光纖高溫傳感器：一文讀懂光纖溫度傳感器的分類及工作原理
光纖溫度傳感器可分為元件型和傳輸型兩類，前者用光纖作敏感元件，后者用光纖作傳輸線。
元件型光纖溫度傳感器的工作原理如下圖所示。
元件型光纖溫度傳感器
圖（a）是利用光振幅隨溫度變化的傳感器，光纖的纖芯徑和折射率隨溫度變化，從而使光纖中傳播的光由于路線不均而向外散射，導(dǎo)致光振幅變化。圖（b）是利用光極化面旋轉(zhuǎn)的傳感器，單模光纖的極化面隨溫度變化而旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)通過檢偏器即得到振幅變化。圖（c）是利用光相位變化的傳感器，單模光纖的長(zhǎng)度、折射率和纖芯徑隨溫度變化，從而使光纖中傳播的光產(chǎn)生相位變化，該相位變化通過干涉儀即得到振幅變化。
檢測(cè)相位變化的基本系統(tǒng)是馬赫?澤德干涉儀（如下圖所示）。
檢測(cè)相位變化的基本系統(tǒng)是馬赫?澤德干涉儀
在儀器中，來自信號(hào)光纖的光與一穩(wěn)定的參考光束混合，由于信號(hào)光纖受被測(cè)參數(shù)的影響，其傳播的光信號(hào)相位發(fā)生變化，因此兩光柱產(chǎn)生干涉。原理上，用一適當(dāng)?shù)南辔粰z測(cè)器可以檢測(cè)小的變化，用條紋計(jì)數(shù)器可以檢測(cè)大的變化。參考光束按應(yīng)用狀態(tài)不同可以經(jīng)過或不經(jīng)過頻移，光的頻移通常用布勒格盒完成。干涉儀的布局要求十分嚴(yán)格，一個(gè)主要難點(diǎn)是，光的偏振面經(jīng)過光纖后散射。這樣，有時(shí)會(huì)因參考光束和信號(hào)光束正交偏振而觀察不到干涉條紋。光纖測(cè)溫計(jì)是一種極靈敏的儀器，若參考光路平穩(wěn)，則可測(cè)出幾分之一攝氏溫度的變化。
上述元件型光纖溫度傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)，但在實(shí)用方面領(lǐng)先的是下述傳輸型光纖溫度傳感器。
傳輸型光纖溫度傳感器工作原理如下圖所示。
傳輸型光纖溫度傳感器
圖（a）是將熱敏元件、LED和光纖組合成的光纖溫度傳感器，圖是將溫度轉(zhuǎn)換成光透射率和反射率的敏感元件裝在光纖端面構(gòu)成光纖溫度傳感器。
下圖示出在光纖端面上安裝液晶片的光纖溫度傳感器，它是在液晶片中按比例混入三種液晶，在10?45°C時(shí)，顏色從綠色變?yōu)樯罴t色，光的反射率隨之變化。通常，傳輸型傳感器在光纖中能得到許多光通量，故用多模光纖。下圖中用三條多模光纖，其精度約為0.1°C。
圖 液晶光纖溫度傳感器
在各類溫度傳感器中，光纖溫度傳感器的前景如何，至今還不明確，但其在醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)和工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域中卻有著廣闊的應(yīng)用前景。
目前，已實(shí)用的光纖溫度傳感器主要有輻射（紅外）型光纖溫度傳感器和半導(dǎo)體吸光型光纖溫度傳感器兩種。
輻射（紅外）型光纖溫度傳感器
輻射型光纖溫度傳感器由光耦合器、傳輸光纖和光電轉(zhuǎn)換器組成，如下圖所示。
輻射型光纖溫度傳感器原理結(jié)構(gòu)
它主要利用光導(dǎo)纖維耦合與傳輸?shù)奶匦詫⒈粶y(cè)物表面輻射能量（此能量與被測(cè)體表面溫度有關(guān)）傳導(dǎo)至光電檢測(cè)器，轉(zhuǎn)換成電量輸出。
1.光耦合器
光耦合器是決定傳感器靈敏度的主要部件，故光耦合效率是一個(gè)很重要的問題。耦合效率與光纖數(shù)值孔徑有直接關(guān)系，為提高傳感器的靈敏度，必須采用具有較大數(shù)值孔徑的光導(dǎo)纖維。但是光纖數(shù)值孔徑的大小又直接影響到傳感器距離系數(shù)的性能指標(biāo)，因此應(yīng)綜合加以考慮。
2.傳輸光纖
傳輸光纖是將光耦合器得到的輻射能傳輸給后面的光電轉(zhuǎn)換元件。透過率是傳輸光纖的主要參數(shù)。因此，要提高透過率，當(dāng)材料一定時(shí)，主要采取的辦法是加大光纖直徑和縮短光纖長(zhǎng)度實(shí)踐證明，當(dāng)光纖材料與結(jié)構(gòu)及耦合方式固定之后，透過率便是一個(gè)穩(wěn)定的參數(shù)。然而，當(dāng)光纖使用不同材料、不同直徑和不同長(zhǎng)度時(shí)，透過率是不同的。
3.光電轉(zhuǎn)換器
這部分的主要功能是將光信息轉(zhuǎn)換為電量輸出并顯示，光電轉(zhuǎn)換元件一般采用硅光電池、PbS或其他探測(cè)器。由于一般紅外探測(cè)器的光敏元件面積都比較大，故光纖與它們直接耦合時(shí)可以達(dá)到較髙的效率。通常采用的直接出射耦合，其效率可達(dá)85%以上。
光纖出射端與探測(cè)器之間除采用直接耦合外，還可以采用調(diào)制盤式耦合。
半導(dǎo)體吸光型光纖溫度傳感器
這種傳感器如下圖所示。
吸光型光纖溫度傳感器
一根切斷的光導(dǎo)纖維裝在細(xì)鋼管內(nèi)，光纖兩端面間夾有一塊半導(dǎo)體感溫薄片（如GaAs或InP），這種半導(dǎo)體感溫薄片透射光強(qiáng)隨被測(cè)溫度而變化。因此，當(dāng)光纖一端輸入一恒定光強(qiáng)的光時(shí)，由于半導(dǎo)體感溫薄片透射能力隨溫度變化，光纖另一端接收元件所接收的光強(qiáng)也隨被測(cè)溫度高低而改變，于是通過測(cè)量接受元件輸出的電壓，便能遙測(cè)到傳感器位置處的溫度。
光纖高溫傳感器：一種光纖高溫壓力傳感器的制作方法
導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>測(cè)量裝置的制造及其應(yīng)用技術(shù)>一種光纖高溫壓力傳感器的制作方法
技術(shù)編號(hào)：
提示：您尚未登錄，請(qǐng)點(diǎn) 登 陸 后下載，如果您還沒有賬戶請(qǐng)點(diǎn) 注 冊(cè) ，登陸完成后，請(qǐng)刷新本頁查看技術(shù)詳細(xì)信息。
.本實(shí)用新型屬于壓力傳感器的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖高溫壓力傳感器。背景技術(shù).壓力傳感器是利用敏感元件對(duì)外部壓力變化產(chǎn)生響應(yīng)，再通過測(cè)量敏感元件的變化量，從而實(shí)現(xiàn)外部壓力的測(cè)量的傳感器。壓力傳感器常用的敏感元件有金屬彈性膜片、硅材料彈性膜片、藍(lán)寶石彈性膜片等，通過測(cè)量這些敏感元件在壓力環(huán)境下的變形量，就可以得知外部環(huán)境壓力，所以對(duì)于壓力傳感器，微小位移量測(cè)量的量程與精度就直接影響到傳感器的量程與精度等關(guān)鍵指標(biāo)。.電學(xué)壓力傳感器一般通過測(cè)量電容、電感等電學(xué)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)敏感膜片位移量的測(cè)量，電...
該技術(shù)已申請(qǐng)專利，請(qǐng)尊重研發(fā)人員的辛勤研發(fā)付出，在未取得專利權(quán)人授權(quán)前，僅供技術(shù)研究參考不得用于商業(yè)用途。
詳細(xì)技術(shù)文檔下載地址↓↓
提示：您尚未登錄，請(qǐng)點(diǎn) 登 陸 后下載，如果您還沒有賬戶請(qǐng)點(diǎn) 注 冊(cè) ，登陸完成后，請(qǐng)刷新本頁查看技術(shù)詳細(xì)信息。
光纖高溫傳感器：光纖溫度傳感器
收藏
查看我的收藏
0
有用+1
已投票
0
光纖溫度傳感器
語音
編輯
鎖定
討論
上傳視頻
上傳視頻
本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目
審核
。
光纖溫度傳感器是一種傳感裝置，利用部分物質(zhì)吸收的光譜隨溫度變化而變化的原理，分析光纖傳輸?shù)墓庾V了解實(shí)時(shí)溫度，主要材料有光纖、光譜分析儀、透明晶體等，分為分布式、光纖熒光溫度傳感器。
中文名
光纖溫度傳感器
外文名
Fiber-optic TemperatureSensor
類 別
分布式、光纖熒光溫度傳感器
主要材料
光纖、光譜分析儀、透明晶體
性 質(zhì)
傳感器
目錄
1
主要材料
2
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3
類別
4
發(fā)展前景
5
優(yōu)點(diǎn)
光纖溫度傳感器主要材料
編輯
語音
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浚缯穹⑾辔弧⑵駪B(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。
光纖溫度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
編輯
語音
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)開啟發(fā)光二極管(LED)使熒光測(cè)
圖1 熒光光纖溫度傳感器傳感探頭&
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)通過藍(lán)寶石光纖并通過Y型光纖輸出， 由探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 系統(tǒng)通過檢測(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。
光纖溫度傳感器類別
編輯
語音
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(xué)展開了對(duì)分布式光纖溫度傳感器的研究，例如，中國計(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，因此可以通過檢測(cè)熒光強(qiáng)度來測(cè)試溫度。世界各國的高校都設(shè)計(jì)過此類傳感器，例如，韓國漢城大學(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℃；我國清華大學(xué)借用半導(dǎo)體GaAs原料來吸收光，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
[1]
。
光纖溫度傳感器發(fā)展前景
編輯
語音
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)以及海洋開發(fā)領(lǐng)域等等。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。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(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)過了調(diào)整
[2]
。
光纖溫度傳感器優(yōu)點(diǎn)
編輯
語音
光纖傳感器采用的原理、結(jié)構(gòu)、式樣最多，其潛在的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、抗電磁干擾、安全防爆、可繞性好。而現(xiàn)有的溫度傳感器不宜用于易燃易爆場(chǎng)合
[3]
。
詞條圖冊(cè)
更多圖冊(cè)
參考資料
1.
李強(qiáng),王艷松,劉學(xué)民.光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(01):135-140.
2.
張楊. 熒光光纖溫度傳感器[D].哈爾濱工程大學(xué),2005.
3.
黃燕平,裴麗,簡(jiǎn)水生.光纖溫度傳感器綜述[J].光通信技術(shù),1996(01):19-25.
光纖高溫傳感器：熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)的原理和在開關(guān)柜中的應(yīng)用
熒光光纖測(cè)溫傳感器可以在變壓器繞組、開關(guān)柜觸頭等國網(wǎng)電力行業(yè)上進(jìn)行使用，耐高壓、抗干擾是熒光光纖溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)。
熒光光纖測(cè)溫可以用在以下幾個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)溫：
1、熱療設(shè)備光纖測(cè)溫
熱療安裝熒光光纖測(cè)溫測(cè)溫一體化裝置，解決了現(xiàn)有的熱療過程中不能同步實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控的問題，有利于提高熱療效果，同時(shí)提高微療的安全性和可靠性。利用測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)病灶處的溫度信息，利用工控機(jī)并根據(jù)溫度信息對(duì)微波輸出系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行控制，形成了溫度和輸出功率的閉環(huán)控制，一方面保證了病灶處的微波熱療溫度，有利于提高熱療效果；另一方面避免熱療過程中病灶周圍正常組織的溫度過高，有利于提高微波熱療的安全性和可靠性
2、真空腔光纖測(cè)溫
在高溫和高真空狀態(tài)下，腔體內(nèi)部的溫度高低以及溫度分布的均勻性是衡量其工藝合適與否的重要參數(shù)。真空系統(tǒng)由于獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)及科研實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。真空系統(tǒng)內(nèi)部件的溫度測(cè)量技術(shù)也得到了發(fā)展，目前在真空腔內(nèi)常用的溫度測(cè)量技術(shù)包括熱電偶測(cè)量技術(shù)、無線溫度傳感器測(cè)量技術(shù)以及光纖測(cè)溫技術(shù)等。
3、微波射頻光纖測(cè)溫
微波食品測(cè)試中專用的光纖溫度傳感器，研發(fā)的高質(zhì)量的光纖溫度傳感器是一類非常適合在極端環(huán)境下測(cè)量溫度的光纖溫度傳感器，這種極端環(huán)境包括低溫、核環(huán)境、微波和高強(qiáng)度的RF等。集所有您期望從理想傳感器器身獲取的優(yōu)良特性于一體。因此，即使在極端溫度和不利的環(huán)境下，這類傳感器依然能夠提供高精度和可靠的溫度測(cè)量。光纖溫度傳感器的主要特征都是完全不受EMI和RFI影響，同時(shí)，它們的尺寸小、針對(duì)危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)置安全裝置、耐高溫、耐腐蝕并且具備較高的精度。
4、低溫實(shí)驗(yàn)箱光纖測(cè)溫
熒光式光纖溫度傳感器應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)水槽、高低溫試驗(yàn)箱。熒光光纖測(cè)溫儀不受振動(dòng)影響，天銳免疫電磁干擾，探頭無金屬材料，耐氧化及耐化學(xué)腐蝕，信號(hào)解調(diào)容易，精度準(zhǔn)，壽命長(zhǎng)，尺寸小，參數(shù)不漂移，環(huán)境影響小，穩(wěn)定性好，可靠性高，絕緣性很好，測(cè)溫范圍廣。在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中均可達(dá)到不同客戶需求。光纖測(cè)溫主機(jī)在精度測(cè)試、高低溫測(cè)試、溫度沖擊測(cè)試中均符合要求，工作正常。
舉報(bào)/反饋
