光纤温度传感器原理及应用

光纤温度传感器原理及应用

1光纤温度传感器.温度是冶金、钢铁、焊接、化工等行业质量控制和保证顺利生产的重要参数。传统的测温方法包括水电压法和光学高温计法。电力法是一种接触式温度温度，如用福州的研磨开机、用晖的研磨开机等。在测量环境中，通过电路转换，仪表上的温差电压直接显示。这种方法经常使用。这些热敏电阻具有操作方便、性能稳定的特点，但由于接触式加热，热能的端距离远，体积大，重量重。此外，这些金属是昂贵的，并且很贵，使用寿命短。光学高温计法是接触式加热。通过比较源氏的色度光束，或发射激光束，测量体中的温度。与其他测温仪相比，光纤温度传统器具有测量精度、抗电磁干干扰、体积小、可自由折叠等优点。它被广泛应用于易学和空间狭窄的直接领域。因此，它受到了广泛的关注。2光纤传输功能光纤温度传感器一般分为两类:一类是利用光导纤维本身具有的某种敏感功能而使光纤起测量温度的作用,属于功能型,光纤既感知信息,又传输信息;另一类是光导纤维只起到传输光的作用,必须在光纤端面加装其它敏感元件才能构成新型传感器的传输型传感器.这两类的传感器工作原理和设计思想非常巧妙,研究工作都较为深入.2.1非接触式测温法双波长光纤测温技术在温度传感器中是一项新兴技术,它不但能迅速得到测量数据,而且可以在根本上克服单波长测温法的不精确性.采用双波长窄带比较技术,即使在非常恶劣环境下,如空气中有烟雾、灰尘、蒸汽和颗粒,以及没有瞄准而目标不充满视场,特别是目标表面发射率变化,接收能量衰减的情况下,仍可以获得高精度,尤其适合焊接温度场的测量.在探头获得辐射光信号后,由光纤传输到远离被测物体的地方,进行二次仪表测量,使探头不受到电子元器件的干扰,同时,电子元器件也不会受到温度场的影响.双波长光纤温度传感器在探头的结构上,可以分为接触式和非接触式.接触式光纤探头就是在蓝宝石光纤的一端涂覆高反射率的感温介质薄层并经高温烧结形成一微型的黑体腔,另一端与一根普通玻璃光纤相连,其末端接有普通光敏探测器.在探头与热源良好接触达到热平衡时,黑体腔辐射的光信号经蓝宝石光纤传输耦合进入传输光纤内.它的测温范围为600～2000℃,精度为百分之0.1,测量带宽可达几十kHz.虽然为提高空间分辨率而将探头做的很小,但往往仍会破坏被测物体的热平衡状态,并受到被测物质的腐蚀,对黑体腔的性能、结构要求苛刻,测温上限取决于探头的耐热特性,但此法测温准确度较高.非接触式即温度计不与物体接触,而将高温物体辐射的光信号聚焦进入传输光纤,再经光纤传输到探测器,或者直接由光纤接收热辐射.非接触式测温方法不改变被测物体的温度分布,且有热辐射速度快,探测元件热惯性小,不受测温温度的限制等优点,从而可以快速测量.但是测温准确度往往要低于接触法.由普朗可公式知道在单位面积物体在半球方向、单位时间的辐射通量(单色辐射度)为M(λ,T)=C1λ-5[exp(C2/λT)]-1(1)其中:M(λ,T)为绝对黑体的光谱发射量;λ为辐射光波长;T为物体温度;C1为第一辐射系数,C1=3.7418×10-16W·m2;C2为第二辐射系数,C2=1.438833cm·K.由于实际中并无真正的黑体,所以辐射通量为M(λ,T)=ε(λ,T)C1λ-5[exp(-C2/λT)]-1(2)其中:ε(λ,T)为辐射系数.由此可见,黑体辐射通量不仅与温度有关,还与辐射系数有关.双波长测温法就是在黑体辐射光波中选取两组波长不同的光波,根据这两组特定光波的强度的比值来确定温度.对某一温度,两个不同波长的能量之比可以写为R(Τ)=Μ(λ1,Τ)Μ(λ2,Τ)=ε1λ-51exp(-C2/λ1Τ)ε2λ-52exp(-C2/λ2Τ)=ε1ε2(λ2λ1)5exp[C2Τ(1λ2-1λ1)](3)R(T)=M(λ1,T)M(λ2,T)=ε1λ−51exp(−C2/λ1T)ε2λ−52exp(−C2/λ2T)=ε1ε2(λ2λ1)5exp[C2T(1λ2−1λ1)](3)可求得物体温度为Τ=C2(1/λ2-1/λ1)lnR(Τ)-5ln(λ2/λ1)-ln(ε1/ε2)(4)T=C2(1/λ2−1/λ1)lnR(T)−5ln(λ2/λ1)−ln(ε1/ε2)(4)接触式测温时,黑体腔探头的发射率近似为1,因而可认为其比色温度即为实际温度.但对于非接触式测温,物体的实际温度和比色温度有一定差别,比色温度Tc为Τc=[1Τ-lnε1-lnε2C2(1/λ2-1/λ1)]-1(5)Tc=[1T−lnε1−lnε2C2(1/λ2−1/λ1)]−1(5)比色温度与真实温度的偏差为ΔΤcΤ=Τ-ΤcΤ=ΤcC2(1/λ2-1/λ1)lnε1ε2(6)ΔTcT=T−TcT=TcC2(1/λ2−1/λ1)lnε1ε2(6)这种偏差不仅与物体发射率有关,还与物体的比色温度、选择的双波长有关.实际上,许多情况下我们无从知晓ε1和ε2的大小,但选择两个比较接近的波长λ,从而达到ε1=ε2,认为所测温度即为物体的实际温度.上面提到的双波长的选择对减小误差同样起到关键作用.两个波长不能相隔太远,一般λ1=804.6nm,λ2=894.3nm.当被测物体与探头之间有波长选择性吸收气体(如CO2、水蒸汽等),应注意使两个波长都避开气体的吸收峰,否则会产生较大随机误差,甚至无法测温.在结构上,主要由探头、光纤和信号处理三部分组成.实现非接触式测量将辐射体的辐射能由光学透镜耦合进入石英光纤,再经过光纤传输,在远端被分路器分成两路,经过滤波到达探测器,实现光电转换,然后经过信号处理,把光密度的变化转换成对应的温度量.光纤将透镜收集的光信号传输给探测器的过程中,光纤必须处于稳态情况下,即光纤中各模式的相对功率保持不变均处于稳定状态.这就要求光纤不但要起滤模器的作用,选择或抑制某些模,而且要起包层模消除器的作用,使包层模尽快转化为辐射模从光纤中消除掉,以建立稳态分布所要求的模.在稳态情况下,光纤的出入射端面的模场分布、近场光斑、远场半辐射角一致,即光纤传输没有给测量带来附加误差.2.2石英玻璃单模历史干涉型光纤温度传感器属于相位调制式功能型光纤温度传感器,主要应用于精密测温的领域.当两根在温度场的光纤在不同的温度场工作时,其折射率会产生差异,随之光程也会发生差异.若此时进行耦合,就会产生干涉现象.通过光纤后的位相为φ=βL(式中β为单模光纤中光的传播常数).在单模光纤中,φ=βL≈k0nL,式中k0是光在真空中的传播常数,n为光纤的折射率,L为光纤长度.所以Δφφ=ΔLL+Δnn=1L∂L∂ΤΔΤ+1n∂n∂ΤΔΤ(7)Δφφ=ΔLL+Δnn=1L∂L∂TΔT+1n∂n∂TΔT(7)其中φ为光的位相,Δφ为位相差,L为光纤长度,ΔL为长度差对于石英玻璃1L∂L∂Τ=5×10-7/℃,而∂n∂Τ=1×10-5/β,可见折射率的变化在这里起主要作用.所以对λ=0.6328μm的He-Ne激光,相位差是温度的函数,Δλ/ΔT*L≈107rad/℃(每米每度107rad的位相变化),即ΔT≈Δφ*L/107℃.2.3反斯托克斯效应分布式温度传感器属于接触式功能型光纤温度传感器.当激光脉冲在光纤中传输时,除了产生瑞利散射、布里渊散射外,还产生自发的喇曼散射.所以在分布式温度传感器中,就有基于瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射三种分布式温度传感器,其中又以基于喇曼散射的研究技术最为深入.在频域里,喇曼散射光子分为两种独立的后向斯托克斯和反斯托克斯喇曼散射光子,当散射光波长大于入射光波长,称为斯托克斯效应.反之,称为反斯托克斯效应.根据公式,可以知道接收到的斯托克斯P(z)RAMAN(S)和反斯托克斯功率P(z)RAMAN(A-S)分别为:P(z)RAMAN(S)=S(z)αf(z)η(S)(z,T)Vg×exp{-∫z0[αf(z′)+αbs(z′)]dz′}(8)P(z)RAMAN(A-S)=S(z)αf(z)η(A-S)(z,T)Vg×exp{-∫z0[αf(z′)+αbs(z′)]dz′}(9)式中η(S)(z,T)和η(A-S)(z,T)分别为斯托克斯和反斯托克斯信号的有效量子效率(即温度T下在距离z处产生的喇曼信输损失的功号与前向传率之比),z为散射点离光注入端的距离,αf为前向总衰减系数,Vg为波导的群速度,S(z)为散射点的瞬间后向激励功率和总散射功率之比,用公式表示为S=0.25(NA/n1)2(10)式中NA为光纤的数值孔径,n1为光纤纤芯的折射率.所以测量出有效量子效率的比值将可以得到温度的绝对数值,即R(Τ)=Ρ(z)RAΜAΝ(A-S)Ρ(Ν)RAΜAΝ(S)=ηA-S(z,Τ)ηS(z,Τ)=(λs/λα)4⋅exp(-hcv/kΤ)(11)即测量出光纤中斯托克斯和反斯托克斯后向散射光的比值将可以得到媒介温度的绝对数值.3用光纤温度传输器进行光纤温度传感器种类繁多,品种多样,应用广泛,下面就功能型和传输型两种传感器进行举例介绍.3.1能源光谱法装置它利用光纤特性(相位、偏振、强度)随温度变化的特点,由光纤本身构成传感器.功能型传感器主要靠被测对象调制或影响光纤传输特性.3.1.1干涉式温度检测如图1所示,来自激光器的光束被波导分成两路,分别经过L1和L2两条光纤后,在输出端重新合成.当温度变化时,两束光由于相位不同而发生干涉,干涉产生的光强按正弦规律周期性变化并与长度差L2-L1成正比.通过干涉式温度传感器光强的检测,可达到检测温度的目的.3.1.2通过光纤传感技术实现从低视频、干扰到非接触的散射防护如图2所示,光纤中的光线在温度场中受到调制后,产生自发的喇曼散射.然后经过分束器、反光镜,通过双光栅单色仪把接收到的反斯托克斯和斯托克斯散射光送到光电倍增管.然后通过鉴别器过滤噪声、干扰,最后由光子计数器送到计算机进行处理.分布式光纤温度传感器,在1km的光纤上可以实现1℃的温度分辨率,7.5m的空间分辨率,时间分辨率为180s.在实际应用中对斯托克斯和反斯托克斯波长处不同的后向传输损耗必须做一些微小的修正.喇曼分布式传感器的不足之处是返回信号非常弱,因为反斯托克斯-喇曼散射比瑞利散射强度要弱20～30dB.它的主要优点是:非接触测量,可测运动物体的瞬间温度;响应速度快,没有一般温度计的热平衡时间,可作为高温测量.3.2传输型温度传感器该传感器是在光纤端面或在发射接收光纤之间设置普通温度传感器或半导体、荧光体和液晶等温度敏感材料的方法测温,光纤只起传输光的作用.主要介绍几种常用的、特殊的传输型温度传感器.3.2.1次仪表计算温度如图3所示,工作原理是光纤传感头接收黑体辐射腔发射的辐射光波,经过传输光纤,从测量现场传回至仪表.通过波分复用器将辐射光信号分别转成电信号后,进行A/D转换,然后由二次仪表计算出温度.它的主要优点是:非接触测量,可测运动物体的瞬间温度;响应速度快,没有一般温度计的热平衡时间;可作为高温测量.测量的误差处理除了以上提到的ε1=ε2外,还有两个主要方面,一是在(λ1-Δλ/2,λ1+Δλ/2)和(λ2-Δλ/2,λ2+Δλ/2)范围内的辐射度都是以其中心波长λ1以及λ2来计算,实际情况应该在连续范围内用积分计算.二是在二次仪表计算中存在的不可避免误差.在接触式温度计中,还包括黑体腔温度与蓝宝石光纤温度的差异.3.2.2学用光纤深度传播方式热平衡它就是在辐射型光纤温度传感器的基础上,把光纤探头换成接触式的蓝宝石光纤.蓝宝石光纤可以构成良好的黑体式温度传感器.传感器在蓝宝石光纤的一端涂覆高反射率的感温介质薄层,并经高温烧结形成一个微型的光纤感温腔.在其接触热源达到热平衡时,感温腔辐射的光信号经蓝宝石光纤传输耦合进传输光纤内.蓝宝石单晶物理化学性能稳定,机械强度好,本质绝缘,耐腐蚀,在0.3～0.4μm波段范围内透光性很好,熔点高达2045℃.蓝宝石单晶光纤既有蓝宝石单晶的优良性能又有光波导的特点,测温范围在500～2000℃,缺点就是当温度高于1700℃时,表面有所变化,应用受到一定的限制.3.2.3半导体材料温度的影响根据半导体材料的吸收光谱特性所设计的光纤温度传感器,由于系统结构简单,受到国内外的重视.根据M.B.Panish公式Eg(T)=Eg(0)-αT2/(T+β),其中Eg(0)为开尔文温度零度时对应的禁带能量,单位为eV,α为经验常数,单位为eV/K,β为经验常数,单位为K.对GaAs而言,Eg(0)=1.522eV,α=5.8×10-4eV/K,β=300K.当半导体材料所处的温度升高时,晶格膨胀而且原子围绕其平衡晶格点的振动加剧,引起能隙改变,从而激光透过半导体的透过率曲线T(入)向长波方法移动,使得透过半导体材料的能量减小.选择适当的半导体光源,使其光谱范围正好落在吸收区域,这样透过半导体材料的光强随温度的增加而减小.利用光探测器检测出光强的大小可能测得温度.实验时,将半导体的小片与一镀有反射膜的基片固定在一起,然后放在温度测试场.3.2.4反射原理测量温度的数字显示方法它是采用差动热膨胀原理的传感器,所使用的传感元件为双金属片.两个反射目标材料(铝和硅)具有明显的热膨胀差异特性,它们能将来自输入光纤的光线反射到输出光纤.当温度变化时,两个目标彼此移近,使输出光纤中产生了干涉条纹.如果将干涉条数进行处理,便得到应用反射原理测量温度的数字显示方法.这种方法易于实现,工艺成熟,性能可靠.在0～100℃之间有良好的测试结果.3.2.5多模光纤增强传感技术此种光纤温度传感器属于光强调制型传感器.普通光纤在被外力挤压时,光纤中光强的变化量很小,几乎测不到,所以光强调制型的光纤温度传感器一般要加外部敏感元件,从而调制光纤中的光强.在一段包层直径为125μm,长度约10cm的多模光纤上,用光刻法及化学腐蚀的方法在光纤包层上蚀刻,如图4.包层外部是作为调制元件的金属镀层.光纤在镀铝后,在外界温度发生变化时,首先镀在光纤表面上的铝镀层发生热胀冷缩,使光纤受到拉伸或压缩,引起光纤内传输模体积的变化,这种变化导致光能量的损失,引起输出信号光强度的改变.传感器的温度响应时间为0.5s,灵敏度高,线性度和重复度都较高.3.2.6a/d转换-pcr检测荧光发射信号此传感器是建立在光致发光这一基本物理现象上.荧光材料受到紫外线激发时发出荧光,其荧光强度与荧光材料的温度及激发光强度有关.对于某些荧光材料,在不同波长下的荧光发射具有不同的温度特性,且它们的荧光强度与激发光强度成线性关系.所以发光强度的比值大小取决于激发光强度和材料的温度.当紫外汞灯发出紫外线经光调制器调制成脉冲激励光,通过光纤传输到探头处激发荧光材料薄层产生荧光,由两个硅光电二极管(PD)分别探测接收光纤接收到的两路荧光强度信号,再转换成电信号,放大,相除,然后进行A/D转换,送计算机处理,得到被测温度.它的测温范围为-30～20