光纖溫度傳感器的研究與應用

巴朗旭

（黑龍江大學物理科學與技術學院，哈爾濱 150000）

歐洲早在中世紀就制造出了溫度計這一用來測量溫度的儀器，而德國的科學家在這基礎上研究出了溫度傳感器，經過這么多年科學家的研究，發明了各種不同類型的溫度傳感器，這些溫度傳感器在各行各業中發揮著自己的作用。溫度傳感器的技術經過這么多年的發展已經較為成熟，在傳感器市場中也占有很大比例。溫度傳感器的用途非常廣泛，但是在一些有電磁干擾的環境下，比如電力設備等傳統的溫度傳感器就有一定的局限性，而在這種時候，光纖溫度傳感器以其優秀的性質得以應用在電力領域。

1 溫度傳感器概述

1.1 溫度傳感器的概念

溫度傳感器是指在接收到溫度信號之后可以轉換成電子信號進行顯示的設備，在工業領域有著廣泛的應用。我們在進行工業制造相關活動的過程中，溫度是一項檢測設備質量好壞的一項指標，而要想對溫度檢測我們就需要用到溫度傳感器。我國工業依然具備很大的發展潛力，工廠的數量也在不斷增加，產品也在逐漸呈現多樣化，這對于整個國家來說都是個好消息。而工業從根本上無法脫離電力的供給，所以需要使用的電力設備也在增加，而它們大多處于高負荷的運轉狀態下。因此，這些設備必然會發熱，進而構成隱患，要想對電力設備進行保護來避免發生事故，就必須檢測并控制其溫度。而一般有電力設備的地方都會有著磁場，傳統的溫度傳感器會因為磁場的干擾變的不準確，這就需要光纖溫度傳感器這種抗干擾能力較強的傳感器來進行監測。

1.2 接觸測溫

我們測量設備溫度大多使用兩種方法。接觸測溫是比較常見且簡單的方法，對操作者并沒有過高的要求，只需要使用常規的工具就可以完成。接觸測溫顧名思義就是測量溫度的儀器要與被測量物體接觸，但這就要求這兩者都有著優秀的傳熱性，當被測物體溫度升高，能夠靈敏的隨著溫度的變化迅速的顯示出來。需要注意的是，使用這種方法，接觸的同時必然會伴隨著熱量流失，進而使設備的溫度發生變化。因此，這種辦法的誤差是比較大的，我們一般不會采用這種方法。

1.3 非接觸測溫

非接觸測溫與上述的方法雖然名稱相似，但是整體存在較大的差異。這種方法使用到了熱輻射以及其相關技術，避免了在測量時與被測物體產生的接觸，而是通過能監測到熱輻射的機器來進行溫度檢測，這種方法雖然不用考慮熱量流失的問題，但使用仍然存在限制。該方法可以測量的溫度范圍較大，但如果測量距離過遠或是在被測量的設備附近有著一定的粉塵的話，會產生誤差。

2 幾類常見的光纖溫度傳感器

2.1 分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖傳感器適用于測量空間環境的溫度，可以精確的測出空間內各個測量點的溫度。這種類型的光纖溫度傳感器早在上個世紀，當時由于一些技術上的問題并沒有得到實現，但經過幾十年的研究，現在分布式的傳感器應用到了相當一部分的領域，相應的技術也在不斷精進。目前分布式光纖溫度傳感系統主要是基于瑞利散射、拉曼散射以及布里淵散射的三種分布式溫度傳感器。在1997年，這種類型的傳感器就已經開始被使用在礦產的開采中，并且取得了很好的效果。分布式的傳感器可以放置在煤礦坑道的兩側來進行溫度的測量，減少了礦難發生的概率。近年來分布式光纖溫度傳感器因為信息化技術的發展，已經實現了遠程控制，并且測量的范圍與精度也在逐漸提升。

2.2 光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器研究的重點主要為布拉格光纖傳感技術。這種光纖光柵在溫度不斷變化的同時反射的波長也會產生相應的變化，我們就是通過這種波長的變化來進行溫度的測量，因為這種波長的變化相對來說是很穩定的，這種測量方法還是很準確的。1978年加拿大某研究中心首先在摻鍺石英光纖中發現了光敏效應，這種光敏效應對于溫度的變化是很敏感的，在光纖中摻加鍺元素進行制作，從而產生了第一只光纖光柵，在后續的研究工作中也嘗試了很多種材料，希望能找出更加優秀的物質來替代。

2.3 光纖熒光溫度傳感器

光纖熒光溫度傳感器是目前的研究熱點，這種傳感器在接受不同的溫度刺激之后會發出不同的光。這是一種新型的傳感器，因為物體可以通過外接光源的照射而獲得能量，從而導致自身發光，正是由于這種現象我們才能制作出這種傳感器。這是一種光發射現象，當材料受到溫度的刺激，材料會根據受到的溫度的不同而發光，這種材料的發光參數能夠與溫度一一對應，我們就可以根據這種不同的發光參數來進行溫度的監測。熒光強度型光纖傳感器會受到光纖彎曲、散射等影響，測量經常會產生較大的誤差。因此，當前主要使用熒光壽命型溫度傳感器，這樣可以有效減低誤差，提高精度，過程也不容易受到各種因素的干擾。我國清華大學根據半導體材料隨著溫度的不同對光的吸收也不同的原理研制出了測溫范圍0～150℃；分辨率0.5℃的光纖溫度傳感器。中北大學用其他材料使該系統的測溫范圍得到巨大的提升，該系統的測溫范圍為1200～2000℃，分辨率為1℃，這是一項對整個領域都有很大意義的技術成果。

3 結束語

總之，光纖溫度傳感器由于其優秀的性質，比傳統傳感器有著更加準確的測試結果，可以應用在多種領域。因為其抗磁場干擾能力強，在工作中不容易受到各類干擾，在電力企業中大量的應用這種光纖傳感器來進行設備的監測。而隨著研究的不斷深入，我們希望能找出更多有著優秀性質的材料添加進光纖中來制作性能更加優越的傳感器，為人們的生產生活帶來更大的便利。