第九章 光纤温度传感器.doc

第9章 光纤温度传感器
9.1 引言
传统的温度测量技术在各个领域的应用已很成熟，如热电偶、热敏电阻、光学高温计、半导体以及其他类型的温度传感器。它们的敏感特性都是以电信号为工作基础的，即温度信号被电信号调制；
而在特殊工作情况和环境下，如易燃、易爆、高电压、强电磁场、具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等场合，光纤温度测量技术具有独到的优越性。
由于光纤本身的电绝缘性以及固有的宽频带等优点，使得光纤温度传感器突破了电调制温度传感器的限制。同时，由于其工作时温度信号被光信号调制，传感器多采用石英光纤，传输的信号幅值损耗低，可以远距离传输，使传感器的光电器件远离现场，避开了恶劣的环境。在辐射测温中，光纤代替了常规测温仪的空间传输光路，使干扰因素如尘雾、水汽等对测量结果影响很小。光纤质量小，截面小，可弯曲传输测量不可视的工作温度，便于特殊工况下的安装使用。
光纤用于温度测量的机理与结构形式多种多样，按光纤所起的作用基本上可分为两大类：
一类是传光型，这类传感器仅由光纤的几何位置排布实现光转换功能；
另一类是传感型，它以光的相位、波长、强度（干涉）等为测量信号。
光纤温度传感器的测温机理及特点如下表所示。

测温机理
传感器的特点
荧光
激发的荧光（强度、时间）与测量温度的相关性（荧光余辉）
光干涉
法布里-珀罗器件，薄膜干涉
光吸收
砷化镓等半导体吸收
热致光辐射
黑体腔、石英、红外光纤、光导棒
光散射
载有温度信息的光在光纤中形成的拉曼散射、瑞利散射

传光型光纤温度传感器通常使用电子式敏感器件，光纤仅为信号的传输通道；
传感型光纤温度传感器利用其本身具有的物理参数随温度变化的特性检测温度，光纤本身为敏感元件，其温度灵敏度较高，但由于光纤对温度以外的干扰如振动、应力等的敏感性，使其工作的稳定性和精度受到影响。
传光型与传感型相比，虽然其温度灵敏度较低，但是由于具有技术上容易实现、结构简单、抗干扰能力强等特点，在实用化技术方面取得了突破，发展较快。如荧光衰减型、热辐射型光纤温度传感器已达到实用水平。
对测量物体某一点温度或温度场温度的点式光纤温度传感器的研究和开发比较活跃，其实用精度和可靠性较高。近几年，为了解决温度场的测量问题，研制出了分布式光纤温度传感器，它相对于以电信号为基础的温度传感器和点式光纤温度传感器而言，无论是从测量技术的难度、测量温度的内容及指标，还是从测量的场合和范围都提高到了一个新的阶段。
10..2 传光型光纤温度传感器
一、半导体光吸收型光纤温度传感器
许多半导体材料在它的红限波长（即其禁带宽度对应的波长）的一段光v 波长范围内有递减的吸收特性，超过这一波段范围几乎不产生吸收，这一波v 段范围称为半导体材料的吸收端。例如GaAs, CdTe(碲化镉)材料的吸收端在0.9μm附近。如图所示
光吸收温度特性
用这种半导体材料作为温度敏感头的原理是，它们的禁带宽度随温度升高几乎线性地变窄，相应的红限波长几乎线性地变长，从而使其光吸收端线性地向长波方向平移。显然，当一个辐射光谱与半导体材料吸收谱相一致的光源发出的光通过半导体时，其透射光强随温度升高而线性地减小。
采用下面的结构，就组成了一个最简单的光纤温度传感器。

这种结构由于光源不稳定的影响很大，实际中很少采用。
下面是一个实用化的设计

它采用了两个光源，一个是铝镓砷发光二极管，波长；另一个是铟镓砷磷发光二极管，波长。敏感头对光的吸收随温度而变化，对光不吸收，故取光作为参考信号。用雪崩光电二极管作为光探测器。经采样放大器后，得到两个正比于脉冲宽度的直流信号，再由除法器以参考光信号()为标准将与温度相关的光信号()归一化。于是，除法器的输出只与温度T有关。采用单片机进行信息处理即可显示温度。
这种传感器的测量范围是-10℃～300℃，精度可达±1℃。
二、热色效应光纤温度传感器
许多无机溶液的颜色随温度而变化，因而溶液的光吸收谱线也随温度而变化，称为热色效应。
其中钴盐溶液表现出最强的光吸收作用，热色溶液如[(CH3 )3CHOH + CoCl2]溶液的光吸收频谱如图所示。

在25℃～75℃之间的不同温度下，波长在400～800nm范围内有强烈的热色效应。在655nm波长处，光透射率几乎与温度成线性关系，而在800 nm处，几乎与温度无关。同时，这样的热色效应是完全可逆的，因此可将这种溶液作为温度敏感探头，并分别采用波长为655nm和800nm的光作为敏感信号和参考信号。
这种温度传感器的组成如图所示。

光源采用卤素灯泡，光进入光纤之前进行斩波调制。探头外径为1.5 mm，长为10mm，内充钴盐溶液，两根光纤插入探头，构成单端反射形式。从探头出来的光纤经Y形分路器将光分为两种，分别经655nm和800nm滤波片得到信号光和参考光，再经光电信息处理电路，得到温度信息。
由于系统利用信号光和参考光的比值作为温度信息，因而消除了光源波动及其他因素的影响，保证了系统测量的准确性。
该光纤温度传感器的温度测量范围在25℃～50℃之间，测量精度可达±0.2℃，响应时间小于0.5s，特别适用于微波场下的人体温度测量。
三、荧光型光纤温度传感器
荧光现象大致分为两类：
一类是下转换荧光现象，短波长辐射（紫外线、X射线）激发出长波长（可见光）光辐射；
另一类是上转换荧光现象，长波长光辐射（LED、红外光）通过双光子效应激发出短波长（可见光）光辐射。后一类用于温度测量时，费效比低，有实用意义。荧光材料是Y(钇yttrium)F3：Yb3+(镱ytterbium)-Er3+荧光粉，激励波长为940nm，荧光波长为554 nm。
荧光特性如图所示
光脉冲激励的荧光特性
分为荧光段和余辉段。余辉强度I(t)是温度和时间的函数，即

式中，；A是常数；是停止激励时的荧光峰值强度，是温度的函数；是荧光余辉寿命，是温度的函数。
上式表明，和是两个与温度T有关的独立的参数，可用于计量温度。联合使用这两个温度参数实现温度计量的方法是所谓的余辉强度积分法，即

该积分值等于图中斜线下的面积，如图中阴影部分所示。温度不同，这个面积不同。
这种方法的优点是温度计量的重现性好，测量范围宽。信号处理中采取m次累计平均的方法，如图所示。

荧光型光纤温度传感器的组成原理框图如图所示。

LED发射波长为940nm的脉冲光，通过光纤入射到探头荧光粉上，由于双光子过程荧光粉发射出波长为554nm的绿光，经光纤分路送至光电探测器进行光电转换，再经放大电路放大，由微机控制的采样、保持及模-数转换电路对荧光波进行采样，并由微机对采集的数据进行处理，给出温度的信息。