光纖溫度傳感器的原理及應(yīng)用研究

1、    光纖溫度傳感器的原理及應(yīng)用研究    孟瑜于蘭王亞杰黃丫李勝男摘  要：光纖溫度傳感器具有靈敏度高、體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾、電絕緣等優(yōu)點(diǎn)。為促進(jìn)光纖溫度傳感器在更多領(lǐng)域的發(fā)展，本文對(duì)光纖溫度傳感器的原理及應(yīng)用前景進(jìn)行了綜述。首先概述了光纖傳感器的原理，并分別介紹了幾種常見光纖溫度傳感器的原理，各自特點(diǎn)，最后對(duì)光纖溫度傳感器的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。關(guān)鍵詞：光纖;光纖傳感器;溫度;應(yīng)用;發(fā)展一、引言近年來(lái)，傳感器朝著精確、靈敏、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這一新興產(chǎn)業(yè)倍受關(guān)注。光纖傳感器是伴隨

2、著光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的，它是把外界被測(cè)量（ 溫度、壓力、位移、電磁場(chǎng)等） 轉(zhuǎn)換為光纖傳輸光波的特征參量（ 振幅、相位、波長(zhǎng)、偏振態(tài)） 的傳感器。在科研和生產(chǎn)實(shí)踐中，精確的溫度檢測(cè)與控制十分重要，而光纖溫度傳感器是光纖傳感器家族中非常重要的一員。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)包括熱電偶溫或pn結(jié)型的溫度傳感器。光纖溫度傳感器與它們相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：抗電磁干擾能力強(qiáng)、可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、靈敏度高、尺寸小、低損耗、易控制、低成本，特別適合易燃、易爆等特殊環(huán)境下使用。光纖溫度傳感器始于20世紀(jì) 70年代，當(dāng)前的主流產(chǎn)品主要有分布式光纖溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器以及光纖光柵溫度傳感器等

3、。在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家，很多領(lǐng)域已經(jīng)采用光纖溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)溫度傳感器而成為商品。我國(guó)的光纖傳感器研究開始的也較早，但與國(guó)外發(fā)達(dá)水平相比，研究水平還有一定的差距，很多傳感器仍處于試驗(yàn)階段不能大批量生產(chǎn)，不能滿足市場(chǎng)需求。本文主要介紹了幾種常用的光纖溫度傳感器，包括它們的結(jié)構(gòu)、工作原理以及應(yīng)用領(lǐng)域，最后對(duì)光纖溫度傳感器發(fā)展前景進(jìn)行了展望。二、光纖溫度傳感器原理簡(jiǎn)介在光學(xué)行業(yè)，早期的光纖用于傳光和傳像，在20世紀(jì)70年代初產(chǎn)生低損光纖后，光纖開始用于長(zhǎng)距離信息傳輸。但是光纖在作為光波的傳輸介質(zhì)時(shí)，由于外界環(huán)境因素的影響（溫度、位移、壓力、電磁場(chǎng)）會(huì)導(dǎo)致光纖中傳輸?shù)墓獠ㄌ卣鲄⒘浚ㄕ穹?、相位、波長(zhǎng)、偏

4、振態(tài)）發(fā)生變化，如圖1所示。因而可以通過(guò)測(cè)量光波參量的變化來(lái)探測(cè)外界因素的變化，由此產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù)。三、光纖溫度傳感器的分類光纖溫度傳感器的機(jī)理和結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但基本上可以分為功能型（傳感型）和傳輸型（傳光型）兩大類。功能型光纖溫度傳感器是基于光纖傳輸?shù)墓獠▍⒘浚ㄕ穹?、相位、波長(zhǎng)）隨環(huán)境溫度的變化而變化的特性，光纖既是傳感元件又是傳光介質(zhì)。而傳輸型光纖溫度傳感器是使用外加敏感元件實(shí)現(xiàn)傳感功能，光纖只作為傳光介質(zhì)。下面針對(duì)這兩種類型的傳感器，介紹幾種典型的應(yīng)用實(shí)例。（一）功能型光纖溫度傳感器1、分布式光纖溫度傳感器光纖中返回的散射光有線性散射和非線性散射。其中瑞利散射是由于光纖的折射率隨

5、機(jī)變化引起的，其散射光頻率與入射光相同，屬于線性散射，散射光強(qiáng)度較高。非線性散射包含受激拉曼散射和受激布里淵散射，散射光相對(duì)于入射光有一定的非線性頻移，其散射光強(qiáng)度要弱于瑞利散射。因?yàn)楣饫w中散射光特性和散射介質(zhì)溫度有關(guān)，通過(guò)測(cè)量光纖中返回的散射光強(qiáng)度或頻率可以測(cè)量溫度值，通過(guò)otdr技術(shù)或光干涉技術(shù)對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行定位，可以實(shí)現(xiàn)在光纖傳輸方向上連續(xù)傳感溫度。圖2是一個(gè)分布式光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖，其測(cè)溫原理基于對(duì)光纖中拉曼散射光的測(cè)量。分布式光纖溫度傳感器的特點(diǎn)是能夠在大空間范圍實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)的測(cè)量溫度，傳感長(zhǎng)度從幾千米到幾百千米的范圍。和傳統(tǒng)的點(diǎn)式傳感器相比，它具有測(cè)量空間范圍大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比

6、高等優(yōu)點(diǎn)，因此有廣泛的市場(chǎng)需求。（二）干涉型光纖溫度傳感器當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，可以引起光纖傳輸光的相位發(fā)生變化，從而形成相位調(diào)制型（干涉型）光纖溫度傳感器。通常測(cè)量相位時(shí)采用兩束光的干涉，根據(jù)干涉光強(qiáng)度變化得到溫度值。常見用于測(cè)溫的光纖干涉儀有馬赫澤德爾（m-z）干涉儀、邁克爾遜（michelson）干涉儀和法布里-珀羅（f-p）干涉儀。下面主要介紹基于m-z干涉原理和f-p干涉原理的光纖溫度傳感器。 這種傳感器具有靈敏度高、靈活多樣、測(cè)量對(duì)象廣泛等優(yōu)點(diǎn)。圖3為m-z光纖溫度傳感器的原理圖，激光器發(fā)出的相干光，經(jīng)光纖耦合器分光后，分別進(jìn)入兩根長(zhǎng)度相等的單模光纖。其中一根光纖處于溫度變化的探測(cè)場(chǎng)，

7、溫度改變光纖折射率和長(zhǎng)度都發(fā)生變化，光波相位隨之改變，稱為傳感臂;另一根光纖處于恒定的溫度場(chǎng)，光程保持不變，稱為參考臂。從兩根光纖輸出的光經(jīng)將發(fā)生干涉，溫度改變時(shí)由于兩束光的相位差變化，干涉條紋就會(huì)發(fā)生移動(dòng)。因此檢測(cè)干涉光強(qiáng)即探測(cè)溫度值。圖4為f-p光纖溫度傳感器的裝置圖，它由激光器、隔離器、分束器、傳輸光纖和光纖f-p傳感頭、接收器等元件構(gòu)成。從圖中可以看出，光纖f-p腔兩端鍍高反射膜，構(gòu)成多光束干涉腔。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，光纖f-p腔的腔長(zhǎng)l和折射率n隨之改變，引起輸出的多光束干涉光強(qiáng)度變化，根據(jù)檢測(cè)的反射或透射光強(qiáng)測(cè)得溫度值。（三）光纖光柵溫度傳感器光纖bragg光柵 （fbg）是基于光纖

8、的光敏性，例如應(yīng)用紫外光照射使纖芯產(chǎn)生周期性的折射率變化。外界溫度變化時(shí)，bragg光柵周期和折射率都會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光柵布拉格波長(zhǎng)b漂移，通過(guò)測(cè)量bragg光柵布拉格反射波長(zhǎng)即可測(cè)量溫度，這種傳感器屬于波長(zhǎng)調(diào)制型。光纖光柵傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量、便于成網(wǎng)等特點(diǎn)，并且光柵的寫入工藝已較成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)。（四）傳輸型光纖溫度傳感器傳輸型光纖溫度傳感器的典型應(yīng)用實(shí)例是光纖熒光溫度傳感器，熒光材料在受外界光（紅外光、紫外光或可見光）激發(fā)時(shí)，會(huì)向外輻射光，稱為熒光。熒光材料的激發(fā)區(qū)光譜是材料的固有屬性，由材料的吸收譜決定。光纖熒光溫度傳感器是利用熒光材料的

9、溫度特性測(cè)溫的，有基于熒光強(qiáng)度比和熒光壽命兩種測(cè)溫方式。熒光強(qiáng)度比測(cè)溫主要是測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同高能級(jí)躍遷到同一低態(tài)能級(jí)之間的熒光強(qiáng)度比，它是與溫度有關(guān)的參量。圖6為基于熒光強(qiáng)度比測(cè)溫的光纖傳感器。熒光材料向外輻射熒光的壽命也是與溫度相關(guān)的參量，選用脈沖調(diào)制的光源作為熒光材料的激發(fā)光，在激發(fā)光停止后，由探測(cè)器接收輻射的熒光，和信號(hào)處理單元根據(jù)熒光衰減時(shí)間（熒光壽命）即可得到溫度信息。在這種測(cè)溫系統(tǒng)中光纖只起到傳輸光的作用。它的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，光源的光強(qiáng)不穩(wěn)定對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響較小，經(jīng)濟(jì)耐用。光纖溫度傳感器的種類很多，除了上述介紹的種類外，還有半導(dǎo)體吸收型、彎曲損耗型光纖溫度傳感器等等，由于其種類很多

10、，應(yīng)用發(fā)展也很廣泛。四、光纖傳溫度感器的應(yīng)用在光纖傳感器領(lǐng)域，溫度傳感器的研究和應(yīng)用比較多， 約占總數(shù)的20%左右。它具有光纖傳感器的固有優(yōu)勢(shì)，除了應(yīng)用于一些傳統(tǒng)領(lǐng)域的測(cè)溫，還能應(yīng)用在某些特殊領(lǐng)域，例如高溫高壓、易燃易爆、強(qiáng)電磁干擾和化學(xué)腐蝕性強(qiáng)的場(chǎng)所，因此具有很大的市場(chǎng)需求。目前光纖溫度傳感器的研究和應(yīng)用領(lǐng)域包含醫(yī)療、建筑、電力、化工和航空航天等，本文只介紹幾種領(lǐng)域內(nèi)的典型應(yīng)用。（一）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用醫(yī)用光纖溫度傳感器的主要特點(diǎn)是它的尺寸普遍偏小，設(shè)計(jì)很堅(jiān)固，整體系統(tǒng)的精度，可重復(fù)使用。例如光纖光柵傳感器是迄今為止能做到的最小的傳感器，可以以很小的傷害進(jìn)入人體內(nèi)部，精確探測(cè)局部的壓力、溫度和聲

11、波場(chǎng)信息;又例如我們所熟知的醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)，是在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的環(huán)境下工作的，它的溫控系統(tǒng)也是用的光纖溫度傳感器來(lái)測(cè)量的，可靠性得到保證。（二）航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用在航天航空領(lǐng)域，使用傳感器的數(shù)量非常多。例如一架飛行器需要傳感的信息包括溫度、壓力、燃料液位、振動(dòng)、方向舵和機(jī)翼的位置等，內(nèi)部傳感器數(shù)量可多達(dá)上百個(gè)，因此需要傳感器的尺寸和重量都要非常小。尤其在對(duì)環(huán)境控制系統(tǒng)和飛行發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)測(cè)控時(shí)，需要溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，而傳統(tǒng)的溫度傳感器采用熱電偶或熱敏電阻的元器件，不能滿足航空航天裝備的傳感需要。光纖傳感器尺寸小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量準(zhǔn)確度高，具有其他傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)， 在航空航天系統(tǒng)有

12、十分廣泛的應(yīng)用前景。（三）電力行業(yè)的應(yīng)用由于光纖溫度傳感器具有體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、電絕緣性能好，耐腐蝕和本質(zhì)安全等優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的在線溫度檢測(cè)。例如各類大中型發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變壓器的溫度檢測(cè)，電力電纜密集區(qū)的溫度檢測(cè)，電力系統(tǒng)的熱動(dòng)保護(hù)或故障診斷等。（四）建筑行業(yè)的應(yīng)用光纖或者光纖光柵能夠很容易的埋入一些建筑或橋梁的材料中，這樣利用光纖傳感器就能夠?qū)ㄖ?nèi)部的溫度實(shí)現(xiàn)大范圍和高精度的測(cè)量。國(guó)外許多國(guó)家和地區(qū)很早就將光纖傳感器應(yīng)用于橋梁或建筑中，通過(guò)傳感橋梁的溫度、應(yīng)力應(yīng)變、位移等重要參數(shù)，對(duì)建筑實(shí)現(xiàn)安全檢測(cè)和預(yù)警。在國(guó)內(nèi)，這方面的應(yīng)用也有很廣泛的空間。五、光纖溫度傳感器發(fā)

13、展趨勢(shì)在過(guò)去的幾十年時(shí)間，許多光纖溫度傳感器進(jìn)入了實(shí)用化和商品化階段。光纖溫度傳感器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使它具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。未?lái)的發(fā)展，除了要進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能和降低成本外，還應(yīng)致力于開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。技術(shù)研究可大力發(fā)展集成化的光纖溫度傳感器，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，研制大型傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)多功能全光纖控制等?？傊?，這種傳感器的市場(chǎng)應(yīng)用前景還是十分廣闊的。參考文獻(xiàn)：1高曉丹，彭建坤，呂大娟.法布里-珀羅薄膜干涉的光纖溫度傳感器j.紅外與激光工程.2018，47（01）：242-246.2徐申翔，劉南生，張華.光纖溫度傳感器原理及應(yīng)用j.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2004，26（04）：9-14.3gu

14、nes y， sait e k. a distributed optical fiber sensor for temperature detection in power cables j. sensors and actuators a： physical， 2006， 125（02）： 148-155.4呂宗巖.分布式光纖溫度傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)d.秦皇島：燕山大學(xué)，2005.5奧誠(chéng)喜，金克新，李潭等.mach-zehnder光纖溫度傳感器的研究j.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，22（06）：104-107.6廖延彪，黎敏，張敏，匡武.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用m.北京： 清華大學(xué)出版社，2009.7李愛群，周廣東.光纖bragg光柵傳感器測(cè)試技術(shù)研究進(jìn)展與展望（）：應(yīng)變、溫度測(cè)試j.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，39（ 06）：1298-1307.8smith t v， smith d b. fi