詳細(xì)剖析光纖溫度傳感器的工作原理和應(yīng)用場景

溫度是度量物體冷熱程度的物理量，許多物理現(xiàn)象和化學(xué)過程都是在一定溫度下進(jìn)行，人們的日常生活也和溫度密切相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對溫度的測量也提出了更多更高的要求。以電信號為工作基礎(chǔ)的傳統(tǒng)的溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻、熱釋電探測器等溫度傳感器的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，但在有強(qiáng)電磁干擾或易燃易爆的場合下，基于電信號測量的傳統(tǒng)溫度傳感器便受到很大的限制。

光纖溫度傳感與測量技術(shù)是儀器儀表領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一。由于光纖具有體積小、重量輕、可撓、電絕緣性好、柔性彎曲、耐腐蝕、測量范圍大、靈敏度高等特點，對傳統(tǒng)的傳感器特別是溫度傳感器能起到擴(kuò)展提高的作用，完成前者很難完成甚至不能完成的任務(wù)。光纖傳感技術(shù)用于溫度測量，除了具有以上特點外，與傳統(tǒng)的溫度測量儀器相比，還具有響應(yīng)快、頻帶寬、防爆、防燃、抗電磁干擾等特點。

光纖溫度傳感器是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一門新型的測溫技術(shù)。它基于光信號傳送信息，具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓等優(yōu)勢特征。在國外，光纖溫度傳感器發(fā)展很快，形成了多種型號的產(chǎn)品，并已應(yīng)用到多個領(lǐng)域，取得了很好的效果。國內(nèi)在這方面的研究也如火如荼，多個大學(xué)、研究所與公司展開合作，研發(fā)了多種光纖測溫系統(tǒng)投入到了現(xiàn)場應(yīng)用。

光纖溫度傳感器特點

光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有很多優(yōu)點：

1、光波不產(chǎn)生電磁干擾，也不怕電磁干擾；

2、易被各種光探測器件接收，可方便地進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換；

3、易與高度發(fā)展的現(xiàn)代電子裝置和計算機(jī)相匹配；

4、光纖工作頻率寬，動態(tài)范圍大，是一種低損耗傳輸線；

5、光纖本身不帶電，體積小質(zhì)量輕，易彎曲，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。

光纖測溫傳感器測量溫度的方法

光纖測溫傳感器是用光纖來測量溫度的，有兩種方法可實現(xiàn)：

一是利用被測表面輻射能隨溫度的變化而變化的特點；利用光纖將輻射能量傳輸?shù)綗崦粼?，?jīng)過轉(zhuǎn)換再變成可供紀(jì)錄和顯示的電信號。這種方法獨特之處就是可以遠(yuǎn)距離測量。

另外一種方法是利用光在光導(dǎo)纖維內(nèi)傳輸?shù)南辔浑S溫度參數(shù)的改變而改變的特點，光信號的相位隨溫度的變化是由于光纖材料的尺寸和折射率都隨溫度改變而引起的。

光纖傳感器的基本原理

傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對已知調(diào)制的光信號進(jìn)行檢測，從而得到被測量。當(dāng)被測物理量作用于光纖傳感頭內(nèi)傳輸?shù)墓獠〞r，使的強(qiáng)度發(fā)生變化，就稱為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器；當(dāng)作用的結(jié)果使傳輸光的波長、相位或偏振態(tài)發(fā)生變化時，就相應(yīng)的稱為波長、相位或偏振調(diào)制型光纖傳感器。

幾種光纖溫度傳感器的原理

光纖溫度傳感器按其工作原理可分為功能型和傳輸型兩種。功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性f相位、偏振、強(qiáng)度等)隨溫度變換的特點，進(jìn)行溫度測定。這類傳感器盡管具有”傳”、”感”合一的特點，但也增加了增敏和去敏的困難。傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號傳輸?shù)淖饔?，以避開測溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境，對待測對象的調(diào)制功能是靠其他物理性質(zhì)的敏感元件來實現(xiàn)的。這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且對機(jī)械振動之類的干擾較敏感。

光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感技術(shù)主要研究Bmgg光纖傳感技術(shù)。根據(jù)Bragg光纖光柵反射波長會隨溫度的變化而產(chǎn)生”波長移位”的原理制成光纖光柵溫度傳感器。1978年，加拿大渥太華通信研究中心首先發(fā)現(xiàn)摻鍺石英光纖的光敏效應(yīng)，采用注入法制成世界上第一只光纖光柵(FBG)。

光纖光柵溫度傳感器除了具有普通光纖溫度傳感器的許多優(yōu)點外，還有一些明顯優(yōu)于其它光纖溫度傳感器的方面。其中最重要的就是它的傳感信號為波長調(diào)制。

這一傳感機(jī)制的好處在于：測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響；避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點的需要；能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個布喇格光柵進(jìn)行分布式測量；很容易埋人材料中對其內(nèi)部的溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測量。

盡管光纖光柵溫度傳感器有很多優(yōu)點，但在應(yīng)用中還需考慮很多因素：波長微小位移的檢測；寬光譜、高功率光源的獲得；光檢測器波長分辨率的提高；交叉敏感的消除；光纖光柵的封裝；光纖光柵的可靠性；光纖光柵的壽命。

光纖熒光溫度傳感器

光纖熒光溫度傳感器是目前研究比較活躍的新型溫度傳感器。熒光測溫的工作機(jī)理是建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上。

所謂光致發(fā)光是一種光發(fā)射現(xiàn)象，就是當(dāng)材料由于受紫外、可見光或紅外區(qū)的光激發(fā)，所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。出射的熒光參數(shù)與溫度有一一對應(yīng)關(guān)系，通過檢測其熒光強(qiáng)度或熒光壽命來得到所需的溫度的。

強(qiáng)度型熒光光纖傳感器受光纖的微彎曲、耦合、散射、背反射影響，造成強(qiáng)度擾動，很難達(dá)到高精度。熒光壽命型傳感器可以避免上述缺點，因此是采用的主要模式，熒光壽命的測量是測溫系統(tǒng)的關(guān)鍵。美國密西西比州立大學(xué)用一種商用的環(huán)氧膠做溫度指示（PAHs)。PAHs在用紫外光激發(fā)時發(fā)熒光，熒光的強(qiáng)度隨環(huán)氧膠周圍溫度的升高而減小，該傳感器可監(jiān)測20℃～100℃范圍內(nèi)的溫度。

光纖熒光溫度傳感器于其它光纖溫度傳感器相比有自己獨特的優(yōu)點：由于熒光壽命與溫度的關(guān)系從本質(zhì)上講是內(nèi)在的，與光的強(qiáng)度無關(guān)，這樣就可以制成自較準(zhǔn)的光纖溫度傳感器。而一般的基于光強(qiáng)度檢測的光纖溫度傳感器則因為系統(tǒng)的光傳輸特性往往與傳輸光纖和光纖耦合器等相關(guān)而需經(jīng)常校準(zhǔn)。目前國外的研究主要圍繞著熒光源的選擇．主要為下面幾個方面：藍(lán)寶石和紅寶石發(fā)光、稀土發(fā)光及半導(dǎo)體吸收。

干涉型光纖溫度傳感器

干涉型光纖溫度傳感器是一種相位調(diào)制型光纖傳感器。它是利用溫度改變Mach—Zehnder干涉儀、Fabry—Perot干涉儀、Sagnac干涉儀等一些干涉儀的干涉條紋來外界測量溫度。英國的Samer K．AbiKaed Bev用長周期光纖光柵做成Mach—Zehnder干涉型光纖溫度傳感器．其溫度分辨率為O．7℃。

干涉型光纖溫度傳感器的溫度分辨率高：動態(tài)響應(yīng)寬：結(jié)構(gòu)靈巧。研究干涉型光纖溫度傳感器的主要工作放在減小噪聲干擾和信號解調(diào)上。

基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器

基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器利用硅纖芯和塑料包層折射率差隨溫度變化引起光纖孔徑的變化、光纖的突然彎曲引起的局部孔徑的變化的原理測量溫度。烏克蘭采用EBOC生產(chǎn)的多模階躍塑料包層硅纖芯光纖HCN～H，已做出基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器，其測溫范圍一30℃～70℃，靈敏度達(dá)到O．5℃。

分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感器系統(tǒng)。分布光纖傳感器系統(tǒng)最早是在1981年由英國南安普敦大學(xué)提出的。1983年英國的Hartog用液體光纖的拉曼光譜效應(yīng)進(jìn)行了分布式光纖溫度傳感器原理性實驗。1985年英國的Dakin在實驗室用氬離子激光器作為光源進(jìn)行了用石英光纖的拉曼光譜效應(yīng)的分布光纖溫度傳感器測溫實驗。同年Hartog和Dakin分別獨立地用半導(dǎo)體激光器作為光源，研制了分布光纖溫度傳感器實驗裝置。

分布式光纖溫度傳感器是基于瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射三種分布式溫度傳感器。分布式光纖傳感器從最初提出的基于光時域散射fOTDRl的瑞利散射系統(tǒng)開始，經(jīng)歷了基于0TDR的喇曼散射系統(tǒng)和基于0TDR的布里淵散射系統(tǒng)．使得測溫精度和范圍大幅提高。光頻域散射fOFDR)的提出也很早，但只有到了近期，伴隨著喇曼散射和布里淵散射研究的深入，使OFDR和它們結(jié)合才顯示出了它的優(yōu)越性。基于0TDR和OFDR的分布式溫度光纖傳感器已經(jīng)顯示出了很大的優(yōu)越性，所以基于OTDR0FDR的分布式溫度光纖傳感器仍將是研究的熱點，尤其是基于OFDR的新的分布式光纖傳感器將是一個重要的發(fā)展方向。

分布式光纖溫傳感器具有其他溫度傳感器不可比擬的優(yōu)點。它能夠連續(xù)測量光纖沿線所在處的溫度，測量距離在幾千米范圍，空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級。能夠進(jìn)行不問斷的自動測量，特別適用于需要大范圍多點測量的直用場合。

目前對分布式光纖溫度傳感器研究的重點：實現(xiàn)單根光纖上多個物理參數(shù)或化學(xué)參數(shù)的同時測量：提高信號接收和處理系統(tǒng)的檢測能力，提高系統(tǒng)的空間分辨率和測量不確定度，提高測量系統(tǒng)的測量范圍，減少測量時間，基于二維或多維的分布式光纖溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)。

基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)

由于介質(zhì)分子內(nèi)部存在一定形式的振動，引起介質(zhì)折射率隨時間和空間周期性起伏，從而產(chǎn)生自發(fā)聲波場。光定向入射到光纖介質(zhì)時受到該聲波場的作用，光纖中的光學(xué)聲子和光學(xué)光子發(fā)生非彈性碰撞，則產(chǎn)生布里淵散射。在布里淵散射中，散射光的頻率相對于泵浦光有一個頻移，該頻移通常稱為布里淵頻移。散射光布里淵頻移量的大小與光纖材料聲子的特性有直接關(guān)系。當(dāng)與散射光頻率相關(guān)的光纖材料特性受溫度和應(yīng)變的影響時，布里淵頻移大小將發(fā)生變化。因此通過測定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移量就可以實現(xiàn)分布式溫度應(yīng)變測量。

光纖中布里淵散射通過相對于入射泵浦波頻率下移的斯托克斯波的產(chǎn)生來表現(xiàn)，布里淵散射可以看作是泵浦波和斯托克斯波、聲波之間的參量相互作用。散射產(chǎn)生的布里淵頻移量與光線中的聲速成正比：

式中，

實驗發(fā)現(xiàn)，布里淵功率也隨溫度和應(yīng)變而變化，布里淵功率隨溫度的上升而線性增加，隨應(yīng)變增加而線性下降。因此布里淵功率也可表示為：

其中，

由于應(yīng)變相對于溫度對布里淵散射光功率的影響要小的多，一般可以忽略，而認(rèn)為布里淵散射光功率只與溫度有關(guān)。因此由3、4兩式可知，通過檢測布里淵散射光的光功率和頻率即可得到光纖沿線的溫度、應(yīng)變等的分布信息。

基于布里淵光頻域分析（BOFDA）技術(shù)的分布式光纖傳感器

BOFDA分布式光纖傳感技術(shù)是1997年德國D.Garus等人提出的一種新型的分布式光纖傳感技術(shù)。

BOFDA同樣是利用布里淵頻移特性來實現(xiàn)溫度/應(yīng)變的傳感，但其被測量空間定位不再是傳統(tǒng)的廣時域反射技術(shù)，而是通過得到光纖的復(fù)合基帶傳輸函數(shù)來實現(xiàn)的。因此傳感光纖兩端所注入的光為頻率不同的連續(xù)光，其中探測光與泵浦光頻差約等于光纖中的布里淵頻移分量

光纖溫度傳感器的應(yīng)用

光纖溫度傳感自問世以來, 主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)、建筑、化工、航空航天、醫(yī)療以至海洋開發(fā)等領(lǐng)域,并已取得了大量可靠的應(yīng)用實績。

1、光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)有著重要的應(yīng)用，電力電纜的表面溫度及電纜密集區(qū)域的溫度監(jiān)測監(jiān)控; 高壓配電裝置內(nèi)易發(fā)熱部位的監(jiān)測; 發(fā)電廠、變電站的環(huán)境溫度檢測及火災(zāi)報警系統(tǒng); 各種大、中型發(fā)電機(jī)、變壓器、電動機(jī)的溫度分布測量、熱動保護(hù)以及故障診斷; 火力發(fā)電廠的加熱系統(tǒng)、蒸汽管道、輸油管道的溫度和故障點檢測; 地?zé)犭娬竞蛻魞?nèi)封閉式變電站的設(shè)備溫度監(jiān)測等等。

2、光纖溫度傳感特別是光纖光柵溫度傳感器很容易埋入材料中對其內(nèi)部的溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測量, 因而被廣泛的應(yīng)用于建筑、橋梁上。美國、英國、日本、加拿大和德國等一些發(fā)達(dá)國家早就開展了橋梁安全監(jiān)測的研究, 并在主要大橋上都安裝了橋梁安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng), 用來監(jiān)測橋梁的應(yīng)變、溫度加速度、位移等關(guān)鍵安全指標(biāo)。1999 年夏, 美國新墨西哥 Las Cruces 10 號州際高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上安裝了 120 個光纖光柵溫度傳感器,創(chuàng)造了單座橋梁上使用該類傳感器最多的記錄。

3、航空航天業(yè)是一個使用傳感器密集的地方,一架飛行器為了監(jiān)測壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態(tài)、機(jī)翼和方向舵的位置等, 所需要使用的傳感器超過 100 個, 因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。光纖傳感器從尺寸小和重量輕的優(yōu)點來講, 幾乎沒有其他傳感器可以與之相比。

4、傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常有意義的, 光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進(jìn)行內(nèi)部測量, 提供有關(guān)溫度、壓力和聲波場的精確局部信息。光纖光柵傳感器對人體組織的技術(shù)相當(dāng)豐富。對于光纖溫度傳感器的研究占到將近所有光纖傳感器研究的 20%。

光纖溫度傳感器的研究, 除對現(xiàn)有器件進(jìn)行外場驗證、完善和提高外, 目前有以下幾個發(fā)展動向: 大力發(fā)展測量溫度分布的測量技術(shù), 即由對單個點的溫度測量到對光纖沿線上溫度分布, 以及大面積表面溫度分布的測量; 開發(fā)包括測量溫度在內(nèi)的多功能的傳感器; 研制大型傳感器陣列, 實現(xiàn)全光學(xué)遙測。