光纖測溫傳感器

第10章光纖溫度傳感器第10章光纖溫度傳感器110.2傳光型光纖溫度傳感器210.3功能型光纖溫度傳感器310.4分布式光纖溫度傳感器410.1引言10.1引言光纖用于溫度測量的機(jī)理與結(jié)構(gòu)形式多種多樣，按光纖所起的作用基本上可分為兩大類：一類是傳光型，這類傳感器僅由光纖的幾何位置排布實現(xiàn)光轉(zhuǎn)換功能；另一類是傳感型，它以光的相位、波長、強(qiáng)度（干涉）等為測量信號。傳光型與傳感型相比，雖然其溫度靈敏度較低，但是由于具有技術(shù)上容易實現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)等特點，在實用化技術(shù)方面取得了突破，發(fā)展較快。10.1引言

表10.1光纖溫度傳感器的測溫機(jī)理及特點對測量物體某一點溫度或溫度場溫度的點式光纖溫度傳感器的研究和開發(fā)比較活躍。近幾年，為了解決溫度場的測量問題，研制出了分布式光纖溫度傳感器。測溫機(jī)理

傳感器的特點

熒光

激發(fā)的熒光（強(qiáng)度、時間）與測量溫度的相關(guān)性（熒光余輝）

光干涉法布里-珀羅器件，薄膜干涉

光吸收砷化鎵等半導(dǎo)體吸收熱致光輻射黑體腔、石英、紅外光纖、光導(dǎo)棒

光散射

載有溫度信息的光在光纖中形成的拉曼散射、瑞利散射

10.2傳光型光纖溫度傳感器10.2.1

半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器10.2.2

熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器10.2.3

熒光型光纖溫度傳感器10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器許多半導(dǎo)體材料在它的紅限波長（即其禁帶寬度對應(yīng)的波長）的一段光波長范圍內(nèi)有遞減的吸收特性，超過這一波段范圍幾乎不產(chǎn)生吸收，這一波段范圍稱為半導(dǎo)體材料的吸收端。例如GaAs,CdTe材料的吸收端在0.9μm附近，如圖10.1(a)所示。

(a)光吸收溫度特性(b)結(jié)構(gòu)

圖10.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器用這種半導(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)的紅限波長幾乎線性地變長，從而使其光吸收端線性地向長波方向平移。顯然，當(dāng)一個輻射光譜與相一致的光源發(fā)出的光通過半導(dǎo)體時，其透射光強(qiáng)隨溫度升高而線性地減小。圖10.1(a)示出了這一說明。采用如圖10.1(b)所示的結(jié)構(gòu)，就組成了一個最簡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，實際中很少采用。10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器一個實用化的設(shè)計如圖10.2所示。它采用了兩個光源，一個是鋁鎵砷發(fā)光二極管，波長；另一個是銦鎵磷砷發(fā)光二極管，波長。敏感頭對光的吸收隨溫度而變化，對光不吸收，故取光作為參考信號。用雪崩光電二極管作為光探測器。經(jīng)采樣放大器后，得到兩個正比于脈沖寬度的直流信號，再由除法器以參考光信號()為標(biāo)準(zhǔn)將與溫度相關(guān)的光信號()歸一化。于是，除法器的輸出只與溫度T有關(guān)。采用單片機(jī)進(jìn)行信息處理即可顯示溫度。10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器這種傳感器的測量范圍是-10℃~300℃，精度可達(dá)1℃。

圖10.2實用化半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器10.2.2熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器許多無機(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，稱為熱色效應(yīng)。其中鈷鹽溶液表現(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10.3所示。

圖10.3熱色溶液的光吸收頻譜10.2.2熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器從圖10.3可見，在25℃~75℃之間的不同溫度下，波長在400~800nm范圍內(nèi)有強(qiáng)烈的熱色效應(yīng)。在655nm波長處，光透射率幾乎與溫度成線性關(guān)系，而在800nm處，幾乎與溫度無關(guān)。同時，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，并分別采用波長為655nm和800nm的光作為敏感信號和參考信號。10.2.2熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器這種溫度傳感器的組成如圖10.4所示。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1.5mm，長為10mm，內(nèi)充鈷鹽溶液，兩根光纖插入探頭，構(gòu)成單端反射形式。從探頭出來的光纖經(jīng)Y形分路器將光分為兩種，分別經(jīng)655nm和800nm濾波片得到信號光和參考光，再經(jīng)光電信息處理電路，得到溫度信息。

10.2.2熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器圖10.4熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器10.2.3熒光型光纖溫度傳感器熒光現(xiàn)象大致分為兩類：一類是下轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象，短波長輻射（紫外線、X射線）激發(fā)出長波長（可見光）光輻射；另一類是上轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象，長波長光輻射（LED、紅外光）通過雙光子效應(yīng)激發(fā)出短波長（可見光）光輻射。后一類用于溫度測量時，費效比低，有實用意義。熒光材料是：熒光粉，激勵波長為940nm

，熒光波長為554nm。10.2.3熒光型光纖溫度傳感器熒光特性如圖10.5所示，分為熒光段和余輝段。余輝強(qiáng)度I(t)是溫度和時間的函數(shù)，即

圖10.5光脈沖激勵的熒光特性10.2.3熒光型光纖溫度傳感器

(10.1)式中，；A是常數(shù)；是停止激勵時的熒光峰值強(qiáng)度，t

是溫度的函數(shù)；是熒光余輝壽命，是溫度的函數(shù)。式(10.1)表明，和是兩個與溫度T有關(guān)的獨立的參數(shù)，可用于計量溫度。聯(lián)合使用這兩個溫度參數(shù)實現(xiàn)溫度計量的方法是所謂的余輝強(qiáng)度積分法，即(10.2)10.2.3熒光型光纖溫度傳感器該積分值等于圖10.5中斜線下的面積，如圖中陰影部分所示。溫度不同，這個面積不同。這種方法的優(yōu)點是溫度計量的重現(xiàn)性好，測量范圍寬。信號處理中采取m次累計平均的方法，如圖10.6所示。圖10.6余輝強(qiáng)度積分法示意圖圖10.2.3熒光型光纖溫度傳感器熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖如圖10.7所示。LED發(fā)射波長為940nm的脈沖光，通過光纖入射到探頭熒光粉上，由于雙光子過程熒光粉發(fā)射出波長為554nm的綠光，經(jīng)光纖分路送至光電探測器進(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-數(shù)轉(zhuǎn)換電路對熒光波進(jìn)行采樣，并由微機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出溫度的信息。

10.7熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖10.3功能型光纖溫度傳感器

10.3.1

光纖溫度開關(guān)傳感器

10.3.3

熱輻射光纖高溫傳感器10.3.2

摻雜光纖溫度傳感器10.3.4

相位干涉型光纖溫度傳感器10.3.1光纖溫度開關(guān)傳感器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，這種光纖就可以用做光纖溫度傳感器。圖10.8示出了三對這種光纖材料的折射率交叉點情況。圖10.8三對光纖材料的折射率交叉點10.3.1光纖溫度開關(guān)傳感器在圖10.8中：當(dāng)纖心折射率大于包層折射率時，光能被集中在纖心中。當(dāng)溫度升高到兩條折射率曲線的交叉點時，因纖心與包層折射率的差為0，光能進(jìn)入包層。溫度再升高，纖心中光能量將中斷，傳感器將發(fā)出警報信號。

10.3.2摻雜光纖溫度傳感器

摻雜稀土元素（如釹、銪）的玻璃光纖，具有溫度敏感的吸收光譜，在兩個波長處具有單調(diào)溫度函數(shù)特性，如圖10.9所示。

(a)摻釹光纖溫度敏感的吸收光譜(b)溫度響應(yīng)曲線圖10.9摻釹光纖的溫度特性10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器熱輻射光纖高溫傳感器是基于光纖被加熱要引起熱輻射這個原理的。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。固定黑體腔光纖高溫傳感器，其構(gòu)成原理如圖10.10所示。

圖10.10固定黑體腔光纖高溫傳感器的構(gòu)成原理10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器這種傳感器主要包括三大部分：帶黑體腔的高溫單晶藍(lán)寶石(α-Al2O3)光纖、傳送待測熱輻射功率的低溫多模光纖和光電數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。當(dāng)黑體腔與待測高溫區(qū)熱平衡時，黑體腔就按照黑體輻射定律發(fā)射與待測溫度T相對應(yīng)的電磁輻射，其譜功率密度出射度為

(10.3)式中，為黑體腔譜發(fā)射率；為第一輻射常數(shù)()；為第二輻射常()；10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器入射到光電二極管光敏面的黑體輻射功率為

(10.4)可見，入射到光電二極管光敏面上的功率與待測溫度有確定關(guān)系，這就是熱輻射光纖高溫傳感器的原理依據(jù)。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、微機(jī)處理及顯示，給出待測溫度值。

綜合討論，實現(xiàn)光纖高溫傳感技術(shù)的關(guān)鍵是：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。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器關(guān)于藍(lán)寶石光纖探頭黑體腔的形成，有三種方法：濺射蒸鍍、包鉗和人工纏繞。前者性能最好，但成品率低，后兩種方法非常簡單，且性能滿足要求。為了使黑體腔的發(fā)射率穩(wěn)定，一般只要控制黑體腔的長徑比大于3即可，則。圖10.11示出了信號檢測系統(tǒng)的原理框圖。采用這樣的系統(tǒng)，在500℃~1800℃的高溫范圍內(nèi)，測溫精度高達(dá)0.1％。如果采用光譜校準(zhǔn)技術(shù)，測溫精度可達(dá)0.05％。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

圖10.11信號檢測系統(tǒng)的原理框圖10.3.4相位干涉型光纖溫度傳感器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-澤得光纖干涉儀和法布里-珀羅光纖干涉儀最為典型。馬赫-澤得光纖干涉儀光纖溫度傳感器的特點是：靈敏度高（理論值可達(dá)10-8℃），可對多種物理量敏感，對光纖本身性能要求高（如要采用高雙折射單模保偏光纖，且要求對非測物理量去敏等）。10.3.4相位干涉型光纖溫度傳感器馬赫-澤得光纖溫度傳感器工作時：由激光器（如He-Ne激光器）發(fā)出的激光經(jīng)分束器分別送入兩根長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，光電探測器用來檢測干涉條紋的變化。當(dāng)測量（敏感）臂光纖受到溫度場的作用后，會產(chǎn)生相位變化，從而引起干涉條紋的移動。顯然，干涉條紋的移動量反映出被測溫度的變化。10.3.4相位干涉型光纖溫度傳感器考慮到測量臂光波相位變化是由溫度變化引起的，可以寫出溫度靈敏度為

(10.5)

對石英光纖而言，有

(10.6)（裸光纖）（護(hù)套光纖）10.3.4相位干涉型光纖溫度傳感器由這兩個數(shù)值量級可見，對石英裸光纖，其溫度靈敏度幾乎完全由折射率變化（光彈效應(yīng)）決定，這是因為石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。這說明，護(hù)套層的楊氏模量和膨脹系數(shù)對光纖的溫度靈敏度影響很大。實際上，人們正是利用不同護(hù)套材料的熱膨脹系數(shù)的差異來對光纖進(jìn)行溫度增敏（高膨脹系數(shù)），或?qū)囟热ッ簦ǖ蜏囟认禂?shù)）。10.4分布式光纖溫度傳感器典型的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，能在整個連續(xù)的光纖上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式測量出光纖上各點的溫度值。分布式光纖溫度傳感器的工作機(jī)理是：基于光纖內(nèi)部光的散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時域反射測試技術(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)隨時間的變化探測下來。從光纖返回的散射光有三種成分：(1)瑞利散射，是強(qiáng)度最高的散射成分；(2)拉曼散射；(3)布里淵散射。

10.4分布式光纖溫度傳感器

10.4.1

光纖光時域反射原理10.4.2

光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)10.4.4

分布式光纖布里淵散射型溫度傳感器10.4.3

分布式光纖拉曼背向散射光子溫度傳感器10.4.1光纖光時域反射原理光時域反射(OpticalTime-DomainReflectometry,OTDR)技術(shù)最初用于評價光學(xué)通信領(lǐng)域中光纖、光纜和耦合器的性能，是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障的手段，同時也是分布式光纖傳感器的基礎(chǔ)。圖10.12是基于背向散射的光纖分布式傳感器的測量原理。10.4.1光纖光時域反射原理當(dāng)光通過圖10.12中所示的測量物理場時，光能量將以三種方式分配：(1)一部分能量沿著光纖傳輸通道繼續(xù)傳播；(2)一部分能量在傳輸過程中被吸收損耗或是散射至光纖外；(3)一部分能量被耦合至接收通道，被光電探測器探測。

圖10.12基于背向散射的光纖分布式傳感器的測量原理10.4.1光纖光時域反射原理當(dāng)脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，因此會產(chǎn)生瑞利散射。若入射光經(jīng)背向散射返回到探測器端所需的時間為，光脈沖在光纖中傳輸?shù)穆烦虨?L，則2L=vt。其中，為光在光纖中的傳播速度，v=c/n；為光在真空中的速度；n為光纖的折射率。在時刻測量的是離光纖入射端距離為處的背向瑞利散射光。10.4.1光纖光時域反射原理在空間域，光纖的瑞利背向散射光子數(shù)為

(10.7)式中，為射入光纖的光脈沖所包含的光子數(shù)；為與光纖瑞利散射截面相關(guān)的系數(shù)；為光纖的背向散射因子；為入射激光光子頻率；為光纖的損耗；為被測物理場距光源的長度。

可以表示為

(10.8)

10.4.2光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)

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

(10.9)反斯托克斯散射光子的頻率為(10.10)式中，為光纖分子的振動頻率，聲子的振動頻率。在光纖處的斯托克斯散射光子數(shù)為

(10.11)

10.4.2光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)在光纖處的反斯托克斯散射光子數(shù)為

(10.12),分別為與光纖分子低能級和高能級上的布局?jǐn)?shù)有關(guān)的系數(shù)，它們與光纖局域處的溫度有關(guān)。和分別為

(10.13)

(10.14)式中，為拉曼聲子頻率；為普朗克常量；為玻耳茲曼常量。10.4.2光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)實際測量時，可用光纖的斯托克斯散射OTDR曲線解調(diào)光纖的反斯托克斯散射OTDR曲線，此時有

(10.15)

經(jīng)過變換有

(10.17)由式(10.17)可得局域處的溫度為

(10.18)10.4.2光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)對于多模光纖，如式(10.18)所示的拉曼聲子頻率。通過上式即可以確定測量的溫度變化值。在實際測量中，也可以用瑞利散射OTDR曲線來解調(diào)拉曼散射OTDR曲線，此時，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

(10.19)當(dāng)起始溫度已知時，由式(10.19)來確定光纖上各點的溫度。

10.4.2光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)瑞利散射與溫度無關(guān)，即，因此有

(10.20)當(dāng)起始溫度已知時，通過式(10.20)可以確定光纖上各點的溫度。由于光纖的瑞利散射信號要比自發(fā)拉曼散射信號強(qiáng)幾個數(shù)量級，因此式(10.20)