光纖溫度傳感器的原理及應用研究

孟瑜　于蘭　王亞杰　黃丫　李勝男

摘? 要：光纖溫度傳感器具有靈敏度高、體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾、電絕緣等優點。為促進光纖溫度傳感器在更多領域的發展，本文對光纖溫度傳感器的原理及應用前景進行了綜述。首先概述了光纖傳感器的原理，并分別介紹了幾種常見光纖溫度傳感器的原理，各自特點，最后對光纖溫度傳感器的應用和發展進行了總結和展望。

關鍵詞：光纖;光纖傳感器;溫度;應用;發展

一、引言

近年來，傳感器朝著精確、靈敏、適應性強、小巧和智能化的方向發展。在這一過程中，光纖傳感器這一新興產業倍受關注。光纖傳感器是伴隨著光通信技術的發展而逐步形成的，它是把外界被測量（ 溫度、壓力、位移、電磁場等） 轉換為光纖傳輸光波的特征參量（ 振幅、相位、波長、偏振態） 的傳感器。

在科研和生產實踐中，精確的溫度檢測與控制十分重要，而光纖溫度傳感器是光纖傳感器家族中非常重要的一員。傳統的溫度檢測包括熱電偶溫或PN結型的溫度傳感器。光纖溫度傳感器與它們相比具有很多優點：抗電磁干擾能力強、可以實現非接觸測量、靈敏度高、尺寸小、低損耗、易控制、低成本，特別適合易燃、易爆等特殊環境下使用。

光纖溫度傳感器始于20世紀 70年代，當前的主流產品主要有分布式光纖溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器以及光纖光柵溫度傳感器等。在國外一些發達國家，很多領域已經采用光纖溫度傳感器代替傳統溫度傳感器而成為商品。我國的光纖傳感器研究開始的也較早，但與國外發達水平相比，研究水平還有一定的差距，很多傳感器仍處于試驗階段不能大批量生產，不能滿足市場需求。

本文主要介紹了幾種常用的光纖溫度傳感器，包括它們的結構、工作原理以及應用領域，最后對光纖溫度傳感器發展前景進行了展望。

二、光纖溫度傳感器原理簡介

在光學行業，早期的光纖用于傳光和傳像，在20世紀70年代初產生低損光纖后，光纖開始用于長距離信息傳輸。但是光纖在作為光波的傳輸介質時，由于外界環境因素的影響（溫度、位移、壓力、電磁場）會導致光纖中傳輸的光波特征參量（振幅、相位、波長、偏振態）發生變化，如圖1所示。因而可以通過測量光波參量的變化來探測外界因素的變化，由此產生了光纖傳感技術。

三、光纖溫度傳感器的分類

光纖溫度傳感器的機理和結構形式多種多樣，但基本上可以分為功能型（傳感型）和傳輸型（傳光型）兩大類。

功能型光纖溫度傳感器是基于光纖傳輸的光波參量（振幅、相位、波長）隨環境溫度的變化而變化的特性，光纖既是傳感元件又是傳光介質。而傳輸型光纖溫度傳感器是使用外加敏感元件實現傳感功能，光纖只作為傳光介質。下面針對這兩種類型的傳感器，介紹幾種典型的應用實例。

（一）功能型光纖溫度傳感器

1、分布式光纖溫度傳感器

光纖中返回的散射光有線性散射和非線性散射。其中瑞利散射是由于光纖的折射率隨機變化引起的，其散射光頻率與入射光相同，屬于線性散射，散射光強度較高。非線性散射包含受激拉曼散射和受激布里淵散射，散射光相對于入射光有一定的非線性頻移，其散射光強度要弱于瑞利散射。因為光纖中散射光特性和散射介質溫度有關，通過測量光纖中返回的散射光強度或頻率可以測量溫度值，通過OTDR技術或光干涉技術對測量點進行定位，可以實現在光纖傳輸方向上連續傳感溫度。圖2是一個分布式光纖溫度傳感器結構圖，其測溫原理基于對光纖中拉曼散射光的測量。

分布式光纖溫度傳感器的特點是能夠在大空間范圍實現連續、實時的測量溫度，傳感長度從幾千米到幾百千米的范圍。和傳統的點式傳感器相比，它具有測量空間范圍大、結構簡單、性價比高等優點，因此有廣泛的市場需求。

（二）干涉型光纖溫度傳感器

當環境溫度變化時，可以引起光纖傳輸光的相位發生變化，從而形成相位調制型（干涉型）光纖溫度傳感器。通常測量相位時采用兩束光的干涉，根據干涉光強度變化得到溫度值。常見用于測溫的光纖干涉儀有馬赫澤德爾（M-Z）干涉儀、邁克爾遜（Michelson）干涉儀和法布里-珀羅（F-P）干涉儀。下面主要介紹基于M-Z干涉原理和F-P干涉原理的光纖溫度傳感器。 這種傳感器具有靈敏度高、靈活多樣、測量對象廣泛等優點。

圖3為M-Z光纖溫度傳感器的原理圖，激光器發出的相干光，經光纖耦合器分光后，分別進入兩根長度相等的單模光纖。其中一根光纖處于溫度變化的探測場，溫度改變光纖折射率和長度都發生變化，光波相位隨之改變，稱為傳感臂;另一根光纖處于恒定的溫度場，光程保持不變，稱為參考臂。從兩根光纖輸出的光經將發生干涉，溫度改變時由于兩束光的相位差變化，干涉條紋就會發生移動。因此檢測干涉光強即探測溫度值。

圖4為F-P光纖溫度傳感器的裝置圖，它由激光器、隔離器、分束器、傳輸光纖和光纖F-P傳感頭、接收器等元件構成。從圖中可以看出，光纖F-P腔兩端鍍高反射膜，構成多光束干涉腔。當環境溫度變化時，光纖F-P腔的腔長L和折射率n隨之改變，引起輸出的多光束干涉光強度變化，根據檢測的反射或透射光強測得溫度值。

（三）光纖光柵溫度傳感器

光纖Bragg光柵 （FBG）是基于光纖的光敏性，例如應用紫外光照射使纖芯產生周期性的折射率變化。外界溫度變化時，Bragg光柵周期和折射率都會發生變化，從而導致光柵布拉格波長[λB]漂移，通過測量Bragg光柵布拉格反射波長即可測量溫度，這種傳感器屬于波長調制型。

光纖光柵傳感器具有抗干擾能力強、結構簡單、重復性好、可實現絕對測量、便于成網等特點，并且光柵的寫入工藝已較成熟，便于形成規模生產。

（四）傳輸型光纖溫度傳感器

傳輸型光纖溫度傳感器的典型應用實例是光纖熒光溫度傳感器，熒光材料在受外界光（紅外光、紫外光或可見光）激發時，會向外輻射光，稱為熒光。熒光材料的激發區光譜是材料的固有屬性，由材料的吸收譜決定。光纖熒光溫度傳感器是利用熒光材料的溫度特性測溫的，有基于熒光強度比和熒光壽命兩種測溫方式。

熒光強度比測溫主要是測量兩個不同高能級躍遷到同一低態能級之間的熒光強度比，它是與溫度有關的參量。圖6為基于熒光強度比測溫的光纖傳感器。

熒光材料向外輻射熒光的壽命也是與溫度相關的參量，選用脈沖調制的光源作為熒光材料的激發光，在激發光停止后，由探測器接收輻射的熒光，和信號處理單元根據熒光衰減時間（熒光壽命）即可得到溫度信息。在這種測溫系統中光纖只起到傳輸光的作用。它的優點是抗干擾能力強，光源的光強不穩定對測溫結果的影響較小，經濟耐用。

光纖溫度傳感器的種類很多，除了上述介紹的種類外，還有半導體吸收型、彎曲損耗型光纖溫度傳感器等等，由于其種類很多，應用發展也很廣泛。

四、光纖傳溫度感器的應用

在光纖傳感器領域，溫度傳感器的研究和應用比較多， 約占總數的20%左右。它具有光纖傳感器的固有優勢，除了應用于一些傳統領域的測溫，還能應用在某些特殊領域，例如高溫高壓、易燃易爆、強電磁干擾和化學腐蝕性強的場所，因此具有很大的市場需求。目前光纖溫度傳感器的研究和應用領域包含醫療、建筑、電力、化工和航空航天等，本文只介紹幾種領域內的典型應用。

（一）醫學領域的應用

醫用光纖溫度傳感器的主要特點是它的尺寸普遍偏小，設計很堅固，整體系統的精度，可重復使用。例如光纖光柵傳感器是迄今為止能做到的最小的傳感器，可以以很小的傷害進入人體內部，精確探測局部的壓力、溫度和聲波場信息;又例如我們所熟知的醫用磁共振成像系統，是在強電磁場干擾的環境下工作的，它的溫控系統也是用的光纖溫度傳感器來測量的，可靠性得到保證。

（二）航天航空領域的應用

在航天航空領域，使用傳感器的數量非常多。例如一架飛行器需要傳感的信息包括溫度、壓力、燃料液位、振動、方向舵和機翼的位置等，內部傳感器數量可多達上百個，因此需要傳感器的尺寸和重量都要非常小。尤其在對環境控制系統和飛行發動機系統測控時，需要溫度進行實時監控，而傳統的溫度傳感器采用熱電偶或熱敏電阻的元器件，不能滿足航空航天裝備的傳感需要。光纖傳感器尺寸小、重量輕、抗干擾能力強、測量準確度高，具有其他傳感器無法比擬的優勢， 在航空航天系統有十分廣泛的應用前景。

（三）電力行業的應用

由于光纖溫度傳感器具有體積小、抗電磁干擾能力強、電絕緣性能好，耐腐蝕和本質安全等優勢，因此被廣泛應用于電力系統的在線溫度檢測。例如各類大中型發電機、電動機和變壓器的溫度檢測，電力電纜密集區的溫度檢測，電力系統的熱動保護或故障診斷等。

（四）建筑行業的應用

光纖或者光纖光柵能夠很容易的埋入一些建筑或橋梁的材料中，這樣利用光纖傳感器就能夠對建筑內部的溫度實現大范圍和高精度的測量。國外許多國家和地區很早就將光纖傳感器應用于橋梁或建筑中，通過傳感橋梁的溫度、應力應變、位移等重要參數，對建筑實現安全檢測和預警。在國內，這方面的應用也有很廣泛的空間。

五、光纖溫度傳感器發展趨勢

在過去的幾十年時間，許多光纖溫度傳感器進入了實用化和商品化階段。光纖溫度傳感器的獨特優勢使它具有巨大的發展潛力。未來的發展，除了要進一步提高產品性能和降低成本外，還應致力于開拓新的應用領域。技術研究可大力發展集成化的光纖溫度傳感器，分布式光纖溫度傳感系統，研制大型傳感器陣列，實現多功能全光纖控制等。總之，這種傳感器的市場應用前景還是十分廣闊的。

參考文獻：

[1]高曉丹，彭建坤，呂大娟.法布里-珀羅薄膜干涉的光纖溫度傳感器[J].紅外與激光工程.2018，47（01）：242-246.

[2]徐申翔，劉南生，張華.光纖溫度傳感器原理及應用[J].南昌大學學報（工科版），2004，26（04）：9-14.

[3]Gunes Y， Sait E K. A distributed optical fiber sensor for temperature detection in power cables [J]. Sensors and Actuators A： Physical， 2006， 125（02）： 148-155.

[4]呂宗巖.分布式光纖溫度傳感器的系統設計[D].秦皇島：燕山大學，2005.

[5]奧誠喜，金克新，李潭等.Mach-Zehnder光纖溫度傳感器的研究[J].陜西科技大學學報，2004，22（06）：104-107.

[6]廖延彪，黎敏，張敏，匡武.光纖傳感技術與應用[M].北京： 清華大學出版社，2009.

[7]李愛群，周廣東.光纖Bragg光柵傳感器測試技術研究進展與展望（Ⅰ）：應變、溫度測試[J].東南大學學報（自然科學版），2009，39（ 06）：1298-1307.

[8]Smith T V， Smith D B. Fiber optical temperature sensor using a Y2O2S：Eu theragraphic phosphor [J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering， 1994， 2070： 456-463.

[9]常丹華，王延云.譜帶吸收式光纖溫度傳感器[J].光子學報，2001，30（07）：885-888.