搜索
光纤温度计【摘要】本文首先大体介绍下温度计的产生及发展，以及各种温度计的基本原理，重点介绍光纤温度计的原理及应用，最后预测温度计发展的总趋势。【关键词】温度计光纤温度计光纤传感器发展趋势一、温度计概述温度计是测温仪器的总称，可以准确的判断和测量温度。利用固体、液体、气体受温度的影响而热胀冷缩等的现象为设计的依据。在物理学发展早期的17、18世纪，物理学家对温度这一物理量的认识尚很肤浅。意大利物理学家伽利略在1593年根据理想气体的热膨胀原理设计出温度计的雏形。伽利略的朋友圣托里奥首次引入温度的数值刻度，为后世真正温度计的诞生奠定了基础。英国的费迪南德大公爵（Ferdinand，GrandDukeofTuscany）于1642年开始使用密封在玻璃管中的酒精来指示温度的变化。以上几种温度计仅能够用来观测温度的涨落，都还没有科学的绝对温度标定。英国科学家牛顿在1701年定义了冰水混合物的温度为零度。荷兰物理学家华伦海特于1709年和1714年分别发明了利用酒精和水银作为测量介质的更精确的温度计。时至今日，华伦海特发明的玻璃制的酒精、水银温度计仍然被广泛的使用。在华氏温标制建立之后10多年，瑞典天文学家聂耳修斯改进了华伦海特温度计的刻度，他把标准大气压下水的沸点定为零度，水的冰点定为100度。后来他的同事把这两个温度点的数值又倒过来，就成为了现在的百分温度，即用℃表示的摄氏温度。继摄氏、华氏温标建立之后，另一位英国物理学家开尔文根据热力学定律于1836年建立了绝对温标。开氏温标的出现是现代温度计量的开端。二、温度计发展历程根据使用目的的不同，已经设计出了多种温度计。分别有：1、气体热膨胀温度计：由伽利略发明的基于气体热膨胀效应的温度计至今仍在工业中应用。由于需要测量气体的热膨胀所造成的气体压强的改变，这类温度传感器可以看做是压强传感器在温度传感器中的应用。如上图A所示，温度敏感介质是封装在玻璃球内的气体，受热之后气体的压强变化造成了管内液面的上升和下降，指示温度的高低。这种原始装置中由于液体和空气是联通的，因而管内液面的高度也会受到大气压强涨落的影响。上图（B）中所示的现代气体热膨胀式温度计则避免了这一问题。2、玻璃液体温度计：玻璃液体温度计底端的盛装温度敏感液体的玻璃泡与毛细管相连。玻璃泡中的液体由于热膨胀而产生的体积改变由毛细管上的刻度测量。古老的玻璃温度计简单可靠、价格低廉、使用方便，因而能保持生命力至今。但是玻璃温度计共同的缺点是热惯性大、响应速度慢、温度范围有限、测量结果不易数字化，因而在现代工业技术中应用很有限。玻璃液体温度计的最低和最高工作温度分别由敏感液体的凝固点和沸腾点所决定。常见的液体温度计的性能指标：玻璃管中的液体最低工作温度最高工作温度典型温度误差水银-35℃+300℃±0.1℃甲醇-100℃+80℃±0.5℃甲苯-80℃+100℃±0.5℃有机油-100℃+300℃±0.5℃3、双金属片温度计：金属材料的热膨胀也可以作为温度测量的基础。双金属片温度计利用两种热膨胀系数不同的金属材料结合在一起来对热膨胀效应加以放大，从而使得利用固体的热膨胀测量温度的灵敏度大为提高。结构图如上图所示，它的温度敏感元件由粘结在一起的一对热膨胀系数差异较大的双金属片组成。在环境温度改变时，双金属片由于热膨胀系数的差异会发生弯曲，使自由端发生弯曲形变。从而检测温度的变化。双金属片温度计虽然逐步被各种更加灵敏，并能将温度直接转化为电信号的电子式温敏元件所替代，但由于双金属片的适用温度范围广、结构简单、性能可靠、价格低廉，目前仍然有着广泛的应用。4、热电阻温度计：基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的特性，将电阻值的变化转化为电信号，从而达到测温的目的。热电阻测温优点是信号灵敏度高、易于连续测量。但是，它需要电源激励、有自热现象以及测量温度不能太高。常用热电阻主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。由于热电阻温度计较为熟悉，在此不再赘述。5、热电偶测温计：热电偶是工业和武器设备试验中温度测量应用最多的器件。它的特点是测温范围广、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应好，输出直接为电信号，可以远传，便于集中测量和自动控制。热点偶的测温原理在于热电效应。将两种不同导体A和B连成闭合回路，当两个节点处的温度不同时，回路中将产生热电势，由于这种热电效应现象是1821年塞贝克首先发现提出，故又称为塞贝克效应。人们把上图所示的两种不同材料构成的热电转换元件称为热电偶，导体A和导体B称为热电极，通常把两热电极一个端点固定焊接，作为测量端；另一端点保持为某一恒定温度或室温，俗称为冷端。热电偶闭合回路中产生的热电势由温差电势和接触电势组成。温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势。而接触电势是由于两热电极材料不同而具有不同的自由电子密度，其数值取决于电极材料和接触点的温度。由此可见，当热电偶两热电极材料确定后，其总电势仅与两端点温度有关。据此可以得到温度值。热电偶通常由热电极、绝缘管、保护管和接线盒组成。上图所示，为工业热电偶基本结构。三、光纤温度计传统的温度测量技术在各个领域的应用已经成熟，如热电偶、热敏电阻等。它们的敏感机理是以电信号为工作基础的，即温度信号被电信号调制。而在特殊的环境下，如易燃易爆、高电压、强电场，具有腐蚀性气体、液体以及需要快速响应等，光纤温度计具有独到的优越性。光纤温度计可分为两大类，第一类为非功能型，光纤在温度计中仅起传输光信号的作用，又称传光型或结构型光纤温度计。第二类为功能型，光纤不仅起光信号的传导作用，它还作为测温的敏感元件，利用多种光学效应如偏振干涉、相位干涉等，当光纤在受到温度的影响光纤温度计的特点是耐腐蚀，抗电磁干扰，这是其他传感器所不能相比的。在测量端可实现不带电的全光路系统，因而具有完全的防爆性能。下面介绍两种典型的光纤温度计。（1）半导体吸收式光纤温度计——非功能型基本原理：光纤只起到光信号传输的作用。它是利用半导体材料的光吸收响应随温度而变化的特性，根据透过半导体的光强变化检测温度。例如单波长式半导体光纤温度传感器，半导体的透光率与温度的变化曲线如下图所示：温度变化时，半导体的透光率曲线发生变化。当温度升高时，曲线将向长波方向移动，在光源的光谱处于λg附近的特定入射波长范围内，其透过光强将衰减，测出光强变化，就可知对应的温度变化。这类温度计测温范围为-30℃——300℃。半导体光纤传感器的装置简图及探头结构如图所示：（2）干涉型光纤温度计——功能型基本原理：温度的变化会引起相位的变化，即采用相位调制的方法。通过光纤干涉仪来检测相位大小的变化即可测得温度值。光纤即为温度敏感元件。马赫—曾德尔干涉光纤应变传感器：马赫—曾德尔干涉仪（fiber-opticMach-Zehnderinterferometricsensor，MZI）是奥地利物理学家ErnstMach和LudwigZehnder于19世纪末发明的。它的基本原理是将相干光分成两束，在其中一束引入一定的光程差，再使两束光聚合在一起，通过对相位不同的两束光的干涉效应的分析可以测量他们之间的位相差。由激光源发射的相干光经由入射光纤到达第一个光纤耦合器，被分为强度相等的两束，分别进入两根完全相同的光纤。两根光纤，一根用作参考，另一根则为测量光纤，它的一段与被测物体粘结在一起，被测物体的应变会引起测量光纤长度的微小改变，从而改变在其中传播的光线的光程。当两束光重聚在一起时，会发生干涉效应。输出光强度的改变取决于相位差的大小。干涉型光纤温度计：光纤中光波的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定。一般来说，压力、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化，即实现光纤的相位调制，这样就可以实现对外界物理量的测量。但目前各类光纤传感器都不能感知光波的相位变化，因此必须采用光波的干涉技术，将相位变化转化为光强的变化，这样才能使用光强探测实现外界物理量的测量。或者直接采用光纤干涉仪，根据干涉条纹即可得到温度值。上图为马赫—曾德尔干涉仪的光纤温度计的原理图。干涉仪中的信号臂和参考臂由单模光纤组成，参考臂置于恒温环境中，由此它在测温过程中光程始终不会变化。而信号臂在温度的作用下，长度和折射率会发生变化。信号臂的相位为=2n*L式中λ为光源波长，n为纤芯折射率，L为光纤长度。对上式微分，可求出单位长度上的相位变化，即：)(2TLLnTnL以氦-氖激光器为例，对n=1.456的单模光纤有TLL=5*10-7（1/℃），Tn10*10-8（1/℃），将这些值带入得，)/(107mCradTL上式表明，在1m长的光纤上，温度每变化1℃则有17根条纹移动，通过条纹计数就能获得相应的温度值。光纤温度计的实际应用——光纤辐射温度测量仪：任何物体只要本身及其周围的温度不是绝对零度，则物体本身就会向周围辐射热量。物体的辐射出射度与辐射的温度T和发射率e有关，只要测出物体的辐射出射度，又已知物体的发射率，即可求出温度T。根据光纤测温仪应用的波长特性将其分类，可分为光纤红外测温仪、光纤亮度测温仪和光纤比色测温仪等。下面具体介绍下黑体空腔式光纤测温仪。黑体空腔式光纤测温仪是由黑体空腔与被测介质达到温度平衡，通过光纤将黑体腔的辐射能量传输给光电探测器件，从而实现温度测量。美国Accufiber公司研制的蓝宝石光纤高温计，采用在蓝宝石前端喷镀一层铂铑金属膜再在外边覆盖一层氧化铝保护膜的方法，形成黑体。如下图所示：黑体空腔置于待测点上，当热传感头深入到热源时光纤感温腔与周围环境迅速达到热平衡，感温腔辐射的光信号经蓝宝石光纤传输。温度测量光电放大器由耦合器和探测器组成。为了提高耦合效率，减少衰减，使光信号最大限度的远距离传输，设计了耦合模块。辐射光信号由透镜变成平行光后经窄带滤光片通过另一透镜汇聚到传导光纤中，再传至光电探测器件。如上图所示。窄带干涉滤光片虽然降低了信噪比，但提高了测温精度，按照要求选择窄带截止型干涉滤光片。光电探测器选用硅PIN光电二极管与一个以FET为前端的宽带低噪声放大器混合集成的光电接收组件。这种器件是一个包含小面积，小电容的光电二极管与高输入阻抗的场效应管前置放大器的组合体.其中所有引线长度及杂散电容都做得非常小，由于电容小，输入阻抗高，可以大大降低热噪声,这种组件还具有供电电压低，工作十分稳定、使用方便的特点。光电探测器将光信号转变为电信号，由数据采集部分采集，经专用测温软件处理得出测点的温度—时间曲线。下图为光电转换原理图：蓝宝石光纤黑体腔高温计结构简单，操作方便，灵敏度高，响应速度快，寿命长，适合于恶劣环境下高温的测量。利用专用测温软件显示温度——时间曲线、电压——时间曲线，通过光标能读取曲线上任意点的温度值、电压值及对应的时间；蓝宝石光纤高温计实物图如下所示：近年来为了解决空间分布的温度及温度场的测量，研制出了分布式光纤温度计，它相对电信号为基础的温度传感器和点式光纤温度传感器，无论从测量技术的难度、测量内容及指标，还是测量场合和范围都提高到了一个新的阶段。分布式光纤测温系统是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的系统，它是一种分布式的、连续的、功能型光纤温度测量技术。其中，光纤既是传输媒体也是传感媒体，利用光纤后向拉曼散射的温度效应，可以对光纤所在的温度场进行实时测量，利用光时域反射技术可以对测量点进行精确定位。光纤布拉格光栅是最近十几年发展最为迅速的光纤无源器件之一，它是利用掺杂（如锗、磷等）光纤的光敏性，通过某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用，导致纤芯折射率沿纤轴方向周期或非周期性永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。当温度变化时，光纤的栅距和折射率发生变化，导致其响应波长的移动，通过检测响应波形即可确定温度。它可以在一根光纤上实现多点测量，并能同时测量温度和应变。四、温度计的发展趋势由上分析可知，传统的温度计如玻璃液体温度计、双金属片温度计由于价格低廉，稳定性高仍然会长久存在。另一方面，一些更高技术的温