光纖溫度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

從室溫到1800℃全程測(cè)溫的光纖溫度傳感器的系統(tǒng)主要包括端部摻雜的光纖傳感頭、 Y型石英光纖傳導(dǎo)束、 超高亮發(fā)光二極管(LED)及驅(qū)動(dòng)電路、 光電探測(cè)器、熒光信號(hào)處理系統(tǒng)和輻射信號(hào)處理系統(tǒng)。

系統(tǒng)的工作原理為: 在低溫區(qū)(400℃以下), 輻射信號(hào)較弱, 系統(tǒng)開(kāi)啟發(fā)光二極管(LED)使熒光測(cè)溫系統(tǒng)工作。 發(fā)光二極管發(fā)射調(diào)制的激勵(lì)光, 經(jīng)聚光鏡耦合到Y(jié)型光纖的分支端, 由Y型光纖并通過(guò)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(lì)光激發(fā)而發(fā)射熒光, 熒光信號(hào)由光纖導(dǎo)出, 并通過(guò)光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出, 由光電探測(cè)器接收。

光電探測(cè)器輸出的光信號(hào)經(jīng)放大后由熒光信號(hào)處理系統(tǒng)處理, 計(jì)算熒光壽命并由此得到所測(cè)溫度值。 而在高溫區(qū)(400℃以上), 輻射信號(hào)足夠強(qiáng), 輻射測(cè)溫系統(tǒng)工作, 發(fā)光二極管關(guān)閉。

輻射信號(hào)通過(guò)藍(lán)寶石光纖并通過(guò)Y型光纖輸出, 由探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào), 系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)輻射信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算得到所測(cè)溫度。

光纖傳感頭端部由Cr3+離子摻雜, 實(shí)現(xiàn)光激勵(lì)時(shí)的熒光發(fā)射。 摻雜部分光纖長(zhǎng)度為8~10 mm。 端部光纖的外表面同時(shí)鍍覆黑體腔, 用于輻射測(cè)溫。 (這時(shí),光纖黑體腔長(zhǎng)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(duì)保證整個(gè)系統(tǒng)的性能十分重要。

經(jīng)過(guò)分析, 可以發(fā)現(xiàn)這種干擾主要表現(xiàn)為:

1) 熒光信號(hào)中輻射背景信號(hào)對(duì)熒光壽命檢測(cè)精度的影響,

2) 光纖表面鍍覆對(duì)熒光強(qiáng)度的影響,

3) 光纖內(nèi)Cr3+離子摻雜對(duì)黑體腔熱輻射信號(hào)的影響。

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(shù)關(guān)系。其物理本質(zhì)是利用光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奶卣鲄⒘?，如振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)和模式等，對(duì)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(cè)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(cè)空間溫度分布的系統(tǒng)，其原理最早于1981年提出，后隨著科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)研究，最終研制出了此項(xiàng)技術(shù)。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(jìn)展，因此未來(lái)的傳感器研究熱點(diǎn)，將放在對(duì)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(kāi)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(guó)也有很多大學(xué)展開(kāi)了對(duì)分布式光纖溫度傳感器的研究，例如，中國(guó)計(jì)量大學(xué)1997年發(fā)明出煤礦溫度檢測(cè)的傳感器系統(tǒng)，其檢測(cè)溫度為-49℃~150℃，溫度分辨率為0.1℃。

光纖熒光溫度傳感器

當(dāng)前最熱門的研究，就是針對(duì)光纖熒光溫度傳感器，其是利用熒光的材料會(huì)發(fā)光的特性，來(lái)檢測(cè)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(shí)，就會(huì)出現(xiàn)發(fā)光的情況，發(fā)射出的光參數(shù)和溫度是有著必然聯(lián)系的，因此可以通過(guò)檢測(cè)熒光強(qiáng)度來(lái)測(cè)試溫度。

世界各國(guó)的高校都設(shè)計(jì)過(guò)此類傳感器，例如，韓國(guó)漢城大學(xué)發(fā)現(xiàn)10cm的雙摻雜光纖，在其915nm的地方所反射出的熒光強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的溫度指數(shù)是20℃~290℃;我國(guó)清華大學(xué)借用半導(dǎo)體GaAs原料來(lái)吸收光，進(jìn)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。

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(yīng)用發(fā)展也很廣泛，例如，應(yīng)用于電力系統(tǒng)、建筑業(yè)、航空航天業(yè)以及海洋開(kāi)發(fā)領(lǐng)域等等。

分布式光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展

光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用中得到發(fā)展，由于電力電纜溫度、高壓配電設(shè)備內(nèi)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(jìn)行測(cè)量，因此就促進(jìn)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(jīng)過(guò)在電力系統(tǒng)行業(yè)的應(yīng)用，從而使其接收信號(hào)和處理檢測(cè)系統(tǒng)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(cè)量范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)溫度測(cè)量工作中。西方很多發(fā)達(dá)國(guó)家都已普遍采用此系統(tǒng)，進(jìn)行建筑物的溫度、位移等安全指標(biāo)的測(cè)試工作，例如，美國(guó)墨西哥使用光柵溫度傳感器，對(duì)高速公路上橋梁的溫度進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)廣泛使用，光柵溫度傳感器所存在的問(wèn)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(tǒng)得到了完善。

航空航天業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展

航空航天業(yè)使用傳感器的頻率較高，包括對(duì)飛行器的壓力、溫度、燃料等各方面的檢測(cè)，都需要使用光纖溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，并且所使用到的傳感器數(shù)量多達(dá)百個(gè)，所以對(duì)傳感器的大小和重量要求很嚴(yán)格。因此，基于航空航天業(yè)對(duì)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(jīng)過(guò)了調(diào)整。

FOT光纖溫度傳感器有兩個(gè)型號(hào):FOT-F，F(xiàn)OT-N，適用于各種光纖信號(hào)調(diào)節(jié)器。

FOT-F和FOT-N光纖溫度傳感器將一個(gè)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(cè)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(shè)計(jì)的，可用于高度精確、高度穩(wěn)定和高度可重復(fù)性的測(cè)量。FOT-N的外保護(hù)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(yīng)用場(chǎng)合，而FOT-N主要用于埋入砼內(nèi)部或者在空氣中的應(yīng)用場(chǎng)合。這兩種型號(hào)的溫度傳感器都是屬于置入在不銹鋼保護(hù)外殼內(nèi)部的外在型法布里-珀羅傳感器。

其信號(hào)調(diào)節(jié)器是為土木工程、R&D、工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，并且具有內(nèi)置的可達(dá)50000個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄能力，光纜信號(hào)傳輸可達(dá)數(shù)公里距離。

FOT光纖溫度傳感器主要用于嚴(yán)峻條件下的溫度測(cè)量，可應(yīng)用于:

● 大壩

● 橋梁

● 隧道襯砌

● 建筑物

● 微波和射頻場(chǎng)合

● 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

● 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(zhì)在受到一定波長(zhǎng)(受激譜)的光激勵(lì)后，受激輻射出熒光能量。激勵(lì)撤消后，熒光余暉的持續(xù)性取決于熒光物質(zhì)特性、環(huán)境溫度等因素。這種受激發(fā)熒光通常是按指數(shù)方式衰減的，我們稱衰減的時(shí)間常數(shù)為熒光壽命或熒光余暉時(shí)間(ns)。我們發(fā)現(xiàn)，在不同的環(huán)境溫度下，熒光余暉衰減也不同。因此通過(guò)測(cè)量熒光余暉壽命的長(zhǎng)短，就可以得知當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度。

熒光式光纖溫度傳感器的核心技術(shù)在于其熒光物質(zhì)和相應(yīng)的模擬算法。該技術(shù)原理及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，我們采用的測(cè)溫?zé)晒怏w是經(jīng)過(guò)1200度高溫煅燒而成，具有極長(zhǎng)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(chǎn)，從而迅速實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。