光纤温度传感器

简述光纤温度传感器原理及应用分析目录光纤传感器基本原理1功能型光纤温度传感器2传输型光纤温度传感器3总结与展望4一、光纤传感原理物理量敏感特性二、光纤温度传感器原理特点相关应用分类光纤温度传感器功能型传输型功能型：利用光导纤维本身具有的某种敏感功能而使光纤起到测量温度的作用传输型：光导纤维只起到传输光的作用，必须在光纤端面加装其它的敏感元件才能构成新型传感器的传输型传感器。三、两种传感器的举例介绍12功能型分布式光纤温度传感器干涉式光纤温度传感器3反射式光纤温度传感器4光纤光栅温度传感器1.干涉式光纤温度传感器•属于相位调制式功能型光纤温度传感器，主要应用于精密测温领域•工作原理：当两根在温度场的光纤在不同的温度场工作时,其折射率会产生差异,随之光程也会发生差异.若此时进行耦合,就会产生干涉现象.激光器扩光器光纤温度场•设两臂光纤的长度分别为L1,和L2,光在光纤中的传播常数为β,纤芯的折射率为n,光在真空中的传播常数为k,经过这段光纤传输后，两根光纤输出光的相位差为:1122LL2/knn激光器扩光器光纤温度场()dLddldntLtLtLKndtdtdtdt当光纤其中一臂受温度的影响发生变化后,光输出相位差发生变化：dldtddt单位长度光纤温度变化一度时产生的变化温度变化一度时β产生的变化2.分布式光纤温度传感器41[1]exp(/)1SSIhckT41[1]exp(/)1aaIhckT----斯托克斯光和反斯托克斯光波长；----普朗克常数；----真空中的光速；-----波尔兹曼常数；-----偏移波数；-----绝对温度。拉曼散射光就是由斯托克斯光和反斯托克斯光这两种不同波长的光组成的,其波长的偏移由光纤组成元素的固定属性决定,因此拉曼散射光的强度与温度有关,其关系如下:在系统设计中,采用双通道双波长比较的方法,即对斯托克斯光和反斯托克斯光分别进行采集,利用两者强度的比值解调温度信号,sahckT分布式光纤温度传感器系统LD光滤波APDAPD放大放大数据采集与信号处理接口电路CPU定向耦合器斯托克斯反斯托克斯光纤2.分布式光纤温度传感器Ar激光器双光栅单色仪光电倍增管光子计数器计算机透镜温度场反光镜光纤透镜分束器光线调制拉曼散射分束器、反光镜、双光栅单色仪斯托克斯和反斯托克斯散射光光电倍增器过滤噪声电子计数器计算机拉曼分布式温度传感器不足之处：返回信号非常弱,因为反斯托克斯-拉曼散射比瑞利散射强度要弱20～30dB.主要优点是:1、非接触测量,可测运动物体的瞬间温度;2、响应速度快,没有一般温度计的热平衡时间,可作为高温测量.3.反射式光纤温度传感器传感原理：反射率随温度变化。这种结构的传感器其输出随温度变化的响应速度较快,响应时间小于3秒测温范围：0一150℃,准确度1℃3反射式温度传感器显示信号处理光纤传感器分光器光源反射后的信号分束1分束2反射式光纤温度测量系统特点：适合用作测量高压电气设备绝缘内部温度的传感器由于此测量方法中所用的测温元件是全绝缘、小尺寸的光纤温度传感器,用在高压电气设备上的最大优点是可以直接测出高压电气设备的内部温度。4.光纤光栅温度传感器工作原理：借助于某种装置将被测参量的变化转化为作用于光纤光栅上的应变或温度的变化,从而引起光纤光栅布喇格波长的变化通过建立并标定光纤光栅的应变或温度响应与被测参量变化的关系,就可以由光纤光栅布喇格波长的变化,测量出被测量的变化。将被测参量的变化光纤光栅上的应变或温度的变化光纤光栅布喇格波长的变化建立两者之间建的关系测出被测参量的变化4.光纤光栅温度传感器effneffn根据光纤耦合模理论,当宽带光在光纤布喇格光栅中传输时,产生模式藕合,满足布喇格条件的波长光被反射,于是有=2nBeffB22effeffnn光纤光栅的中心反射波长随的改变而改变，由于温度和应力的变化都导致和发生变化,产生和可得布喇格条件的发射光波长的移位为光纤栅格周期导模的有效折射率effneffn980/1550nm滤分复用器1500nm光纤光栅滤光片泵浦光源4.光纤光栅温度传感器测温系统双波长光纤温度传感器1半导体吸收式光纤温度传感器2使用双金属片的光纤温度传感器32.光纤传输型温度传感器4光纤荧光温度传感器5新型结构光纤温度传感器4辐射式光纤温度传感器6接触式非接触式非接触式双波长光纤温度传感器接收黑体腔发射的辐射光波从测量现场传回至仪表波分复用器将辐射光转换成电信号进行A/D转换，由二次仪表计算出温度光纤传感头分路器光电转换光电转换A/D转换单片机温度显示接触式光纤温度传感器接触式双波长光纤温度传感器蓝宝石光纤可以构成良好的黑体式温度传感器.传感器在蓝宝石光纤的一端涂覆高反射率的感温介质薄层,并经高温烧结形成一个微型的光纤感温腔.在其接触热源达到热平衡时,感温腔辐射的光信号经蓝宝石光纤传输耦合进传输光纤内.优点：1、蓝宝石单晶物理化学性能稳定、机械强度好、本质绝缘,耐腐蚀2、在0.3～0.4μm波段范围内透光性很好,熔点高达2045℃.3、蓝宝石单晶光纤既有蓝宝石单晶的优良性能又有光波导的特点,测温范围在500～2000℃缺点：当温度高于1700℃时,表面有所变化,应用受到一定的限制2、半导体吸收式光纤温度传感器温敏元件采用半导体材料(如GaAs）制成。其光谱透过率T（λ，t）为温度和波长的函数透过率与温度和波长的关系光强和温度的关系：12200()(1)exp{[(0)/(1)]}ItIRahvEgtl0IR0,,a(0)Egtl入射光强半导体材料入射面的反射率与半导体材料相关的常数温度为0K时的禁带宽度能量温度半导体材料厚度半导体光纤温度传感器分束器探头光探测器滤波放大光探测器滤波放大CPUA/D除法器半导体光纤温度测量系统3、使用双金属片的光纤温度传感器•它是采用差动热膨胀原理的传感器,所使用的传感元件为双金属片.两个反射目标材料(铝和硅)具有明显的热膨胀差异特性,它们能将来自输入光纤的光线反射到输出光纤.输出光纤中产生了干涉条纹。如果将干涉条数进行处理,便得到应用反射原理测量温度的数字显示方法.•这种方法易于实现,工艺成熟,性能可靠.在0～100℃之间有良好的测试结果.输入光纤反射输出光纤干涉条数处理两个目标彼此靠近干涉条纹温度数字显示温度变化4、新型结构光纤温度传感器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加外部敏感元件,从而调制光纤中的光强。新型结构光纤温度传感器经过镀膜的光纤温度传感器的工作示意图优势：传感器的温度响应时间为0.5s,灵敏度高,线性度和重复度都较高.激光器传感器温度场硅光电池光纤荧光温度传感器•荧光材料受到紫外线激发时发出荧光,其荧光强度与荧光材料的温度及激发光强度有关.对于某些荧光材料,在不同波长下的荧光发射具有不同的温度特性,且它们的荧光强度与激发光强度成线性关系.所以发光强度的比值大小取决于激发光强度和材料的温度.•此传感器是建立在光致发光这一基本物理现象上.5、荧光光纤温度传感器传光型功能型传光型：采用荧光材料粘接或涂敷在光纤端头或被测物体表面作为敏感部分功能型：在光纤中掺杂一定浓度的稀有元素作为敏感部分。•根据对荧光信号处理方式的不同,荧光光纤温度传感器可分为荧光强度型、荧光寿命型。光纤荧光温度传感器外汞灯光调制器光纤传输探头处（荧光材料）光纤传输接收光纤两个硅光电二极管（PD）电信号A/D转换PC测温范围为-30～200℃,精度为5℃.在0～70℃的测温范围内,连续测温偏差0.04℃简单的工作流程图如右图所示辐射式光纤温度传感器•红外测温的基本原理•条件：本身及其周围温度不是绝对零度•现象：物体向周围辐射热量动平衡状态在温度测量中，通常应用的是可见光区与0.76~20um的红外光区。黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定。•光谱辐射出射度：某一波长附近的单位波长间隔内单位面积向半球空间辐射的功率。4,0TTMMdT2-51,1=cTTMC（e-1）全辐射出射度由斯蒂芬-波尔兹曼定律导出T为绝对温度实际物体的出射度需乘以发射率辐射式光纤温度传感器的应用2、接触-非接触式光纤温度传感器1、亮度式光纤温度仪亮度式光纤温度仪黑体空腔蓝宝石棒低温光纤探测器耦合棒窄带滤波器光电探测器三氧化二铝保护膜贵金属保护膜燕山大学WFH-68A型亮度光纤测温仪优势：最大误差为±1.0%，分辨率为1℃,响应时间为0.1ms具有精度高，响应速度快和重复性良好等特点。特点：在500~2000℃测量范围内可得0.01℃的温度分辨率接触-非接触式光纤测温系统（武汉理工大学）比色信号处理滤分复用器普通石英光纤常温区透镜组高温区黑体腔耐高温保护区主要特点：采用比色测温法，将光纤测温技术和比色测温法两者的优点结合了起来。比色测温法：通过测量物体两个（或三个及其以上）波段上的辐射亮度，并根据他们的比值来确定温度。总结与展望•光纤温度传感器研究的方向将是进一步提高传感器的精度、可靠性;提高抗干扰能力、稳定性,并简化器件结构,降低成本.积极开展光纤温度传感器新应用领域的研究,扩大应用范围。•此外重点开发特殊测温要求的温度传感器,特别是2500℃以上和-250℃以下的超高温和超低温温度传感器,并将光纤技术和微处理器更紧密的结合,发展数字化、集成化和自动化的光纤温度传感器