《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)綜合實驗》 教案 3-7光纖溫度計

光纖溫度計根據(jù)光纖在傳感器中的作用，將其分為功能型(FF)和非功能型(NFF)兩大類。功能型光纖溫度計當(dāng)光沿單模光纖傳播時，表征光特性的某些參數(shù)，如振幅、相位、偏振等，會因外界因素(溫度、壓力、加速度、振動和電磁場)的改變而改變?；诖私⑵饋淼囊活惞饫w溫度計稱為功能型光纖溫度計，光纖在其中不僅起導(dǎo)光作用還起感溫作用。1）相位干涉型光纖溫度計在功能型光纖溫度計中，以相位干涉型最有應(yīng)用價值，其中的典型代表為馬赫-珍德相位干涉光纖溫度計。采用兩根材質(zhì)相同、長度基本相同的單模光纖，令其出射端平行，則它們的出射光就會干涉并在屏幕上形成明暗相間的干涉條紋。一根為測量用光纖，另一根為參考光纖，置于被測溫度場內(nèi)。當(dāng)溫度變化時，測量光線出射光的相位將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致干涉條紋發(fā)生移動。溫度變化越大，干涉條紋移動的數(shù)目就越多。通過測量干涉條紋移動的數(shù)目，就可推出被測溫度的變化量。圖1是干涉型光纖溫度計的結(jié)構(gòu)原理圖。圖1馬赫-珍德干涉型光纖溫度計的結(jié)構(gòu)原理圖1—He-Ne激光器；2—擴(kuò)束鏡；3—分光鏡；4，5—透鏡；6—測量光纖；7—參考光纖；8—半導(dǎo)體PIN管；9—屏幕激光器1發(fā)射單色光，經(jīng)擴(kuò)束鏡2擴(kuò)束準(zhǔn)直為平行光，再經(jīng)分光鏡3分成兩路分別經(jīng)透鏡4、5進(jìn)行光束直徑聚焦。聚焦后光束大小等于測量光纖6、參考光纖7的入射端面直徑的大小，兩出射光在屏幕9上產(chǎn)生干涉條紋，屏幕后設(shè)置的半導(dǎo)體管8檢測出干涉條紋的移動。2）法布里-珀羅光纖溫度計該溫度計利用法布里-珀羅光纖本身產(chǎn)生的多次反射形成的光束產(chǎn)生干涉，同時可以采用很長的光纖來獲得很高的靈敏度。它只用一根光纖，干擾要比馬赫-珍德相位干涉光纖溫度計小得多。法布里-珀羅光纖溫度計的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。它包括激光器8、起偏器7、物鏡6、調(diào)制源5、壓電轉(zhuǎn)換器4、光探測器2、記錄儀1及干涉腔單模光纖(F-P光纖)3。F-P光纖一部分繞在加有正弦電壓的壓電轉(zhuǎn)換器上，光纖的長度受到調(diào)制。只有在產(chǎn)生干涉的各束光通過光纖后出現(xiàn)的相位差時，輸出才最大，此時探測器獲得周期性的連續(xù)脈沖信號。當(dāng)外界的被測溫度使得光纖中的光波相位發(fā)生變化時，輸出脈沖峰值的位置將發(fā)生變化。圖2法布里-珀羅光纖溫度計的結(jié)構(gòu)原理圖1—記錄儀；2—光探測器；3—光纖；4—壓電變換器；5—調(diào)制源；6—顯微物鏡；7—起偏器；8—He-Ne激光器非功能型光纖溫度計非功能型光纖溫度計又稱傳光型光纖溫度計。感溫功能由非光纖型敏感元件完成，光纖僅起導(dǎo)光作用，這種光纖溫度計性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)。1）熒光光纖溫度計（1）熒光強(qiáng)度式光纖溫度計熒光強(qiáng)度式光纖溫度計利用光致發(fā)光效應(yīng)制成。稀土熒光物質(zhì)在外加光波的激勵下，原子處于受激勵狀態(tài)產(chǎn)生能級躍遷。當(dāng)受激原子恢復(fù)到初始狀態(tài)時發(fā)出熒光，且出現(xiàn)余暉，強(qiáng)度與入射能量和熒光材料有關(guān)。當(dāng)入射光能量恒定時，熒光強(qiáng)度只是溫度的單值函數(shù)。在實際應(yīng)用中多采用測量兩個熒光光譜比值的方法，用于克服測量中的影響。由于物體的熒光只是在低溫區(qū)才具有可檢測的熒光溫度特性，因此它只適于低溫區(qū)的測量。圖3是熒光強(qiáng)度式光纖溫度計的結(jié)構(gòu)原理圖。光源2在脈沖電源1的激勵下發(fā)出紫外輻射激光束，經(jīng)透鏡3校直為近似平行光，再由濾光器4去除可見光，經(jīng)分光鏡5其透射部分經(jīng)透鏡6聚焦射入光纖7,再投射到熒光物質(zhì)12上。熒光物質(zhì)12返回的熒光經(jīng)透鏡6校直為近似平行光，再經(jīng)分光鏡5分成兩路，其反射部分經(jīng)濾光器8分出兩路特定波長的譜線，然后經(jīng)過透鏡9聚焦到兩個固體光電探測器10上。探測器輸出的信號再經(jīng)過放大等處理。熒光強(qiáng)度式光纖溫度計具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、測溫范圍寬、重復(fù)性好等特點(diǎn)。測溫范圍為－30～250℃,一般測量準(zhǔn)確度為±0.5℃,等級高的可達(dá)±0.1℃,響應(yīng)時間為1/4～4s。熒光強(qiáng)度式光纖溫度計探頭和傳輸部分連成一體，沒有導(dǎo)電物質(zhì)，特別適合于狹小空間的溫度測量。圖3熒光強(qiáng)度式光纖溫度計的結(jié)構(gòu)原理圖1—脈沖電源；2—光源；3，6，9—透鏡；4，8—濾光器；5—分光鏡；7—顯光纖；10—光電探測器；11—放大處理電路；12—熒光物質(zhì)（2）熒光衰變式光纖溫度計熒光衰變式光纖溫度計是基于熒光強(qiáng)度與溫度的關(guān)系設(shè)計制成的?；跓晒鈮勖臏y溫技術(shù)無須光強(qiáng)測量，只要熒光材料選擇得當(dāng)，溫度僅根據(jù)“熒光壽命”這一本征參數(shù)來確定。閃爍光照射到摻雜的晶體上，可以激發(fā)出熒光來。熒光的強(qiáng)度衰變到初值的1/e時所需要的時間稱為衰變時間，而且與溫度有關(guān)。利用熒光物質(zhì)的衰變時間來控制激勵光源的調(diào)制頻率，測量調(diào)制頻率就可測出溫度。典型熒光衰變式光纖溫度計結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。發(fā)光二極管2作為激勵光源，其頻率由熒光物質(zhì)的衰變時間來控制。光源的光通過透鏡3進(jìn)入濾光器4濾去長波，再經(jīng)過分光鏡5和透鏡6注入光纖7射向熒光物質(zhì)8激發(fā)熒光。返回的熒光有分光鏡5耦合到濾光鏡9上，經(jīng)濾光器后的熒光經(jīng)透鏡10聚焦進(jìn)入探測器11轉(zhuǎn)換成電信號。此信號經(jīng)過放大器12、相移器13和幅度控制器14,最后反饋到調(diào)制器1控制脈沖光源的發(fā)光。系統(tǒng)正常工作后通過計數(shù)器15測量振蕩頻率，即可測量被測對象的溫度。熒光衰變式光纖溫度計的測量范圍是0～70℃,連續(xù)測溫的偏差為0.04℃。圖4熒光衰變式光纖溫度計結(jié)構(gòu)原理圖1—調(diào)制器；2—發(fā)光二極管；3，6，10—透鏡；4，9—濾光器；5—分光鏡；7—光纖；8—熒光物質(zhì)；11—探測器；12—放大器；13—相移器；14—幅度控制器；15—計數(shù)器（3）藍(lán)寶石單晶光纖溫度計藍(lán)寶石單晶光纖溫度計綜合了光纖輻射溫度計和熒光光纖溫度計的優(yōu)點(diǎn)，可以實現(xiàn)從室溫到1800℃大范圍的溫度測量，結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。在低溫區(qū)(400℃)輻射信號較弱，系統(tǒng)開啟發(fā)光二極管3使熒光測溫系統(tǒng)工作。發(fā)光二極管發(fā)射調(diào)制的激勵光，經(jīng)透鏡4聚焦到Y(jié)形光纖5的分支端，再經(jīng)光耦合器6透射至紅寶石(熒光發(fā)射體)13上，使其受激發(fā)生熒光。熒光信號由藍(lán)寶石光纖12導(dǎo)出，經(jīng)光纖耦合器6從Y形光纖5的另一分支端射出，經(jīng)高通濾波器11被光電探測器10接收。光電探測器輸出的信號經(jīng)放大后由熒光處理系統(tǒng)9處理、計算，得到被測對象的溫度。在高溫區(qū)(400℃以上)輻射測溫系統(tǒng)工作，發(fā)光二極管關(guān)閉，當(dāng)系統(tǒng)切換到輻射測溫模式時，黑體空腔7發(fā)射出輻射信號經(jīng)藍(lán)寶石光纖12輸出，并經(jīng)Y形光纖5導(dǎo)出，由光電轉(zhuǎn)換器10轉(zhuǎn)成電信號，再經(jīng)輻射處理系統(tǒng)8處理后，通過檢測輻射信號強(qiáng)度計算得到被測對象溫度。圖5藍(lán)寶石單晶光纖溫度計原理框圖1—單片機(jī)；2—驅(qū)動模塊；3—LED；4—透鏡；5—Y形石英光纖傳導(dǎo)束；6—光纖耦合器；7—黑體空腔；8—輻射處理系統(tǒng)；9—熒光處理系統(tǒng)；10—光電探測器；11—高通濾波器；12—藍(lán)寶石光纖；13—紅寶石2）半導(dǎo)體光纖溫度計半導(dǎo)體光纖溫度計由半導(dǎo)體接收器、光纖、光源和光探測器信號處理系統(tǒng)等組成。某些半導(dǎo)體材料(如GaAs砷化鎵)展現(xiàn)出獨(dú)特的光譜特性，其吸收光譜極為陡峭，對光的吸收隨著溫度的升高顯著增強(qiáng)。半導(dǎo)體材料光透射特性如圖6所示，圖中λg為吸收邊沿波長。邊沿線左邊的光能被半導(dǎo)體材料吸收，右邊的光能透過。由圖中可以看出半導(dǎo)體材料的光譜特性分為3個區(qū)域：①短波部分，入射光全部被吸收，透射為零；②長波部分，吸收為零，入射光全部透過；③中間部分，吸收的邊沿隨溫度升高而向長波方向移動。光源發(fā)出的光譜峰值落在吸收的邊沿為λg上，當(dāng)溫度升高時透過半導(dǎo)體的輻射功率(圖中光源光譜線與半導(dǎo)體的透射光譜線之間的面積)將明顯減少。利用此特性制成半導(dǎo)體光纖溫度計。半導(dǎo)體光纖溫度計探頭結(jié)構(gòu)如圖7所示，兩根光纖端面中間夾一塊半導(dǎo)體感溫薄片，外面用封熔材料和不銹鋼套固定。光源發(fā)出的光從光纖的一端射入，透過半導(dǎo)體薄片后，光纖的另一端設(shè)置光探測器。根據(jù)探測器接收光強(qiáng)的大小就可以測出半導(dǎo)體薄片位置的溫度。半導(dǎo)體材料常用砷化鎵(GaAs)和碲化鎘(CdTe),厚度分別為0.2mm和0.5mm。上述半導(dǎo)體光纖溫度計為單光源、單波長結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、便于推廣，但是測量準(zhǔn)確度較低。圖6半導(dǎo)體材料光透射特性曲線??—透射率；λg—波長；1—光源光譜特性；2—半導(dǎo)體光譜特性圖7半導(dǎo)體光纖溫度計探頭結(jié)構(gòu)圖1—光纖；2—不銹鋼套；3—半導(dǎo)體吸收元件；4—封結(jié)材料雙波長半導(dǎo)體光纖溫度計增加了一個參考光源，其輻射功率與溫度無關(guān)，與耦合效率、光纖衰減等干擾因素有關(guān)。它是利用接收端參考光輻射功率與信號光輻射功率之比來確定溫度，這就消除了干擾因素的影響，提高了測量準(zhǔn)確度。雙波長半導(dǎo)體光纖溫度計結(jié)構(gòu)原理如圖8所示。光源采用兩只不同波長的發(fā)光二極管，一只是AlGaAs發(fā)光二極管，波長λ1≈0.88μm;另一只是InGaPAs發(fā)光二極管，波長λ?≈1.27μm。它們由脈沖發(fā)生器激勵而發(fā)出兩束光，通過耦合器4一起射入光纖，再經(jīng)過探頭6，探頭中的半導(dǎo)體元件吸收波長λ的光，吸收率隨溫度而變化；探頭中的半導(dǎo)體元件對波長λ?的光不吸收幾乎全部透過。波長λ?的光為測量信號，波長λ?的光為參考信號。該溫度計的測量范圍為－30～300℃,準(zhǔn)確度可達(dá)1℃。圖8雙波長半導(dǎo)體光纖溫度計結(jié)構(gòu)原理圖1—脈沖發(fā)生器；2—LED驅(qū)動器；3—LED；4—光耦合器；5，7—光纖連接器；6—測溫探頭；8—光探測器；9—信號處理電路；10—光纖3）熱色效應(yīng)光纖溫度計許多無機(jī)溶液的顏色(既光吸收譜線)隨溫度變化的特性，稱為熱色效應(yīng)，根據(jù)此原理設(shè)計的溫度計稱為熱色效應(yīng)光纖溫度計。在此溫度計中無機(jī)溶液為感溫元件，其顏色通過光纖傳導(dǎo)出來用于測量。熱色效應(yīng)光纖溫度計探頭結(jié)構(gòu)如圖9所示。無機(jī)溶液2置于玻璃管套管1的頂端，用內(nèi)玻璃套管3封死無機(jī)溶液，然后用環(huán)氧樹脂5粘牢內(nèi)外套管。再把兩束用聚乙烯套管6包裹起來的光纖4插入內(nèi)玻璃套管3中，一束用來導(dǎo)入由光源產(chǎn)生的窄頻帶紅光脈沖，另一束用以接收無機(jī)溶液的反射光。測量溫度時把探頭插入被測介質(zhì)中，無機(jī)溶液感受被測介質(zhì)的溫度而改變顏色，從而導(dǎo)致無機(jī)溶液對入射單色光反射強(qiáng)弱的變化，反射光再經(jīng)接收光纖束導(dǎo)出送給光探測器從而測出溫度。熱色效應(yīng)光纖溫度計結(jié)構(gòu)見圖10所示。采用鹵素?zé)襞葑龉庠?,并用斬波器2把輸入光變成頻率穩(wěn)定的光脈沖信號，然后通過物鏡3把光脈沖導(dǎo)入光纖5,再送至測溫探頭4中，無機(jī)溶液的反射光經(jīng)接收光纖傳至光纖耦合器6,光纖耦合器把接收的信號分成兩路，分別經(jīng)波長655nm和800nm的濾光器7進(jìn)行選擇。波長655nm光信號的振幅是受溫度調(diào)制的測量信號，波長800mm的光信號與溫度無關(guān)，作為參考信號，這兩路光信號再經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換測量，根據(jù)測量信號與參考信號的比值計算測量溫度。該溫度計的測量范圍為5～75℃,分辨率優(yōu)于0.1℃,響應(yīng)時間為2s。圖9熱色效應(yīng)光纖溫度計探頭結(jié)構(gòu)圖1—玻璃套管；2—無機(jī)溶液；3—內(nèi)玻璃套管；4—半導(dǎo)纖維束；5，6—環(huán)氧樹脂粘接點(diǎn)；7—聚乙烯套管圖10熱色效應(yīng)光纖溫度計結(jié)構(gòu)1—光源；2—斬波器；3—透鏡；4—測溫探頭；5—光纖；6—光纖耦合器；7—濾光器；8—光電探測器；9—濾波放大器；10—微機(jī)系統(tǒng)根據(jù)使用方法不同，光纖溫度計又可分為：接觸式光纖溫度計和非接觸式光纖溫度計。接觸式光纖溫度計。使用時光纖溫度傳感器與被測溫對象接觸。如熒光光纖溫度計，半導(dǎo)體吸收光纖溫度計等。非接觸式光纖溫度計。使用時光纖溫度傳感器不與被測溫對象接觸，而采用熱輻射原理感溫，由光纖接收并傳輸被測物體表面的熱輻射，故又稱為光纖輻射溫度計。光纖輻射溫度計如圖11所示，經(jīng)探頭收集的輻射能，由光纖傳輸給探測器、經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信息處理后顯示出被測溫度?？梢?，光纖輻射溫度計與一般輻射溫度計的區(qū)別是：用探頭與光纖代替一般輻射溫度計的透鏡和光路。一般輻射溫度計的透鏡直徑大，難以用于空間狹小或被遮擋等場所，但光纖直徑小且可彎曲則可解決這些特殊情況的溫度測量問題。圖11光纖輻射溫度計系統(tǒng)1—被測目標(biāo)；2—光學(xué)系統(tǒng)；3—光纖；4—探測器；5—信號處理系統(tǒng)；6—顯示儀表普通光纖輻射溫度計由光耦合器、傳輸光纖和光電轉(zhuǎn)換及信號處理單元等部分組成。光耦合器在測溫時逼近被測目標(biāo)，是決定拾光量大小和溫度計靈敏度的主要元件，其耦合效率是評估這一性能的重要參數(shù)。輻射面元dF入射到具有平端面的光導(dǎo)纖維時，其光耦合效率η為 η=WWA=1式中WA——輻射面元dFW——經(jīng)耦合進(jìn)入光纖被傳輸?shù)哪芰浚籲0由上式看出，耦合效率的大小直接與數(shù)值孔徑有關(guān)。當(dāng)輻射源處于空氣介質(zhì)中時，n0=1 η=NA2 （2為提高光纖輻射溫度計的靈敏度，必須采用較大數(shù)值孔徑的光纖，但NA數(shù)值的大小又直接影響距離系數(shù)的性能指標(biāo)，要綜合考慮。因距離系數(shù)K取決于光纖的數(shù)值孔徑，K可用下式表示 K=12cotarcsin由上式看出，增大NA雖然可以提高耦合效率η和儀表的靈敏度，但卻要相應(yīng)地減小K。即在保持測量距離不變的情況下，要求有更大的被測靶徑，這樣便不能用于小目標(biāo)測量。綜合考慮測量距離與被測目標(biāo)大小問題，光纖輻射溫度計探頭設(shè)計有兩大類結(jié)構(gòu)，即直接耦合式與透鏡耦合式兩類，其結(jié)