25光纤温度传感器

第10章光纤温度传感器燕山大学光电子系第10章光纤温度传感器10.2传光型光纤温度传感器210.3功能型光纤温度传感器310.4分布式光纤温度传感器4110.1引言燕山大学光电子系10.1引言在科研和工农业生产中，温度是检测与控制的重要参数。传统的温度测量技术已很成熟，如热电偶、热敏电阻、光学高温计、半导体以及其他类型的温度传感器。它们的敏感特性都是以电信号为工作基础的，即温度信号被电信号调制；而在特殊工况和环境下，如易燃、易爆、高电压、强电磁场、具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等，光纤温度测量技术具有独到的优越性。燕山大学光电子系由于光纤本身的电绝缘性以及固有的宽频带等优点，使得光纤温度传感器突破了电调制温度传感器的限制。同时，由于其工作时温度信号被光信号调制，传感器多采用石英光纤，传输的幅值信号损耗低，并可以远距离传输，使传感器的光电器件远离现场，避免了恶劣的环境。在辐射测温中，光纤代替了常规测温仪的空间传输光路，使干扰因素如尘雾、水汽等对测量结果影响很小。光纤质量小，截面小，可弯曲传输测量不可视工作温度，便于特殊工况下的安装使用。燕山大学光电子系红外温度传感器而在特殊工况和环境下，如易燃、易爆、高电压、强电磁场、具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等，光纤温度测量技术具有独到的优越性。自然界一切温度高于绝对零度的物体。由于分子的热运动都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波。其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克定律公式是？？？燕山大学光电子系光纤用于温度测量的机理与结构形式多种多样，按光纤所起的作用基本上可分为两大类：一类是传光型，这类传感器仅由光纤的几何位置排布实现光转换功能；另一类是传感型，它以光的相位、波长、强度（干涉）等为测量信号。传光型与传感型相比，虽然其温度灵敏度较低，但是由于具有技术上容易实现、结构简单、抗干扰能力强等特点，在实用化技术方面取得了突破，发展较快。如荧光衰减型、热辐射型光纤温度传感器已达到实用水平。光纤温度传感器燕山大学光电子系光纤温度传感器的测温机理及特点下表10.1传光型光纤温度传感器：使用电子式敏感器件，光纤仅为信号的传输通道；传感型光纤温度传感器：利用其本身具有的物理参数随温度变化的特性检测温度，光纤本身为敏感元件，其温度灵敏度较高；但由于光纤对温度以外的干扰如振动、应力等的敏感性，使其工作的稳定性和精度受到影响。光纤温度传感器测温机理传感器的特点荧光激发的荧光（强度、时间）与测量温度的相关性光干涉法布里-珀罗器件，薄膜干涉光吸收砷化镓等半导体吸收热致光辐射黑体腔、石英、红外光纤、光导棒光散射载有温度信息的光在光纤中形成的拉曼散射、瑞利散射表10.1光纤温度传感器的测温机理及特点燕山大学光电子系10.2传光型光纤温度传感器10.2.1半导体光吸收型光纤温度传感器10.2.2热色效应光纤温度传感器10.2.3荧光型光纤温度传感器燕山大学光电子系10.2.1半导体光吸收型光纤温度传感器许多半导体材料在它的红限波长（即其禁带宽度对应的波长）的一段光波长范围内有递减的吸收特性，超过这一波段范围几乎不产生吸收，这一波段范围称为半导体材料的(能带隙)吸收端。如GaAs,CdTe材料的吸收端在0.9μm附近，如图10.1(a)所示。g燕山大学光电子系(a)光吸收温度特性(b)结构图10.1半导体光吸收型光纤温度传感器10.2.1半导体光吸收型光纤温度传感器燕山大学光电子系用这种半导体材料作为温度敏感头的原理是，它们的禁带宽度随温度升高几乎线性地变窄，相应的红限波长λg几乎线性地变长，从而使其光吸收端线性地向长波方向平移。显然，当一个辐射光谱与相一致的光源发出的光通过半导体时，其透射光强随温度升高而线性地减小。图10.1(a)示出了这一说明。采用如图10.1(b)所示的结构，就组成了一个最简单的光纤温度传感器。这种结构由于光源不稳定的影响很大，实际中很少采用。10.2.1半导体光吸收型光纤温度传感器燕山大学光电子系一个实用化的设计如图10.2所示。这种传感器的测量范围是-10℃~300℃，精度可达1℃。10.2.1半导体光吸收型光纤温度传感器燕山大学光电子系光探测器输出信号经采样放大器后，得到两个正比于脉冲宽度的直流信号，再由除法器以参考光信号(λ2)为标准将与温度相关的光信号(λ1)归一化。于是，除法器的输出只与温度T有关。采用单片机进行信息处理即可显示温度。10.2.1半导体光吸收型光纤温度传感器两个光源，铝镓砷发光二极管：波长λ1≈0.88μm；铟镓磷砷发光二极管，波长λ2≈1.27μm。敏感头对λ1光的吸收随温度而变化，对λ2光不吸收，故取λ2光作为参考信号。用雪崩光电二极管作为光探测器。燕山大学光电子系许多无机溶液的颜色随温度而变化，因而溶液的光吸收谱线也随温度而变化，称为热色效应。其中钴盐溶液表现出最强的光吸收作用，热色溶液如溶液的光吸收频谱如图10.3所示。332[(CH)CHOHCoCl]10.2.2热色效应光纤温度传感器燕山大学光电子系从图10.3可见，在25℃~75℃之间的不同温度下，波长在400~800nm范围内有强烈的热色效应。在655nm波长处，光透射率几乎与温度成线性关系，而在800nm处，几乎与温度无关。同时，这样的热色效应是完全可逆的，因此可将这种溶液作为温度敏感探头，并分别采用波长为655nm和800nm的光作为敏感信号和参考信号。10.2.2热色效应光纤温度传感器燕山大学光电子系这种温度传感器的组成如图10.4所示。10.2.2热色效应光纤温度传感器燕山大学光电子系光源采用卤素灯泡，光进入光纤之前进行斩波调制。探头外径为1.5mm，长为10mm，内充钴盐溶液，两根光纤插入探头，构成单端反射形式。从探头出来的光纤经Y形分路器将光分为两种，分别经655nm和800nm滤波片得到信号光和参考光，10.2.2热色效应光纤温度传感器再经光电信息处理电路，得到温度信息。由于系统利用信号光和参考光的比值作为温度信息，因而消除了光源波动及其他因素的影响，保证了系统测量的准确性。燕山大学光电子系10.2.3荧光型光纤温度传感器荧光现象大致分为两类：一类是下转换荧光现象，短波长辐射（紫外线、X射线）激发出长波长（可见光）光辐射；另一类是上转换荧光现象，长波长光辐射（LED、红外光）通过双光子效应激发出短波长（可见光）光辐射。后一类用于温度测量时，费效比低，有实用意义。荧光材料是：荧光粉，激励波长为940nm，荧光波长为554nm。荧光特性如图10.5所示，分为荧光段和余辉段。3YF33YbEr燕山大学光电子系图10.5光脉冲激励的荧光特性10.2.3荧光型光纤温度传感器联合使用这两个温度参数实现温度计量的方法是所谓的余辉强度积分法，P()()exp()tItAITT燕山大学光电子系式中，t=t2-t1；A是常数；IP(T)是停止激励时的荧光峰值强度，是温度的函数；τ(T)是荧光余辉寿命，是温度的函数。式(10.1)表明，IP(T)和τ(T)是两个与温度T有关的独立的参数，可用于计量温度。P()()exp()tItAITT余辉强度I(t)是温度和时间的函数，即(10.1)10.2.3荧光型光纤温度传感器燕山大学光电子系联合使用这两个温度参数实现温度计量的方法是所谓的余辉强度积分法，即(10.2)该积分值等于图10.5中斜线下的面积，如图中阴影部分所示。温度不同，这个面积不同。这种方法的优点是温度计量的重现性好，测量范围宽。信号处理中采取m次累计平均的方法，如图10.6所示。荧光型光纤温度传感器的组成原理框图如图10.7所示。()dTItt燕山大学光电子系图10.6余辉强度积分法示意图10.2.3荧光型光纤温度传感器温度不同，这个面积不同。这种方法的优点是温度计量的重现性好，测量范围宽。信号处理中采取m次累计平均的方法，如图10.6所示。荧光型光纤温度传感器的组成原理框图如图10.7所示。燕山大学光电子系10.7荧光型光纤温度传感器的组成原理框图LED发射波长为940nm的脉冲光，通过光纤入射到探头荧光粉上，由于双光子过程荧光粉发射出波长为554nm的绿光，经光纤分路送至光电探测器进行光电转换，再经放大电路放大，由微机控制的采样、保持及模-数转换电路对荧光波进行采样，并由微机对采集的数据进行处理，给出温度的信息。10.2.3荧光型光纤温度传感器燕山大学光电子系10.3功能型光纤温度传感器10.3.1光纤温度开关传感器10.3.3热辐射光纤高温传感器10.3.2掺杂光纤温度传感器10.3.4相位干涉型光纤温度传感器燕山大学光电子系10.3.1光纤温度开关传感器如果光纤纤芯和包层材料的折射率随温度变化，且在某一温度下出现交叉时，这种光纤就可以用做光纤温度传感器。燕山大学光电子系图10.8三对光纤材料的折射率交叉点图10.8示出了三对这种光纤材料的折射率交叉点情况。当纤心折射率大于包层折射率时，光能被集中在纤心中。当温度升高到两条折射率曲线的交叉点时，因纤心与包层折射率的差为0，光能进入包层。温度再升高，纤心中光能量将中断，传感器将发出警报信号。由于传感器是电绝缘的，又不怕强电磁干扰，因此可以方便地用于大型发电机、电动机及变压器中进行温度监控。10.3.1光纤温度开关传感器燕山大学光电子系10.3.2掺杂光纤温度传感器掺杂稀土元素（如钕、铕）的玻璃光纤，具有温度敏感的吸收光谱，在两个波长处具有单调温度函数特性，如图10.9所示。在840nm波长处，吸收随温度升高而减少；在860nm处则相反，吸收随温度升高而增加。在500℃处进行校准后，测定两个波长处的光强，由其比值即可测定温度。通常这种传感器的测温范围为0℃~800℃。燕山大学光电子系10.3.2掺杂光纤温度传感器掺杂稀土元素（如钕、铕）的玻璃光纤，具有温度敏感的吸收光谱，在两个波长处具有单调温度函数特性，如图10.9所示。在840nm波长处，吸收随温度升高而减少；在860nm处则相反，吸收随温度升高而增加。在500℃处进行校准后，测定两个波长处的光强，由其比值即可测定温度。通常这种传感器的测温范围为0℃~800℃。燕山大学光电子系(a)掺钕光纤温度敏感的吸收光谱(b)温度响应曲线图10.9掺钕光纤的温度特性10.3.2掺杂光纤温度传感器燕山大学光电子系10.3.3热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器是基于光纤被加热要引起热辐射这个原理的。热辐射的强度和波长是温度的函数，由于光纤材料的光谱工作范围的限制，这种传感器的适用范围在高温区（一般在500℃以上），因此称为高温传感器。燕山大学光电子系接触式热辐射光纤高温传感器通常有两种构成方式：分布黑体腔和固定黑体腔。前者是把与高温(500℃~1000℃)区接触的一段光纤当做黑体腔处理，这个接触区可以在光纤的任何一段上发生，因而可以同时测量热区（接触区）温度及热区位置。缺点是黑体腔的发射率受接触区尺寸及所用光纤总长度的影响。10.3.3热辐射光纤高温传感器燕山大学光电子系图10.10固定黑体腔光纤高温传感器的构成原理我们着重讨论已经比较成熟的固定黑体腔光纤高温传感器，其构成原理如图10.10所示。这种传感器主要包括三大部分：带黑体腔的高温单晶蓝宝石(α-Al2O3)光纤（其熔化点温度为2050℃）、传送待测热辐射功率的低温多模光纤和光电数据处理系统。10.3.3热辐射光纤高温传感器燕山大学光电子系当黑体腔与待测高温区热平衡时，黑体腔就按照黑体辐射定律发射与待测温度T相对应的电磁辐射，其谱功率密度出射度为(10.3)式中，为黑体腔谱发射率；为第一辐射常数()；为第二辐射常数()；T为待测温度(K)；λ为辐射波长(μm)。2152()(W/mm)exp1CMTCT1C8423.741510Wm/m2C41.438710mK10.3.3热辐射光纤高温传感器燕山大学光电子系这一功率从黑体腔出口经高温光纤直接耦合进入低温传输