光纖溫度傳感器

1、簡述光纖溫度傳感器原理簡述光纖溫度傳感器原理及應(yīng)用分析及應(yīng)用分析目錄目錄光纖傳感器基本原理1功能型光纖溫度傳感器2傳輸型光纖溫度傳感器3總結(jié)與展望4一、光纖傳感原理物理量敏感特性物理量敏感特性二、光纖溫度傳感器原理特點相關(guān)應(yīng)用分類光纖溫度傳感器功能型傳輸型功能型：利用光導(dǎo)纖維本身具有的某種某種敏感功能敏感功能而使光纖起到測量溫度的作用傳輸型：光導(dǎo)纖維只起到傳輸光只起到傳輸光的作用，必須在光纖端面加裝其它的敏感元件才能構(gòu)成新型傳感器的傳輸型傳感器。三、兩種傳感器的舉例介紹12功能型分布式光纖溫度傳感器干涉式光纖溫度傳感器3反射式光纖溫度傳感器4光纖光柵溫度傳感器1.干涉式光纖溫度傳感器屬于相位調(diào)

2、制式相位調(diào)制式功能型光纖溫度傳感器，主要應(yīng)用于精密測精密測溫領(lǐng)域溫領(lǐng)域工作原理：當(dāng)兩根在溫度場的光纖在不同的溫度場工作時,其折射率會產(chǎn)生差異,隨之光程也會發(fā)生差異.若此時進(jìn)行耦合,就會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象.設(shè)兩臂光纖的長度分別為設(shè)兩臂光纖的長度分別為L1,L1,和和L2,L2,光在光纖中的傳播常數(shù)為光在光纖中的傳播常數(shù)為,纖芯的折射率為纖芯的折射率為n,n,光在真空中的光在真空中的傳播常數(shù)為傳播常數(shù)為k,k,經(jīng)過這段光纖傳輸經(jīng)過這段光纖傳輸后，兩根光纖輸出光的相位差為后，兩根光纖輸出光的相位差為:1122LL2/knn()dLddldntLtLtLK ndtdtdtdt當(dāng)光纖其中一臂受溫度的影響發(fā)生變

3、化后當(dāng)光纖其中一臂受溫度的影響發(fā)生變化后,光光輸出相位差發(fā)生變化：輸出相位差發(fā)生變化：dldtddt單位長度光纖溫度變化一度時產(chǎn)生的變化溫度變化一度時產(chǎn)生的變化2.分布式光纖溫度傳感器411exp(/)1SSIhckT411exp(/)1aaIhckT -斯托克斯光和反斯托克斯光波長； -普朗克常數(shù)； -真空中的光速； -波爾茲曼常數(shù)； -偏移波數(shù)； -絕對溫度。拉曼散射光就是由斯托克斯光和反斯托克斯光這兩種不同波長的光組成的,其波長的偏移由光纖組成元素的固定屬性決定,因此拉曼散射光的強度與溫度有關(guān),其關(guān)系如下:在系統(tǒng)設(shè)計中,采用雙通道雙波長比較的方法,即對斯托克斯光和反斯托克斯光分別進(jìn)行采集

4、,利用兩者強度的比值解調(diào)溫度信號,sa hckT分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)2.分布式光纖溫度傳感器光線調(diào)制拉曼散射分束器、反光鏡、雙光柵單色儀斯托克斯和反斯托克斯散射光光電倍增器過濾噪聲電子計數(shù)器計算機拉曼分布式溫度傳感器不足之處：返回信號非常弱,因為反斯托克斯-拉曼散射比瑞利散射強度要弱2030 dB.主要優(yōu)點是:1、非接觸測量,可測運動物體的瞬間溫度;2、響應(yīng)速度快,沒有一般溫度計的熱平衡時間,可作 為高溫測量.3.反射式光纖溫度傳感器傳感原理：反射率隨溫度變化。這種結(jié)構(gòu)的傳感器其輸出隨溫度變化的響應(yīng)速度較快,響應(yīng)時間小于3秒測溫范圍：0一150 ,準(zhǔn)確度1 3反射式溫度傳感器反射式光纖溫度

5、測量系統(tǒng)特點：適合用作測量高壓電氣設(shè)備絕緣內(nèi)部溫度的傳感器由于此測量方法中所用的測溫元件是全絕緣、小尺寸的光纖溫度傳感器,用在高壓電氣設(shè)備上的最大優(yōu)點是可以直接測出高壓電氣設(shè)備的內(nèi)部溫度。4.光纖光柵溫度傳感器工作原理：借助于某種裝置將被測參量的變化轉(zhuǎn)化為作用于光纖光柵上的應(yīng)變或溫度的變化,從而引起光纖光柵布喇格波長的變化通過建立并標(biāo)定光纖光柵的應(yīng)變或溫度響應(yīng)與被測參量變化的關(guān)系,就可以由光纖光柵布喇格波長的變化,測量出被測量的變化。將被測參量的變化光纖光柵上的應(yīng)變或溫度的變化光纖光柵布喇格波長的變化建立兩者之間建的關(guān)系測出被測參量的變化4.光纖光柵溫度傳感器effneffn根據(jù)光纖耦合模理論

6、,當(dāng)寬帶光在光纖布喇格光柵中傳輸時,產(chǎn)生模式藕合,滿足布喇格條件的波長光被反射,于是有=2nBeffB22effeffnn 光纖光柵的中心反射波長 隨 的改變而改變，由于溫度和應(yīng)力的變化都導(dǎo)致 和 發(fā)生變化,產(chǎn)生 和可得布喇格條件的發(fā)射光波長的移位為光纖柵格周期導(dǎo)模的有效折射率effneffn4.光纖光柵溫度傳感器測溫系統(tǒng)雙波長光纖溫度傳感器雙波長光纖溫度傳感器1 半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器2 使用雙金屬片的光纖溫度傳感器使用雙金屬片的光纖溫度傳感器32.光纖傳輸型溫度傳感器4光纖熒光溫度傳感器光纖熒光溫度傳感器5新型結(jié)構(gòu)光纖溫度傳感器新型結(jié)構(gòu)光纖溫度傳感器4輻射式光

7、纖溫度傳感器輻射式光纖溫度傳感器6接觸式非接觸式非接觸式雙波長光纖溫度傳感器接收黑體腔發(fā)射的輻射光波從測量現(xiàn)場傳回至儀表波分復(fù)用器將輻射光轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由二次儀表計算出溫度接觸式光纖溫度傳感器接觸式雙波長光纖溫度傳感器 藍(lán)寶石光纖可以構(gòu)成良好的黑體式溫度傳感器. 傳感器在藍(lán)寶石光纖的一端涂覆高反射率的感溫介質(zhì)薄層,并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)形成一個微型的光纖感溫腔.在其接觸熱源達(dá)到熱平衡時,感溫腔輻射的光信號經(jīng)藍(lán)寶石光纖傳輸耦合進(jìn)傳輸光纖內(nèi).優(yōu)點：1、藍(lán)寶石單晶物理化學(xué)性能穩(wěn)定、機械強度好、本質(zhì)絕緣,耐腐蝕2、在0.30.4m波段范圍內(nèi)透光性很好,熔點高達(dá)2 045 .3、藍(lán)寶石單晶光纖既有藍(lán)

8、寶石單晶的優(yōu)良性能又有光波導(dǎo)的特點, 測溫范圍在5002 000 缺點：當(dāng)溫度高于1 700時,表面有所變化,應(yīng)用受到一定的限制2、半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器溫敏元件采用半導(dǎo)體材料(如GaAs）制成。其光譜透過率T（，t）為溫度和波長的函數(shù)透過率與溫度和波長的關(guān)系光強和溫度的關(guān)系：12200( )(1)exp(0)/(1) I tIRa hvEgtl0IR0,a (0)Egtl入射光強半導(dǎo)體材料入射面的反射率與半導(dǎo)體材料相關(guān)的常數(shù)溫度為0K時的禁帶寬度能量溫度半導(dǎo)體材料厚度半導(dǎo)體光纖溫度傳感器 半導(dǎo)體光纖溫度測量系統(tǒng)3、使用雙金屬片的光纖溫度傳感器它是采用差動熱膨脹原理的傳感器,所使用的傳感元

9、件為雙金屬片.兩個反射目標(biāo)材料(鋁和硅)具有明顯的熱膨脹差異特性,它們能將來自輸入光纖的光線反射到輸出光纖. 輸出光纖中產(chǎn)生了干涉條紋。如果將干涉條數(shù)進(jìn)行處理,便得到應(yīng)用反射原理測量溫度的數(shù)字顯示方法.這種方法易于實現(xiàn),工藝成熟,性能可靠.在0100之間有良好的測試結(jié)果.輸入光纖反射輸出光纖干涉條數(shù)處理兩個目標(biāo)彼此靠近干涉條紋溫度數(shù)字顯示溫度變化4、新型結(jié)構(gòu)光纖溫度傳感器此種光纖溫度傳感器屬于光強調(diào)制型傳感器普通光纖在被外力擠壓時,光纖中光強的變化量很小,幾乎測不到,所以光強調(diào)制型的光纖溫度傳感器一般要加外部敏感元件,從而調(diào)制光纖中的光強。新型結(jié)構(gòu)光纖溫度傳感器經(jīng)過鍍膜的光纖溫度傳感器的工作示

10、意圖優(yōu)勢：傳感器的溫度響應(yīng)時間為0.5 s,靈敏度高,線性度和重復(fù)度都較高.光纖熒光溫度傳感器 熒光材料受到紫外線激發(fā)時發(fā)出熒光,其熒光強度與熒光材料的溫度及激發(fā)光強度有關(guān).對于某些熒光材料,在不同波長下的熒光發(fā)射具有不同的溫度特性,且它們的熒光強度與激發(fā)光強度成線性關(guān)系.所以發(fā)光強度的比值大小取決于激發(fā)光強度和材料的溫度.此傳感器是建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上.5、熒光光纖溫度傳感器傳光型功能型傳光型：采用熒光材料粘接或涂敷在光纖端頭或被測物體表面作為敏感部分功能型：在光纖中摻雜一定濃度的稀有元素作為敏感部分。根據(jù)對熒光信號處理方式的不同,熒光光纖溫度傳感器可分為熒光強度型、熒光壽命型。

11、光纖熒光溫度傳感器測溫范圍為-30200 ,精度為5 .在070的測溫范圍內(nèi),連續(xù)測溫偏差0.04簡單的工作流程圖如右圖所示輻射式光纖溫度傳感器紅外測溫的基本原理條件：本身及其周圍溫度不是絕對零度現(xiàn)象：物體向周圍輻射熱量 動平衡狀態(tài)在溫度測量中，通常應(yīng)用的是可見光區(qū)與0.7620um的紅外光區(qū)。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定。光譜輻射出射度：某一波長附近的單位波長間隔內(nèi)單位面積向半球空間輻射的功率。4,0TTMMdT2-51,1=cTTMC（ e- 1）全輻射出射度 由斯蒂芬-波爾茲曼定律導(dǎo)出T為絕對溫度 實際物體的出射度需乘以發(fā)射率輻射式光纖溫度傳感器的應(yīng)用2、接觸-非接觸式光纖溫度傳感器1、亮度式光纖溫度儀亮度式光纖溫度儀燕山大學(xué) WFH-68A型亮度光纖測溫儀優(yōu)勢：最大誤差為1.0%，分辨率為1 ,響應(yīng)時間為0.1ms具有精度高，響應(yīng)速度快和重復(fù)性良好等特點。特點：在5002000測量范圍內(nèi)可得0.01 的溫度分辨率接觸-非接觸式光纖測溫系統(tǒng)（武漢理工大學(xué)）主要特點：采用比色測溫法，將光纖測溫技術(shù)和比色測溫法兩者的優(yōu)點結(jié)合了起來。比色測溫法：通過測量物體兩個（或三個及其以上）波段上的輻射亮度，比色測溫法：通過測量物體兩個（或三個及其以上）波段上的輻射亮度，并根據(jù)他們的比值來確定溫度并根據(jù)