传感器及其传感方法使实现温度监控的方法更简单，降低了成本，提高了灵敏度。本发明解决技术问题所采用的技术方案如下热致色变光纤温度传感器，该传感器包括光源、入射光纤、热致色变探头、传热头、出射光纤和光纤光谱仪及计算机，传热头的一端分布热致色变材料；入射光纤和出射光纤安装在热致色变探头的一端，传热头安装在热致色变探头的另一端；带有热致色变材料的传热头一端与入射光线和出射光纤相对，无热致色变材料的传热头一端与被测物体连接；光源与入射光纤连接，光纤光谱仪及计算机与出射光纤连接。热致色变光纤温度传感器的传感方法，该方法包括如下步骤步骤一将传热头固定在一温度可调的受控板上，调节受控板的温度，使得温度低于热致色变材料温度敏感范围，设置光纤光谱仪及计算机的积分时间，开启稳定的白光光源，接收并记录出射光纤发送的光谱信号；步骤二 按照一定的步长间隔升高受控板的温度，接收并记录出射光纤发送的光谱信号，直到受控板温度达到热致色变材料温度敏感范围；步骤三按照步骤二中的间隔降低受控的温度，接收并记录出射光纤发送的光谱信号，直到受控板温度回到步骤一中的初始温度；步骤四通过光纤光谱仪及计算机记录步骤二和步骤三中的温度数据，将光谱信号转换为色度的三刺激值；
步骤五根据温度数据和色度的三刺激值建立回归方程，确定所选择的热致色变材料的热色关系数学表达式，实现热致色变光纤温度传感器的传感方法。发明原理光源通过入射光纤将光源传输到热致色变探头内，光照射到涂有热致色变材料的传热头上，光经过反射入射到出射光纤中，出射光纤连接到光纤光谱仪及计算机。被测物体将温度通过传热头传递到热致色变材料后，当温度达到热致变色材料变色的温度，材料变色，光纤光谱仪及计算机收到的数据改变，通过光谱数据转换成色度的三刺激值坐标，建立温度与色度的三刺激值的关系，从而实现温度监控。本发明的有益效果是本发明可以实现准确的温度监控，该方法使得光纤温度传感器的设备变得简单，成本也得到了降低，而且该方法及装置可以在环境条件恶劣的地区也能正常工作，如电场，强腐蚀性地区。


图1本发明热致色变光纤温度传感器的结构示意图。图2本发明热致色变探头的示意图。图中1、光源，2、入射光纤，3、热致色变探头，4、热致色变材料，5、传热头，6、出射光纤和7、光纤光谱仪及计算机。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。热致色变光纤温度传感器，如图1所示，该传感器包括光源1、入射光纤2、热致色变探头3、传热头5、出射光纤6和光纤光谱仪及计算机7，传热头5的一端分布热致色变材料4 ;入射光纤2和出射光纤6安装在热致色变探头3的一端，传热头5安装在热致色变探头3的另一端；带有热致色变材料4的传热头5 —端与入射光线2和出射光纤6相对,无热致色变材料4的传热头5 —端与被测物体连接；光源I与入射光纤2连接，光纤光谱仪及计算机7与出射光纤6连接。传热头5靠近被测物体，当被测物体的温度达到热致色变材料4的敏感温度范围时，传热头5上具有热致色变材料4的一端的颜色就会发生改变，当光源I发出光线，通过入射光纤2传递到传热头5 —端带有热致色变材料4上时，经过热致色变材料4的反射，通过出射光纤6进入光纤光谱仪及计算机7上，通过光谱数据转换成色度的三刺激值坐标，建立温度与色度的三刺激值的关系，从而实现对温度的监控。热致色变探头3的结构可以是多面体，面的数量大于等于三，如图2所示，在本实施例中，热致色变探头3的结构为五面体，其中三面设置孔，使传热头5、入射光纤2和出射光纤6安装在孔内。热致色变探头3整体采用聚四氟乙烯材料构成，增强了热量沿基底材料的传导和热能收集效果，其尺寸为长为30mmX30mmX25mm,腔壁厚度为5mm。传热头5整体采用氮化硼陶瓷，是一种白色高导热，高稳定化学特性的良好基底材料，构成其尺寸为受热端直径X涂材料端直径，通过加工热致色变探头3和传热头5可以紧密套合在一起，达到温度几乎完全传递到热变色材料4上且整体热致色变探头3温度不会过高导致测量不准确。其中氮化硼陶瓷的热导率为45w/(mK)，聚四氟乙烯的导热系数O. 256 w/(mK)，且两者皆绝缘。根据所要监测的主要温度区域选取在该温度区域变色的热致色变材料4，一种热致色变材料4从没有变色到完全变色的温度区间为10°C，可以通过多种材料混合以实现更大的变色温度区域，利用喷枪将热致色变材料4均匀的喷涂在传热头5上。 热致色变材料的变色机理和材料种类相对比较广泛，本发明选择了隐色染料(LD,Leuco dyes)作为热致色变材料，针对电力系统中对50°C左右的检测报警需求，选择了由甲酚红、对羟基苯甲酸苄酯(弱酸)，及正十六醇配置的热致色变油漆作为热致色变材料。颜色随温度变化的线性区为42°C _ 57°C，大约15°C的范围。热致色变光纤温度传感器的传感方法，该方法包括如下步骤步骤一将传热头5固定在一温度可调的受控板上，调节受控板的温度，使得温度低于热致色变材料4温度敏感范围，设置光纤光谱仪及计算机7的积分时间为20ms，开启光源I为50W卤素灯，色温3000K，能量分布覆盖可见光范围的稳定白光光源，接收并记录出射光纤6发送的光谱信号其中光纤光谱仪及计算机7的有效测量谱段为380nm-780nm ；步骤二 按照1°C步长间隔升高受控板的温度，接收并记录出射光纤6发送的光谱信号，直到受控板温度达到热致色变材料4温度敏感范围；步骤三按照1°C的间隔降低受控板的温度，接收并记录出射光纤6发送的光谱信号，直到受控板温度回到步骤一中的初始温度；通过步骤一、二和三，记录了热致色变材料4温度数据T和光谱数据S ( λ )。由于传热头5的热传导能力非常好，受控板的温度传导到热致色变材料4几乎没有热量的损耗，所以受控板的温度近似于热致色变材料4的温度，受控板的温度从40°C升高至60°C，每升高1°C记录一次光谱数据；受控板的温度从60°C降至40°C，每降低1°C记录一次光谱数据。步骤四通过光纤光谱仪及计算机7记录步骤二和步骤三中的温度数据，通过转换公式将光谱信号转换为色度的三刺激值；
权利要求
1.热致色变光纤温度传感器，该传感器包括光源、入射光纤、热致色变探头、传热头、出射光纤和光纤光谱仪及计算机，其特征在于，传热头的一端分布热致色变材料；所述入射光纤和出射光纤安装在热致色变探头的一端，传热头安装在热致色变探头的另一端；所述带有热致色变材料的传热头一端与入射光线和出射光纤相对，无热致色变材料的传热头一端与被测物体连接；光源与入射光纤连接，光纤光谱仪及计算机与出射光纤连接。
2.如权利要求1所述的热致色变光纤温度传感器，其特征在于，所述热致色变探头的材料为四氟乙烯。
3.如权利要求1所述的热致色变光纤温度传感器，其特征在于，所述传热头的材料为氮化硼。
4.根据权利要求1所述的热致色变光纤温度传感器的传感方法，其特征在于，该方法包括如下步骤 步骤一将传热头固定在一温度可调的受控板上，调节受控板的温度，使得温度低于热致色变材料温度敏感范围，设置光纤光谱仪及计算机的积分时间，开启稳定的白光光源，接收并记录出射光纤发送的光谱信号； 步骤二 按照一定的步长间隔升高受控板的温度，接收并记录出射光纤发送的光谱信号，直到受控板温度达到热致色变材料温度敏感范围； 步骤三按照步骤二中的间隔降低受控板的温度，接收并记录出射光纤发送的光谱信号，直到受控板温度回到步骤一中的初始温度； 步骤四通过光纤光谱仪及计算机记录步骤二和步骤三中的温度数据，将光谱信号转换为色度的三刺激值值； 步骤五根据温度数据和色度的三刺激值值建立回归方程，确定所选择的热致色变材料的热色关系数学表达式，实现热致色变光纤温度传感器的传感方法。
5.如权利要求4所述的热致色变光纤温度传感器的传感方法，其特征在于，该方法还包括步骤六通过验证实验，确定该装置中热色关系数学表达式的不确定度。
全文摘要
热致色变光纤温度传感器及其传感方法属于光学传感器领域，该传感器包括光源、入射光纤、热致色变探头、传热头、出射光纤和光纤光谱仪及计算机，传热头的一端分布热致色变材料；入射光纤和出射光纤安装在热致色变探头的一端，传热头安装在热致色变探头的另一端的内侧；带有热致色变材料的传热头一端与入射光线和出射光纤相对，无热致色变材料的传热头一端与被测物体连接；光源与入射光纤连接，光纤光谱仪及计算机与出射光纤连接。本发明可以实现准确的温度监控，该方法使得光纤温度传感器的设备变得简单，成本也得到了降低，而且该方法及装置可以在环境条件恶劣的地区也能正常工作，如电场，强腐蚀性地区。
文档编号G01K11/32GK103017936SQ201210571308
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月25日 优先权日2012年12月25日
发明者宦克为, 孙权, 郑峰, 石晓光, 闫晶, 刘小溪 申请人:长春理工大学