光纖溫度傳感器

從室溫到1800℃全程測溫的光纖溫度傳感器的系統主要包括端部摻雜的光纖傳感頭、 Y型石英光纖傳導束、 超高亮發(fā)光二極管(LED)及驅動電路、 光電探測器、熒光信號處理系統和輻射信號處理系統。

系統的工作原理為: 在低溫區(qū)(400℃以下), 輻射信號較弱, 系統開啟發(fā)光二極管(LED)使熒光測溫系統工作。 發(fā)光二極管發(fā)射調制的激勵光, 經聚光鏡耦合到Y型光纖的分支端, 由Y型光纖并通過光纖耦合器耦合到光纖溫度傳感頭。

光纖傳感頭端部受激勵光激發(fā)而發(fā)射熒光, 熒光信號由光纖導出, 并通過光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出, 由光電探測器接收。

光電探測器輸出的光信號經放大后由熒光信號處理系統處理, 計算熒光壽命并由此得到所測溫度值。 而在高溫區(qū)(400℃以上), 輻射信號足夠強, 輻射測溫系統工作, 發(fā)光二極管關閉。

輻射信號通過藍寶石光纖并通過Y型光纖輸出, 由探測器轉換成電信號, 系統通過檢測輻射信號強度計算得到所測溫度。

光纖傳感頭端部由Cr3+離子摻雜, 實現光激勵時的熒光發(fā)射。 摻雜部分光纖長度為8~10 mm。 端部光纖的外表面同時鍍覆黑體腔, 用于輻射測溫。 (這時,光纖黑體腔長度與直徑之比大于10,可以滿足黑體腔表觀輻射率恒定的要求)。 值得注意的是, 避免或減少熒光發(fā)射部分與熱輻射部分的相互干擾, 對保證整個系統的性能十分重要。

經過分析, 可以發(fā)現這種干擾主要表現為:

1) 熒光信號中輻射背景信號對熒光壽命檢測精度的影響,

2) 光纖表面鍍覆對熒光強度的影響,

3) 光纖內Cr3+離子摻雜對黑體腔熱輻射信號的影響。

光纖溫度傳感器的種類很多，除了以上所介紹的熒光和分布式光纖溫度傳感器外，還有光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器以及基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器等等，由于其種類很多，應用發(fā)展也很廣泛，例如，應用于電力系統、建筑業(yè)、航空航天業(yè)以及海洋開發(fā)領域等等。

分布式光纖溫度傳感器在電力系統行業(yè)的發(fā)展

光纖溫度傳感器在電力系統的應用中得到發(fā)展，由于電力電纜溫度、高壓配電設備內部溫度、發(fā)電廠環(huán)境的溫度等，都需要使用光纖傳感器進行測量，因此就促進了光纖傳感器的不斷完善和發(fā)展。尤其是分布式光纖溫度傳感器得到了改善，經過在電力系統行業(yè)的應用，從而使其接收信號和處理檢測系統的能力都得到了提升。

光纖光柵溫度傳感器在建筑業(yè)的發(fā)展

光纖光柵溫度傳感器由于其較高的分辨率和測量范圍廣泛等優(yōu)點，被廣泛應用于建筑業(yè)溫度測量工作中。西方很多發(fā)達國家都已普遍采用此系統，進行建筑物的溫度、位移等安全指標的測試工作，例如，美國墨西哥使用光柵溫度傳感器，對高速公路上橋梁的溫度進行檢測。通過廣泛使用，光柵溫度傳感器所存在的問題，如:交叉敏感的消除、光纖光柵的封裝等都得到了解決，因而此系統得到了完善。

航空航天業(yè)中的應用發(fā)展

航空航天業(yè)使用傳感器的頻率較高，包括對飛行器的壓力、溫度、燃料等各方面的檢測，都需要使用光纖溫度傳感器進行檢測，并且所使用到的傳感器數量多達百個，所以對傳感器的大小和重量要求很嚴格。因此，基于航空航天業(yè)對傳感器的要求，光纖溫度傳感器的體積、重量規(guī)格方面都經過了調整。

光纖、光譜分析儀、透明晶體(如砷化鎵)

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從另一根光纖輸出，由于這種新型溫敏材料受溫度影響，折射率發(fā)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(tài)、波長和模式等，對外界環(huán)境因素，如溫度，壓力，輻射等具有敏感特性。它屬于非接觸式測溫。

分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖溫度傳感器，通常用在檢測空間溫度分布的系統，其原理最早于1981年提出，后隨著科學家的實驗研究，最終研制出了此項技術。這種傳感器原理發(fā)展是基于三種傳感器的研究，分別是瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射。在瑞利散射(OTDR)和布里淵散射(OTDR)的研究已取得了很大的進展，因此未來的傳感器研究熱點，將放在對基于喇曼散射(OTDR)的新分布式光纖傳感器的研究上。

最近，土耳其Gunes Yilmaz開發(fā)出了一種分布式光纖溫度傳感器，此傳感器的溫度分辨率是1℃，空間分辨率是1.23m。在我國也有很多大學展開了對分布式光纖溫度傳感器的研究，例如，中國計量大學1997年發(fā)明出煤礦溫度檢測的傳感器系統，其檢測溫度為-49℃~150℃，溫度分辨率為0.1℃。

光纖熒光溫度傳感器

當前最熱門的研究，就是針對光纖熒光溫度傳感器，其是利用熒光的材料會發(fā)光的特性，來檢測發(fā)光區(qū)域的溫度。這種熒光的材料通常在受到紫外線或紅外線的刺激時，就會出現發(fā)光的情況，發(fā)射出的光參數和溫度是有著必然聯系的，因此可以通過檢測熒光強度來測試溫度。

世界各國的高校都設計過此類傳感器，例如，韓國漢城大學發(fā)現10cm的雙摻雜光纖，在其915nm的地方所反射出的熒光強度所對應的溫度指數是20℃~290℃;我國清華大學借用半導體GaAs原料來吸收光，進而以光隨溫度改變的原理，研發(fā)出了溫度范圍是0℃~160℃的光纖熒光溫度傳感器。

FOT光纖溫度傳感器有兩個型號:FOT-F，FOT-N，適用于各種光纖信號調節(jié)器。

FOT-F和FOT-N光纖溫度傳感器將一個用戶期待的理想傳感器的各種特性集于一體:體積小巧、不受電磁和射頻干擾、耐腐蝕、性環(huán)境、精度高、可靠性高，是在惡劣環(huán)境下測量溫度的最佳選擇。光纖溫度傳感器是基于高度穩(wěn)定玻璃的熱膨脹而設計的，可用于高度精確、高度穩(wěn)定和高度可重復性的測量。FOT-N的外保護管在尺寸上比FOT-F的小，它是NPT常溫常壓不銹鋼材料制成。FOT-F可以安置在真空環(huán)境、高壓力環(huán)境，或者高電壓應用場合，而FOT-N主要用于埋入砼內部或者在空氣中的應用場合。這兩種型號的溫度傳感器都是屬于置入在不銹鋼保護外殼內部的外在型法布里-珀羅傳感器。

其信號調節(jié)器是為土木工程、R&D、工業(yè)應用而設計的，并且具有內置的可達50000個測點的數據記錄能力，光纜信號傳輸可達數公里距離。

FOT光纖溫度傳感器主要用于嚴峻條件下的溫度測量，可應用于:

● 大壩

● 橋梁

● 隧道襯砌

● 建筑物

● 微波和射頻場合

● 現場監(jiān)測

● 惡劣環(huán)境

● 高溫/高電壓/高壓力環(huán)境。

熒光光纖溫度傳感器是由多模光纖和在其頂部安裝的熒光物體(膜)組成。熒光物質在受到一定波長(受激譜)的光激勵后，受激輻射出熒光能量。激勵撤消后，熒光余暉的持續(xù)性取決于熒光物質特性、環(huán)境溫度等因素。這種受激發(fā)熒光通常是按指數方式衰減的，我們稱衰減的時間常數為熒光壽命或熒光余暉時間(ns)。我們發(fā)現，在不同的環(huán)境溫度下，熒光余暉衰減也不同。因此通過測量熒光余暉壽命的長短，就可以得知當時的環(huán)境溫度。

熒光式光纖溫度傳感器的核心技術在于其熒光物質和相應的模擬算法。該技術原理及產品結構非常簡單，我們采用的測溫熒光體是經過1200度高溫煅燒而成，具有極長的壽命和穩(wěn)定可靠的工作特性，非常適合于大規(guī)模工業(yè)化批量生產，從而迅速實現工業(yè)領域的廣泛應用。