光纖溫度傳感器原理及應(yīng)用

光纖溫度傳感器原理及應(yīng)用

1光纖溫度傳感器.溫度是冶金、鋼鐵、焊接、化工等行業(yè)質(zhì)量控制和保證順利生產(chǎn)的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的測溫方法包括水電壓法和光學(xué)高溫計法。電力法是一種接觸式溫度溫度，如用福州的研磨開機(jī)、用暉的研磨開機(jī)等。在測量環(huán)境中，通過電路轉(zhuǎn)換，儀表上的溫差電壓直接顯示。這種方法經(jīng)常使用。這些熱敏電阻具有操作方便、性能穩(wěn)定的特點，但由于接觸式加熱，熱能的端距離遠(yuǎn)，體積大，重量重。此外，這些金屬是昂貴的，并且很貴，使用壽命短。光學(xué)高溫計法是接觸式加熱。通過比較源氏的色度光束，或發(fā)射激光束，測量體中的溫度。與其他測溫儀相比，光纖溫度傳統(tǒng)器具有測量精度、抗電磁干干擾、體積小、可自由折疊等優(yōu)點。它被廣泛應(yīng)用于易學(xué)和空間狹窄的直接領(lǐng)域。因此，它受到了廣泛的關(guān)注。2光纖傳輸功能光纖溫度傳感器一般分為兩類:一類是利用光導(dǎo)纖維本身具有的某種敏感功能而使光纖起測量溫度的作用,屬于功能型,光纖既感知信息,又傳輸信息;另一類是光導(dǎo)纖維只起到傳輸光的作用,必須在光纖端面加裝其它敏感元件才能構(gòu)成新型傳感器的傳輸型傳感器.這兩類的傳感器工作原理和設(shè)計思想非常巧妙,研究工作都較為深入.2.1非接觸式測溫法雙波長光纖測溫技術(shù)在溫度傳感器中是一項新興技術(shù),它不但能迅速得到測量數(shù)據(jù),而且可以在根本上克服單波長測溫法的不精確性.采用雙波長窄帶比較技術(shù),即使在非常惡劣環(huán)境下,如空氣中有煙霧、灰塵、蒸汽和顆粒,以及沒有瞄準(zhǔn)而目標(biāo)不充滿視場,特別是目標(biāo)表面發(fā)射率變化,接收能量衰減的情況下,仍可以獲得高精度,尤其適合焊接溫度場的測量.在探頭獲得輻射光信號后,由光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)離被測物體的地方,進(jìn)行二次儀表測量,使探頭不受到電子元器件的干擾,同時,電子元器件也不會受到溫度場的影響.雙波長光纖溫度傳感器在探頭的結(jié)構(gòu)上,可以分為接觸式和非接觸式.接觸式光纖探頭就是在藍(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)形成一微型的黑體腔,另一端與一根普通玻璃光纖相連,其末端接有普通光敏探測器.在探頭與熱源良好接觸達(dá)到熱平衡時,黑體腔輻射的光信號經(jīng)藍(lán)寶石光纖傳輸耦合進(jìn)入傳輸光纖內(nèi).它的測溫范圍為600～2000℃,精度為百分之0.1,測量帶寬可達(dá)幾十kHz.雖然為提高空間分辨率而將探頭做的很小,但往往仍會破壞被測物體的熱平衡狀態(tài),并受到被測物質(zhì)的腐蝕,對黑體腔的性能、結(jié)構(gòu)要求苛刻,測溫上限取決于探頭的耐熱特性,但此法測溫準(zhǔn)確度較高.非接觸式即溫度計不與物體接觸,而將高溫物體輻射的光信號聚焦進(jìn)入傳輸光纖,再經(jīng)光纖傳輸?shù)教綔y器,或者直接由光纖接收熱輻射.非接觸式測溫方法不改變被測物體的溫度分布,且有熱輻射速度快,探測元件熱慣性小,不受測溫溫度的限制等優(yōu)點,從而可以快速測量.但是測溫準(zhǔn)確度往往要低于接觸法.由普朗可公式知道在單位面積物體在半球方向、單位時間的輻射通量(單色輻射度)為M(λ,T)=C1λ-5[exp(C2/λT)]-1(1)其中:M(λ,T)為絕對黑體的光譜發(fā)射量;λ為輻射光波長;T為物體溫度;C1為第一輻射系數(shù),C1=3.7418×10-16W·m2;C2為第二輻射系數(shù),C2=1.438833cm·K.由于實際中并無真正的黑體,所以輻射通量為M(λ,T)=ε(λ,T)C1λ-5[exp(-C2/λT)]-1(2)其中:ε(λ,T)為輻射系數(shù).由此可見,黑體輻射通量不僅與溫度有關(guān),還與輻射系數(shù)有關(guān).雙波長測溫法就是在黑體輻射光波中選取兩組波長不同的光波,根據(jù)這兩組特定光波的強(qiáng)度的比值來確定溫度.對某一溫度,兩個不同波長的能量之比可以寫為R(Τ)=Μ(λ1,Τ)Μ(λ2,Τ)=ε1λ-51exp(-C2/λ1Τ)ε2λ-52exp(-C2/λ2Τ)=ε1ε2(λ2λ1)5exp[C2Τ(1λ2-1λ1)](3)R(T)=M(λ1,T)M(λ2,T)=ε1λ?51exp(?C2/λ1T)ε2λ?52exp(?C2/λ2T)=ε1ε2(λ2λ1)5exp[C2T(1λ2?1λ1)](3)可求得物體溫度為Τ=C2(1/λ2-1/λ1)lnR(Τ)-5ln(λ2/λ1)-ln(ε1/ε2)(4)T=C2(1/λ2?1/λ1)lnR(T)?5ln(λ2/λ1)?ln(ε1/ε2)(4)接觸式測溫時,黑體腔探頭的發(fā)射率近似為1,因而可認(rèn)為其比色溫度即為實際溫度.但對于非接觸式測溫,物體的實際溫度和比色溫度有一定差別,比色溫度Tc為Τc=[1Τ-lnε1-lnε2C2(1/λ2-1/λ1)]-1(5)Tc=[1T?lnε1?lnε2C2(1/λ2?1/λ1)]?1(5)比色溫度與真實溫度的偏差為ΔΤcΤ=Τ-ΤcΤ=ΤcC2(1/λ2-1/λ1)lnε1ε2(6)ΔTcT=T?TcT=TcC2(1/λ2?1/λ1)lnε1ε2(6)這種偏差不僅與物體發(fā)射率有關(guān),還與物體的比色溫度、選擇的雙波長有關(guān).實際上,許多情況下我們無從知曉ε1和ε2的大小,但選擇兩個比較接近的波長λ,從而達(dá)到ε1=ε2,認(rèn)為所測溫度即為物體的實際溫度.上面提到的雙波長的選擇對減小誤差同樣起到關(guān)鍵作用.兩個波長不能相隔太遠(yuǎn),一般λ1=804.6nm,λ2=894.3nm.當(dāng)被測物體與探頭之間有波長選擇性吸收氣體(如CO2、水蒸汽等),應(yīng)注意使兩個波長都避開氣體的吸收峰,否則會產(chǎn)生較大隨機(jī)誤差,甚至無法測溫.在結(jié)構(gòu)上,主要由探頭、光纖和信號處理三部分組成.實現(xiàn)非接觸式測量將輻射體的輻射能由光學(xué)透鏡耦合進(jìn)入石英光纖,再經(jīng)過光纖傳輸,在遠(yuǎn)端被分路器分成兩路,經(jīng)過濾波到達(dá)探測器,實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換,然后經(jīng)過信號處理,把光密度的變化轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度量.光纖將透鏡收集的光信號傳輸給探測器的過程中,光纖必須處于穩(wěn)態(tài)情況下,即光纖中各模式的相對功率保持不變均處于穩(wěn)定狀態(tài).這就要求光纖不但要起濾模器的作用,選擇或抑制某些模,而且要起包層模消除器的作用,使包層模盡快轉(zhuǎn)化為輻射模從光纖中消除掉,以建立穩(wěn)態(tài)分布所要求的模.在穩(wěn)態(tài)情況下,光纖的出入射端面的模場分布、近場光斑、遠(yuǎn)場半輻射角一致,即光纖傳輸沒有給測量帶來附加誤差.2.2石英玻璃單模歷史干涉型光纖溫度傳感器屬于相位調(diào)制式功能型光纖溫度傳感器,主要應(yīng)用于精密測溫的領(lǐng)域.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.通過光纖后的位相為φ=βL(式中β為單模光纖中光的傳播常數(shù)).在單模光纖中,φ=βL≈k0nL,式中k0是光在真空中的傳播常數(shù),n為光纖的折射率,L為光纖長度.所以Δφφ=ΔLL+Δnn=1L?L?ΤΔΤ+1n?n?ΤΔΤ(7)Δφφ=ΔLL+Δnn=1L?L?TΔT+1n?n?TΔT(7)其中φ為光的位相,Δφ為位相差,L為光纖長度,ΔL為長度差對于石英玻璃1L?L?Τ=5×10-7/℃,而?n?Τ=1×10-5/β,可見折射率的變化在這里起主要作用.所以對λ=0.6328μm的He-Ne激光,相位差是溫度的函數(shù),Δλ/ΔT*L≈107rad/℃(每米每度107rad的位相變化),即ΔT≈Δφ*L/107℃.2.3反斯托克斯效應(yīng)分布式溫度傳感器屬于接觸式功能型光纖溫度傳感器.當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時,除了產(chǎn)生瑞利散射、布里淵散射外,還產(chǎn)生自發(fā)的喇曼散射.所以在分布式溫度傳感器中,就有基于瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射三種分布式溫度傳感器,其中又以基于喇曼散射的研究技術(shù)最為深入.在頻域里,喇曼散射光子分為兩種獨(dú)立的后向斯托克斯和反斯托克斯喇曼散射光子,當(dāng)散射光波長大于入射光波長,稱為斯托克斯效應(yīng).反之,稱為反斯托克斯效應(yīng).根據(jù)公式,可以知道接收到的斯托克斯P(z)RAMAN(S)和反斯托克斯功率P(z)RAMAN(A-S)分別為:P(z)RAMAN(S)=S(z)αf(z)η(S)(z,T)Vg×exp{-∫z0[αf(z′)+αbs(z′)]dz′}(8)P(z)RAMAN(A-S)=S(z)αf(z)η(A-S)(z,T)Vg×exp{-∫z0[αf(z′)+αbs(z′)]dz′}(9)式中η(S)(z,T)和η(A-S)(z,T)分別為斯托克斯和反斯托克斯信號的有效量子效率(即溫度T下在距離z處產(chǎn)生的喇曼信輸損失的功號與前向傳率之比),z為散射點離光注入端的距離,αf為前向總衰減系數(shù),Vg為波導(dǎo)的群速度,S(z)為散射點的瞬間后向激勵功率和總散射功率之比,用公式表示為S=0.25(NA/n1)2(10)式中NA為光纖的數(shù)值孔徑,n1為光纖纖芯的折射率.所以測量出有效量子效率的比值將可以得到溫度的絕對數(shù)值,即R(Τ)=Ρ(z)RAΜAΝ(A-S)Ρ(Ν)RAΜAΝ(S)=ηA-S(z,Τ)ηS(z,Τ)=(λs/λα)4?exp(-hcv/kΤ)(11)即測量出光纖中斯托克斯和反斯托克斯后向散射光的比值將可以得到媒介溫度的絕對數(shù)值.3用光纖溫度傳輸器進(jìn)行光纖溫度傳感器種類繁多,品種多樣,應(yīng)用廣泛,下面就功能型和傳輸型兩種傳感器進(jìn)行舉例介紹.3.1能源光譜法裝置它利用光纖特性(相位、偏振、強(qiáng)度)隨溫度變化的特點,由光纖本身構(gòu)成傳感器.功能型傳感器主要靠被測對象調(diào)制或影響光纖傳輸特性.3.1.1干涉式溫度檢測如圖1所示,來自激光器的光束被波導(dǎo)分成兩路,分別經(jīng)過L1和L2兩條光纖后,在輸出端重新合成.當(dāng)溫度變化時,兩束光由于相位不同而發(fā)生干涉,干涉產(chǎn)生的光強(qiáng)按正弦規(guī)律周期性變化并與長度差L2-L1成正比.通過干涉式溫度傳感器光強(qiáng)的檢測,可達(dá)到檢測溫度的目的.3.1.2通過光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)從低視頻、干擾到非接觸的散射防護(hù)如圖2所示,光纖中的光線在溫度場中受到調(diào)制后,產(chǎn)生自發(fā)的喇曼散射.然后經(jīng)過分束器、反光鏡,通過雙光柵單色儀把接收到的反斯托克斯和斯托克斯散射光送到光電倍增管.然后通過鑒別器過濾噪聲、干擾,最后由光子計數(shù)器送到計算機(jī)進(jìn)行處理.分布式光纖溫度傳感器,在1km的光纖上可以實現(xiàn)1℃的溫度分辨率,7.5m的空間分辨率,時間分辨率為180s.在實際應(yīng)用中對斯托克斯和反斯托克斯波長處不同的后向傳輸損耗必須做一些微小的修正.喇曼分布式傳感器的不足之處是返回信號非常弱,因為反斯托克斯-喇曼散射比瑞利散射強(qiáng)度要弱20～30dB.它的主要優(yōu)點是:非接觸測量,可測運(yùn)動物體的瞬間溫度;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.3.2傳輸型溫度傳感器該傳感器是在光纖端面或在發(fā)射接收光纖之間設(shè)置普通溫度傳感器或半導(dǎo)體、熒光體和液晶等溫度敏感材料的方法測溫,光纖只起傳輸光的作用.主要介紹幾種常用的、特殊的傳輸型溫度傳感器.3.2.1次儀表計算溫度如圖3所示,工作原理是光纖傳感頭接收黑體輻射腔發(fā)射的輻射光波,經(jīng)過傳輸光纖,從測量現(xiàn)場傳回至儀表.通過波分復(fù)用器將輻射光信號分別轉(zhuǎn)成電信號后,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,然后由二次儀表計算出溫度.它的主要優(yōu)點是:非接觸測量,可測運(yùn)動物體的瞬間溫度;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.測量的誤差處理除了以上提到的ε1=ε2外,還有兩個主要方面,一是在(λ1-Δλ/2,λ1+Δλ/2)和(λ2-Δλ/2,λ2+Δλ/2)范圍內(nèi)的輻射度都是以其中心波長λ1以及λ2來計算,實際情況應(yīng)該在連續(xù)范圍內(nèi)用積分計算.二是在二次儀表計算中存在的不可避免誤差.在接觸式溫度計中,還包括黑體腔溫度與藍(lán)寶石光纖溫度的差異.3.2.2學(xué)用光纖深度傳播方式熱平衡它就是在輻射型光纖溫度傳感器的基礎(chǔ)上,把光纖探頭換成接觸式的藍(lán)寶石光纖.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).藍(lán)寶石單晶物理化學(xué)性能穩(wěn)定,機(jī)械強(qiáng)度好,本質(zhì)絕緣,耐腐蝕,在0.3～0.4μm波段范圍內(nèi)透光性很好,熔點高達(dá)2045℃.藍(lán)寶石單晶光纖既有藍(lán)寶石單晶的優(yōu)良性能又有光波導(dǎo)的特點,測溫范圍在500～2000℃,缺點就是當(dāng)溫度高于1700℃時,表面有所變化,應(yīng)用受到一定的限制.3.2.3半導(dǎo)體材料溫度的影響根據(jù)半導(dǎo)體材料的吸收光譜特性所設(shè)計的光纖溫度傳感器,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,受到國內(nèi)外的重視.根據(jù)M.B.Panish公式Eg(T)=Eg(0)-αT2/(T+β),其中Eg(0)為開爾文溫度零度時對應(yīng)的禁帶能量,單位為eV,α為經(jīng)驗常數(shù),單位為eV/K,β為經(jīng)驗常數(shù),單位為K.對GaAs而言,Eg(0)=1.522eV,α=5.8×10-4eV/K,β=300K.當(dāng)半導(dǎo)體材料所處的溫度升高時,晶格膨脹而且原子圍繞其平衡晶格點的振動加劇,引起能隙改變,從而激光透過半導(dǎo)體的透過率曲線T(入)向長波方法移動,使得透過半導(dǎo)體材料的能量減小.選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體光源,使其光譜范圍正好落在吸收區(qū)域,這樣透過半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度的增加而減小.利用光探測器檢測出光強(qiáng)的大小可能測得溫度.實驗時,將半導(dǎo)體的小片與一鍍有反射膜的基片固定在一起,然后放在溫度測試場.3.2.4反射原理測量溫度的數(shù)字顯示方法它是采用差動熱膨脹原理的傳感器,所使用的傳感元件為雙金屬片.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.當(dāng)溫度變化時,兩個目標(biāo)彼此移近,使輸出光纖中產(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0～100℃之間有良好的測試結(jié)果.3.2.5多模光纖增強(qiáng)傳感技術(shù)此種光纖溫度傳感器屬于光強(qiáng)調(diào)制型傳感器.普通光纖在被外力擠壓時,光纖中光強(qiáng)的變化量很小,幾乎測不到,所以光強(qiáng)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(qiáng).在一段包層直徑為125μm,長度約10cm的多模光纖上,用光刻法及化學(xué)腐蝕的方法在光纖包層上蝕刻,如圖4.包層外部是作為調(diào)制元件的金屬鍍層.光纖在鍍鋁后,在外界溫度發(fā)生變化時,首先鍍在光纖表面上的鋁鍍層發(fā)生熱脹冷縮,使光纖受到拉伸或壓縮,引起光纖內(nèi)傳輸模體積的變化,這種變化導(dǎo)致光能量的損失,引起輸出信號光強(qiáng)度的改變.傳感器的溫度響應(yīng)時間為0.5s,靈敏度高,線性度和重復(fù)度都較高.3.2.6a/d轉(zhuǎn)換-pcr檢測熒光發(fā)射信號此傳感器是建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上.熒光材料受到紫外線激發(fā)時發(fā)出熒光,其熒光強(qiáng)度與熒光材料的溫度及激發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)度與激發(fā)光強(qiáng)度成線性關(guān)系.所以發(fā)光強(qiáng)度的比值大小取決于激發(fā)光強(qiáng)度和材料的溫度.當(dāng)紫外汞燈發(fā)出紫外線經(jīng)光調(diào)制器調(diào)制成脈沖激勵光,通過光纖傳輸?shù)教筋^處激發(fā)熒光材料薄層產(chǎn)生熒光,由兩個硅光電二極管(PD)分別探測接收光纖接收到的兩路熒光強(qiáng)度信號,再轉(zhuǎn)換成電信號,放大,相除,然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,送計算機(jī)處理,得到被測溫度.它的測溫范圍為-30～20