新型温度传感器的发展

1简介光纤温度传感器摘要通过与传统温度传感器的比较，分析了光纤温度传感器在温度探测中的优势，综述了光纤温度传感器的发展现状和应用。分别介绍了基于弯曲损耗的光纤温度传感器，干涉式光纤温度传感器，光纤热色温度传感器，新型结构光纤传感器的工作原理和研究现状，详细介绍了各种传感器的特点及各自的研究方向，最后对光纤传感器的前景做了展望。关键词：光纤，温度传感器，光纤温度传感器应用IntroductionofseveralfiberoptictemperaturesensorAbstract:Bycomparisonwithconventionalsensors,analysisoftheopticalfibertemperaturesensoradvantageinthetemperaturedetection,summarizesthedevelopmentstatusandapplicationoffibertemperaturesensor.Introducedthebendinglossopticalfiber-basedtemperaturesensors,interferometricfiberoptictemperaturesensors,fiberoptichotcolortemperaturesensor,thenewstructureworksandresearchstatusofopticalfibersensor,describedindetailthecharacteristicsofvarioustypesofsensorsandtheirresearchdirection,finallyProspectsfiberopticsensorsareprospectedKeywords:fiber,optictemperaturesensors,fiberoptictemperaturesensors2前言温度是最为大家所熟知的物理参数，它是人们生产生活中接触最广泛也是最重要的一个工艺参数，故而需要温度测量以及新型温度传感器和测量技术的研发。随着科技的迅速发展，温度传感器俨然成为科技研发和工业生产中应用范围最广的传感器之一，因此应用于传统领域的传统温度传感器技术的迅猛发展。但温度传感器或者说传感器的针对性很强，在不同领域的温度测量工作可能因为细微的环境变化就会造成测量精度的显著偏差，这就要求传感器必须有极强的针对性以及测量结果的准确性。特别是针对近些年涌现出的诸多高科技领域，情况更是明显。所以我们必须开发新型传感器以满足高科技领域内的需求。小论文中将对近些年出现的一些新型光纤温度传感器原理与应用前景进行简单介绍。1.光纤温度传感器的核心部件——光纤光纤温度传感器的出现得益于光导纤维（简称光纤）的出现和其在应用领域的潜力陆续被发现。光纤早在上个世纪70年代就被研发出来，随着技术的完善，光纤的一系列优点在众多传感材料中脱颖而出，特别是近几年激光技术的成熟，促使了光纤传感器在应用领域得到了人们的青睐。光纤传感器的种类众多，主要有压力光纤传感器、位移光纤传感器、角速度和线速度光纤传感器、温度光纤传感器、电流光纤传感器、电压光纤传感器等近百种不同类型的光纤传感器。这些传感器的出现，解决了许多传统传感器所不能解决的问题。2.原理虽然种类繁多，但众多光纤传感器原理大致相同，都是将被测量的物理参数的变化转变为可测的光信号。具体是是将光源的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光。再经光纤送人光探测器、解调器而获得被测参数。光纤传感器一般由三大部分构成——光耦合器、传输光纤及光电转器。图一光纤温度传感器原理33.与传统温度传感器的比较热电偶法是接触式测温,如用铂铑热电偶，钨铼热电偶等，探头置于被测环境中,温差电压经电路转换后在仪表上直接显示温度，高温烧结炉多用这种方法。这些温度传感器尽管操作方便，性能稳定，但是因为接触式测温，热电偶冷热端距离远，体积大，造价昂贵，使用寿命短。光学高温计法是接触式测温，通过比较辐射源的色温和灯丝色温来测定温度，或者发射一激光束，通过被测体的反射束来测温。光纤温度传感器的优点：(1)光波不产生电磁干扰，也不易受电磁干扰，易被各种光探测器件接收．可方便地进行光电或电光转换．易与现代电子装置和计算机相匹配。(2)工作频率宽．动态范围大，传输时损耗低，光纤本身不带电．体积小质量轻，易弯曲，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。4．光纤温度传感器的分类光纤温度传感器按其工作原理可分为功能型和传输型两种：（1）功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性（相位、偏振、强度等)随温度变换的特点，进行温度测定。缺点：这类传感器尽管具有“传”，“感”合一的特点．但也增加了增敏和去敏的困难。（2）传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用。以避开测温区域复杂的环境．对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的。缺点:这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题。增加了系统的复杂性，且对机械振动之类的干扰较敏感。5.光纤温度传感器的应用光纤温度传感自问世以来．主要应用于电力系统、建筑、化工、航空航天、医疗以至海洋开发等领域，并已取得了大量可靠的应用实例。(1)光纤温度传感器在电力系统有着重要的应用。电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控；高压配电装置内易发热部位的监测；发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统；各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断；火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管道的温度和故障点检测：地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。（2）光纤温度传感特别是光纤光栅温度传感器很容易埋入材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量。因而被广泛的应用于建筑、桥梁上。美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家早就开展了桥梁安全监测的研究并在主要大桥上都安装了桥梁安全监测预警系统。用来监测桥梁的应变、温度、加速度、位移等关键安全指标。1999年夏，美国新墨西哥LasCmceslO号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了120个光纤光栅温度传感器。创造了单座桥梁上使用该类传感器最多的记录。（3）航空航天业是一个使用传感器密集的地方。一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使用的传感器超过100个。因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤传感器从尺寸小4和重量轻的优点来讲．几乎没有其他传感器可以与之相比。(4)传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的。光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量。提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的损害非常小，足以避免对正常医疗过程的干扰。(5)光纤光栅传感器因其抗电磁干扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感。挪威的Optoplan正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。6.几种典型的光纤温度传感器一．光纤功能型温度传感器6.1基于弯曲损耗的光纤温度传感器基于弯曲损耗的光纤温度传感器利用硅纤芯和塑料包层折射率差随温度变化引起光纤孔径的变化、光纤的突然弯曲引起的局部孔径的变化的原理测量温度。乌克兰采用EBOC生产的多模阶跃塑料包层硅纤芯光纤HCN-H，已做出基于弯曲损耗的光纤温度传感器．其测温范围为30℃～70℃。灵敏度达到O.5℃。法国研究出测温范围为0℃～60℃。灵敏度为0.2℃的基于弯曲损耗的光纤温度传感器。国内主要是对光纤的弯曲损耗与入射波长、弯曲半径、弯曲角度、弯曲长度、光纤参量和温度等的关系做了一些研究。实验装置图如图2所示。图二基于弯曲损耗的光纤温度传感器的实验装置图6.1.1优点基于弯曲损耗的光纤温度传感器具有结构简单、体积小、成本低、测量方便不需要解调等优点。6.1.2缺点测量精度低；由于它是光强调制型光纤传感器，光源的稳定性对其影响很大；使用寿命短等。6.1.2今后改进措施5在今后的研究中主要从光纤的选择、测量条件的提高等方面开展工作。6.2干涉式光纤温度传感器来自激光器的光束被波导分成两路，分别经过L1和L2两条光纤后在输出端重新合成。当温度变化时，两束光由于相位不同而发生干涉，干涉产生的光强按正弦规律周期性变化并与长度差L1–L2成正比。最后通过干涉式温度传感器光强的检测，可达到检测温度的目的。图三干涉式光纤温度传感器原理图二．光纤传输型温度传感器6.3光纤热色温度传感器6.3.1组成及原理光纤热色温度传感器由光源、斩波器、光纤、探头、光纤刺合器、滤波器、光电探测器以及信号处理装置组成。它是以热色效应为基础。许多无机溶液的颜色是随温度变化的，因而溶液的光吸收谱线也随温度的变化而变化，利用无机溶液的热色特性，可以制成光纤热色温度传感器。由于颜色随温度而变，因此透射光谱也将因温度不同而不同。分别采用波长为655nm和800nm的光作为温度信号光束和参考信号光束，那么这两束光的光强之比，只随温度升高而单调下降，由此可根据测得的两光束光强之比值就可获得待测的温度。6.3.2优点利用了比值信号处理，从而消除了电源的波动及光纤中与温度无关的因素所引起的损耗对测量的影响，保证了系统测量的准确性。这种温度传感器测量范围为5—75摄氏度，精度可达正负0.2摄氏度，且不受微波辐射场的干扰。6.4新型结构光纤温度传感器6.4.1组成及原理此种光纤温度传感器属于光强调制型传感器。普通光纤在被外力挤压时，光纤中光强的变化量很小，几乎测不到，所以光强调制型的光纤温度传感器一般要6加外部敏感元件，从而调制光纤中的光强在一段包层直径为125微米，长度约10cm的多模光纤上，用光刻法及化学腐蚀的方法在光纤包层上蚀刻，包层外部是作为调制元件的金属镀层。光纤在镀铝后，在外界温度发生变化时，首先镀在光纤表面上的铝镀层发生热胀冷缩，使光纤受到拉伸或压缩，引起光纤内传输模体积的变化，这种变化导致光能量的损失，引起输出信号光强度的改变。6.4.2优点传感器的温度响应时问为0.5s,灵敏度高,线性度和重复度都较高。图四经过镀膜的光纤温度传感器的工作示意图6.光纤温度传感器存在的问题及改进措施光纤温度传感器与传统的传感器相比有很多优点如动态范围大、灵敏度高、响应快、抗电磁干扰、耐腐蚀、光路可弯曲以及便于实现遥测等优点。它的应用范围相当广泛，从监测相对低温的生物过程到监测高温的发动机零件。国内已有许多高校及研究所研制各种温度传感器，国外光纤温度传感器已走出实验室，进入商品市场。但也存在着急待解决的问题如输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变化、探测器老化等因素的影响，近年来，针对它在应用中的不足，提出了各种补偿方法加以克服，今后光纤温度传感器的研究发展趋势将是认真研究光纤传感器各组成部分元器件的性能；提高传感器的精度和可靠性、稳定性并简化器件结构、降低成本；重点开发特殊测温要求的温度传感器，特别是2500摄氏度以上和负250摄氏度以下的超高温和超低温温度传感器；并将光纤技术与微处理机技术相结合，发展数字化、集成化自动化和工程化的新型光纤温度传感器。7.光纤温度传感器的前景正是因为光纤温度传感器有传统无法比拟的优点，所以科技工作者才会孜孜不倦的探索它，改进它。特别是国外一些发达国家对光纤温度传感技术的应用研究已取得丰富成果．不少光纤温度传感器系统已实用化。对光纤温度传感器目前有以下几个发展动向：1.大力发展测量温度分布的测量技术：即由对单个点的温度测量到对光纤沿线上温度分布以及大面积表面温度分布的测量。2.开发包括测量温度在内的多功能的传感器3.研制大型传感器阵列．实现全光学遥测。77.参考书目1.CulshawB，DakinJ光纤传感器[M]。李少慧，宁雅农译武汉：华中理工大学出版社2.张晓冰，王学伟，王琳。光纤温度传感器[J]。电