光纖熱工量傳感器課件

光纖熱工量傳感器光纖熱工量傳感器第七章概述在科研和生產(chǎn)實際中，有許多熱工量（溫度,濕度,熱量,比熱，熱流，熱分布,真空度，流量，流速，液位等）的測量問題。而大量出現(xiàn)的是溫度和流量的檢測。傳統(tǒng)的傳感技術(shù)無法解決在易燃、易爆、空間狹窄和具有腐蝕性強的氣體、液體以及射線污染的條件下檢測溫度、流量等，而光纖傳感器對此具有特殊的優(yōu)越性。光纖溫度傳感器可以用于苛刻環(huán)境下的溫度檢測，如石油、化工行業(yè)等。光纖流量計、流速計及液位計等也廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、機械工業(yè)、水工試驗、醫(yī)療領(lǐng)域、污染監(jiān)測以及控制等方面。內(nèi)容輻射型光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光纖溫度傳感器熒光衰變式光纖溫度傳感器熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器折射率調(diào)制光纖溫度傳感器相位調(diào)制光纖溫度傳感器相關(guān)型光纖流量傳感器光纖渦輪流量汁光纖膜片式流速汁傳感型光纖流量傳感器一、輻射型光纖溫度傳感器輻射型光纖溫度傳感器是基于黑體輻射的原理。所有的物質(zhì)，當(dāng)溫度高于0K時，均發(fā)射出一定量的熱輻射，這種熱輻射的量取決于該物質(zhì)的溫度及其材料的輻射系數(shù)。1、輻射型光纖溫度傳感器原理b=2.897756×10-3m·K黑體輻射實驗規(guī)律維恩位移定律峰值波長m

與溫度

T

成反比

10505000K6000K3000K4000KMB

(10-7

×W/m2·m)2、輻射型光纖溫度傳感器組成數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)測溫探頭單通道單波段光纖溫度計原理框圖單波段光纖溫度計結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，能夠測量較低溫度(最低至1000)。但是，當(dāng)探頭端面被沾污，光纖束斷線，使不能準(zhǔn)確地測量濕度，必須里新校驗或重新分度。2、輻射型光纖溫度傳感器組成數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)探頭采用兩光譜段能量比值方法，目的是在于當(dāng)探頭端面具有一定程度沾污，小渣粒遮擋一部分接收面積時，或者光纖束斷了幾根線，測量儀表示值不受影響。分光器數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)2、輻射型光纖溫度傳感器組成數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)探頭雙波段多通道比色型光纖溫度計原理框圖。多支光纖束能夠進(jìn)行多點溫度測量，如多點測量鋼坯溫度分布。分光器光切換器高溫傳感器探頭單晶藍(lán)寶石或純石英氧化鋁或氧化鋯研究及內(nèi)應(yīng)力變化實驗表明在1000℃以下溫區(qū)，采用純石英棒作高溫探頭材料是可行的，1000℃以上溫區(qū)，需采用單晶藍(lán)寶石棒作高溫探頭。幾種輻射型光纖溫度傳感器高溫光纖傳感器實踐表明，采用單晶藍(lán)寶石棒和純石英棒，用鍍膜技術(shù)制作成黑體輻射腔的高溫探頭是可行的。測量精度高，且結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，是一種較理想而實用的高溫傳感器，它有著廣泛的、潛在的應(yīng)用前景。它可以用于航空工業(yè)中的尾焰溫度或內(nèi)燃機車汽缸溫度測量；還可以進(jìn)行多點溫度測量，建立多點溫度測量系統(tǒng)。高溫光纖傳感器應(yīng)用③熒光光纖溫度傳感器自然界存在這樣一類物質(zhì)，當(dāng)吸收了外界能量后，能發(fā)出不同波長和不同強度的光，一旦外界能源消失，則這種光也隨之消失，這種光稱為熒光。熒光的強度和持續(xù)時間與物體溫度有關(guān)。利用這種性質(zhì)可以檢測溫度。熒光溫度傳感器物理基礎(chǔ)熒光的溫度特性強度強度t余輝段T1<

T2T1T2激光脈沖余輝強度是溫度和時間的函數(shù)：Ip(T)是停止激勵時熒光峰值強度，t(T)是熒光余輝壽命，二者均是溫度的函數(shù)。溫度越低發(fā)光越強，余輝衰減越慢。熒光溫度傳感器基于熒光強度與溫度關(guān)系的測量基于熒光壽命與溫度關(guān)系的測量（已經(jīng)研制開發(fā)十多年）熒光輻射型光纖溫度計熒光衰變型光纖溫度計熒光輻射溫度計在感溫部分裝有能發(fā)生熒光的物質(zhì)，該物質(zhì)受激發(fā)后發(fā)出熒光，根據(jù)熒光的強度可檢測溫度。強度強度t余輝段T1<

T2T1T2熒光強度型光纖溫度計探頭熒光物質(zhì)LED積分值如圖中斜線下面積。溫度不同，這個面積不同。信號處理中采取M次累計平均方法。這種方法的優(yōu)點是溫度計量的重現(xiàn)性好。測溫范圍寬:－30～250o②熒光壽命型光纖溫度計利用熒光物質(zhì)所發(fā)出的熒光衰變時間隨溫度變化的特性制成溫度計。閃爍光照射在摻雜的晶體上，可以激勵出熒光來，熒光的強度衰變到初值的1／e時所需要的時間，稱為熒光衰變時間tF，它和溫度的關(guān)系可用下式表示：式中RE、RT

、DE均為常數(shù)，T為絕對溫度。紅寶石熒光壽命與溫度的關(guān)系熒光壽命測量方法熒光衰減壽命的精確測量對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測溫精度具有重要的影響。從理論上估計,熒光壽命可以從室溫的數(shù)ms變化到高溫的μs量級。熒光衰減壽命的測量有多種方法：兩點法測量相位調(diào)制測量鎖相環(huán)熒光壽命測量兩點法測量熒光壽命強度強度t該方法是在激勵脈沖終止后，在熒光指數(shù)衰減曲線上比較2個不同的強度，衰減信號的第1個值I0出現(xiàn)在固定時間t1，即激勵脈沖終止后。第2個值，即I0/e。當(dāng)衰減信號達(dá)到I0/e，時間為t2

。t1和t2的間隔就是指數(shù)衰減信號的時間常數(shù)tF。t1t2二、半導(dǎo)體光纖溫度傳感器傳感器的基本原理是利用半導(dǎo)體材料的光吸收與溫度的關(guān)系。半導(dǎo)體的能量帶隙隨溫度上升而減小。Eg與溫度t的關(guān)系可表示為：Eg導(dǎo)帶價帶式中：Eg（0）－絕對零度時半導(dǎo)體的禁帶寬度；α(eV／K)和β(K)為常數(shù)。

對于GaAs材料，由實驗得到α=5.8×10-4eV/Kβ=300K半導(dǎo)體透射式溫度測量原理LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體透射率T1<T2<T3T3T1T2相對發(fā)光強度透射率波長半導(dǎo)體的能量帶隙隨溫度上升而減小，使得半導(dǎo)體吸收邊的波長隨溫度上升變長。選擇適當(dāng)?shù)腖ED，使光譜落在吸收邊區(qū)域，這樣當(dāng)光通過半導(dǎo)體時，其透射光的強度隨溫度的增加而減少。8508009009501000010203040t=20℃波長λ/nmGaAs的光譜透射率曲線透射率(%)Example半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器原理圖LED光源探測器探頭探頭半導(dǎo)體吸收材料GaAs或CdTe實用的半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器光源是采用兩只不同波長的發(fā)光二極管。一只AlGaAs發(fā)射波長l1=0.88mm的光,另一只InGaPAs發(fā)射波長l2=1.27mm的光。雙光源基準(zhǔn)通道測量法AlGaAs探測器InGaPAs探頭l1l2l1l2兩個光源交替地發(fā)出光脈沖，每個脈沖寬度10ms，脈沖間隔20ms，半導(dǎo)體GaAs或CdTe對l1的吸收與溫度有關(guān)，對l2幾乎不吸收。l1l2測溫范圍:－10～300o折射率調(diào)制光纖溫度傳感器光纖的纖芯材料和包層材料的折射率溫度系數(shù)不同，在某一特定溫度時，纖芯和包層的折射率相等，光纖就失去了光導(dǎo)的作用。利用這種原理可制成報警系統(tǒng)。由于光纖的傳輸特性是逐漸變化的，所以光導(dǎo)完全截止所處的溫度可以是非常準(zhǔn)確的。準(zhǔn)確地選用纖芯和包層材料，可以設(shè)計成高溫或低溫的報警系統(tǒng)。利用這種原理制成的測溫系統(tǒng)有環(huán)境防火報警系統(tǒng)等。①液芯光纖溫度傳感器采用液體光纖方法也可以進(jìn)行溫度檢測。這種檢測裝置是一種利用透明液體的折射率與溫度有關(guān)的光纖傳感器，其感溫段是利用透明液體作為纖芯或包層的原理而制成的。液體芯折射率調(diào)制光纖溫度傳感器它是采用一段對溫度敏感的液芯光纖，嵌入普通的多模光纖中并與其串接。光纖中的透明芯液折射率對溫度很敏感。這種芯液和裝它的毛細(xì)管構(gòu)成了數(shù)值孔徑隨溫度變化的液芯光纖。在某溫度T1時，液體和玻璃管具有相同折射率，數(shù)值孔徑為零。另一溫度T2時，液體的折射率較高，這時，液芯光纖就具有與普通光纖相同的數(shù)值孔徑。在T1～T2的溫度范圍內(nèi)，液芯光纖的數(shù)值孔徑連續(xù)地從零變化到普通光纖的數(shù)值孔徑。液芯光纖就可以作敏感元件。此外，裝置還可以用一根有一段無包層的光纖，浸在透明的起包層作用的液體中組成，其液體的折射率隨溫度的變化而變化。當(dāng)溫度從T1變化到T2時，液體的折射率由等于纖芯的折射率變化到等于包層的折射率值。這段光纖芯構(gòu)成了光導(dǎo)，其數(shù)值孔徑在T1～T2的溫度范圍內(nèi)從零變化到正常的沒有剝離外包層時光纖的最大值。②液包層光纖溫度傳感器光纖溫度檢測裝置原理框圖應(yīng)采取一些措施，保證沒有導(dǎo)入液芯或液體包層光纖的光，不到達(dá)輸出光纖14，如使液芯光纖彎曲，使液芯光纖外側(cè)粗糙化等等法布里—珀羅光纖溫度傳感器這種干涉儀的特點是利用光纖本身的多次反射所形成的光來產(chǎn)生干涉。同時可以采用很長的光纖來獲得很高的靈敏度。此外，由于它只用一根光纖，所以干擾問題比馬赫—澤德爾干涉儀少得多。P1ITIR法布里—珀羅光纖溫度傳感器原理信號處理光源傳感器溫度變化使腔長度h發(fā)生變化h高反射膜本征型法布里—珀羅光纖溫度傳感器溫度變化使腔長度h發(fā)生變化h高反射膜h只有數(shù)十微米，加工困難非本征型法布里—珀羅光纖溫度傳感器溫度變化使腔長度h發(fā)生變化h高反射膜應(yīng)用最為廣泛的一種光纖傳感器法布里—珀羅光纖溫度傳感器信號解調(diào)由輸出光信號求解腔長hIRh強度解調(diào)：應(yīng)用單色光源，直接由IR求h

相位解調(diào)：應(yīng)用寬帶光源，利用IR隨波長的變化求h法布里—珀羅光纖溫度傳感器信號解調(diào)由輸出光信號求解腔長hIRt溫度使光纖中的光波相位發(fā)生變化時，輸出脈沖峰值的位置將發(fā)生變化。法布里—珀羅光纖溫度傳感器信號解調(diào)由輸出光信號求解腔長hhh122>1為了識別被測溫度的增減方向，要求He—Ne激光器有兩個頻率輸出，其頻率差為640MHz，這樣．根據(jù)對應(yīng)于兩模所輸出的兩峰的先后順序，即可判斷外界溫度的增減方向。傳感型光纖渦輪流量計是一種振動式流量計。流體振動流量計是60年代末期發(fā)展起來的流量測量技術(shù)。它具有如下一些特點：被測流體本身就是振動體，無機械可動部件，幾乎不受流體組成、密度、粘度、壓力等因素的影響七、光纖流量計流量計實現(xiàn)流量測量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中著名的“卡門渦街”原理。在流動的流體中放置一根其軸線與流向垂直的非流線性柱形體(如三角柱、圓柱等)，稱之為漩渦發(fā)生體。當(dāng)流體沿漩渦發(fā)生體繞流時，會在漩渦發(fā)生體下游產(chǎn)生如圖所示不對稱但有規(guī)律的交替漩渦列，這就是所謂的卡門渦街。流量計測量原理卡門渦街在漩渦發(fā)生體兩側(cè)會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反、交替出現(xiàn)的漩渦，并隨著流體流動，在下游形成兩列不對稱的漩渦列，稱之為“卡門渦街”。漩渦發(fā)生體d由于漩渦之間的相互影響，其形成通常是不穩(wěn)定的。馮.卡門對渦列的穩(wěn)定條件進(jìn)行了研究，于1911年得到結(jié)論：只有當(dāng)兩漩渦列之間的距離h和同列的兩漩渦之間的距離L之比滿足時，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的當(dāng)每個渦流產(chǎn)生并瀉下時，它會在非流線體壁上產(chǎn)生一個側(cè)向力，非流線體便受到一個周期振動力的作用。如果非流線體具有彈性，則將產(chǎn)生振動。液體、氣體等流體均有這種現(xiàn)象。渦街引起的振動流設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質(zhì)流的平均速度為，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d，根據(jù)卡門渦街原理，有如下關(guān)系式式中：

--旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，m/s；

Sr--斯特勞哈爾數(shù),與雷諾數(shù)有關(guān)。測出旋渦頻率就可以推算出流體的流量。旋渦頻率這種流量計采用光纖作為敏感流速的非流線體，這時渦流的頻率就取決于流體的流速和光纖的直徑，要解決如何檢測渦流的頻率即光纖的振動頻率。光纖渦輪流量計原理采用多模光纖作為傳感光纖在多模光纖中，光以多種模式進(jìn)行傳輸，這樣在光纖的輸出端，各模式的光就產(chǎn)生干涉，形成一個復(fù)雜的干涉圖樣。一根沒有外界擾動的光纖所產(chǎn)生的干涉圖樣是穩(wěn)定的。當(dāng)光纖受到外界擾動時，各個模式的光被調(diào)制的程度不同，相位變化也就不同，于是干涉圖樣的明暗相間的斑紋或斑點發(fā)生移動。如果外界擾動僅是由渦流引起的，干涉圖樣的斑紋或斑點就會隨著振動的周期變化而來回移動。利用小型探測器對圖樣斑點的移動進(jìn)行檢測，即可獲得對應(yīng)于振動頻率f的信號。圖7－43光纖渦流流計的測量結(jié)果LD光源探測器邁克耳遜干涉儀光纖流量傳感器渦流的流動使光纖中敏感段發(fā)生了諧振應(yīng)變。這個諧振應(yīng)變引起光相位的往復(fù)變化，即光纖中的光相位受到了流體渦流頻率的調(diào)制，因此輸出的干涉光強的變化頻率取決于渦流頻率。由光電探測器探測到的光電信號，經(jīng)頻譜分析測出出這個頻率值，然