溫度傳感器、溫度測(cè)量方法及裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種溫度傳感器、溫度測(cè)量方法及裝置，屬于測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明以非線(xiàn)性光學(xué)晶體作為溫度傳感器，在待測(cè)溫度下利用所述非線(xiàn)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(cè)溫度下所述非線(xiàn)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(jì)算得到待測(cè)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(xiàn)性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期，α、β為所述非線(xiàn)性光學(xué)晶體的熱膨脹系數(shù)。本發(fā)明以非線(xiàn)性光學(xué)晶體作為溫度傳感器，利用非線(xiàn)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(cè)量，在大幅提高了測(cè)量量程的同時(shí)，還為溫度測(cè)量技術(shù)指出了一個(gè)新的方向。
【專(zhuān)利說(shuō)明】溫度傳感器、溫度測(cè)量方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種溫度傳感器、溫度測(cè)量方法及裝置，屬于測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 溫度是物質(zhì)的一個(gè)重要狀態(tài)參數(shù)，其測(cè)量和控制對(duì)于人們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn) 以及科學(xué)研究等各個(gè)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(guò)不斷的研究和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)，溫度傳感器在測(cè)量范圍和測(cè)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(yàn)等測(cè)量環(huán)境復(fù)雜的特種應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003] 目前，雖然溫度傳感器種類(lèi)繁多，但常用的溫度測(cè)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(cè)量需求。現(xiàn)有的每一種溫度傳感器都有各自 的優(yōu)勢(shì)、適用范圍和局限性，針對(duì)具體的溫度測(cè)量需求，必須綜合考慮溫度測(cè)量范圍、精度、 響應(yīng)時(shí)間、尺寸、持續(xù)工作時(shí)間等相關(guān)要求和使用環(huán)境等因素，最終選取一種相對(duì)合適的測(cè) 量方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)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(cè)量方法及裝置，可實(shí)現(xiàn)大量程的溫度傳感、測(cè)量。
[0005] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題：
[0006] -種溫度傳感器，所述溫度傳感器為非線(xiàn)性光學(xué)晶體。
[0007] -種溫度測(cè)量方法，利用非線(xiàn)性光學(xué)晶體作為溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，具體如 下：在待測(cè)溫度下利用所述非線(xiàn)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(cè)溫度 下所述非線(xiàn)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(jì)算得到待測(cè)溫度T :
[0008] Λ (T) = Λ (T0) [1+α · (Τ_Τ0) + β · (T-T0)2],
[0009] 式中，Λ (Ttl)為參考溫度Ttl下所述非線(xiàn)性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期，α、β為 所述非線(xiàn)性光學(xué)晶體的熱膨脹系數(shù)。
[0010] 一種溫度測(cè)量裝置，包括頻率可調(diào)的光源、非線(xiàn)性光學(xué)晶體、光電檢測(cè)單元、控制 和計(jì)算單元；所述光源用于向所述非線(xiàn)性光學(xué)晶體發(fā)射入射光；所述光電檢測(cè)單元用于接 收通過(guò)所述非線(xiàn)性光學(xué)晶體并被光頻率轉(zhuǎn)換后的光信號(hào)，并將所述光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳 輸給控制和計(jì)算單元；所述控制和計(jì)算單元用于通過(guò)控制所述光源的輸出頻率實(shí)現(xiàn)所述非 線(xiàn)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(jì)算得到所述 非線(xiàn)性光學(xué)晶體的環(huán)境溫度T :
[0011] λ (T) = Λ (T0) [1+α · (τ-τ0) + β · (T-T0)2],
[0012] 式中，Λ (Ttl)為參考溫度Ttl下所述非線(xiàn)性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期，α、β為 所述非線(xiàn)性光學(xué)晶體的熱膨脹系數(shù)。
[0013] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0014] 本發(fā)明首次提出利用非線(xiàn)性光學(xué)晶體作為溫度傳感器，利用非線(xiàn)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(cè)量，為溫度測(cè)量技術(shù)指出了一條新的路 徑；
[0015] 本發(fā)明適用的溫度測(cè)量范圍取決于非線(xiàn)性光學(xué)晶體的熔點(diǎn)，得益于非線(xiàn)性光學(xué)晶 體的高熔點(diǎn)，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)大量程的溫度測(cè)量。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為本發(fā)明溫度測(cè)量裝置一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為光源，2為非 線(xiàn)性光學(xué)晶體，3為帶通濾波片，4為光電探測(cè)器，5為數(shù)據(jù)采集卡，6為計(jì)算機(jī)。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：
[0018] 本發(fā)明的思路是以非線(xiàn)性光學(xué)晶體作為溫度傳感器，利用非線(xiàn)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(cè)量。為了便于公眾理解，在對(duì)本發(fā)明技術(shù)方 案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明前，首先對(duì)非線(xiàn)性光學(xué)晶體的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
[0019] 非線(xiàn)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(lèi)晶體的統(tǒng) 稱(chēng)，非線(xiàn)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(xiàn)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(lái)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(xiàn)性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)中。在非線(xiàn)性頻率轉(zhuǎn)換過(guò)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(duì)周期極化的非線(xiàn)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(guò)調(diào)節(jié)晶體的極化周期來(lái)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(xiàn)性晶體的有效非線(xiàn)性系數(shù)，而晶體的極化 周期主要受入射光波長(zhǎng)和晶體溫度的影響。當(dāng)晶體的溫度為定值時(shí)，可以通過(guò)改變?nèi)肷涔?的波長(zhǎng)來(lái)滿(mǎn)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。
[0020] 圖1為本發(fā)明溫度測(cè)量裝置一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，該裝置包 括光源1、非線(xiàn)性光學(xué)晶體2、帶通濾波片3、光電探測(cè)器4、數(shù)據(jù)采集卡5、計(jì)算機(jī)6。光源1 發(fā)出的光透過(guò)非線(xiàn)性光學(xué)晶體2后，經(jīng)過(guò)帶通濾波片3之后被光電探測(cè)器4檢測(cè)到并轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)；數(shù)據(jù)采集卡5采集光電探測(cè)器4輸出的信號(hào)，計(jì)算機(jī)6根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡所采集的 信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算出非線(xiàn)性光學(xué)晶體的溫度，同時(shí)還可對(duì)光源1的輸出頻率進(jìn)行調(diào)整。
[0021] 本發(fā)明的非線(xiàn)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(xiàn)性系數(shù)，且容易生長(zhǎng)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(méi)摻雜的晶體， 具有在常溫下工作不會(huì)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，本發(fā)明的非線(xiàn)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(jiǎn)稱(chēng) MgO = PPLN)或者氧化鎂摻雜的周期極化鉭酸鋰晶體（簡(jiǎn)稱(chēng)MgO:PPLT)。
[0022] 上述溫度測(cè)量裝置實(shí)際上是一套光頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，通過(guò)非線(xiàn)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(gè)頻率可調(diào)的激光器，用來(lái)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(gè)頻率可調(diào)的激光器，分別用來(lái)輸出泵浦 光和信號(hào)光。
[0023] 利用上述裝置進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，首先將非線(xiàn)性光學(xué)晶體2置于待測(cè)的環(huán)境溫度 下，通過(guò)調(diào)整光源1的輸出波長(zhǎng)，使得頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程滿(mǎn)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(guò)判斷所輸出的轉(zhuǎn)換后的光強(qiáng)是否達(dá)到最大值來(lái)確定是否實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位 匹配）；根據(jù)此時(shí)的光源1的輸出波長(zhǎng)以及轉(zhuǎn)換后的波長(zhǎng)可計(jì)算當(dāng)前環(huán)境溫度下非線(xiàn)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(jì)算得到非線(xiàn)性光學(xué)晶體2 的環(huán)境溫度T :
[0024] Λ (T) = Λ (T0) [1+α · (Τ_Τ0) + β · (T-T0)2],
[0025] 式中，Λ (Ttl)為參考溫度Ttl下非線(xiàn)性光學(xué)晶體2的準(zhǔn)相位匹配周期，α、β為非 線(xiàn)性光學(xué)晶體2的熱膨脹系數(shù)。
[0026] 為了使公眾更好地理解，下面對(duì)本發(fā)明的原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0027] 在倍頻過(guò)程中，設(shè)λ i、λ 2分別為基頻光和倍頻光的波長(zhǎng)，ηι、η2分別為基頻光和 倍頻光在非線(xiàn)性光學(xué)晶體中的折射率。對(duì)于準(zhǔn)相位匹配過(guò)程，波矢的失配量Ak = O,則

【權(quán)利要求】
1. 一種溫度傳感器，其特征在于，所述溫度傳感器為非線(xiàn)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(xiàn)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(cè)量方法，其特征在于，利用非線(xiàn)性光學(xué)晶體作為溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度測(cè) 量，具體如下：在待測(cè)溫度下利用所述非線(xiàn)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(cè)溫度下所述非線(xiàn)性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期A(yíng) (T);然后根據(jù)下式計(jì)算得到待測(cè)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(xiàn)性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期，a、0為所述 非線(xiàn)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(cè)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(cè)量方法，其特征在于，所述非線(xiàn)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(cè)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。
7. -種溫度測(cè)量裝置，其特征在于，包括頻率可調(diào)的光源、非線(xiàn)性光學(xué)晶體、光電檢測(cè) 單元、控制和計(jì)算單元；所述光源用于向所述非線(xiàn)性光學(xué)晶體發(fā)射入射光；所述光電檢測(cè) 單元用于接收通過(guò)所述非線(xiàn)性光學(xué)晶體并被光頻率轉(zhuǎn)換后的光信號(hào)，并將所述光信號(hào)轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)傳輸給控制和計(jì)算單元；所述控制和計(jì)算單元用于通過(guò)控制所述光源的輸出頻率 實(shí)現(xiàn)所述非線(xiàn)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A(yíng) (T)，利用下式計(jì) 算得到所述非線(xiàn)性光學(xué)晶體的環(huán)境溫度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(xiàn)性光學(xué)晶體的準(zhǔn)相位匹配周期，a、0為所述 非線(xiàn)性光學(xué)晶體的熱膨脹系數(shù)。
8. 如權(quán)利要求7所述溫度測(cè)量裝置，其特征在于，所述非線(xiàn)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。
9. 如權(quán)利要求7所述溫度測(cè)量裝置，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。
10. 如權(quán)利要求7所述溫度測(cè)量裝置，其特征在于，所述參考溫度L為25°C。
【文檔編號(hào)】G01K11/00GK104390721SQ201410679860
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】常建華, 郭躍, 桂詩(shī)信, 嚴(yán)娜, 顧久馭 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)