光纤温度传感器的研究与发展

摘 要:分析了光纤温度传感器的优点,综述了光纤温度传感器的分类,并分别介绍了几种常见光纤温度传感器的原理,各自特点,并在文中以及最后对研究现状及热点做了简单总结。

关键词:光纤传感器 温度 研究现状 发展

中图分类号:TN29文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 05-090-01

1引言

在科研和生产中,有很多温度测量问题。传统的温度传感器有热电偶,热电阻温度传感器,热敏电阻温度传感器,半导体温度传感器等等。光纤温度传感器是20世界70年展起来的一种新型传感器。与传统的温度传感器相比,它具有灵敏度高,体积小,质量轻,易弯曲,不产生电磁干扰,不受电磁干扰,抗腐蚀性好等等优点,特别适用于易燃,易爆,空间狭窄和具有腐蚀性强的气体,液体以及射线污染等苛刻环境下的温度检测。

2光纤传感器分类

光纤温度传感器按照调制机理可分为相位调制,振幅调制,偏振态调制;按照传感方式可分为传感型和传光型。传感型光纤温度传感器是以光纤本身作为敏感元件,传光型光纤温度传感器只是利用光纤传输光,在光纤的一个断面上,配置上另外的温度敏感期间与光纤耦合起来,构成光纤传感器。传光型与传感型相比,虽然灵敏度稍差,但可靠性高,实用的传感器大多是这种类型。

3几种光纤温度传感器

3.1热辐射光纤高温传感器

它的原理是黑体辐射定律,物质受热时会发出一定的热辐射,辐射量的大小取决于该物质的温度和材料的辐射系数。当温度为230℃时,理想黑体开始出现暗红色辐射,亮度随着温度的增加而增强。

光纤热辐射高温传感器由高温探头,高低温光纤耦合器,信号检测和处理系统组成。当它被放于被测温度场中,黑体腔通过开口处向外辐射能量,辐射能量经过高低温光纤耦合器后,由低温低损耗光纤传输到信号检测系统和处理系统。

光纤高温传感器的关键之一,是研制性能稳定的传感器探头。探头的质量取决于镀膜技术,光学冷加工以及探头材料的性能。实验表明,采用单晶蓝宝石棒和纯石英棒,用镀膜技术制作成黑体辐射腔的高温探头是可行的。

3.2半导体吸收式温度传感器

这种传感器的基本原理是利用有些半导体物质(如GaAs)具有极陡的吸收光谱,波长与吸收端长的光可透过半导体,短的则被吸收。当温度升高时,本征吸收波长变大,透射率曲线向长波长方向移动,但形状不变;反之,当温度降低时,本征吸收波长变小,透射率曲线保持形状不变而向短波长方向移动。当光源的光谱辐射强度不变时,GaAs总透射率就随其温度发生变化,温度越高,总透射率越低。通过测量透过GaAs的光的强弱即可达到测温的目的。通过研磨抛光将 GaAs加工成很薄的薄片,其入射光和出射光用光纤耦合,这就是半导体吸收式光纤温度传感器的基本原理。

这种传感器的测量距离远,而且探头的体积小,灵敏度高,工作可靠。测量范围在0―300℃内保证较高的测量精度。

3.3光纤荧光温度传感器

当物体受到光或放射线照射时,其原子便处于受激状态。当原子回复至初始状态时随机发出荧光,且荧光的强度和辐射光的能量成正比,根据荧光的强度可以检测温度。而激励撤消后,荧光余晖的持续性取决于荧光物质特性、环境温度等因素,这种受激发荧光通常是按指数方式衰减的,我们称衰减的时间常数为荧光寿命或荧光余晖时间(ns)。我们发现,在不同的环境温度下,荧光余晖衰减也不同。因此也通过测量荧光余晖寿命的长短,来检测当时的环境温度。

强度性荧光光纤传感器会受光纤的微弯,耦合,散射等影响,很难达到高精度,而寿命型荧光传感器则可避免这些缺点,荧光寿命的测量是测温的关键。目前的研究主要围绕着应光源的选择,如蓝宝石和红宝石发光,稀土发光以及半导体发光。

3.4光纤光栅温度传感器

近年来光纤光栅成为发展最为迅速,最具代表性的光纤无源器件之一。

FBG光栅传感器的传感原理是: 如果用一宽光谱光源注入光纤,则每个 FBG 光栅都反射回一个中心波长为布拉格波长的窄带光波,其布拉格波长为

B=2 neff

其中 是光栅周期, neff是纤芯的有效折射率。

温度的改变,将导致 FBG 波长的改变,这个改变可以从光栅的反射光谱中检测出来,由此可以测定温度。

与一般的光线温度传感器相比,光纤光栅传感器尺寸小,检测量是波长信息,因此不受光源欺负,光纤弯曲损耗,连接损耗和探测器老化等因素的影响,对环境干扰不敏感,且波长编码,能方便使用波分复用技术。

尽管光纤光栅温度传感器有很多优点,但在应用中还有许多待解决的问题,如宽光谱、高功率光源的获得;光检测器波长分辨率的提高;光纤光栅的封装;光纤光栅的可靠性;光纤光栅的寿命等。

4结束语

所有与温度相关的光学现象或者特性,从原理上都可以用于温度测量,因此,光纤温度传感器采用的原理,结构,样式很多,对光纤温度传感器的研究占到奖金所有光纤传感器研究的20%。除了文中所介绍的几种传感器外,分布式光纤温度传感器,光纤高温传感器,包括温度在内的多功能光纤温度传感器,偏振调制的光纤温度传感器都是几个热门的研究方向。

参考文献:

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