光纖在溫度傳感器方面的應(yīng)用

摘要：本文主要介紹幾種光纖傳感器的原理以及其優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：光纖 溫度傳感器 原理

引言

光纖溫度傳感器采用一種和光纖折射率相匹配的高分子溫敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纖外面，使光能由一根光纖輸入該反射面出另一根光纖輸出，由于這種新型溫敏材料受溫度影響，折射率發(fā)生變化，因此輸出的光功率與溫度呈函數(shù)關(guān)系。其物理本質(zhì)是利用光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奶卣鲄⒘浚缯穹⑾辔弧⑵駪B(tài)、波長(zhǎng)和模式等，對(duì)外界環(huán)境因素，如溫度，壓力，輻射等具有敏感特性。

1、幾種光纖溫度傳感器介紹

1.1輻射光纖溫度傳感器

屬于被動(dòng)式溫度測(cè)量，測(cè)量原理為黑體輻射定律，即物質(zhì)受熱時(shí)將發(fā)出一定的熱輻射，輻射量大小取決于該物質(zhì)的溫度和材料了輻射系數(shù)，光纖本身作為一個(gè)待測(cè)溫度飛黑體腔。對(duì)于理想黑體當(dāng)溫度為230時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)暗紅色輻射，亮度歲著溫度的增強(qiáng)而增強(qiáng)。輻射能量由探頭中的物鏡匯聚，用濾色鏡限制工作光檢測(cè)器測(cè)量光強(qiáng)的變化，就可以得出所檢測(cè)的溫度。

1.2半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器

利用半導(dǎo)體材料的吸收光譜溫度變化的特性。半導(dǎo)體材料吸收光譜隨著溫度變化而變化，當(dāng)光通過(guò)半導(dǎo)體材料時(shí)，材料會(huì)吸收一部分光分子能量，當(dāng)光分子能量超過(guò)半導(dǎo)體近代寬的能量時(shí)，傳輸光的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化。選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體光源使其光譜范圍正好落在吸收區(qū)域，這樣透過(guò)半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)度隨溫度的增加而減小。

1.3分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖溫度傳感器通常是將光纖沿場(chǎng)排布， 測(cè)量光在光纖中傳輸時(shí)所產(chǎn)生的散射光， 根據(jù)散射光所攜帶的溫度信息， 同時(shí)采用光時(shí)域反射( OTDR) 技術(shù)， 對(duì)沿光纖傳輸路徑的空間分布和隨時(shí)間變化的信息進(jìn)行測(cè)量或監(jiān)控。在分布式光纖溫度傳感器中主要涉及的是光纖中的以下三種散射: 瑞利散射、喇曼散射和布里淵散射。

1.4熒光光纖溫度傳感器

熒光測(cè)溫法的工作機(jī)理建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上 。當(dāng)某些熒光材料受到紫外光激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)出熒光， 其熒光強(qiáng)度與熒光材料的溫度及激發(fā)光強(qiáng)度有關(guān)。

1.5干涉型光纖溫度傳感器

通過(guò)檢測(cè)相位的變化來(lái)測(cè)量溫度。干涉儀的信號(hào)臂和參考臂由單模光纖組成，參考臂置于恒溫器重，它在測(cè)溫過(guò)程中光程始終不變而信號(hào)臂在溫度作用下長(zhǎng)度與折射率會(huì)發(fā)生變化。工作時(shí)，有激光器發(fā)出激光束經(jīng)分束器由顯微鏡物鏡耦合進(jìn)入兩條長(zhǎng)度基本相等的單模光纖。把兩條光纖的輸出端合在一起，則兩束光產(chǎn)生干涉，出現(xiàn)干涉條紋。當(dāng)干涉儀的信號(hào)臂光纖受到溫度場(chǎng)作用后，其中的光波相位發(fā)生變化，從而引起干涉條紋的移動(dòng)。

1.6光纖液體溫度傳感器

利用一種透明液體作為包層構(gòu)成的光纖溫度傳感器。是一種無(wú)源的光學(xué)傳感器，在結(jié)構(gòu)上采用投射式。光纖中的一段包層被腐蝕掉露出纖維，然后將這一段密封在充滿某種液體的玻璃管內(nèi)，這樣管內(nèi)液體變成了光纖的包層，由于液體折射率隨溫度變化，輸出光強(qiáng)也隨之變化，由光強(qiáng)的變化得出檢測(cè)溫度。

消除了測(cè)量系統(tǒng)受溫度的影響，使用不同的液體，能夠改變輸出電壓與溫度關(guān)系的區(qū)間，也就是說(shuō)，改變液體的折射率可以測(cè)得各種溫度間隔范圍內(nèi)的溫度.

2、幾種光纖溫度傳感器優(yōu)缺點(diǎn)比較

2.1輻射光纖溫度傳感器

優(yōu)點(diǎn)：非接觸式測(cè)量，可測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)溫度，相應(yīng)速度快，沒(méi)有一般溫度計(jì)的熱平衡時(shí)間，可作為高溫測(cè)量。

缺點(diǎn)：此種溫度計(jì)只能測(cè)量表面溫度，從而引起“ 發(fā)射誤差”。

2.2半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器

優(yōu)點(diǎn)：探頭體積小靈敏度高，工作可靠，適用于高電壓系統(tǒng)中的高溫測(cè)量，具有重要應(yīng)用價(jià)值。可在一些特殊場(chǎng)合如：如易燃易爆、高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)和具有腐蝕性的環(huán)境，光線的低損耗傳輸特性使光纖傳感器的光電器件遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，避開(kāi)了惡劣的環(huán)境 ，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)。

2.3分布式光纖溫度傳感器

優(yōu)點(diǎn)：集傳感與傳輸于一體， 可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量與監(jiān)控; 一次測(cè)定就可以獲取整個(gè)光纖區(qū)域的一維分布圖; 能在一條長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米的傳感器光纖環(huán)路上獲得幾十、幾百甚至幾千條信息， 因此單位信息成本大大降低; 測(cè)量范圍寬， 具有高空間分辨率和高精度; 在具有強(qiáng)電磁干擾或易燃易爆以及其它傳感器無(wú)法接近的嚴(yán)酷環(huán)境下， 分布式光纖溫度傳感器具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

2.4熒光光纖溫度傳感器

優(yōu)點(diǎn)：具有抗電磁干擾、高壓絕緣、穩(wěn)定可靠、高精度、高靈敏度、微小尺寸、長(zhǎng)壽命及耐腐蝕、適應(yīng)性好等特點(diǎn)，全壽命無(wú)須校準(zhǔn)標(biāo)定，非常適合應(yīng)用于高電壓、強(qiáng)電磁(EMI/RFI/EMP)等特殊工業(yè)環(huán)境中的溫度監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)形式靈活、可靠性高，適合于各種測(cè)溫需求及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域。

缺點(diǎn)：激勵(lì)光源的不穩(wěn)定及測(cè)量通道中的光強(qiáng)漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，

2.5干涉型光纖溫度傳感器

優(yōu)點(diǎn)：它除了具有一般光纖溫度傳感器測(cè)溫準(zhǔn)確、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)外，還具有靈敏度極高的特點(diǎn)，是潛在開(kāi)發(fā)靈敏度最高的傳感器，它的靈敏度比普通的測(cè)溫方法高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。特別是嵌入式光纖溫度傳感器它的靈敏度更高，比放置在空氣中的干涉型光纖溫度傳感器靈敏度要高2～3倍。

不足之處，如，對(duì)光源、光纖的性能要求嚴(yán)格、光路和信號(hào)處理系統(tǒng)復(fù)雜。

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