《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-7光纤温度计

光纤温度计根据光纤在传感器中的作用，将其分为功能型(FF)和非功能型(NFF)两大类。功能型光纤温度计当光沿单模光纤传播时，表征光特性的某些参数，如振幅、相位、偏振等，会因外界因素(温度、压力、加速度、振动和电磁场)的改变而改变。基于此建立起来的一类光纤温度计称为功能型光纤温度计，光纤在其中不仅起导光作用还起感温作用。1）相位干涉型光纤温度计在功能型光纤温度计中，以相位干涉型最有应用价值，其中的典型代表为马赫-珍德相位干涉光纤温度计。采用两根材质相同、长度基本相同的单模光纤，令其出射端平行，则它们的出射光就会干涉并在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹。一根为测量用光纤，另一根为参考光纤，置于被测温度场内。当温度变化时，测量光线出射光的相位将发生变化，从而导致干涉条纹发生移动。温度变化越大，干涉条纹移动的数目就越多。通过测量干涉条纹移动的数目，就可推出被测温度的变化量。图1是干涉型光纤温度计的结构原理图。图1马赫-珍德干涉型光纤温度计的结构原理图1—He-Ne激光器；2—扩束镜；3—分光镜；4，5—透镜；6—测量光纤；7—参考光纤；8—半导体PIN管；9—屏幕激光器1发射单色光，经扩束镜2扩束准直为平行光，再经分光镜3分成两路分别经透镜4、5进行光束直径聚焦。聚焦后光束大小等于测量光纤6、参考光纤7的入射端面直径的大小，两出射光在屏幕9上产生干涉条纹，屏幕后设置的半导体管8检测出干涉条纹的移动。2）法布里-珀罗光纤温度计该温度计利用法布里-珀罗光纤本身产生的多次反射形成的光束产生干涉，同时可以采用很长的光纤来获得很高的灵敏度。它只用一根光纤，干扰要比马赫-珍德相位干涉光纤温度计小得多。法布里-珀罗光纤温度计的结构原理如图2所示。它包括激光器8、起偏器7、物镜6、调制源5、压电转换器4、光探测器2、记录仪1及干涉腔单模光纤(F-P光纤)3。F-P光纤一部分绕在加有正弦电压的压电转换器上，光纤的长度受到调制。只有在产生干涉的各束光通过光纤后出现的相位差时，输出才最大，此时探测器获得周期性的连续脉冲信号。当外界的被测温度使得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。图2法布里-珀罗光纤温度计的结构原理图1—记录仪；2—光探测器；3—光纤；4—压电变换器；5—调制源；6—显微物镜；7—起偏器；8—He-Ne激光器非功能型光纤温度计非功能型光纤温度计又称传光型光纤温度计。感温功能由非光纤型敏感元件完成，光纤仅起导光作用，这种光纤温度计性能稳定、结构简单、容易实现。1）荧光光纤温度计（1）荧光强度式光纤温度计荧光强度式光纤温度计利用光致发光效应制成。稀土荧光物质在外加光波的激励下，原子处于受激励状态产生能级跃迁。当受激原子恢复到初始状态时发出荧光，且出现余晖，强度与入射能量和荧光材料有关。当入射光能量恒定时，荧光强度只是温度的单值函数。在实际应用中多采用测量两个荧光光谱比值的方法，用于克服测量中的影响。由于物体的荧光只是在低温区才具有可检测的荧光温度特性，因此它只适于低温区的测量。图3是荧光强度式光纤温度计的结构原理图。光源2在脉冲电源1的激励下发出紫外辐射激光束，经透镜3校直为近似平行光，再由滤光器4去除可见光，经分光镜5其透射部分经透镜6聚焦射入光纤7,再投射到荧光物质12上。荧光物质12返回的荧光经透镜6校直为近似平行光，再经分光镜5分成两路，其反射部分经滤光器8分出两路特定波长的谱线，然后经过透镜9聚焦到两个固体光电探测器10上。探测器输出的信号再经过放大等处理。荧光强度式光纤温度计具有体积小、结构简单、测温范围宽、重复性好等特点。测温范围为－30～250℃,一般测量准确度为±0.5℃,等级高的可达±0.1℃,响应时间为1/4～4s。荧光强度式光纤温度计探头和传输部分连成一体，没有导电物质，特别适合于狭小空间的温度测量。图3荧光强度式光纤温度计的结构原理图1—脉冲电源；2—光源；3，6，9—透镜；4，8—滤光器；5—分光镜；7—显光纤；10—光电探测器；11—放大处理电路；12—荧光物质（2）荧光衰变式光纤温度计荧光衰变式光纤温度计是基于荧光强度与温度的关系设计制成的。基于荧光寿命的测温技术无须光强测量，只要荧光材料选择得当，温度仅根据“荧光寿命”这一本征参数来确定。闪烁光照射到掺杂的晶体上，可以激发出荧光来。荧光的强度衰变到初值的1/e时所需要的时间称为衰变时间，而且与温度有关。利用荧光物质的衰变时间来控制激励光源的调制频率，测量调制频率就可测出温度。典型荧光衰变式光纤温度计结构原理如图4所示。发光二极管2作为激励光源，其频率由荧光物质的衰变时间来控制。光源的光通过透镜3进入滤光器4滤去长波，再经过分光镜5和透镜6注入光纤7射向荧光物质8激发荧光。返回的荧光有分光镜5耦合到滤光镜9上，经滤光器后的荧光经透镜10聚焦进入探测器11转换成电信号。此信号经过放大器12、相移器13和幅度控制器14,最后反馈到调制器1控制脉冲光源的发光。系统正常工作后通过计数器15测量振荡频率，即可测量被测对象的温度。荧光衰变式光纤温度计的测量范围是0～70℃,连续测温的偏差为0.04℃。图4荧光衰变式光纤温度计结构原理图1—调制器；2—发光二极管；3，6，10—透镜；4，9—滤光器；5—分光镜；7—光纤；8—荧光物质；11—探测器；12—放大器；13—相移器；14—幅度控制器；15—计数器（3）蓝宝石单晶光纤温度计蓝宝石单晶光纤温度计综合了光纤辐射温度计和荧光光纤温度计的优点，可以实现从室温到1800℃大范围的温度测量，结构原理如图5所示。在低温区(400℃)辐射信号较弱，系统开启发光二极管3使荧光测温系统工作。发光二极管发射调制的激励光，经透镜4聚焦到Y形光纤5的分支端，再经光耦合器6透射至红宝石(荧光发射体)13上，使其受激发生荧光。荧光信号由蓝宝石光纤12导出，经光纤耦合器6从Y形光纤5的另一分支端射出，经高通滤波器11被光电探测器10接收。光电探测器输出的信号经放大后由荧光处理系统9处理、计算，得到被测对象的温度。在高温区(400℃以上)辐射测温系统工作，发光二极管关闭，当系统切换到辐射测温模式时，黑体空腔7发射出辐射信号经蓝宝石光纤12输出，并经Y形光纤5导出，由光电转换器10转成电信号，再经辐射处理系统8处理后，通过检测辐射信号强度计算得到被测对象温度。图5蓝宝石单晶光纤温度计原理框图1—单片机；2—驱动模块；3—LED；4—透镜；5—Y形石英光纤传导束；6—光纤耦合器；7—黑体空腔；8—辐射处理系统；9—荧光处理系统；10—光电探测器；11—高通滤波器；12—蓝宝石光纤；13—红宝石2）半导体光纤温度计半导体光纤温度计由半导体接收器、光纤、光源和光探测器信号处理系统等组成。某些半导体材料(如GaAs砷化镓)展现出独特的光谱特性，其吸收光谱极为陡峭，对光的吸收随着温度的升高显著增强。半导体材料光透射特性如图6所示，图中λg为吸收边沿波长。边沿线左边的光能被半导体材料吸收，右边的光能透过。由图中可以看出半导体材料的光谱特性分为3个区域：①短波部分，入射光全部被吸收，透射为零；②长波部分，吸收为零，入射光全部透过；③中间部分，吸收的边沿随温度升高而向长波方向移动。光源发出的光谱峰值落在吸收的边沿为λg上，当温度升高时透过半导体的辐射功率(图中光源光谱线与半导体的透射光谱线之间的面积)将明显减少。利用此特性制成半导体光纤温度计。半导体光纤温度计探头结构如图7所示，两根光纤端面中间夹一块半导体感温薄片，外面用封熔材料和不锈钢套固定。光源发出的光从光纤的一端射入，透过半导体薄片后，光纤的另一端设置光探测器。根据探测器接收光强的大小就可以测出半导体薄片位置的温度。半导体材料常用砷化镓(GaAs)和碲化镉(CdTe),厚度分别为0.2mm和0.5mm。上述半导体光纤温度计为单光源、单波长结构，其特点是：结构简单、制造容易、成本低、便于推广，但是测量准确度较低。图6半导体材料光透射特性曲线𝝉—透射率；λg—波长；1—光源光谱特性；2—半导体光谱特性图7半导体光纤温度计探头结构图1—光纤；2—不锈钢套；3—半导体吸收元件；4—封结材料双波长半导体光纤温度计增加了一个参考光源，其辐射功率与温度无关，与耦合效率、光纤衰减等干扰因素有关。它是利用接收端参考光辐射功率与信号光辐射功率之比来确定温度，这就消除了干扰因素的影响，提高了测量准确度。双波长半导体光纤温度计结构原理如图8所示。光源采用两只不同波长的发光二极管，一只是AlGaAs发光二极管，波长λ1≈0.88μm;另一只是InGaPAs发光二极管，波长λ₂≈1.27μm。它们由脉冲发生器激励而发出两束光，通过耦合器4一起射入光纤，再经过探头6，探头中的半导体元件吸收波长λ的光，吸收率随温度而变化；探头中的半导体元件对波长λ₂的光不吸收几乎全部透过。波长λ₁的光为测量信号，波长λ₂的光为参考信号。该温度计的测量范围为－30～300℃,准确度可达1℃。图8双波长半导体光纤温度计结构原理图1—脉冲发生器；2—LED驱动器；3—LED；4—光耦合器；5，7—光纤连接器；6—测温探头；8—光探测器；9—信号处理电路；10—光纤3）热色效应光纤温度计许多无机溶液的颜色(既光吸收谱线)随温度变化的特性，称为热色效应，根据此原理设计的温度计称为热色效应光纤温度计。在此温度计中无机溶液为感温元件，其颜色通过光纤传导出来用于测量。热色效应光纤温度计探头结构如图9所示。无机溶液2置于玻璃管套管1的顶端，用内玻璃套管3封死无机溶液，然后用环氧树脂5粘牢内外套管。再把两束用聚乙烯套管6包裹起来的光纤4插入内玻璃套管3中，一束用来导入由光源产生的窄频带红光脉冲，另一束用以接收无机溶液的反射光。测量温度时把探头插入被测介质中，无机溶液感受被测介质的温度而改变颜色，从而导致无机溶液对入射单色光反射强弱的变化，反射光再经接收光纤束导出送给光探测器从而测出温度。热色效应光纤温度计结构见图10所示。采用卤素灯泡做光源1,并用斩波器2把输入光变成频率稳定的光脉冲信号，然后通过物镜3把光脉冲导入光纤5,再送至测温探头4中，无机溶液的反射光经接收光纤传至光纤耦合器6,光纤耦合器把接收的信号分成两路，分别经波长655nm和800nm的滤光器7进行选择。波长655nm光信号的振幅是受温度调制的测量信号，波长800mm的光信号与温度无关，作为参考信号，这两路光信号再经光电探测器转换测量，根据测量信号与参考信号的比值计算测量温度。该温度计的测量范围为5～75℃,分辨率优于0.1℃,响应时间为2s。图9热色效应光纤温度计探头结构图1—玻璃套管；2—无机溶液；3—内玻璃套管；4—半导纤维束；5，6—环氧树脂粘接点；7—聚乙烯套管图10热色效应光纤温度计结构1—光源；2—斩波器；3—透镜；4—测温探头；5—光纤；6—光纤耦合器；7—滤光器；8—光电探测器；9—滤波放大器；10—微机系统根据使用方法不同，光纤温度计又可分为：接触式光纤温度计和非接触式光纤温度计。接触式光纤温度计。使用时光纤温度传感器与被测温对象接触。如荧光光纤温度计，半导体吸收光纤温度计等。非接触式光纤温度计。使用时光纤温度传感器不与被测温对象接触，而采用热辐射原理感温，由光纤接收并传输被测物体表面的热辐射，故又称为光纤辐射温度计。光纤辐射温度计如图11所示，经探头收集的辐射能，由光纤传输给探测器、经光电转换、信息处理后显示出被测温度。可见，光纤辐射温度计与一般辐射温度计的区别是：用探头与光纤代替一般辐射温度计的透镜和光路。一般辐射温度计的透镜直径大，难以用于空间狭小或被遮挡等场所，但光纤直径小且可弯曲则可解决这些特殊情况的温度测量问题。图11光纤辐射温度计系统1—被测目标；2—光学系统；3—光纤；4—探测器；5—信号处理系统；6—显示仪表普通光纤辐射温度计由光耦合器、传输光纤和光电转换及信号处理单元等部分组成。光耦合器在测温时逼近被测目标，是决定拾光量大小和温度计灵敏度的主要元件，其耦合效率是评估这一性能的重要参数。辐射面元dF入射到具有平端面的光导纤维时，其光耦合效率η为 η=WWA=1式中WA——辐射面元dFW——经耦合进入光纤被传输的能量；n0由上式看出，耦合效率的大小直接与数值孔径有关。当辐射源处于空气介质中时，n0=1 η=NA2 （2为提高光纤辐射温度计的灵敏度，必须采用较大数值孔径的光纤，但NA数值的大小又直接影响距离系数的性能指标，要综合考虑。因距离系数K取决于光纤的数值孔径，K可用下式表示 K=12cotarcsin由上式看出，增大NA虽然可以提高耦合效率η和仪表的灵敏度，但却要相应地减小K。即在保持测量距离不变的情况下，要求有更大的被测靶径，这样便不能用于小目标测量。综合考虑测量距离与被测目标大小问题，光纤辐射温度计探头设计有两大类结构，即直接耦合式与透镜耦合式两类，其结