光纖在溫度傳感器方面的應用

摘要：本文主要介紹幾種光纖傳感器的原理以及其優缺點。

關鍵詞：光纖 溫度傳感器 原理

引言

光纖溫度傳感器采用一種和光纖折射率相匹配的高分子溫敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纖外面，使光能由一根光纖輸入該反射面出另一根光纖輸出，由于這種新型溫敏材料受溫度影響，折射率發生變化，因此輸出的光功率與溫度呈函數關系。其物理本質是利用光纖中傳輸的光波的特征參量，如振幅、相位、偏振態、波長和模式等，對外界環境因素，如溫度，壓力，輻射等具有敏感特性。

1、幾種光纖溫度傳感器介紹

1.1輻射光纖溫度傳感器

屬于被動式溫度測量，測量原理為黑體輻射定律，即物質受熱時將發出一定的熱輻射，輻射量大小取決于該物質的溫度和材料了輻射系數，光纖本身作為一個待測溫度飛黑體腔。對于理想黑體當溫度為230時，開始出現暗紅色輻射，亮度歲著溫度的增強而增強。輻射能量由探頭中的物鏡匯聚，用濾色鏡限制工作光檢測器測量光強的變化，就可以得出所檢測的溫度。

1.2半導體吸收式光纖溫度傳感器

利用半導體材料的吸收光譜溫度變化的特性。半導體材料吸收光譜隨著溫度變化而變化，當光通過半導體材料時，材料會吸收一部分光分子能量，當光分子能量超過半導體近代寬的能量時，傳輸光的波長會發生變化。選擇適當的半導體光源使其光譜范圍正好落在吸收區域，這樣透過半導體材料的光強度隨溫度的增加而減小。

1.3分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖溫度傳感器通常是將光纖沿場排布， 測量光在光纖中傳輸時所產生的散射光， 根據散射光所攜帶的溫度信息， 同時采用光時域反射( OTDR) 技術， 對沿光纖傳輸路徑的空間分布和隨時間變化的信息進行測量或監控。在分布式光纖溫度傳感器中主要涉及的是光纖中的以下三種散射: 瑞利散射、喇曼散射和布里淵散射。

1.4熒光光纖溫度傳感器

熒光測溫法的工作機理建立在光致發光這一基本物理現象上 。當某些熒光材料受到紫外光激發時會發出熒光， 其熒光強度與熒光材料的溫度及激發光強度有關。

1.5干涉型光纖溫度傳感器

通過檢測相位的變化來測量溫度。干涉儀的信號臂和參考臂由單模光纖組成，參考臂置于恒溫器重，它在測溫過程中光程始終不變而信號臂在溫度作用下長度與折射率會發生變化。工作時，有激光器發出激光束經分束器由顯微鏡物鏡耦合進入兩條長度基本相等的單模光纖。把兩條光纖的輸出端合在一起，則兩束光產生干涉，出現干涉條紋。當干涉儀的信號臂光纖受到溫度場作用后，其中的光波相位發生變化，從而引起干涉條紋的移動。

1.6光纖液體溫度傳感器

利用一種透明液體作為包層構成的光纖溫度傳感器。是一種無源的光學傳感器，在結構上采用投射式。光纖中的一段包層被腐蝕掉露出纖維，然后將這一段密封在充滿某種液體的玻璃管內，這樣管內液體變成了光纖的包層，由于液體折射率隨溫度變化，輸出光強也隨之變化，由光強的變化得出檢測溫度。

消除了測量系統受溫度的影響，使用不同的液體，能夠改變輸出電壓與溫度關系的區間，也就是說，改變液體的折射率可以測得各種溫度間隔范圍內的溫度.

2、幾種光纖溫度傳感器優缺點比較

2.1輻射光纖溫度傳感器

優點：非接觸式測量，可測運動物體的瞬時溫度，相應速度快，沒有一般溫度計的熱平衡時間，可作為高溫測量。

缺點：此種溫度計只能測量表面溫度，從而引起“ 發射誤差”。

2.2半導體吸收式光纖溫度傳感器

優點：探頭體積小靈敏度高，工作可靠，適用于高電壓系統中的高溫測量，具有重要應用價值?？稍谝恍┨厥鈭龊先纾喝缫兹家妆?、高電壓、強磁場和具有腐蝕性的環境，光線的低損耗傳輸特性使光纖傳感器的光電器件遠離現場，避開了惡劣的環境 ，實現遙測。

2.3分布式光纖溫度傳感器

優點：集傳感與傳輸于一體， 可實現遠距離測量與監控; 一次測定就可以獲取整個光纖區域的一維分布圖; 能在一條長達數千米的傳感器光纖環路上獲得幾十、幾百甚至幾千條信息， 因此單位信息成本大大降低; 測量范圍寬， 具有高空間分辨率和高精度; 在具有強電磁干擾或易燃易爆以及其它傳感器無法接近的嚴酷環境下， 分布式光纖溫度傳感器具有無可比擬的優點。

2.4熒光光纖溫度傳感器

優點：具有抗電磁干擾、高壓絕緣、穩定可靠、高精度、高靈敏度、微小尺寸、長壽命及耐腐蝕、適應性好等特點，全壽命無須校準標定，非常適合應用于高電壓、強電磁(EMI/RFI/EMP)等特殊工業環境中的溫度監測。系統設計形式靈活、可靠性高，適合于各種測溫需求及拓撲結構復雜的多點溫度監測應用領域。

缺點：激勵光源的不穩定及測量通道中的光強漂移對測量結果的影響，

2.5干涉型光纖溫度傳感器

優點：它除了具有一般光纖溫度傳感器測溫準確、響應速度快、抗電磁干擾能力強等優點外，還具有靈敏度極高的特點，是潛在開發靈敏度最高的傳感器，它的靈敏度比普通的測溫方法高2～3個數量級。特別是嵌入式光纖溫度傳感器它的靈敏度更高，比放置在空氣中的干涉型光纖溫度傳感器靈敏度要高2～3倍。

不足之處，如，對光源、光纖的性能要求嚴格、光路和信號處理系統復雜。

參考文獻：

[1]施偉，黃德修，劉德明，楊建良等.分布式光纖溫度傳感器的研究與進展[J]．半導體光電.1998

[2]鄭龍江等.分布式光纖溫度傳感器的研究與進展[J]．燕山大學學報.2001

[3]張燕君，康瑞雪等.一種分布式光纖光柵電纜溫度傳感器[J]．激光與紅外.2010

[4]石藝尉，王耀才，吳震春等. 干涉型光纖溫度傳感器的研究[J]．中國礦業大學學報.1992

[5]張英，王海容，蔣莊德. 半導體吸收式光纖溫度傳感器的研究[J]．壓電與聲光.2007

[6]李艷萍，郭秀梅等. 反射式光纖溫度傳感器的研究[J]．計算機測量與控制.2010