光纤热工量传感器课件

光纤热工量传感器光纤热工量传感器第七章概述在科研和生产实际中，有许多热工量（温度,湿度,热量,比热，热流，热分布,真空度，流量，流速，液位等）的测量问题。而大量出现的是温度和流量的检测。传统的传感技术无法解决在易燃、易爆、空间狭窄和具有腐蚀性强的气体、液体以及射线污染的条件下检测温度、流量等，而光纤传感器对此具有特殊的优越性。光纤温度传感器可以用于苛刻环境下的温度检测，如石油、化工行业等。光纤流量计、流速计及液位计等也广泛应用于化学工业、机械工业、水工试验、医疗领域、污染监测以及控制等方面。内容辐射型光纤温度传感器半导体光纤温度传感器荧光衰变式光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器折射率调制光纤温度传感器相位调制光纤温度传感器相关型光纤流量传感器光纤涡轮流量汁光纤膜片式流速汁传感型光纤流量传感器一、辐射型光纤温度传感器辐射型光纤温度传感器是基于黑体辐射的原理。所有的物质，当温度高于0K时，均发射出一定量的热辐射，这种热辐射的量取决于该物质的温度及其材料的辐射系数。1、辐射型光纤温度传感器原理b=2.897756×10-3m·K黑体辐射实验规律维恩位移定律峰值波长m

与温度

T

成反比

10505000K6000K3000K4000KMB

(10-7

×W/m2·m)2、辐射型光纤温度传感器组成数据处理显示系统测温探头单通道单波段光纤温度计原理框图单波段光纤温度计结构简单，灵敏度高，能够测量较低温度(最低至1000)。但是，当探头端面被沾污，光纤束断线，使不能准确地测量湿度，必须里新校验或重新分度。2、辐射型光纤温度传感器组成数据处理显示系统探头采用两光谱段能量比值方法，目的是在于当探头端面具有一定程度沾污，小渣粒遮挡一部分接收面积时，或者光纤束断了几根线，测量仪表示值不受影响。分光器数据处理显示系统2、辐射型光纤温度传感器组成数据处理显示系统探头双波段多通道比色型光纤温度计原理框图。多支光纤束能够进行多点温度测量，如多点测量钢坯温度分布。分光器光切换器高温传感器探头单晶蓝宝石或纯石英氧化铝或氧化锆研究及内应力变化实验表明在1000℃以下温区，采用纯石英棒作高温探头材料是可行的，1000℃以上温区，需采用单晶蓝宝石棒作高温探头。几种辐射型光纤温度传感器高温光纤传感器实践表明，采用单晶蓝宝石棒和纯石英棒，用镀膜技术制作成黑体辐射腔的高温探头是可行的。测量精度高，且结构简单，使用方便，是一种较理想而实用的高温传感器，它有着广泛的、潜在的应用前景。它可以用于航空工业中的尾焰温度或内燃机车汽缸温度测量；还可以进行多点温度测量，建立多点温度测量系统。高温光纤传感器应用③荧光光纤温度传感器自然界存在这样一类物质，当吸收了外界能量后，能发出不同波长和不同强度的光，一旦外界能源消失，则这种光也随之消失，这种光称为荧光。荧光的强度和持续时间与物体温度有关。利用这种性质可以检测温度。荧光温度传感器物理基础荧光的温度特性强度强度t余辉段T1<

T2T1T2激光脉冲余辉强度是温度和时间的函数：Ip(T)是停止激励时荧光峰值强度，t(T)是荧光余辉寿命，二者均是温度的函数。温度越低发光越强，余辉衰减越慢。荧光温度传感器基于荧光强度与温度关系的测量基于荧光寿命与温度关系的测量（已经研制开发十多年）荧光辐射型光纤温度计荧光衰变型光纤温度计荧光辐射温度计在感温部分装有能发生荧光的物质，该物质受激发后发出荧光，根据荧光的强度可检测温度。强度强度t余辉段T1<

T2T1T2荧光强度型光纤温度计探头荧光物质LED积分值如图中斜线下面积。温度不同，这个面积不同。信号处理中采取M次累计平均方法。这种方法的优点是温度计量的重现性好。测温范围宽:－30～250o②荧光寿命型光纤温度计利用荧光物质所发出的荧光衰变时间随温度变化的特性制成温度计。闪烁光照射在掺杂的晶体上，可以激励出荧光来，荧光的强度衰变到初值的1／e时所需要的时间，称为荧光衰变时间tF，它和温度的关系可用下式表示：式中RE、RT

、DE均为常数，T为绝对温度。红宝石荧光寿命与温度的关系荧光寿命测量方法荧光衰减寿命的精确测量对系统的稳定性和测温精度具有重要的影响。从理论上估计,荧光寿命可以从室温的数ms变化到高温的μs量级。荧光衰减寿命的测量有多种方法：两点法测量相位调制测量锁相环荧光寿命测量两点法测量荧光寿命强度强度t该方法是在激励脉冲终止后，在荧光指数衰减曲线上比较2个不同的强度，衰减信号的第1个值I0出现在固定时间t1，即激励脉冲终止后。第2个值，即I0/e。当衰减信号达到I0/e，时间为t2

。t1和t2的间隔就是指数衰减信号的时间常数tF。t1t2二、半导体光纤温度传感器传感器的基本原理是利用半导体材料的光吸收与温度的关系。半导体的能量带隙随温度上升而减小。Eg与温度t的关系可表示为：Eg导带价带式中：Eg（0）－绝对零度时半导体的禁带宽度；α(eV／K)和β(K)为常数。

对于GaAs材料，由实验得到α=5.8×10-4eV/Kβ=300K半导体透射式温度测量原理LED发光光谱半导体透射率T1<T2<T3T3T1T2相对发光强度透射率波长半导体的能量带隙随温度上升而减小，使得半导体吸收边的波长随温度上升变长。选择适当的LED，使光谱落在吸收边区域，这样当光通过半导体时，其透射光的强度随温度的增加而减少。8508009009501000010203040t=20℃波长λ/nmGaAs的光谱透射率曲线透射率(%)Example半导体吸收式温度传感器原理图LED光源探测器探头探头半导体吸收材料GaAs或CdTe实用的半导体吸收式光纤温度传感器光源是采用两只不同波长的发光二极管。一只AlGaAs发射波长l1=0.88mm的光,另一只InGaPAs发射波长l2=1.27mm的光。双光源基准通道测量法AlGaAs探测器InGaPAs探头l1l2l1l2两个光源交替地发出光脉冲，每个脉冲宽度10ms，脉冲间隔20ms，半导体GaAs或CdTe对l1的吸收与温度有关，对l2几乎不吸收。l1l2测温范围:－10～300o折射率调制光纤温度传感器光纤的纤芯材料和包层材料的折射率温度系数不同，在某一特定温度时，纤芯和包层的折射率相等，光纤就失去了光导的作用。利用这种原理可制成报警系统。由于光纤的传输特性是逐渐变化的，所以光导完全截止所处的温度可以是非常准确的。准确地选用纤芯和包层材料，可以设计成高温或低温的报警系统。利用这种原理制成的测温系统有环境防火报警系统等。①液芯光纤温度传感器采用液体光纤方法也可以进行温度检测。这种检测装置是一种利用透明液体的折射率与温度有关的光纤传感器，其感温段是利用透明液体作为纤芯或包层的原理而制成的。液体芯折射率调制光纤温度传感器它是采用一段对温度敏感的液芯光纤，嵌入普通的多模光纤中并与其串接。光纤中的透明芯液折射率对温度很敏感。这种芯液和装它的毛细管构成了数值孔径随温度变化的液芯光纤。在某温度T1时，液体和玻璃管具有相同折射率，数值孔径为零。另一温度T2时，液体的折射率较高，这时，液芯光纤就具有与普通光纤相同的数值孔径。在T1～T2的温度范围内，液芯光纤的数值孔径连续地从零变化到普通光纤的数值孔径。液芯光纤就可以作敏感元件。此外，装置还可以用一根有一段无包层的光纤，浸在透明的起包层作用的液体中组成，其液体的折射率随温度的变化而变化。当温度从T1变化到T2时，液体的折射率由等于纤芯的折射率变化到等于包层的折射率值。这段光纤芯构成了光导，其数值孔径在T1～T2的温度范围内从零变化到正常的没有剥离外包层时光纤的最大值。②液包层光纤温度传感器光纤温度检测装置原理框图应采取一些措施，保证没有导入液芯或液体包层光纤的光，不到达输出光纤14，如使液芯光纤弯曲，使液芯光纤外侧粗糙化等等法布里—珀罗光纤温度传感器这种干涉仪的特点是利用光纤本身的多次反射所形成的光来产生干涉。同时可以采用很长的光纤来获得很高的灵敏度。此外，由于它只用一根光纤，所以干扰问题比马赫—泽德尔干涉仪少得多。P1ITIR法布里—珀罗光纤温度传感器原理信号处理光源传感器温度变化使腔长度h发生变化h高反射膜本征型法布里—珀罗光纤温度传感器温度变化使腔长度h发生变化h高反射膜h只有数十微米，加工困难非本征型法布里—珀罗光纤温度传感器温度变化使腔长度h发生变化h高反射膜应用最为广泛的一种光纤传感器法布里—珀罗光纤温度传感器信号解调由输出光信号求解腔长hIRh强度解调：应用单色光源，直接由IR求h

相位解调：应用宽带光源，利用IR随波长的变化求h法布里—珀罗光纤温度传感器信号解调由输出光信号求解腔长hIRt温度使光纤中的光波相位发生变化时，输出脉冲峰值的位置将发生变化。法布里—珀罗光纤温度传感器信号解调由输出光信号求解腔长hhh122>1为了识别被测温度的增减方向，要求He—Ne激光器有两个频率输出，其频率差为640MHz，这样．根据对应于两模所输出的两峰的先后顺序，即可判断外界温度的增减方向。传感型光纤涡轮流量计是一种振动式流量计。流体振动流量计是60年代末期发展起来的流量测量技术。它具有如下一些特点：被测流体本身就是振动体，无机械可动部件，几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响七、光纤流量计流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的“卡门涡街”原理。在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线性柱形体(如三角柱、圆柱等)，称之为漩涡发生体。当流体沿漩涡发生体绕流时，会在漩涡发生体下游产生如图所示不对称但有规律的交替漩涡列，这就是所谓的卡门涡街。流量计测量原理卡门涡街在漩涡发生体两侧会产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，并随着流体流动，在下游形成两列不对称的漩涡列，称之为“卡门涡街”。漩涡发生体d由于漩涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的。冯.卡门对涡列的稳定条件进行了研究，于1911年得到结论：只有当两漩涡列之间的距离h和同列的两漩涡之间的距离L之比满足时，所产生的涡街才是稳定的当每个涡流产生并泻下时，它会在非流线体壁上产生一个侧向力，非流线体便受到一个周期振动力的作用。如果非流线体具有弹性，则将产生振动。液体、气体等流体均有这种现象。涡街引起的振动流设旋涡的发生频率为f，被测介质流的平均速度为，旋涡发生体迎面宽度为d，根据卡门涡街原理，有如下关系式式中：

--旋涡发生体两侧平均流速，m/s；

Sr--斯特劳哈尔数,与雷诺数有关。测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。旋涡频率这种流量计采用光纤作为敏感流速的非流线体，这时涡流的频率就取决于流体的流速和光纤的直径，要解决如何检测涡流的频率即光纤的振动频率。光纤涡轮流量计原理采用多模光纤作为传感光纤在多模光纤中，光以多种模式进行传输，这样在光纤的输出端，各模式的光就产生干涉，形成一个复杂的干涉图样。一根没有外界扰动的光纤所产生的干涉图样是稳定的。当光纤受到外界扰动时，各个模式的光被调制的程度不同，相位变化也就不同，于是干涉图样的明暗相间的斑纹或斑点发生移动。如果外界扰动仅是由涡流引起的，干涉图样的斑纹或斑点就会随着振动的周期变化而来回移动。利用小型探测器对图样斑点的移动进行检测，即可获得对应于振动频率f的信号。图7－43光纤涡流流计的测量结果LD光源探测器迈克耳逊干涉仪光纤流量传感器涡流的流动使光纤中敏感段发生了谐振应变。这个谐振应变引起光相位的往复变化，即光纤中的光相位受到了流体涡流频率的调制，因此输出的干涉光强的变化频率取决于涡流频率。由光电探测器探测到的光电信号，经频谱分析测出出这个频率值，然