光纖溫度傳感器的研究與應(yīng)用

巴朗旭

（黑龍江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150000）

歐洲早在中世紀(jì)就制造出了溫度計(jì)這一用來(lái)測(cè)量溫度的儀器，而德國(guó)的科學(xué)家在這基礎(chǔ)上研究出了溫度傳感器，經(jīng)過(guò)這么多年科學(xué)家的研究，發(fā)明了各種不同類型的溫度傳感器，這些溫度傳感器在各行各業(yè)中發(fā)揮著自己的作用。溫度傳感器的技術(shù)經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，在傳感器市場(chǎng)中也占有很大比例。溫度傳感器的用途非常廣泛，但是在一些有電磁干擾的環(huán)境下，比如電力設(shè)備等傳統(tǒng)的溫度傳感器就有一定的局限性，而在這種時(shí)候，光纖溫度傳感器以其優(yōu)秀的性質(zhì)得以應(yīng)用在電力領(lǐng)域。

1 溫度傳感器概述

1.1 溫度傳感器的概念

溫度傳感器是指在接收到溫度信號(hào)之后可以轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)進(jìn)行顯示的設(shè)備，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。我們?cè)谶M(jìn)行工業(yè)制造相關(guān)活動(dòng)的過(guò)程中，溫度是一項(xiàng)檢測(cè)設(shè)備質(zhì)量好壞的一項(xiàng)指標(biāo)，而要想對(duì)溫度檢測(cè)我們就需要用到溫度傳感器。我國(guó)工業(yè)依然具備很大的發(fā)展?jié)摿ΓS的數(shù)量也在不斷增加，產(chǎn)品也在逐漸呈現(xiàn)多樣化，這對(duì)于整個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)都是個(gè)好消息。而工業(yè)從根本上無(wú)法脫離電力的供給，所以需要使用的電力設(shè)備也在增加，而它們大多處于高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下。因此，這些設(shè)備必然會(huì)發(fā)熱，進(jìn)而構(gòu)成隱患，要想對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行保護(hù)來(lái)避免發(fā)生事故，就必須檢測(cè)并控制其溫度。而一般有電力設(shè)備的地方都會(huì)有著磁場(chǎng)，傳統(tǒng)的溫度傳感器會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)的干擾變的不準(zhǔn)確，這就需要光纖溫度傳感器這種抗干擾能力較強(qiáng)的傳感器來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.2 接觸測(cè)溫

我們測(cè)量設(shè)備溫度大多使用兩種方法。接觸測(cè)溫是比較常見(jiàn)且簡(jiǎn)單的方法，對(duì)操作者并沒(méi)有過(guò)高的要求，只需要使用常規(guī)的工具就可以完成。接觸測(cè)溫顧名思義就是測(cè)量溫度的儀器要與被測(cè)量物體接觸，但這就要求這兩者都有著優(yōu)秀的傳熱性，當(dāng)被測(cè)物體溫度升高，能夠靈敏的隨著溫度的變化迅速的顯示出來(lái)。需要注意的是，使用這種方法，接觸的同時(shí)必然會(huì)伴隨著熱量流失，進(jìn)而使設(shè)備的溫度發(fā)生變化。因此，這種辦法的誤差是比較大的，我們一般不會(huì)采用這種方法。

1.3 非接觸測(cè)溫

非接觸測(cè)溫與上述的方法雖然名稱相似，但是整體存在較大的差異。這種方法使用到了熱輻射以及其相關(guān)技術(shù)，避免了在測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體產(chǎn)生的接觸，而是通過(guò)能監(jiān)測(cè)到熱輻射的機(jī)器來(lái)進(jìn)行溫度檢測(cè)，這種方法雖然不用考慮熱量流失的問(wèn)題，但使用仍然存在限制。該方法可以測(cè)量的溫度范圍較大，但如果測(cè)量距離過(guò)遠(yuǎn)或是在被測(cè)量的設(shè)備附近有著一定的粉塵的話，會(huì)產(chǎn)生誤差。

2 幾類常見(jiàn)的光纖溫度傳感器

2.1 分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖傳感器適用于測(cè)量空間環(huán)境的溫度，可以精確的測(cè)出空間內(nèi)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度。這種類型的光纖溫度傳感器早在上個(gè)世紀(jì)，當(dāng)時(shí)由于一些技術(shù)上的問(wèn)題并沒(méi)有得到實(shí)現(xiàn)，但經(jīng)過(guò)幾十年的研究，現(xiàn)在分布式的傳感器應(yīng)用到了相當(dāng)一部分的領(lǐng)域，相應(yīng)的技術(shù)也在不斷精進(jìn)。目前分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)主要是基于瑞利散射、拉曼散射以及布里淵散射的三種分布式溫度傳感器。在1997年，這種類型的傳感器就已經(jīng)開(kāi)始被使用在礦產(chǎn)的開(kāi)采中，并且取得了很好的效果。分布式的傳感器可以放置在煤礦坑道的兩側(cè)來(lái)進(jìn)行溫度的測(cè)量，減少了礦難發(fā)生的概率。近年來(lái)分布式光纖溫度傳感器因?yàn)樾畔⒒夹g(shù)的發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，并且測(cè)量的范圍與精度也在逐漸提升。

2.2 光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器研究的重點(diǎn)主要為布拉格光纖傳感技術(shù)。這種光纖光柵在溫度不斷變化的同時(shí)反射的波長(zhǎng)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，我們就是通過(guò)這種波長(zhǎng)的變化來(lái)進(jìn)行溫度的測(cè)量，因?yàn)檫@種波長(zhǎng)的變化相對(duì)來(lái)說(shuō)是很穩(wěn)定的，這種測(cè)量方法還是很準(zhǔn)確的。1978年加拿大某研究中心首先在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)了光敏效應(yīng)，這種光敏效應(yīng)對(duì)于溫度的變化是很敏感的，在光纖中摻加鍺元素進(jìn)行制作，從而產(chǎn)生了第一只光纖光柵，在后續(xù)的研究工作中也嘗試了很多種材料，希望能找出更加優(yōu)秀的物質(zhì)來(lái)替代。

2.3 光纖熒光溫度傳感器

光纖熒光溫度傳感器是目前的研究熱點(diǎn)，這種傳感器在接受不同的溫度刺激之后會(huì)發(fā)出不同的光。這是一種新型的傳感器，因?yàn)槲矬w可以通過(guò)外接光源的照射而獲得能量，從而導(dǎo)致自身發(fā)光，正是由于這種現(xiàn)象我們才能制作出這種傳感器。這是一種光發(fā)射現(xiàn)象，當(dāng)材料受到溫度的刺激，材料會(huì)根據(jù)受到的溫度的不同而發(fā)光，這種材料的發(fā)光參數(shù)能夠與溫度一一對(duì)應(yīng)，我們就可以根據(jù)這種不同的發(fā)光參數(shù)來(lái)進(jìn)行溫度的監(jiān)測(cè)。熒光強(qiáng)度型光纖傳感器會(huì)受到光纖彎曲、散射等影響，測(cè)量經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此，當(dāng)前主要使用熒光壽命型溫度傳感器，這樣可以有效減低誤差，提高精度，過(guò)程也不容易受到各種因素的干擾。我國(guó)清華大學(xué)根據(jù)半導(dǎo)體材料隨著溫度的不同對(duì)光的吸收也不同的原理研制出了測(cè)溫范圍0～150℃；分辨率0.5℃的光纖溫度傳感器。中北大學(xué)用其他材料使該系統(tǒng)的測(cè)溫范圍得到巨大的提升，該系統(tǒng)的測(cè)溫范圍為1200～2000℃，分辨率為1℃，這是一項(xiàng)對(duì)整個(gè)領(lǐng)域都有很大意義的技術(shù)成果。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，光纖溫度傳感器由于其優(yōu)秀的性質(zhì)，比傳統(tǒng)傳感器有著更加準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，可以應(yīng)用在多種領(lǐng)域。因?yàn)槠淇勾艌?chǎng)干擾能力強(qiáng)，在工作中不容易受到各類干擾，在電力企業(yè)中大量的應(yīng)用這種光纖傳感器來(lái)進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)測(cè)。而隨著研究的不斷深入，我們希望能找出更多有著優(yōu)秀性質(zhì)的材料添加進(jìn)光纖中來(lái)制作性能更加優(yōu)越的傳感器，為人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)更大的便利。