發布日期：2022-10-09 點擊率：72
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，導致光振幅變化。圖（b）是利用光極化面旋轉的傳感器，單模光纖的極化面隨溫度變化而旋轉，這種旋轉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，單模光纖的長度、折射率和纖芯徑隨溫度變化，從而使光纖中傳播的光產生相位變化，該相位變化通過干涉儀即得到振幅變化。
檢測相位變化的基本系統是馬赫?澤德干涉儀（如下圖所示）。
檢測相位變化的基本系統是馬赫?澤德干涉儀
在儀器中，來自信號光纖的光與一穩定的參考光束混合，由于信號光纖受被測參數的影響，其傳播的光信號相位發生變化，因此兩光柱產生干涉。原理上，用一適當的相位檢測器可以檢測小的變化，用條紋計數器可以檢測大的變化。參考光束按應用狀態不同可以經過或不經過頻移，光的頻移通常用布勒格盒完成。干涉儀的布局要求十分嚴格，一個主要難點是，光的偏振面經過光纖后散射。這樣，有時會因參考光束和信號光束正交偏振而觀察不到干涉條紋。光纖測溫計是一種極靈敏的儀器，若參考光路平穩，則可測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缺點，但在實用方面領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，圖是將溫度轉換成光透射率和反射率的敏感元件裝在光纖端面構成光纖溫度傳感器。
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，顏色從綠色變為深紅色，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，但其在醫療、環境保護和工業自動控制等領域中卻有著廣闊的應用前景。
目前，已實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、傳輸光纖和光電轉換器組成，如下圖所示。
輻射型光纖溫度傳感器原理結構
它主要利用光導纖維耦合與傳輸的特性將被測物表面輻射能量（此能量與被測體表面溫度有關）傳導至光電檢測器，轉換成電量輸出。
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很重要的問題。耦合效率與光纖數值孔徑有直接關系，為提高傳感器的靈敏度，必須采用具有較大數值孔徑的光導纖維。但是光纖數值孔徑的大小又直接影響到傳感器距離系數的性能指標，因此應綜合加以考慮。
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換元件。透過率是傳輸光纖的主要參數。因此，要提高透過率，當材料一定時，主要采取的辦法是加大光纖直徑和縮短光纖長度實踐證明，當光纖材料與結構及耦合方式固定之后，透過率便是一個穩定的參數。然而，當光纖使用不同材料、不同直徑和不同長度時，透過率是不同的。
3.光電轉換器
這部分的主要功能是將光信息轉換為電量輸出并顯示，光電轉換元件一般采用硅光電池、PbS或其他探測器。由于一般紅外探測器的光敏元件面積都比較大，故光纖與它們直接耦合時可以達到較髙的效率。通常采用的直接出射耦合，其效率可達85%以上。
光纖出射端與探測器之間除采用直接耦合外，還可以采用調制盤式耦合。
半導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
一根切斷的光導纖維裝在細鋼管內，光纖兩端面間夾有一塊半導體感溫薄片（如GaAs或InP），這種半導體感溫薄片透射光強隨被測溫度而變化。因此，當光纖一端輸入一恒定光強的光時，由于半導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也隨被測溫度高低而改變，于是通過測量接受元件輸出的電壓，便能遙測到傳感器位置處的溫度。
導航： X技術> 最新專利>測量裝置的制造及其應用技術>一種光纖高溫壓力傳感器的制作方法
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.本實用新型屬于壓力傳感器的技術領域，具體涉及一種光纖高溫壓力傳感器。背景技術.壓力傳感器是利用敏感元件對外部壓力變化產生響應，再通過測量敏感元件的變化量，從而實現外部壓力的測量的傳感器。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、藍寶石彈性膜片等，通過測量這些敏感元件在壓力環境下的變形量，就可以得知外部環境壓力，所以對于壓力傳感器，微小位移量測量的量程與精度就直接影響到傳感器的量程與精度等關鍵指標。.電學壓力傳感器一般通過測量電容、電感等電學信號來實現敏感膜片位移量的測量，電...
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光纖溫度傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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。
光纖溫度傳感器是一種傳感裝置，利用部分物質吸收的光譜隨溫度變化而變化的原理，分析光纖傳輸的光譜了解實時溫度，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
傳感器
目錄
1
主要材料
2
系統結構
3
類別
4
發展前景
5
優點
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，折射率發生變化，因此輸出的光功率與溫度呈函數關系。其物理本質是利用光纖中傳輸的光波的特征參量，如振幅、相位、偏振態、波長和模式等，對外界環境因素，如溫度，壓力，輻射等具有敏感特性。它屬于非接觸式測溫。
光纖溫度傳感器系統結構
編輯
語音
從室溫到1800℃全程測溫的光纖溫度傳感器的系統主要包括端部摻雜的光纖傳感頭、 Y型石英光纖傳導束、 超高亮發光二極管（LED）及驅動電路、 光電探測器、熒光信號處理系統和輻射信號處理系統。系統的工作原理為: 在低溫區（400℃以下）， 輻射信號較弱， 系統開啟發光二極管(LED)使熒光測
圖1 熒光光纖溫度傳感器傳感探頭&
溫系統工作。 發光二極管發射調制的激勵光， 經聚光鏡耦合到Y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光激發而發射熒光，熒光信號由光纖導出， 并通過光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出， 由光電探測器接收。光電探測器輸出的光信號經放大后由熒光信號處理系統處理， 計算熒光壽命并由此得到所測溫度值。 而在高溫區（400℃以上）， 輻射信號足夠強， 輻射測溫系統工作， 發光二極管關閉。輻射信號通過藍寶石光纖并通過Y型光纖輸出， 由探測器轉換成電信號， 系統通過檢測輻射信號強度計算得到所測溫度。光纖傳感頭端部由Cr3+離子摻雜， 實現光激勵時的熒光發射。 摻雜部分光纖長度為8～10 mm。 端部光纖的外表面同時鍍覆黑體腔， 用于輻射測溫。 (這時，光纖黑體腔長度與直徑之比大于10，可以滿足黑體腔表觀輻射率恒定的要求)。 值得注意的是， 避免或減少熒光發射部分與熱輻射部分的相互干擾， 對保證整個系統的性能十分重要。經過分析， 可以發現這種干擾主要表現為:1) 熒光信號中輻射背景信號對熒光壽命檢測精度的影響，2) 光纖表面鍍覆對熒光強度的影響，3) 光纖內Cr3+離子摻雜對黑體腔熱輻射信號的影響。
光纖溫度傳感器類別
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語音
分布式光纖溫度傳感器 分布式光纖溫度傳感器，通常用在檢測空間溫度分布的系統，其原理最早于1981年提出，后隨著科學家的實驗研究，最終研制出了此項技術。這種傳感器原理發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展，因此未來的傳感器研究熱點，將放在對基于喇曼散射（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展開了對分布式光纖溫度傳感器的研究，例如，中國計量大學1997年發明出煤礦溫度檢測的傳感器系統，其檢測溫度為-49℃～150℃，溫度分辨率為0。1℃。光纖熒光溫度傳感器 當前最熱門的研究，就是針對光纖熒光溫度傳感器，其是利用熒光的材料會發光的特性，來檢測發光區域的溫度。這種熒光的材料通常在受到紫外線或紅外線的刺激時，就會出現發光的情況，發射出的光參數和溫度是有著必然聯系的，因此可以通過檢測熒光強度來測試溫度。世界各國的高校都設計過此類傳感器，例如，韓國漢城大學發現10cm的雙摻雜光纖，在其915nm的地方所反射出的熒光強度所對應的溫度指數是20℃～290℃；我國清華大學借用半導體GaAs原料來吸收光，進而以光隨溫度改變的原理，研發出了溫度范圍是0℃～160℃的光纖熒光溫度傳感器
[1]
。
光纖溫度傳感器發展前景
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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，應用發展也很廣泛，例如，應用于電力系統、建筑業、航空航天業以及海洋開發領域等等。在電力系統行業的發展光纖溫度傳感器在電力系統的應用中得到發展，由于電力電纜溫度、高壓配電設備內部溫度、發電廠環境的溫度等，都需要使用光纖傳感器進行測量，因此就促進了光纖傳感器的不斷完善和發展。尤其是分布式光纖溫度傳感器得到了改善，經過在電力系統行業的應用，從而使其接收信號和處理檢測系統的能力都得到了提升。在建筑業的發展光纖光柵溫度傳感器由于其較高的分辨率和測量范圍廣泛等優點，被廣泛應用于建筑業溫度測量工作中。西方很多發達國家都已普遍采用此系統，進行建筑物的溫度、位移等安全指標的測試工作，例如，美國墨西哥使用光柵溫度傳感器，對高速公路上橋梁的溫度進行檢測。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，因而此系統得到了完善。航空航天業中的應用發展航空航天業使用傳感器的頻率較高，包括對飛行器的壓力、溫度、燃料等各方面的檢測，都需要使用光纖溫度傳感器進行檢測，并且所使用到的傳感器數量多達百個，所以對傳感器的大小和重量要求很嚴格。因此，基于航空航天業對傳感器的要求，光纖溫度傳感器的體積、重量規格方面都經過了調整
[2]
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光纖溫度傳感器優點
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語音
光纖傳感器采用的原理、結構、式樣最多，其潛在的優點是測量精度高、抗電磁干擾、安全防爆、可繞性好。而現有的溫度傳感器不宜用于易燃易爆場合
[3]
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詞條圖冊
更多圖冊
參考資料
1.
李強,王艷松,劉學民.光纖溫度傳感器在電力系統中的應用現狀綜述[J].電力系統保護與控制,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,2005.
3.
黃燕平,裴麗,簡水生.光纖溫度傳感器綜述[J].光通信技術,1996(01):19-25.
熒光光纖測溫傳感器可以在變壓器繞組、開關柜觸頭等國網電力行業上進行使用，耐高壓、抗干擾是熒光光纖溫度傳感器的優點。
熒光光纖測溫可以用在以下幾個科學實驗的環境下進行測溫：
1、熱療設備光纖測溫
熱療安裝熒光光纖測溫測溫一體化裝置，解決了現有的熱療過程中不能同步實現對溫度的實時監控的問題，有利于提高熱療效果，同時提高微療的安全性和可靠性。利用測溫系統實時檢測病灶處的溫度信息，利用工控機并根據溫度信息對微波輸出系統的輸出功率進行控制，形成了溫度和輸出功率的閉環控制，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、真空腔光纖測溫
在高溫和高真空狀態下，腔體內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。真空系統由于獨特的優勢，在國民經濟生產及科研實驗中得到了廣泛的應用。真空系統內部件的溫度測量技術也得到了發展，目前在真空腔內常用的溫度測量技術包括熱電偶測量技術、無線溫度傳感器測量技術以及光纖測溫技術等。
3、微波射頻光纖測溫
微波食品測試中專用的光纖溫度傳感器，研發的高質量的光纖溫度傳感器是一類非常適合在極端環境下測量溫度的光纖溫度傳感器，這種極端環境包括低溫、核環境、微波和高強度的RF等。集所有您期望從理想傳感器器身獲取的優良特性于一體。因此，即使在極端溫度和不利的環境下，這類傳感器依然能夠提供高精度和可靠的溫度測量。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，它們的尺寸小、針對危險環境內置安全裝置、耐高溫、耐腐蝕并且具備較高的精度。
4、低溫實驗箱光纖測溫
熒光式光纖溫度傳感器應用于實驗室標準水槽、高低溫試驗箱。熒光光纖測溫儀不受振動影響，天銳免疫電磁干擾，探頭無金屬材料，耐氧化及耐化學腐蝕，信號解調容易，精度準，壽命長，尺寸小，參數不漂移，環境影響小，穩定性好，可靠性高，絕緣性很好，測溫范圍廣。在不同的實驗環境中均可達到不同客戶需求。光纖測溫主機在精度測試、高低溫測試、溫度沖擊測試中均符合要求，工作正常。
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