光纖傳感技術(shù)課件：光纖傳感器在溫度測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用

光纖傳感器在溫度測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用9.1光纖溫度傳感器測(cè)量溫度的原理9.2光纖溫度傳感器在冶金領(lǐng)域中的應(yīng)用9.1光纖溫度傳感器測(cè)量溫度的原理

溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過(guò)程無(wú)不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國(guó)儀器學(xué)會(huì)的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場(chǎng)份額大大超過(guò)了其他的傳感器。從17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計(jì)開始，人們開始利用溫度進(jìn)行測(cè)量。真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是1821年由德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來(lái)的熱電偶傳感器。

20世紀(jì)50年以后，另一位德國(guó)人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。以電信號(hào)為工作基礎(chǔ)的傳統(tǒng)的溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻、熱釋電探測(cè)器等溫度傳感器的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，它們以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、成本低等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科研、國(guó)防等領(lǐng)域。但在有強(qiáng)電磁干擾或易燃、易爆物品的場(chǎng)合下，基于電信號(hào)測(cè)量的傳統(tǒng)溫度傳感器便受到很大的限制。近年來(lái)，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員備受青睞。光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的，以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。作為被測(cè)量信號(hào)載體的光波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖，它具有一系列獨(dú)特的、載體和媒質(zhì)難以相比的優(yōu)點(diǎn)。光波不產(chǎn)生電磁干擾，也不怕電磁干擾，易被各種光探測(cè)器件接收，可方便地進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換，易與高度發(fā)展的現(xiàn)代電子裝置和計(jì)算機(jī)相匹配。與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比，分布式光纖溫度傳感器測(cè)量系統(tǒng)的傳感元件——光纖，以二氧化硅為主要原料，纖細(xì)、柔軟、低損耗，因而具有電絕緣性、耐腐蝕性、幾何結(jié)構(gòu)易變性、信號(hào)傳輸帶寬較寬、信息長(zhǎng)距離傳輸損耗低等固有的特性和本質(zhì)安全性。而光纖工作頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大，適合于遙測(cè)遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線，且光纖自身既是溫度傳感的功能元件，又是作為溫度傳感的信息傳輸通道，這是傳統(tǒng)的傳感器無(wú)法比擬的。因此，光纖傳感技術(shù)一問(wèn)世，就受到極大重視，應(yīng)用范圍十分廣泛。光纖溫度傳感與測(cè)量技術(shù)是儀器儀表領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一。由于光纖具有體積小、重量輕、可繞、電絕緣性好、柔性彎曲、耐腐蝕、測(cè)量范圍大、靈敏度高等特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的傳感器特別是溫度傳感器能起到擴(kuò)展提高的作用，完成前者很難完成甚至不能完成的任務(wù)。光纖傳感技術(shù)可用于溫度測(cè)量，除了具有以上特點(diǎn)外，與傳統(tǒng)的溫度測(cè)量?jī)x器相比，還具有響應(yīng)快、頻帶寬、防爆、防燃、抗電磁干擾等特點(diǎn)，因此，光纖溫度傳感技術(shù)受到各國(guó)科技人員的高度重視并進(jìn)行了深入研究。它可用于冶金、化工、電力、建材等領(lǐng)域，解決電磁干擾大、環(huán)境惡劣場(chǎng)合的溫度測(cè)量與控制問(wèn)題。目前，在科研和工程技術(shù)中，有許多場(chǎng)合必須知道溫度的分布狀況，例如大型電力變壓器內(nèi)部的溫度場(chǎng)，長(zhǎng)距離輸油管道和通信電纜管道等的沿線溫度場(chǎng)分布，發(fā)電機(jī)、變壓器、高壓電線、傳輸管道的可能熱點(diǎn)的實(shí)時(shí)測(cè)量與監(jiān)控，橋梁、鍋爐、水壩、艦船、大型建筑、倉(cāng)庫(kù)、高壓容器、隧道，甚至飛機(jī)和航天器機(jī)身中的溫度場(chǎng)分布等等，化工、電子、冶金、制藥等許多行業(yè)的生產(chǎn)中，都需要對(duì)多個(gè)溫度點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。另外，測(cè)量存儲(chǔ)易燃易爆、有毒有害氣體或其他物質(zhì)的大型存儲(chǔ)罐等熱分布場(chǎng)的測(cè)試，以及目前由于測(cè)量極復(fù)雜而必須采用幾何易變的光纖傳感器的大型設(shè)備溫度分布的場(chǎng)合，或者因?yàn)椴荒芄ぷ髟趶?qiáng)電磁干擾環(huán)境中，或者因?yàn)橹瘘c(diǎn)測(cè)量溫度的成本太高，或者因?yàn)榉N種原因難以安裝，而不能勝任此工作。在此情況下，分布式光纖溫度傳感器便顯示出不可替代的作用。分布式光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：集傳感與傳輸于一體，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量與監(jiān)控，一次測(cè)定就可以獲取整個(gè)光纖區(qū)域的一維分布圖，能在一條長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米的傳感器光纖環(huán)路上獲得幾十、幾百甚至幾千條信息，因此單位信息成本大大降低，測(cè)量范圍寬，具有高空間分辨率和高精度。在具有強(qiáng)電磁干擾或易燃、易爆以及其他傳感器無(wú)法接近的環(huán)境下，分布式光纖溫度傳感器具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)在整個(gè)連續(xù)光纖的長(zhǎng)度上實(shí)時(shí)傳感出溫度隨光纖長(zhǎng)度方向的變化信息，尤其對(duì)大范圍的溫度分布，分布式光纖溫度傳感器逐漸成為研究的熱點(diǎn)。分布式光纖傳感器從最初提出的基于OTDR的瑞利散射系統(tǒng)開始，經(jīng)歷了基于OTDR的拉曼散射系統(tǒng)和基于OTDR的布里淵散射系統(tǒng)，使得測(cè)溫精度和范圍大幅提高。光頻域反射技術(shù)(OFDR)的提出也很早，但近幾年，伴隨著拉曼散射和布里淵散射以及強(qiáng)散射的研究的深入，使得基于OTDR和OFDR的分布式光纖溫度傳感器顯示出很大的優(yōu)越性，但它們離工業(yè)實(shí)用化還有很長(zhǎng)的一段距離。基于OTDR和OFDR的分布式溫度光纖傳感器仍將是研究的熱點(diǎn)，尤其是基于OFDR的新型分布式光纖傳感器將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。伴隨著分布式光纖溫度傳感器的發(fā)展，溫度測(cè)試范圍和精度不斷提高，對(duì)信號(hào)處理算法和技術(shù)提出了更高的要求。在分布式光纖傳感技術(shù)的研究中，科學(xué)家們提出了許多富有啟發(fā)性的理論和技術(shù)方案。拉曼型分布式光纖溫度傳感器集諸多優(yōu)點(diǎn)于一身，是分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)中理論較為成熟且正逐步商品化的傳感器類型。但拉曼型分布式光纖溫度傳感器存在一個(gè)弱點(diǎn)，即后向拉曼散射光較弱，此信息比瑞利后向散射信號(hào)還要弱20dB~30dB，因此需要較復(fù)雜的信號(hào)處理電路及較高脈沖功率的LD光源系統(tǒng)。而前向散射非線性效應(yīng)分布式光纖傳感器由于被測(cè)信號(hào)是連續(xù)的前向波，信號(hào)強(qiáng)度增加，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的要求相對(duì)降低，但對(duì)光纖則有特殊的要求，而且理論上也不夠成熟，屬于剛剛興起的一種技術(shù)，是較為有前途的發(fā)展方向之一。分布式光纖溫度傳感器的應(yīng)用前景十分廣闊，自問(wèn)世以來(lái)，主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：

(1)煤礦、隧道的災(zāi)害防治及其報(bào)警系統(tǒng)；

(2)地下和架空高壓電力電纜的熱點(diǎn)檢測(cè)；

(3)各種大、中型變壓器、發(fā)電機(jī)組的溫度分布測(cè)量、熱保護(hù)和故障診斷；

(4)火力發(fā)電所的配管溫度、供熱系統(tǒng)(暖水、暖氣)的管道、輸油管道的熱點(diǎn)檢測(cè)和故障診斷；

(5)醫(yī)院的ICU、CCU監(jiān)護(hù)病房的溫度監(jiān)測(cè)和火災(zāi)監(jiān)測(cè)；(6)油庫(kù)、油罐、危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)、大型倉(cāng)庫(kù)和大型輪船的貨倉(cāng)火災(zāi)及報(bào)警系統(tǒng)；

(7)化工原料、照相材料及油料生產(chǎn)過(guò)程的在線、動(dòng)態(tài)

檢測(cè)；

(8)高層建筑、智能大廈、橋梁、高速公路等災(zāi)害性在線、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、防護(hù)及報(bào)警；

(9)把分布式光纖溫度傳感器埋入材料結(jié)構(gòu)中，組成智能材料結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)本身的實(shí)時(shí)自檢測(cè)和自診斷，用于航空、航天飛行器的在線、動(dòng)態(tài)檢測(cè)和機(jī)器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這種新的學(xué)術(shù)思想將會(huì)使材料與工程科學(xué)產(chǎn)生革命性的變化，尤其是在航空航天的現(xiàn)代化工程領(lǐng)域具有特別重要的意義和廣闊的前景。9.1.1光纖溫度傳感器的原理

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(cè)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他敏感元件才能構(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(jì)思想非常巧妙，研究工作都較為深入。

1.雙波長(zhǎng)光纖溫度傳感器

雙波長(zhǎng)光纖測(cè)溫技術(shù)在溫度傳感器中是一項(xiàng)新興技術(shù)，它不但能迅速得到測(cè)量數(shù)據(jù)，還可以從根本上克服單波長(zhǎng)測(cè)溫法的不精確性。采用雙波長(zhǎng)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(chǎng)，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(chǎng)的測(cè)量。在探頭獲得輻射光信號(hào)后，由光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)離被測(cè)物體的地方，進(jìn)行二次儀表測(cè)量，使探頭不受到電子元器件的干擾，同時(shí)，電子元器件也不會(huì)受到溫度場(chǎng)的影響。

雙波長(zhǎng)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(cè)器。在探頭與熱源良好接觸達(dá)到熱平衡時(shí)，黑體腔輻射的光信號(hào)經(jīng)

藍(lán)寶石光纖傳輸耦合進(jìn)入傳輸光纖內(nèi)。它的測(cè)溫范圍為

600℃~2000℃，精度為0.1%，測(cè)量帶寬可達(dá)幾十千赫茲。雖然為提高空間分辨率而將探頭做得很小，但往往仍會(huì)破壞被測(cè)物體的熱平衡狀態(tài)，并受到被測(cè)物質(zhì)的腐蝕，對(duì)黑體腔的性能、結(jié)構(gòu)要求苛刻，測(cè)溫上限取決于探頭的耐熱特性，但此法測(cè)溫準(zhǔn)確度較高。非接觸式即溫度計(jì)不與物體接觸，而將高溫物體輻射的光信號(hào)聚焦進(jìn)入傳輸光纖，再經(jīng)光纖傳輸?shù)教綔y(cè)器，或者直接由光纖接收熱輻射。非接觸式測(cè)溫方法不改變被測(cè)物體的溫度分布，且有熱輻射速度快，探測(cè)元件熱慣性小，不受測(cè)溫溫度的限制等優(yōu)點(diǎn)，從而可以快速測(cè)量。但是測(cè)溫準(zhǔn)確度往往要低于接觸法。由普朗克公式可知在單位面積物體在半球方向、單位時(shí)間的輻射通量（單色輻射度）為(9.1-1)式中：M(λ,T)為絕對(duì)黑體的光譜發(fā)射量；λ為輻射光波長(zhǎng)；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(shí)際中并無(wú)真正的黑體，所以輻射通量為(9.1-2)式中：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(zhǎng)測(cè)溫法就是在黑體輻射光波中選取兩組波長(zhǎng)不同的光波，根據(jù)這兩組特定光波的強(qiáng)度的比值來(lái)確定溫度。對(duì)某一溫度，兩個(gè)不同波長(zhǎng)的能量之比可以寫為(9.1-3)可求得物體溫度為(9.1-4)接觸式測(cè)溫時(shí)，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(shí)際溫度。但對(duì)于非接觸式測(cè)溫，物體的實(shí)際溫度和比色溫度有一定差別，比色溫度Tc為比色溫度與真實(shí)溫度的偏差為(9.1-6)(9.1-５)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(zhǎng)有關(guān)。實(shí)際上，許多情況下，我們無(wú)從知曉ε1和ε2的大小，但選擇兩個(gè)比較接近的波長(zhǎng)λ，從而達(dá)到ε1=ε2，認(rèn)為所測(cè)溫度即為物體的實(shí)際溫度。上面提到的雙波長(zhǎng)的選擇對(duì)減小誤差同樣起到關(guān)鍵作用。兩個(gè)波長(zhǎng)不能相隔太遠(yuǎn)，一般λ1=804.6nm，λ2=894.3nm。當(dāng)被測(cè)物體與探頭之間有波長(zhǎng)選擇性吸收氣體（如CO2、水蒸氣等）時(shí)，應(yīng)注意使兩個(gè)波長(zhǎng)都避開氣體的吸收峰，否則會(huì)產(chǎn)生較大隨機(jī)誤差，甚至無(wú)法測(cè)溫。

在結(jié)構(gòu)上，主要由探頭、光纖和信號(hào)處理三部分組成。實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)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(guò)光纖傳輸，在遠(yuǎn)端被分路器分成兩路，經(jīng)過(guò)濾波到達(dá)探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，把光密度的變化轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度量。光纖將透鏡收集的光信號(hào)傳輸給探測(cè)器的過(guò)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(duì)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(chǎng)分布、近場(chǎng)光斑、遠(yuǎn)場(chǎng)半輻射角一致，即光纖傳輸沒有給測(cè)量帶來(lái)附加誤差。

2.干涉型光纖溫度傳感器

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(cè)溫領(lǐng)域。當(dāng)兩根在溫度場(chǎng)的光纖在不同的溫度場(chǎng)工作時(shí)，其折射率會(huì)產(chǎn)生差異，隨之光程也會(huì)發(fā)生差異。若此時(shí)進(jìn)行耦合，就會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。通過(guò)光纖后的相位為f=βL（式中，β為單模光纖中光的傳播常數(shù)）。在單模光纖中，f=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(zhǎng)度。所以，(9.1-7)式中，f為光的相位，Δf為相位差，L為光纖長(zhǎng)度，ΔL為長(zhǎng)度差。

3.分布式溫度傳感器

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(shí)，除了產(chǎn)生瑞利散射、布里淵散射外，還產(chǎn)生自發(fā)的拉曼散射。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、拉曼散射三種分布式溫度傳感器，其中又以基于拉曼散射的研究技術(shù)最為深入。在頻域里，拉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拉曼散射光子，當(dāng)散射光波長(zhǎng)大于入射光波長(zhǎng)，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)反斯托克斯功率P(z)RAMAN(A-S)分別為(9.1-8)(9.1-9)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(hào)的有效量子效率（即溫度T下在距離)處產(chǎn)生的拉曼信輸損失的功耗與前向傳率之比，z為散射點(diǎn)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(diǎn)的瞬間后向激勵(lì)功率和總散射功率之比，用公式表示為(9.1-10)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(cè)量出有效量子效率的比值將可以得到溫度的絕對(duì)數(shù)值，即(9.1-11)即測(cè)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(duì)數(shù)值。9.1.2光纖溫度傳感器應(yīng)用

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。

1.功能型光纖溫度傳感器

利用光纖特性（相位、偏振、強(qiáng)度）隨溫度變化的特點(diǎn)，由光纖本身構(gòu)成傳感器，功能型光纖溫度傳感器主要靠被測(cè)對(duì)象調(diào)制或影響光纖傳輸特性。

1）干涉式光纖溫度傳感器

如圖9-1所示，來(lái)自激光器的光束被波導(dǎo)分成兩路，分別經(jīng)過(guò)L1和L2兩條光纖后，在輸出端重新合成。當(dāng)溫度變化時(shí)，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(zhǎng)度差L2－L1成正比。通過(guò)干涉式溫度傳感器光強(qiáng)的檢測(cè)，可達(dá)到檢測(cè)溫度的目的。圖9-1干涉式光纖溫度傳感器工作示意圖如圖9-2所示，光纖中的光線在溫度場(chǎng)中受到調(diào)制后，產(chǎn)生自發(fā)的拉曼散射。然后經(jīng)過(guò)分束器、反光鏡，通過(guò)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。之后通過(guò)鑒別器過(guò)濾噪聲、干擾，最后由光子計(jì)數(shù)器送到計(jì)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(shí)現(xiàn)1℃的溫度分辨率，7.5m的空間分辨率，時(shí)間分辨率為180s。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)斯托克斯和反斯托克斯波長(zhǎng)處不同的后向傳輸損耗必須做一些微小的修正。拉曼分布式傳感器的不足之處是返回信號(hào)非常弱，因?yàn)榉此雇锌怂埂だ⑸浔热鹄⑸鋸?qiáng)度要弱20dB~30dB。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：非接觸測(cè)量，可測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的瞬間溫度；響應(yīng)速度快，沒有一般溫度計(jì)的熱平衡時(shí)間，可作為高溫測(cè)量。圖9-2分布式光纖溫度傳感器工作示意圖

2.光纖傳輸型溫度傳感器

1）非接觸式雙波長(zhǎng)光纖溫度傳感器

如圖9-3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(guò)傳輸光纖，從測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)傳回至儀表。通過(guò)波分復(fù)用器將輻射光信號(hào)分別轉(zhuǎn)成電信號(hào)后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后由二次儀表計(jì)算出溫度。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：非接觸測(cè)量，可測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的瞬間溫度；響應(yīng)速度快，沒有一般溫度計(jì)的熱平衡時(shí)間；可作為高溫測(cè)量。測(cè)量的誤差處理除了以上提到的ε1=ε2外，還有兩方面：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(zhǎng)λ1以及λ2來(lái)計(jì)算，實(shí)際情況應(yīng)該在連續(xù)范圍內(nèi)用積分計(jì)算；二是在二次儀表計(jì)算中存在的不可避免誤差。在接觸式溫度計(jì)中，還包括黑體腔溫度與藍(lán)寶石光纖溫度的差異。圖9-3非接觸式雙波長(zhǎng)光纖溫度傳感器工作示意

2）接觸式雙波長(zhǎng)光纖溫度傳感器

接觸式雙波長(zhǎng)光纖溫度傳感器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(gè)微型的光纖感溫腔。在其接觸熱源達(dá)到熱平衡時(shí)，感溫腔輻射的光信號(hào)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0.3μm~0.4μm波段范圍內(nèi)透光性很好，熔點(diǎn)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(diǎn)，測(cè)溫范圍在500℃~2000℃，缺點(diǎn)就是當(dāng)溫度高于1700℃時(shí)，表面有所變化，應(yīng)用受到一定的限制。

3）半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器

根據(jù)半導(dǎo)體材料的吸收光譜特性所設(shè)計(jì)的光纖溫度傳感器，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此受到國(guó)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(shí)對(duì)應(yīng)的禁帶能量，單位為eV，α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，單位為eV/K，β為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，單位為K。對(duì)GaAs而言，Eg(0)=1.522eV，α=4.8×10－4eV/K，β=300K。當(dāng)半導(dǎo)體材料所處的溫度升高時(shí)，晶格膨脹而且原子圍繞其平衡晶格點(diǎn)的振動(dòng)加劇，引起能隙改變，從而激光透過(guò)半導(dǎo)體的透過(guò)率曲線T(λ)向長(zhǎng)波方法移動(dòng)，使得透過(guò)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(guò)半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度的增加而減小。

利用光探測(cè)器檢測(cè)出光強(qiáng)的大小可以測(cè)得溫度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(cè)試場(chǎng)。

4）使用雙金屬片的光纖溫度傳感器

這種采用差動(dòng)熱膨脹原理的傳感器，所使用的傳感元件為雙金屬片。兩個(gè)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(lái)自輸入光纖的光線反射到輸出光纖。當(dāng)溫度變化時(shí)，兩個(gè)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(cè)量溫度的數(shù)字顯示方法。這種方法易于實(shí)現(xiàn)，工藝成熟，性能可靠。在0℃~100℃之間有良好的測(cè)試結(jié)果。

5）新型結(jié)構(gòu)光纖溫度傳感器

新型結(jié)構(gòu)光纖溫度傳感器屬于光強(qiáng)調(diào)制型傳感器。普通光纖在被外力擠壓時(shí)，光纖中光強(qiáng)的變化量很小，幾乎測(cè)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(zhǎng)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9-4所示。圖9-4經(jīng)過(guò)鍍膜的光纖溫度傳感器的工作示意圖包層外部是作為調(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(shí)，首先鍍?cè)诠饫w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(hào)光強(qiáng)度的改變。傳感器的溫度響應(yīng)時(shí)間為0.5s，靈敏度高，線性度和重復(fù)度都較高。還有一些傳輸型的光纖溫度傳感器，比如光纖熱色溫度傳感器（無(wú)機(jī)鹽溶液的顏色隨溫度而變）等，其原理也類似，只是傳感元件的機(jī)理不同而已，而光纖只是起到傳輸?shù)淖饔谩?/p>

從以上內(nèi)容來(lái)看，可用作高溫測(cè)量的光纖溫度傳感器有干涉型、分布式和雙波長(zhǎng)型，而且這三種只能用瞬間高溫；而半導(dǎo)體吸收式、雙金屬片式光纖溫度傳感器和鍍鋁層光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、光纖液體溫度傳感器可以用于中低溫測(cè)量。

9.2光纖溫度傳感器在冶金領(lǐng)域中的應(yīng)用

傳統(tǒng)高溫測(cè)量主要可以采用非接觸式和接觸式兩類。

9.2.1接觸式測(cè)量

一般來(lái)說(shuō)，接觸式測(cè)量法是在測(cè)溫傳感探頭與待測(cè)物體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，才能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，所以測(cè)量過(guò)程中會(huì)受到傳熱方式和待測(cè)對(duì)象性質(zhì)的影響，由此會(huì)產(chǎn)生誤差。若待測(cè)物質(zhì)具有腐蝕特性，則在高溫狀態(tài)下，接觸元件及傳輸元件的使用期限將會(huì)大大縮短，測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生大量偏差。目前使用的接觸測(cè)溫儀表主要有膨脹式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱電溫度計(jì)，應(yīng)用較少的接觸測(cè)溫儀表是其他接觸溫度計(jì)，如光纖溫度計(jì)、熱