溫度傳感器、溫度測量方法及裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種溫度傳感器、溫度測量方法及裝置，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)以非線性光學(xué)晶體作為溫度傳感器，在待測溫度下利用所述非線性光學(xué)晶體進(jìn)行準(zhǔn)相位匹配的光頻率轉(zhuǎn)換，得到待測溫度下所述非線性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期Λ(T)；然后根據(jù)下式計算得到待測溫度T：Λ(T)＝Λ(T0)[1+α·(T-T0)+β·(T-T0)2]，式中，Λ(T0)為參考溫度T0下所述非線性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期，α、β為所述非線性光學(xué)晶體的熱膨脹系數(shù)。本發(fā)明專利技術(shù)以非線性光學(xué)晶體作為溫度傳感器，利用非線性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期與環(huán)境溫度之間的關(guān)系進(jìn)行溫度測量，在大幅提高了測量量程的同時，還為溫度測量技術(shù)指出了一個新的方向。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
溫度傳感器、溫度測量方法及裝置
本專利技術(shù)涉及一種溫度傳感器、溫度測量方法及裝置，屬于測量
。
技術(shù)介紹
溫度是物質(zhì)的一個重要狀態(tài)參數(shù)，其測量和控制對于人們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn) 以及科學(xué)研究等各個領(lǐng)域都有著十分重要的意義，因此，溫度傳感器也一直被人們廣為關(guān) 注。經(jīng)過不斷的研究和市場開發(fā)，溫度傳感器在測量范圍和測量精度等方面的性能都在不 斷提升，其應(yīng)用也已經(jīng)從生活和一般工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域擴(kuò)展到了冶金、材料、航空航天和武器試 驗等測量環(huán)境復(fù)雜的特種應(yīng)用領(lǐng)域。 目前，雖然溫度傳感器種類繁多，但常用的溫度測量方法都存在一定的局限性，不 能很好的適用于大量程和惡劣環(huán)境下的溫度測量需求?，F(xiàn)有的每一種溫度傳感器都有各自 的優(yōu)勢、適用范圍和局限性，針對具體的溫度測量需求，必須綜合考慮溫度測量范圍、精度、 響應(yīng)時間、尺寸、持續(xù)工作時間等相關(guān)要求和使用環(huán)境等因素，最終選取一種相對合適的測 量方法。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種溫度傳感器、溫度 測量方法及裝置，可實現(xiàn)大量程的溫度傳感、測量。 本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題： -種溫度傳感器，所述溫度傳感器為非線性光學(xué)晶體。 -種溫度測量方法，利用非線性光學(xué)晶體作為溫度傳感器實現(xiàn)溫度測量，具體如 下：在待測溫度下利用所述非線性光學(xué)晶體進(jìn)行準(zhǔn)相位匹配的光頻率轉(zhuǎn)換，得到待測溫度 下所述非線性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期Λ (T);然后根據(jù)下式計算得到待測溫度T : Λ (T) = Λ (T0) [1+α · (Τ_Τ0) + β · (T-T0)2], 式中，Λ (Ttl)為參考溫度Ttl下所述非線性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期，α、β為 所述非線性光學(xué)晶體的熱膨脹系數(shù)。 一種溫度測量裝置，包括頻率可調(diào)的光源、非線性光學(xué)晶體、光電檢測單元、控制 和計算單元；所述光源用于向所述非線性光學(xué)晶體發(fā)射入射光；所述光電檢測單元用于接 收通過所述非線性光學(xué)晶體并被光頻率轉(zhuǎn)換后的光信號，并將所述光信號轉(zhuǎn)換為電信號傳 輸給控制和計算單元；所述控制和計算單元用于通過控制所述光源的輸出頻率實現(xiàn)所述非 線性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配，并根據(jù)當(dāng)前的準(zhǔn)相位匹配周期Λ (T)，利用下式計算得到所述 非線性光學(xué)晶體的環(huán)境溫度T : λ (T) = Λ (T0) [1+α · (τ-τ0) + β · (T-T0)2], 式中，Λ (Ttl)為參考溫度Ttl下所述非線性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期，α、β為 所述非線性光學(xué)晶體的熱膨脹系數(shù)。 相比現(xiàn)有技術(shù)，本專利技術(shù)具有以下有益效果： 本專利技術(shù)首次提出利用非線性光學(xué)晶體作為溫度傳感器，利用非線性光學(xué)晶體的準(zhǔn) 相位匹配周期與環(huán)境溫度之間的關(guān)系進(jìn)行溫度測量，為溫度測量技術(shù)指出了一條新的路 徑； 本專利技術(shù)適用的溫度測量范圍取決于非線性光學(xué)晶體的熔點，得益于非線性光學(xué)晶 體的高熔點，本專利技術(shù)可實現(xiàn)大量程的溫度測量。 【附圖說明】 圖1為本專利技術(shù)溫度測量裝置一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為光源，2為非 線性光學(xué)晶體，3為帶通濾波片，4為光電探測器，5為數(shù)據(jù)采集卡，6為計算機(jī)。 【具體實施方式】 下面結(jié)合附圖對本專利技術(shù)的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明： 本專利技術(shù)的思路是以非線性光學(xué)晶體作為溫度傳感器，利用非線性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相 位匹配周期與環(huán)境溫度之間的關(guān)系進(jìn)行溫度測量。為了便于公眾理解，在對本專利技術(shù)技術(shù)方 案進(jìn)行詳細(xì)說明前，首先對非線性光學(xué)晶體的相關(guān)知識進(jìn)行簡要介紹。 非線性光學(xué)晶體是具有頻率轉(zhuǎn)換效應(yīng)、電光效應(yīng)和光折變效應(yīng)等一類晶體的統(tǒng) 稱，非線性光學(xué)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展在很大程度上得益于非線性光學(xué)晶體的出現(xiàn)和應(yīng)用。特 別在頻率轉(zhuǎn)換方面起著越來越重要的作用，廣泛應(yīng)用于倍頻、差頻、和頻及光學(xué)參量振蕩等 非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)中。在非線性頻率轉(zhuǎn)換過程中，為了有效的進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，提高頻率轉(zhuǎn) 化效率，需進(jìn)行相位匹配。對周期極化的非線性光學(xué)晶體進(jìn)行準(zhǔn)相位匹配是目前最常用的 的相位匹配技術(shù)。準(zhǔn)相位匹配（QPM)技術(shù)是通過調(diào)節(jié)晶體的極化周期來補(bǔ)償由于折射率色 散而產(chǎn)生的波矢失配，能夠最大限度地利用非線性晶體的有效非線性系數(shù)，而晶體的極化 周期主要受入射光波長和晶體溫度的影響。當(dāng)晶體的溫度為定值時，可以通過改變?nèi)肷涔?的波長來滿足準(zhǔn)相位匹配條件，從而使頻率轉(zhuǎn)換達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)換效率。 圖1為本專利技術(shù)溫度測量裝置一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，該裝置包 括光源1、非線性光學(xué)晶體2、帶通濾波片3、光電探測器4、數(shù)據(jù)采集卡5、計算機(jī)6。光源1 發(fā)出的光透過非線性光學(xué)晶體2后，經(jīng)過帶通濾波片3之后被光電探測器4檢測到并轉(zhuǎn)換 為電信號；數(shù)據(jù)采集卡5采集光電探測器4輸出的信號，計算機(jī)6根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡所采集的 信號數(shù)據(jù)計算出非線性光學(xué)晶體的溫度，同時還可對光源1的輸出頻率進(jìn)行調(diào)整。 本專利技術(shù)的非線性光學(xué)晶體可采用周期極化的鈮酸鋰（LiNbO3)晶體（PPLN)、周期極 化的鉭酸鋰（LiTaO 3)晶體（PPLT)、周期極化的磷酸氧鈦鉀（KTiOPO4)晶體（PPKTP)等。其 中，PPLN和PPLT晶體因具有非常大的二階非線性系數(shù)，且容易生長出大尺寸的晶體材料， 獲得了更為廣泛的應(yīng)用。在PPLN和PPLT晶體中摻雜氧化鎂（MgO)相比于沒摻雜的晶體， 具有在常溫下工作不會發(fā)生光折變效應(yīng)的特性，所以適用的溫度比未摻雜晶體更低、范圍 更大。因此，本專利技術(shù)的非線性光學(xué)晶體優(yōu)選采用氧化鎂摻雜的周期極化鈮酸鋰晶體（簡稱 MgO = PPLN)或者氧化鎂摻雜的周期極化鉭酸鋰晶體（簡稱MgO:PPLT)。 上述溫度測量裝置實際上是一套光頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，通過非線性光學(xué)晶體2的準(zhǔn)相 位匹配，使得光源1發(fā)出的光以最大轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換為另一頻率的光輸出。所述光頻率轉(zhuǎn)換 可以是倍頻轉(zhuǎn)換、差頻轉(zhuǎn)換或和頻轉(zhuǎn)換。根據(jù)光頻率轉(zhuǎn)換方式的不同，光源1的具體結(jié)構(gòu)也 不同，例如，當(dāng)采用倍頻轉(zhuǎn)換方式，則光源1僅需要一個頻率可調(diào)的激光器，用來輸出基頻 光；如采用和頻和差頻轉(zhuǎn)換方式，則光源1需要兩個頻率可調(diào)的激光器，分別用來輸出泵浦 光和信號光。 利用上述裝置進(jìn)行溫度測量時，首先將非線性光學(xué)晶體2置于待測的環(huán)境溫度 下，通過調(diào)整光源1的輸出波長，使得頻率轉(zhuǎn)換過程滿足準(zhǔn)相位匹配條件，即使得光轉(zhuǎn)換效 率達(dá)到最高（可通過判斷所輸出的轉(zhuǎn)換后的光強(qiáng)是否達(dá)到最大值來確定是否實現(xiàn)準(zhǔn)相位 匹配）；根據(jù)此時的光源1的輸出波長以及轉(zhuǎn)換后的波長可計算當(dāng)前環(huán)境溫度下非線性光 學(xué)晶體2的準(zhǔn)相位匹配周期Λ (T)，然后將Λ (T)代入下式即可計算得到非線性光學(xué)晶體2 的環(huán)境溫度T : Λ (T) = Λ (T0) [1+α · (Τ_Τ0) + β · (T-T0)2], 式中，Λ (Ttl)為參考溫度Ttl下非線性光學(xué)晶體2的準(zhǔn)相位匹配周期，α、β為非 線性光學(xué)晶體2的熱膨脹系數(shù)。 為了使公眾更好地理解，下面對本專利技術(shù)的原理進(jìn)行詳細(xì)說明。 在倍頻過程中，設(shè)λ i、λ 2分別為基頻光和倍頻光的波長，ηι、η2分別為基頻光和 倍頻光在非線性光學(xué)晶體中的折射率。對于準(zhǔn)相位匹配過程，波矢的失配量Ak = O,則本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種溫度傳感器，其特征在于，所述溫度傳感器為非線性光學(xué)晶體。

【技術(shù)特征摘要】
1. 一種溫度傳感器，其特征在于，所述溫度傳感器為非線性光學(xué)晶體。2. 如權(quán)利要求1所述溫度傳感器，其特征在于，所述非線性光學(xué)晶體為氧化鎂摻雜的 周期極化鈮酸鋰晶體或者氧化鎂摻雜的周期極化鉭酸鋰晶體。3. -種溫度測量方法，其特征在于，利用非線性光學(xué)晶體作為溫度傳感器實現(xiàn)溫度測 量，具體如下：在待測溫度下利用所述非線性光學(xué)晶體進(jìn)行準(zhǔn)相位匹配的光頻率轉(zhuǎn)換，得到 待測溫度下所述非線性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期A (T);然后根據(jù)下式計算得到待測溫 度T : A (T) = A (T0) [1+a ? (T-T0) + @ ? (T_T0)2]， 式中，ACU為參考溫度I；下所述非線性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期，a、0為所述 非線性光學(xué)晶體的熱膨脹系數(shù)。4. 如權(quán)利要求3所述溫度測量方法，其特征在于，所述參考溫度L為25°C。5. 如權(quán)利要求3所述溫度測量方法，其特征在于，所述非線性光學(xué)晶體為氧化鎂摻雜 的周期極化鈮酸鋰晶體或者氧化鎂摻雜的周期極化鉭酸鋰晶體。6. 如權(quán)利要求3所述溫度測量方法，其特征在于，所述光頻率轉(zhuǎn)換為倍頻轉(zhuǎn)換、和頻轉(zhuǎn) 換或差頻轉(zhuǎn)換...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：常建華，郭躍，桂詩信，嚴(yán)娜，顧久馭，
申請(專利權(quán))人：南京信息工程大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32