光纖測(cè)溫傳感器

1、第第1010章章 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器2022-3-第第1010章章 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器110.2 10.2 傳光型光纖溫度傳感器傳光型光纖溫度傳感器210.3 10.3 功能型光纖溫度傳感器功能型光纖溫度傳感器310.4 10.4 分布式光纖溫度傳感器分布式光纖溫度傳感器410.1 10.1 引引 言言2022-3-10.1 10.1 引引 言言v 光纖用于溫度測(cè)量的機(jī)理與結(jié)構(gòu)形式多種多樣，光纖用于溫度測(cè)量的機(jī)理與結(jié)構(gòu)形式多種多樣，按光纖按光纖所起的作用基本上可分為兩大類：所起的作用基本上可分為兩大類：v 一類是傳光型，一類是傳光型，這類傳感器僅由光纖的幾何位置排布實(shí)這類傳

2、感器僅由光纖的幾何位置排布實(shí)現(xiàn)光轉(zhuǎn)換功能；現(xiàn)光轉(zhuǎn)換功能；v 另一類是傳感型，另一類是傳感型，它以光的相位、波長(zhǎng)、強(qiáng)度（干涉）它以光的相位、波長(zhǎng)、強(qiáng)度（干涉）等為測(cè)量信號(hào)。等為測(cè)量信號(hào)。v 傳光型與傳感型相比，傳光型與傳感型相比，雖然其溫度靈敏度較低，但是由雖然其溫度靈敏度較低，但是由于具有技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等特于具有技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在實(shí)用化技術(shù)方面取得了突破，發(fā)展較快。點(diǎn)，在實(shí)用化技術(shù)方面取得了突破，發(fā)展較快。2022-3-10.1 10.1 引引 言言v 表表10.1 10.1 光纖溫度傳感器的測(cè)溫機(jī)理及特點(diǎn)光纖溫度傳感器的測(cè)溫機(jī)理及特點(diǎn)v

3、對(duì)測(cè)量物體某一點(diǎn)溫度或溫度場(chǎng)溫度的點(diǎn)式光纖溫度傳感對(duì)測(cè)量物體某一點(diǎn)溫度或溫度場(chǎng)溫度的點(diǎn)式光纖溫度傳感器的研究和開(kāi)發(fā)比較活躍。器的研究和開(kāi)發(fā)比較活躍。v 近幾年，為了解決溫度場(chǎng)的測(cè)量問(wèn)題，研制出了分布式光近幾年，為了解決溫度場(chǎng)的測(cè)量問(wèn)題，研制出了分布式光纖溫度傳感器。纖溫度傳感器。測(cè)測(cè) 溫溫 機(jī)機(jī) 理理 傳感器的特點(diǎn)傳感器的特點(diǎn) 熒光熒光 激發(fā)的熒光（強(qiáng)度、時(shí)間）與測(cè)量溫度的相關(guān)性（熒激發(fā)的熒光（強(qiáng)度、時(shí)間）與測(cè)量溫度的相關(guān)性（熒光余輝）光余輝） 光干涉光干涉 法布里法布里- -珀羅器件，薄膜干涉珀羅器件，薄膜干涉 光吸收光吸收 砷化鎵等半導(dǎo)體吸收砷化鎵等半導(dǎo)體吸收 熱致光輻射熱致光輻射黑體腔、

4、石英、紅外光纖、光導(dǎo)棒黑體腔、石英、紅外光纖、光導(dǎo)棒 光散射光散射 載有溫度信息的光在光纖中形成的拉曼散射、瑞利散載有溫度信息的光在光纖中形成的拉曼散射、瑞利散射射 2022-3-10.2 10.2 傳光型光纖溫度傳感器傳光型光纖溫度傳感器 半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度 傳感器傳感器 熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器 熒光型光纖溫度傳感器熒光型光纖溫度傳感器2022-3-10.2.1 10.2.1 半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器v 許多半導(dǎo)體材料在它的紅限波長(zhǎng)許多半導(dǎo)體材料在它的紅限波長(zhǎng) （即其禁帶寬度對(duì)應(yīng)（即其禁帶寬度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)）的一段光

5、波長(zhǎng)范圍內(nèi)有遞減的吸收特性，超過(guò)這的波長(zhǎng)）的一段光波長(zhǎng)范圍內(nèi)有遞減的吸收特性，超過(guò)這一波段范圍幾乎不產(chǎn)生吸收，這一波段范圍稱為一波段范圍幾乎不產(chǎn)生吸收，這一波段范圍稱為半導(dǎo)體材半導(dǎo)體材料的吸收端料的吸收端。 例如例如 GaAs, CdTe 材料的吸收端在材料的吸收端在0.9 m附近，如圖附近，如圖10.1(a)10.1(a)所示。所示。 (a) (a) 光吸收溫度特性光吸收溫度特性 (b) (b) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 圖圖10.1 10.1 半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器g2022-3-10.2.1 10.2.1 半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器v 用這

6、種半導(dǎo)體材料作為溫度敏感頭的原理是，它們的禁用這種半導(dǎo)體材料作為溫度敏感頭的原理是，它們的禁帶寬度隨溫度升高幾乎線性地變窄，相應(yīng)的紅限波長(zhǎng)帶寬度隨溫度升高幾乎線性地變窄，相應(yīng)的紅限波長(zhǎng) 幾乎線性地變長(zhǎng)，從而使其光吸收端線性地向長(zhǎng)波方向幾乎線性地變長(zhǎng)，從而使其光吸收端線性地向長(zhǎng)波方向平移。顯然，當(dāng)一個(gè)輻射光譜與平移。顯然，當(dāng)一個(gè)輻射光譜與 相一致的光源發(fā)出相一致的光源發(fā)出的光通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，其透射光強(qiáng)隨溫度升高而線性地減的光通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，其透射光強(qiáng)隨溫度升高而線性地減小。圖小。圖10.1(a)10.1(a)示出了這一說(shuō)明。示出了這一說(shuō)明。v 采用如圖采用如圖10.1(b)10.1(b)所示的結(jié)構(gòu)，

7、就組成了一個(gè)最簡(jiǎn)單的光所示的結(jié)構(gòu)，就組成了一個(gè)最簡(jiǎn)單的光纖溫度傳感器。這種結(jié)構(gòu)由于光源不穩(wěn)定的影響很大，纖溫度傳感器。這種結(jié)構(gòu)由于光源不穩(wěn)定的影響很大，實(shí)際中很少采用。實(shí)際中很少采用。gg2022-3-10.2.1 10.2.1 半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器v 一個(gè)實(shí)用化的設(shè)計(jì)如圖一個(gè)實(shí)用化的設(shè)計(jì)如圖10.210.2所示。所示。它采用了兩個(gè)光源，一它采用了兩個(gè)光源，一個(gè)是鋁鎵砷發(fā)光二極管，波長(zhǎng)個(gè)是鋁鎵砷發(fā)光二極管，波長(zhǎng) ；另一個(gè)是；另一個(gè)是銦鎵磷砷發(fā)光二極管，波長(zhǎng)銦鎵磷砷發(fā)光二極管，波長(zhǎng) 。敏感頭對(duì)。敏感頭對(duì) 光的吸收隨溫度而變化，對(duì)光的吸收隨溫度而變化，對(duì) 光不吸

8、收，故取光不吸收，故取 光作為光作為參考信號(hào)。用雪崩光電二極管作為光探測(cè)器。經(jīng)采樣放大參考信號(hào)。用雪崩光電二極管作為光探測(cè)器。經(jīng)采樣放大器后，得到兩個(gè)正比于脈沖寬度的直流信號(hào)，再由除法器器后，得到兩個(gè)正比于脈沖寬度的直流信號(hào)，再由除法器以參考光信號(hào)以參考光信號(hào)( )( )為標(biāo)準(zhǔn)將與溫度相關(guān)的光信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)將與溫度相關(guān)的光信號(hào)( )( )歸一化。于是，除法器的輸出只與溫度歸一化。于是，除法器的輸出只與溫度T T有關(guān)。采用單片有關(guān)。采用單片機(jī)進(jìn)行信息處理即可顯示溫度。機(jī)進(jìn)行信息處理即可顯示溫度。10.88 m21.27 m122212022-3-10.2.1 10.2.1 半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感

9、器半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器v 這種傳感器的測(cè)量范圍是這種傳感器的測(cè)量范圍是-10300，精度可達(dá)，精度可達(dá) 1。 圖圖10.2 10.2 實(shí)用化半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器實(shí)用化半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器2022-3-10.2.2 10.2.2 熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器v 許多無(wú)機(jī)溶液的顏色隨溫度而變化，因而溶液的光吸收許多無(wú)機(jī)溶液的顏色隨溫度而變化，因而溶液的光吸收譜線也隨溫度而變化，譜線也隨溫度而變化，稱為熱色效應(yīng)稱為熱色效應(yīng)。其中鈷鹽溶液表。其中鈷鹽溶液表現(xiàn)出最強(qiáng)的光吸收作用，熱色溶液如現(xiàn)出最強(qiáng)的光吸收作用，熱色溶液如 溶液的光吸收頻譜如圖溶液的光吸收頻譜如圖1

10、0.310.3所示。所示。 圖圖10.3 10.3 熱色溶液的光吸收頻譜熱色溶液的光吸收頻譜3 32(CH ) CHOH CoCl 2022-3-10.2.2 10.2.2 熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器v 從圖從圖10.310.3可見(jiàn)，可見(jiàn)，在在 25 75 之間的不同溫度下，波長(zhǎng)之間的不同溫度下，波長(zhǎng)在在 400 800nm 范圍內(nèi)有強(qiáng)烈的熱色效應(yīng)。在范圍內(nèi)有強(qiáng)烈的熱色效應(yīng)。在 655 nm 波波長(zhǎng)處，光透射率幾乎與溫度成線性關(guān)系，而在長(zhǎng)處，光透射率幾乎與溫度成線性關(guān)系，而在 800 nm處，處，幾乎與溫度無(wú)關(guān)。幾乎與溫度無(wú)關(guān)。v 同時(shí)，這樣的熱色效應(yīng)是完全可逆的，因此可將這

11、種溶同時(shí)，這樣的熱色效應(yīng)是完全可逆的，因此可將這種溶液作為溫度敏感探頭，并分別采用波長(zhǎng)為液作為溫度敏感探頭，并分別采用波長(zhǎng)為 655 nm 和和 800nm 的光作為敏感信號(hào)和參考信號(hào)的光作為敏感信號(hào)和參考信號(hào)。2022-3-10.2.2 10.2.2 熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器v 這種溫度傳感器的組成如圖這種溫度傳感器的組成如圖10.410.4所示。所示。v 光源采用鹵素?zé)襞?，光進(jìn)入光纖之前進(jìn)行斬波調(diào)制。探頭光源采用鹵素?zé)襞?，光進(jìn)入光纖之前進(jìn)行斬波調(diào)制。探頭外徑外徑 1.5mm，長(zhǎng)為，長(zhǎng)為 10 mm，內(nèi)充鈷鹽溶液，兩根光纖插入，內(nèi)充鈷鹽溶液，兩根光纖插入探頭，構(gòu)成單端反射

12、形式。探頭，構(gòu)成單端反射形式。v 從探頭出來(lái)的光纖經(jīng)從探頭出來(lái)的光纖經(jīng) Y 形分路器將光分為兩種，分別經(jīng)形分路器將光分為兩種，分別經(jīng)655 nm 和和 800 nm 濾波片得到信號(hào)光和參考光，再經(jīng)光電濾波片得到信號(hào)光和參考光，再經(jīng)光電信息處理電路，得到溫度信息。信息處理電路，得到溫度信息。 2022-3-10.2.2 10.2.2 熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器 圖圖10.4 10.4 熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器2022-3-10.2.3 10.2.3 熒光型光纖溫度傳感器熒光型光纖溫度傳感器v 熒光現(xiàn)象大致分為兩類：熒光現(xiàn)象大致分為兩類：v 一類是下轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)

13、象，一類是下轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象，短波長(zhǎng)輻射（紫外線、短波長(zhǎng)輻射（紫外線、X射線）射線）激發(fā)出長(zhǎng)波長(zhǎng)（可見(jiàn)光）光輻射；激發(fā)出長(zhǎng)波長(zhǎng)（可見(jiàn)光）光輻射；v 另一類是上轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象，另一類是上轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象，長(zhǎng)波長(zhǎng)光輻射（長(zhǎng)波長(zhǎng)光輻射（LED、紅外、紅外光）通過(guò)雙光子效應(yīng)激發(fā)出短波長(zhǎng)（可見(jiàn)光）光輻射。光）通過(guò)雙光子效應(yīng)激發(fā)出短波長(zhǎng)（可見(jiàn)光）光輻射。v 后一類用于溫度測(cè)量時(shí)，費(fèi)效比低，有實(shí)用意義。后一類用于溫度測(cè)量時(shí)，費(fèi)效比低，有實(shí)用意義。v 熒光材料是熒光材料是 ： 熒光粉，激勵(lì)波長(zhǎng)為熒光粉，激勵(lì)波長(zhǎng)為 940 nm ，熒光波長(zhǎng)為，熒光波長(zhǎng)為 554 nm。3YF33YbEr2022-3-10.2.3 10.

14、2.3 熒光型光纖溫度傳感器熒光型光纖溫度傳感器v 熒光特性如圖熒光特性如圖10.510.5所示，分為熒光段和余輝段。所示，分為熒光段和余輝段。余輝強(qiáng)余輝強(qiáng)度度 I(t) 是溫度和時(shí)間的函數(shù)，即是溫度和時(shí)間的函數(shù)，即 圖圖10.5 10.5 光脈沖激勵(lì)的熒光特性光脈沖激勵(lì)的熒光特性2022-3-10.2.3 10.2.3 熒光型光纖溫度傳感器熒光型光纖溫度傳感器 (10.1)(10.1)v 式中，式中， ；A A是常數(shù)；是常數(shù)； 是停止激勵(lì)時(shí)的熒是停止激勵(lì)時(shí)的熒光峰值強(qiáng)度，光峰值強(qiáng)度，t t 是溫度的函數(shù)；是溫度的函數(shù)； 是熒光余輝壽命，是熒光余輝壽命，是溫度的函數(shù)。是溫度的函數(shù)。v 式式(1

15、0.1)(10.1)表明，表明， 和和 是兩個(gè)與溫度是兩個(gè)與溫度T T 有關(guān)的有關(guān)的獨(dú)立的參數(shù)，可用于計(jì)量溫度。聯(lián)合使用這兩個(gè)溫度參獨(dú)立的參數(shù)，可用于計(jì)量溫度。聯(lián)合使用這兩個(gè)溫度參數(shù)實(shí)現(xiàn)溫度計(jì)量的方法是所謂的余輝強(qiáng)度積分法，即數(shù)實(shí)現(xiàn)溫度計(jì)量的方法是所謂的余輝強(qiáng)度積分法，即 (10.2) (10.2)21tttP( )I T( )TP( )IT( )T( )dTI ttP( )( )exp( )tI tA ITT2022-3-10.2.3 10.2.3 熒光型光纖溫度傳感器熒光型光纖溫度傳感器v 該積分值等于圖該積分值等于圖10.510.5中斜線下的面積，如圖中陰影部分所中斜線下的面積，如圖中陰

16、影部分所示。溫度不同，這個(gè)面積不同。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是溫度計(jì)示。溫度不同，這個(gè)面積不同。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是溫度計(jì)量的重現(xiàn)性好，測(cè)量范圍寬。信號(hào)處理中采取量的重現(xiàn)性好，測(cè)量范圍寬。信號(hào)處理中采取 m 次累計(jì)平次累計(jì)平均的方法，如圖均的方法，如圖10.610.6所示。所示。 圖圖10.6 10.6 余輝強(qiáng)度積分法示意圖圖余輝強(qiáng)度積分法示意圖圖2022-3-10.2.3 10.2.3 熒光型光纖溫度傳感器熒光型光纖溫度傳感器v 熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖如圖熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖如圖10.7所示。所示。LED發(fā)射波長(zhǎng)為發(fā)射波長(zhǎng)為940 nm的脈沖光，通過(guò)光纖入射到探頭熒的脈沖光，通過(guò)

17、光纖入射到探頭熒光粉上，由于雙光子過(guò)程熒光粉發(fā)射出波長(zhǎng)為光粉上，由于雙光子過(guò)程熒光粉發(fā)射出波長(zhǎng)為554 nm的綠的綠光，經(jīng)光纖分路送至光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)放大光，經(jīng)光纖分路送至光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)放大電路放大，由微機(jī)控制的采樣、保持及模電路放大，由微機(jī)控制的采樣、保持及模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)熒數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)熒光波進(jìn)行采樣，并由微機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出溫光波進(jìn)行采樣，并由微機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出溫度的信息。度的信息。 v 10.7 10.7熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖2022-3-10.3 10.3 功能型光纖溫度傳感器功能型光纖溫度傳

18、感器v v 光纖溫度開(kāi)關(guān)傳感器光纖溫度開(kāi)關(guān)傳感器 熱輻射光纖高溫傳感器熱輻射光纖高溫傳感器 摻雜光纖溫度傳感器摻雜光纖溫度傳感器 相位干涉型光纖溫度傳感器相位干涉型光纖溫度傳感器2022-3-10.3.1 10.3.1 光纖溫度開(kāi)關(guān)傳感器光纖溫度開(kāi)關(guān)傳感器v 如果光纖纖心和包層材料的折射率隨溫度變化，且在某一如果光纖纖心和包層材料的折射率隨溫度變化，且在某一溫度下出現(xiàn)交叉時(shí)，這種光纖就可以用做溫度下出現(xiàn)交叉時(shí)，這種光纖就可以用做光纖溫度傳感器。光纖溫度傳感器。v 圖圖10.810.8示出了三對(duì)這種光纖材料的折射率交叉點(diǎn)情況。示出了三對(duì)這種光纖材料的折射率交叉點(diǎn)情況。 圖圖10.8 10.8 三

19、對(duì)光纖材料的折射率交叉點(diǎn)三對(duì)光纖材料的折射率交叉點(diǎn)2022-3-10.3.1 10.3.1 光纖溫度開(kāi)關(guān)傳感器光纖溫度開(kāi)關(guān)傳感器v 在圖在圖10.810.8中：中：v 當(dāng)纖心折射率大于包層折射率時(shí)，光能被集中在纖心中。當(dāng)纖心折射率大于包層折射率時(shí)，光能被集中在纖心中。v 當(dāng)溫度升高到兩條折射率曲線的交叉點(diǎn)時(shí)，因纖心與包層當(dāng)溫度升高到兩條折射率曲線的交叉點(diǎn)時(shí)，因纖心與包層折射率的差為折射率的差為0 ，光能進(jìn)入包層。，光能進(jìn)入包層。v 溫度再升高，纖心中光能量將中斷，傳感器將發(fā)出警報(bào)信溫度再升高，纖心中光能量將中斷，傳感器將發(fā)出警報(bào)信號(hào)。號(hào)。 2022-3-10.3.2 10.3.2 摻雜光纖溫度

20、傳感器摻雜光纖溫度傳感器 摻雜稀土元素（如釹、銪）的玻璃光纖，具有溫度敏感摻雜稀土元素（如釹、銪）的玻璃光纖，具有溫度敏感的吸收光譜，在兩個(gè)波長(zhǎng)處具有單調(diào)溫度函數(shù)特性，如的吸收光譜，在兩個(gè)波長(zhǎng)處具有單調(diào)溫度函數(shù)特性，如圖圖10.910.9所示。所示。 (a) (a) 摻釹光纖溫度敏感的吸收光譜摻釹光纖溫度敏感的吸收光譜 (b) (b) 溫度響應(yīng)曲線溫度響應(yīng)曲線 圖圖10.9 10.9 摻釹光纖的溫度特性摻釹光纖的溫度特性2022-3-10.3.3 10.3.3 熱輻射光纖高溫傳感器熱輻射光纖高溫傳感器v 熱輻射光纖高溫傳感器是基于光纖被加熱要引起熱輻射熱輻射光纖高溫傳感器是基于光纖被加熱要引起

21、熱輻射這個(gè)原理的。這個(gè)原理的。v 接觸式熱輻射光纖高溫傳感器通常有兩種構(gòu)成方式：分接觸式熱輻射光纖高溫傳感器通常有兩種構(gòu)成方式：分布黑體腔和固定黑體腔。布黑體腔和固定黑體腔。v 固定黑體腔光纖高溫傳感器，其構(gòu)成原理如圖固定黑體腔光纖高溫傳感器，其構(gòu)成原理如圖10.1010.10所示。所示。 圖圖10.10 10.10 固定黑體腔光纖高溫傳感器的構(gòu)成原理固定黑體腔光纖高溫傳感器的構(gòu)成原理2022-3-10.3.3 10.3.3 熱輻射光纖高溫傳感器熱輻射光纖高溫傳感器v 這種傳感器主要包括三大部分：這種傳感器主要包括三大部分：帶黑體腔的高溫單晶藍(lán)寶帶黑體腔的高溫單晶藍(lán)寶石石( (-Al2O3 )

22、 )光纖、傳送待測(cè)熱輻射功率的低溫多模光纖光纖、傳送待測(cè)熱輻射功率的低溫多模光纖和光電數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。和光電數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。v 當(dāng)黑體腔與待測(cè)高溫區(qū)熱平衡時(shí)，黑體腔就按照黑體輻射當(dāng)黑體腔與待測(cè)高溫區(qū)熱平衡時(shí)，黑體腔就按照黑體輻射定律發(fā)射與待測(cè)溫度定律發(fā)射與待測(cè)溫度T T 相對(duì)應(yīng)的電磁輻射，相對(duì)應(yīng)的電磁輻射，其譜功率密度其譜功率密度出射度為出射度為 (10.3) (10.3)v 式中，式中， 為黑體腔譜發(fā)射率；為黑體腔譜發(fā)射率； 為第一輻射常數(shù)為第一輻射常數(shù)( )( )； 為第二輻射常為第二輻射常( )( )； 2152( ) (W/mm)exp1CM TCT1C8423.7415 10 W m/m

23、2C41.4387 10 m K 2022-3-10.3.3 10.3.3 熱輻射光纖高溫傳感器熱輻射光纖高溫傳感器v 入射到光電二極管光敏面的黑體輻射功率為入射到光電二極管光敏面的黑體輻射功率為v (10.4) (10.4)v 可見(jiàn)，入射到光電二極管光敏面上的功率可見(jiàn)，入射到光電二極管光敏面上的功率 與待測(cè)溫度與待測(cè)溫度 有確定關(guān)系，這就是熱輻射光纖高溫傳感器的原理依有確定關(guān)系，這就是熱輻射光纖高溫傳感器的原理依據(jù)。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、據(jù)。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、A/D 轉(zhuǎn)換、微機(jī)處理及顯轉(zhuǎn)換、微機(jī)處理及顯示，給出待測(cè)溫度值。示，給出待測(cè)溫度值。 v 綜合討論，實(shí)現(xiàn)光纖高溫傳感技術(shù)的關(guān)鍵是：

24、綜合討論，實(shí)現(xiàn)光纖高溫傳感技術(shù)的關(guān)鍵是：第一，性第一，性能穩(wěn)定的高溫光纖及黑體腔的制作；第二，適應(yīng)大動(dòng)態(tài)能穩(wěn)定的高溫光纖及黑體腔的制作；第二，適應(yīng)大動(dòng)態(tài)范圍要求的高性噪比電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的精心設(shè)計(jì)。范圍要求的高性噪比電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的精心設(shè)計(jì)。1.11 20.4exp( )dPn n SlMT12exp( ) (W)n n Sl M TPT2022-3-10.3.3 10.3.3 熱輻射光纖高溫傳感器熱輻射光纖高溫傳感器v 關(guān)于藍(lán)寶石光纖探頭黑體腔的形成，有三種方法：關(guān)于藍(lán)寶石光纖探頭黑體腔的形成，有三種方法：濺射濺射蒸鍍、包鉗和人工纏繞。前者性能最好，但成品率低，蒸鍍、包鉗和人工纏繞。前者性

25、能最好，但成品率低，后兩種方法非常簡(jiǎn)單，且性能滿足要求。后兩種方法非常簡(jiǎn)單，且性能滿足要求。v 為了使黑體腔的發(fā)射率為了使黑體腔的發(fā)射率 穩(wěn)定，一般只要控制黑體腔穩(wěn)定，一般只要控制黑體腔的長(zhǎng)徑比大于的長(zhǎng)徑比大于 3 即可，則即可，則 。v 圖圖10.1110.11示出了信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖。示出了信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖。采用這樣的系采用這樣的系統(tǒng)，在統(tǒng)，在 500 1800 的高溫范圍內(nèi)，測(cè)溫精度高達(dá)的高溫范圍內(nèi)，測(cè)溫精度高達(dá) 0.1。如果采用光譜校準(zhǔn)技術(shù)，測(cè)溫精度可達(dá)。如果采用光譜校準(zhǔn)技術(shù)，測(cè)溫精度可達(dá) 0.05 。12022-3-10.3.3 10.3.3 熱輻射光纖高溫傳感器熱輻射光纖

26、高溫傳感器 圖圖10.11 10.11 信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖2022-3-10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纖溫度傳感器相位干涉型光纖溫度傳感器v 利用相位干涉儀做成的光纖溫度傳感器有多種形式，其中利用相位干涉儀做成的光纖溫度傳感器有多種形式，其中以馬赫以馬赫- -澤得光纖干涉儀和法布里澤得光纖干涉儀和法布里- -珀羅光纖干涉儀最為典珀羅光纖干涉儀最為典型。型。v 馬赫馬赫- -澤得光纖干涉儀光纖溫度傳感器的特點(diǎn)是：澤得光纖干涉儀光纖溫度傳感器的特點(diǎn)是： 靈敏度高（理論值可達(dá)靈敏度高（理論值可達(dá)10-8 ），可對(duì)多種物理量敏感，），可對(duì)多種物理量敏感，對(duì)光纖本身性

27、能要求高（如要采用高雙折射單模保偏光纖，對(duì)光纖本身性能要求高（如要采用高雙折射單模保偏光纖，且要求對(duì)非測(cè)物理量去敏等）。且要求對(duì)非測(cè)物理量去敏等）。2022-3-10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纖溫度傳感器相位干涉型光纖溫度傳感器v 馬赫馬赫- -澤得光纖溫度傳感器工作時(shí)：澤得光纖溫度傳感器工作時(shí)：v 由激光器（如由激光器（如 He-Ne 激光器）發(fā)出的激光經(jīng)分束器分別激光器）發(fā)出的激光經(jīng)分束器分別送入兩根長(zhǎng)度基本相同的單模光纖。將兩根光纖的輸出送入兩根長(zhǎng)度基本相同的單模光纖。將兩根光纖的輸出光束匯合到一起，兩光束發(fā)生干涉，出現(xiàn)干涉條紋，光光束匯合到一起，兩光束發(fā)生干涉，出現(xiàn)干涉條紋，

28、光電探測(cè)器用來(lái)檢測(cè)干涉條紋的變化。電探測(cè)器用來(lái)檢測(cè)干涉條紋的變化。v 當(dāng)測(cè)量（敏感）臂光纖受到溫度場(chǎng)的作用后，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)測(cè)量（敏感）臂光纖受到溫度場(chǎng)的作用后，會(huì)產(chǎn)生相位變化，從而引起干涉條紋的移動(dòng)。位變化，從而引起干涉條紋的移動(dòng)。v 顯然，干涉條紋的移動(dòng)量反映出被測(cè)溫度的變化。顯然，干涉條紋的移動(dòng)量反映出被測(cè)溫度的變化。2022-3-10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纖溫度傳感器相位干涉型光纖溫度傳感器v 考慮到測(cè)量臂光波相位變化是由溫度變化引起的，可以考慮到測(cè)量臂光波相位變化是由溫度變化引起的，可以寫(xiě)出溫度靈敏度為寫(xiě)出溫度靈敏度為 (10.5) (10.5)v 對(duì)石英光纖而言，有對(duì)石英

29、光纖而言，有 (10.6)(10.6)550.70 10 ()1.64 10 ()T51 d0.68 10()dnn T（裸光纖）（裸光纖）（護(hù)套光纖）（護(hù)套光纖）11nlTnTlT2022-3-10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纖溫度傳感器相位干涉型光纖溫度傳感器v 由這兩個(gè)數(shù)值量級(jí)可見(jiàn)由這兩個(gè)數(shù)值量級(jí)可見(jiàn)，對(duì)石英裸光纖，其溫度靈敏度，對(duì)石英裸光纖，其溫度靈敏度幾乎完全由折射率變化（光彈效應(yīng)）決定，這是因?yàn)槭瘞缀跬耆烧凵渎首兓ü鈴椥?yīng)）決定，這是因?yàn)槭⒈旧淼臒崤蛎浵禂?shù)極小的緣故；而護(hù)套石英光纖的溫英本身的熱膨脹系數(shù)極小的緣故；而護(hù)套石英光纖的溫度靈敏度比裸光纖大得多。度靈敏度比裸

30、光纖大得多。v 這說(shuō)明，這說(shuō)明，護(hù)套層的楊氏模量和膨脹系數(shù)對(duì)光纖的溫度靈護(hù)套層的楊氏模量和膨脹系數(shù)對(duì)光纖的溫度靈敏度影響很大。敏度影響很大。v 實(shí)際上，實(shí)際上，人們正是利用不同護(hù)套材料的熱膨脹系數(shù)的差人們正是利用不同護(hù)套材料的熱膨脹系數(shù)的差異來(lái)對(duì)光纖進(jìn)行異來(lái)對(duì)光纖進(jìn)行溫度增敏（高膨脹系數(shù)），或?qū)囟热囟仍雒簦ǜ吲蛎浵禂?shù)），或?qū)囟热ッ簦ǖ蜏囟认禂?shù)）。敏（低溫度系數(shù)）。2022-3-10.4 10.4 分布式光纖溫度傳感器分布式光纖溫度傳感器v 典型的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，能在整個(gè)連續(xù)的光纖典型的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，能在整個(gè)連續(xù)的光纖上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式測(cè)量出光纖上各點(diǎn)的溫度值。

31、上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式測(cè)量出光纖上各點(diǎn)的溫度值。v 分布式光纖溫度傳感器的工作機(jī)理是：分布式光纖溫度傳感器的工作機(jī)理是：基于光纖內(nèi)部光的基于光纖內(nèi)部光的散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)，將較高散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)，將較高功率窄帶光脈沖送入光纖，然后將返回的散射光強(qiáng)隨時(shí)間功率窄帶光脈沖送入光纖，然后將返回的散射光強(qiáng)隨時(shí)間的變化探測(cè)下來(lái)。的變化探測(cè)下來(lái)。v 從光纖返回的散射光有三種成分：從光纖返回的散射光有三種成分：v (1) (1) 瑞利散射，是強(qiáng)度最高的散射成分；瑞利散射，是強(qiáng)度最高的散射成分；v (2) (2) 拉曼散射；拉曼散射；v (3) (3) 布里淵

32、散射。布里淵散射。2022-3- 10.4 10.4 分布式光纖溫度傳感器分布式光纖溫度傳感器 光纖光時(shí)域反射原理光纖光時(shí)域反射原理 光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng) 分布式光纖布里淵散射型溫度傳感器分布式光纖布里淵散射型溫度傳感器 分布式光纖拉曼背向散射光子溫度傳感器分布式光纖拉曼背向散射光子溫度傳感器2022-3-10.4.1 10.4.1 光纖光時(shí)域反射原理光纖光時(shí)域反射原理v 光時(shí)域反射光時(shí)域反射( (Optical Time-Domain Reflectometry, OTDR)技術(shù)最初用于評(píng)價(jià)光學(xué)通信領(lǐng)域中光纖、光纜和耦合器技術(shù)最初用于評(píng)價(jià)光學(xué)通信領(lǐng)域中光纖

33、、光纜和耦合器的性能，是用于檢驗(yàn)光纖損耗特性、光纖故障的手段，的性能，是用于檢驗(yàn)光纖損耗特性、光纖故障的手段，同時(shí)也是分布式光纖傳感器的基礎(chǔ)。同時(shí)也是分布式光纖傳感器的基礎(chǔ)。v 圖圖10.1210.12是基于背向散射的光纖分布式傳感器的測(cè)量原理。是基于背向散射的光纖分布式傳感器的測(cè)量原理。2022-3-10.4.1 10.4.1 光纖光時(shí)域反射原理光纖光時(shí)域反射原理v 當(dāng)光通過(guò)圖當(dāng)光通過(guò)圖10.1210.12中所示的測(cè)量物理場(chǎng)時(shí)，光能量將以三中所示的測(cè)量物理場(chǎng)時(shí)，光能量將以三種方式分配：種方式分配：v (1) (1) 一部分能量沿著光纖傳輸通道繼續(xù)傳播；一部分能量沿著光纖傳輸通道繼續(xù)傳播；v

34、(2) (2) 一部分能量在傳輸過(guò)程中被吸收損耗或是散射至光一部分能量在傳輸過(guò)程中被吸收損耗或是散射至光纖外；纖外；v (3) (3) 一部分能量被耦合至接收通道，被光電探測(cè)器探測(cè)。一部分能量被耦合至接收通道，被光電探測(cè)器探測(cè)。 圖圖10.12 10.12 基于背向散射的光纖分布式傳感器的測(cè)量原理基于背向散射的光纖分布式傳感器的測(cè)量原理2022-3-10.4.1 10.4.1 光纖光時(shí)域反射原理光纖光時(shí)域反射原理v 當(dāng)脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖中存在折射率的微觀當(dāng)脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，因此會(huì)產(chǎn)生瑞利散射。不均勻性，因此會(huì)產(chǎn)生瑞利散射。v 若入射光經(jīng)背向散射返

35、回到探測(cè)器端所需的時(shí)間為若入射光經(jīng)背向散射返回到探測(cè)器端所需的時(shí)間為 ，光脈沖在光纖中傳輸?shù)穆烦虨楣饷}沖在光纖中傳輸?shù)穆烦虨?L ，則，則 2L = vt 。v 其中，其中， 為光在光纖中的傳播速度，為光在光纖中的傳播速度，v = c/n； 為光在為光在真空中的速度；真空中的速度；n 為光纖的折射率。在為光纖的折射率。在 時(shí)刻測(cè)量的是時(shí)刻測(cè)量的是離光纖入射端距離為離光纖入射端距離為 處的背向瑞利散射光。處的背向瑞利散射光。tvctL2022-3-10.4.1 10.4.1 光纖光時(shí)域反射原理光纖光時(shí)域反射原理v 在空間域，光纖的瑞利背向散射光子數(shù)為在空間域，光纖的瑞利背向散射光子數(shù)為 (10.

36、7) (10.7) v 式中，式中， 為射入光纖的光脈沖所包含的光子數(shù)；為射入光纖的光脈沖所包含的光子數(shù)； 為為與光纖瑞利散射截面相關(guān)的系數(shù)；與光纖瑞利散射截面相關(guān)的系數(shù)； 為光纖的背向散射為光纖的背向散射因子；因子； 為入射激光光子頻率；為入射激光光子頻率； 為光纖的損耗；為光纖的損耗； 為被測(cè)物理場(chǎng)距光源的長(zhǎng)度。為被測(cè)物理場(chǎng)距光源的長(zhǎng)度。 v 可以表示為可以表示為 (10.8)(10.8) 4RR0e0exp()NK Sv NLeNRKS0v0LL/2Lctn2022-3-10.4.2 10.4.2 光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)v 在頻域中，拉曼散射光子分為斯托

37、克斯散射光子和反斯在頻域中，拉曼散射光子分為斯托克斯散射光子和反斯托克斯散射光子。斯托克斯散射光子的頻率為托克斯散射光子。斯托克斯散射光子的頻率為 (10.9) (10.9)v 反斯托克斯散射光子的頻率為反斯托克斯散射光子的頻率為 (10.10) (10.10)v 式中，式中， 為光纖分子的振動(dòng)頻率，聲子的振動(dòng)頻為光纖分子的振動(dòng)頻率，聲子的振動(dòng)頻率率 。v 在光纖在光纖 處的斯托克斯散射光子數(shù)為處的斯托克斯散射光子數(shù)為 (10.11) (10.11) S0vvv a0vvv v131.32 10 Hzv L4SSSe0SSexp () ( )NK Sv NL R T2022-3-10.4.2

38、10.4.2 光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)v 在光纖處的反斯托克斯散射光子數(shù)為在光纖處的反斯托克斯散射光子數(shù)為 (10.12) (10.12)v , , 分別為與光纖分子低能級(jí)和高能級(jí)上的分別為與光纖分子低能級(jí)和高能級(jí)上的布局?jǐn)?shù)有關(guān)的系數(shù)，它們與光纖局域處的溫度有關(guān)。布局?jǐn)?shù)有關(guān)的系數(shù)，它們與光纖局域處的溫度有關(guān)。 和和 分別為分別為 (10.13) (10.13) (10.14) (10.14)v 式中，式中， 為拉曼聲子頻率；為拉曼聲子頻率； 為普朗克常量；為普朗克常量； 為玻耳為玻耳茲曼常量。茲曼常量。4aaae0aaexp () ( )NK Sv NL R T

39、S( )R TS( )R Ta( )R Ta( )R T1S( )1exph vR Tkt 1a( )exp1h vR Tktvhk2022-3-10.4.2 10.4.2 光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)v 實(shí)際測(cè)量時(shí)，可用光纖的斯托克斯散射實(shí)際測(cè)量時(shí)，可用光纖的斯托克斯散射OTDR 曲線解調(diào)曲線解調(diào)光纖的反斯托克斯散射光纖的反斯托克斯散射OTDR 曲線，此時(shí)有曲線，此時(shí)有v (10.15) (10.15) v 經(jīng)過(guò)變換有經(jīng)過(guò)變換有v (10.17)(10.17)v 由式由式(10.17)(10.17)可得局域處的溫度為可得局域處的溫度為 (10.18)(10.18)

40、4aaaaSSSS( )expexp () ( )N TK vh vLN TK vkT aS0a0S0exp( )()()( )exph vN T N TkTN T N Th vkT aS00a0S( )( )11ln( )( )N T N TkTTh vN T N T2022-3-10.4.2 10.4.2 光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)v 對(duì)于多模光纖，如式對(duì)于多模光纖，如式(10.18)(10.18)所示的拉曼聲子頻所示的拉曼聲子頻率率 。通過(guò)上式即可以確定測(cè)量的溫度變化。通過(guò)上式即可以確定測(cè)量的溫度變化值。值。v 在實(shí)際測(cè)量中，也可以用瑞利散射在實(shí)際測(cè)量中，也

41、可以用瑞利散射OTDR 曲線來(lái)解調(diào)拉曲線來(lái)解調(diào)拉曼散射曼散射OTDR 曲線，此時(shí)，反斯托克斯自發(fā)拉曼散射與曲線，此時(shí)，反斯托克斯自發(fā)拉曼散射與瑞利散射光子數(shù)的比值為瑞利散射光子數(shù)的比值為 v (10.19) (10.19) v 當(dāng)起始溫度當(dāng)起始溫度 已知時(shí)，由式已知時(shí)，由式(10.19)(10.19)來(lái)確定光纖上來(lái)確定光纖上各點(diǎn)的溫度。各點(diǎn)的溫度。 131.3 10 Hzv 4aaaaa0RR0( )( )exp () ( )N TKvR TLN TKv0TT2022-3-10.4.2 10.4.2 光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)v 瑞利散射與溫度無(wú)關(guān)，即瑞利散射與溫

42、度無(wú)關(guān)，即 ，因此有，因此有 (10.20) (10.20)v 當(dāng)起始溫度已知時(shí)，通過(guò)式當(dāng)起始溫度已知時(shí)，通過(guò)式(10.20)(10.20)可以確定光纖上各點(diǎn)可以確定光纖上各點(diǎn)的溫度。的溫度。v 由于光纖的瑞利散射信號(hào)要比自發(fā)拉曼散射信號(hào)強(qiáng)幾個(gè)由于光纖的瑞利散射信號(hào)要比自發(fā)拉曼散射信號(hào)強(qiáng)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此式數(shù)量級(jí)，因此式(10.20)(10.20)的信噪比優(yōu)于式的信噪比優(yōu)于式(10.17)(10.17)。RR0( )( )N TN Ta0aRa0a0R0( )exp1( )( )()()exp1()h vNTkTNTNTNTh vNTNTkT2022-3-10.4.3 10.4.3 分布式光纖拉

43、曼背向散射光子溫度傳感器分布式光纖拉曼背向散射光子溫度傳感器v 典型的分布式光纖溫度傳感器及其系統(tǒng)如圖典型的分布式光纖溫度傳感器及其系統(tǒng)如圖10.1310.13所示。所示。 圖圖10.13 10.13 分布式光纖溫度傳感器及其系統(tǒng)分布式光纖溫度傳感器及其系統(tǒng)v 它主要由它主要由激光二極管激光二極管( ( LD ) )、光纖波分復(fù)用器、光電接、光纖波分復(fù)用器、光電接收與放大組件、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)等單元收與放大組件、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)等單元組成。組成。v 半導(dǎo)體激光器發(fā)出一系列光脈沖，經(jīng)過(guò)光纖耦合器進(jìn)入半導(dǎo)體激光器發(fā)出一系列光脈沖，經(jīng)過(guò)光纖耦合器進(jìn)入光纖，來(lái)自被測(cè)光纖的部分后向散射光再次經(jīng)過(guò)耦合器光纖，來(lái)自被測(cè)光纖的部分后向散射光再次經(jīng)過(guò)耦合器傳輸?shù)窖┍拦怆姸O管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。傳輸?shù)窖┍拦怆姸O管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2022-3-10.4.4 10.4.4 分布式光纖布里淵