溫度傳感器是基于一個基本的物理量“溫度”，自然界中的一切過程無不與 溫度!密切相關(guān)。 從伽利略發(fā)明溫度計開始， 人們開始利用溫度進(jìn)行測量。
溫度傳感器是最早開發(fā)、應(yīng)用最廣的一類傳感器。 但真正把溫度變成電信號的傳感器是由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的， 就是后來的熱電偶傳感器。 50 年以后，德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。 在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下， 本世紀(jì)相繼開發(fā)了包含半導(dǎo)體熱電偶傳感器在內(nèi)的多種溫度傳感器。 與之相應(yīng)， 根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律， 相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。 而光纖自20 世紀(jì)70 年代問世以來， 隨著激光技術(shù)的發(fā)展， 從理論和實踐上都已證明光纖具有一系列的優(yōu)越性， 光纖在傳感技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益受到廣泛重視， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 涌現(xiàn)了許許多多的光纖溫度傳感器， 并且可以預(yù)料， 在新技術(shù)革命的浪潮中， 光纖溫度傳感器必將得到廣泛的應(yīng)用， 并發(fā)揮出更多的作用。
1 光纖溫度傳感器的原理
光纖溫度傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器， 待測參數(shù)溫度與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后， 導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)( 如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位等) 發(fā)生變化， 稱為被調(diào)制的信號光。 再經(jīng)過光纖送入光探測器， 經(jīng)解調(diào)后， 獲得被測參數(shù)。
光纖溫度傳感器種類很多 ， 但概括起來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( 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)淖饔茫?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)械振動之類的干擾比較敏感。
2 光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀
目前已研制成多種光纖溫度傳感器。 下面介紹幾種主要的光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀， 其中有代表性的有光纖Fabry- perot 干涉型溫度傳感器、半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器三種。
2.1 光纖Fabry- perot 干涉型溫度傳感器
此傳感器的依據(jù)是利用溫度改變Fabry- perot干涉儀的干涉條紋來測量外界溫度。 在現(xiàn)有報道的光纖法珀溫度傳感器中， 主要采用2 種技術(shù)方案， 其一是采用外徑大于125 nm 的玻璃毛細(xì)管封裝， 由2個光纖的端面構(gòu)成光纖法珀腔并采用膠封的方式固定于溫度敏感材料中， 另外一種最近發(fā)展起來的技術(shù)是采用MEMS 工藝制作光纖法珀腔 。 但是這兩種方案工藝都比較復(fù)雜， 一致性難以保證， 并且膠的老化和蠕變對于傳感器的性能影響較大。 為了解決該問題， 張文濤等人提出了一種新型金屬封裝的光纖法珀溫度傳感器， 其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 光纖法珀溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖。
該傳感器采用溫度敏感的金屬材料作為法珀腔的腔體， 利用高精度位移機(jī)構(gòu)將光纖兩端插入金屬毛細(xì)管中形成低精細(xì)度的光纖法珀腔。 光纖在金屬管的兩端通過膠粘的方式固定。 當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時將直接導(dǎo)致金屬毛細(xì)管的熱膨脹， 帶動插入金屬管內(nèi)的光纖移動， 從而引起光纖法珀腔的腔長變化。 采用這種方案， 避免了膠直接作用于光纖法珀腔腔體上， 消除了由于涂膠不勻引起的應(yīng)力不均勻現(xiàn)象， 簡化了封裝工藝。 同時， 金屬毛細(xì)管的長度即為該溫度傳感器的標(biāo)距， 它將決定傳感器的靈敏度。 該傳感器的核心結(jié)構(gòu)為光纖法珀干涉腔( F- P 腔) 。 在使用低相干光源時， 由于低相干光源都具有一定的光譜寬度， 因此可看成是多個波長， 1， 2， ?， n， 的迭加。 光入射到F- P 腔后， 不斷地在F- P 腔的2個端面之間進(jìn)行反射和透射， 形成多光束干涉。 在文中所研究的端面反射率很低， 反射光的干涉可看成雙光束干涉， 當(dāng)F- P 腔的腔長是傳輸光半波長的整數(shù)倍時， 反射光強(qiáng)最大。 通過對峰值波長移動量的測量即可得到待測溫度的變化情況， 該傳感器具有靈敏度與傳感器的標(biāo)距成正比的特性， 可以通過改變標(biāo)距的方法方便地調(diào)整傳感器的靈敏度。 同時， 該傳感器制作工藝簡單、性能穩(wěn)定、具有很高的實用價值， 但是此傳感器所適用的溫度并不高。
柯濤等人通過在單模光纖SMF28e 后有軸心偏移地熔接一段特種光子晶體光纖( MM- HNA-5) 制作了一種全光纖微型法- 珀( F- P) 干涉儀， 原理如圖2 所示。
圖2 微型光纖F- P 干涉儀原理圖。
SMF28e 的纖芯直徑為8。 2 m， 模場直徑約為10。 4 m， 大于MM- HNA- 5 中間的纖芯， SMF28e纖芯的部分區(qū)域?qū)⑻幱贛M- HNA- 5 光纖的扇形孔中， 與其內(nèi)的空氣相接觸， 由于空氣與SMF28e 纖芯材料( 純SiO2) 的折射率不同， 所以此交界面形成F- P 干涉儀的第一個面， 部分入射光將被此面反射回SMF28e; 另一部分入射光( 由于SMF28e 的纖芯和MM- HNA- 5 都是純SiO2 材料， 兩者熔接面的反射率很小， 可以近似認(rèn)為沒有形成反射面) 會耦合進(jìn)入MM- HNA- 5 中心實芯部分繼續(xù)向前傳播，在MM- HNA- 5 中心實芯部分的尾端發(fā)生反射( 尾端與外界空氣相接觸處存在折射率差， 形成的F- P 干涉儀的第二個面) ， 由這兩束反射光形成干涉。 實驗表明， 這種傳感器可以用于l 200 # 的高溫測量， 且得到當(dāng)干涉腔長為3。 46 mm 時， 其光程差靈敏度約為103 nm/ # 。 這種結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、體積小、靈敏度高、測量范圍廣的光纖F- P 干涉微型溫度傳感器在國防和工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒕哂袠O大的潛在應(yīng)用價值。
雖然上面介紹的2 種傳感器在各方面均取得了很大的進(jìn)步， 但各自也有不足， 新型金屬封裝的光纖法珀溫度傳感器其適用的溫度不高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 而全光纖微型法- 珀( F- P) 干涉儀制作工藝復(fù)雜。
2.2 半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器
半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器是利用半導(dǎo)體材料的吸收光譜隨溫度變化而變化的特性實現(xiàn)的。 光通過半導(dǎo)體材料時， 材料會吸收一部分光子能量， 當(dāng)光子能量超過半導(dǎo)體禁帶寬度能量Eg ( T ) 時， 傳輸光的波長發(fā)生變化， 由于禁帶寬度隨溫度的變化而變化， 因此半導(dǎo)體材料吸收的波長會隨溫度而變化，同時進(jìn)入半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)將發(fā)生變化。 當(dāng)溫度變化時進(jìn)入半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)將發(fā)生變化， 如果檢測出穿過半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)， 即可得出對應(yīng)的溫度量。
許忠保等人利用半導(dǎo)體光吸收原理設(shè)計了一種可在高壓、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下應(yīng)用的溫度傳感器。 圖3 所示是系統(tǒng)的工作原理圖。
圖3 系統(tǒng)的工作原理圖。
由發(fā)光管穩(wěn)壓電源驅(qū)動AlGaAs， InGaAsP 兩發(fā)光二極管發(fā)光， 控制電路控制光開關(guān)分時接收來自信號光源( AlGaAs) 與參考光源( InGaAsP) 發(fā)出的光束， 探頭中的GaAs 材料對光有吸收作用， 透射光強(qiáng)與溫度有關(guān)。 首先是讓測量光通過， 然后是參考光通過， 經(jīng)過的路徑和前面完全一樣， 只是由于探頭中的GaAs 材料對它來說是完全透明的。 兩光束通過光纖傳輸后經(jīng)PIN 光電二極管把參考光束和信號光束轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?經(jīng)前置放大、濾波后， 通過A/ D 接口到單片機(jī)， 經(jīng)除法運算和數(shù)據(jù)處理后輸出顯示。 光探頭是由半導(dǎo)體材料GaAs 制作， 其厚度約100 m， 兩邊拋光， 鍍增透膜， 探頭與光纖芯的連接如圖4 所示。
圖4 傳感頭結(jié)構(gòu)圖。
實驗證明， 此傳感器其溫度測量范圍在- 10~120 ℃ ， 精確度可達(dá)1 ℃ ， 響應(yīng)時間22 s， 特別適合超長距離和惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。
張英等人基于半導(dǎo)體GaAs 對近紅外光的吸收波峰值隨溫度升高向長波長移動從而引起透射率隨溫度變化而變化這一特性設(shè)計了一種單光路的半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器。 測溫系統(tǒng)原理圖如圖5 所示。
圖5 傳感器實驗原理圖。
用7805 穩(wěn)壓器搭建穩(wěn)壓電路驅(qū)動紅外發(fā)光二極管( LED) ， 使LED 獲得穩(wěn)定的輸出功率， 經(jīng)耦合裝置將LED 光源部分耦合進(jìn)入光纖， 經(jīng)敏感測頭的光能量攜帶溫度信號通過耦合裝置耦合到硅光電三極管， 采用集成運放LM324 進(jìn)行電壓放大處理， 最后進(jìn)行標(biāo)定。 敏感測頭如圖6 所示。
圖6 敏感測頭結(jié)構(gòu)。
采用經(jīng)研磨并拋光厚度達(dá)200 m， 面積約2mm ? 2 mm 的GaAs 片， 將其垂直置于直徑為2。 49mm 的陶瓷套管中。 將GaAs 片粘在一邊的陶瓷插芯端面， 將光纖對準(zhǔn)并固定。 實驗證明: 該單光路光纖溫度傳感器的測量精度可達(dá)到% 1 ℃ ， 響應(yīng)時間在20 s 之內(nèi)， 有良好的長期穩(wěn)定性、重復(fù)性; 在20~ 70℃ 具有良好的線性， 在這個范圍內(nèi)對某些環(huán)境下( 如石油工業(yè)、電力工業(yè)) 可得到廣泛應(yīng)用。 根據(jù)傳感頭內(nèi)的各部分材料特性， 以及光纖的熱穩(wěn)定性， 這種傳感器可在- l0~ 300 # 內(nèi)正常工作。
由此可見， 上面2種傳感器后者比前者在響應(yīng)時間及適用溫度范圍方面均有提高， 但前者適合超長距離使用。 總的來說， 雖然這兩種傳感器性能還不是最佳， 但相比以前的一些傳感器而言已有了很大的提高， 取得了不錯的效果。
2.3 光纖光柵溫度傳感器
光纖光柵溫度傳感器的工作原理是當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化時， 光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化， 從而使發(fā)射光的波長發(fā)生變化， 通過測量溫度變化前后反射光波長的變化， 就可以獲得溫度的變化情況。
FBG 溫度傳感器增敏的原理是利用FBG 對溫度和應(yīng)變同時敏感的特性， 通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計， 把FBG 和高熱膨脹系數(shù)材料封裝在一起， 當(dāng)被測溫度變化時， 通過高熱膨脹系數(shù)材料的形變向FBG 施加一個應(yīng)變量， 使得FBG 的返回波長變化量加大。 基于此原則的方法大體上分為兩種:
( 1) J。 L。 Cruz 等[ 9] 提出直接將FBG 粘貼在高熱膨脹系數(shù)材料上， 當(dāng)溫度升高時， 高膨脹系數(shù)材料直接拉動FBG， 使FBG 的應(yīng)變加大， 返回中心波長的變化量增加。 然而， 這種增敏方式有明顯的缺點:
增敏效果受到材料的熱膨脹系數(shù)制約、分辨率有限、而且伴有啁啾的負(fù)面效應(yīng)。
( 2) Jaehoon Jung 等[ 10] 提出通過采用雙金屬結(jié)構(gòu)的方法實現(xiàn)溫度增敏， 效果明顯。 溫度變化時， 雙金屬結(jié)構(gòu)把2 種熱膨脹系數(shù)不同的金屬的長度變化量的差轉(zhuǎn)化成FBG 長度的變化量， 從而提高FBG的溫度靈敏度。 可是， 他們沒有對該類型的FBG 溫度傳感器的結(jié)構(gòu)和精度作進(jìn)一步研究， 限制了它的應(yīng)用范圍。
基于上面所提到的2 個缺點， 李闊[ 11] 等人利用光纖光柵對溫度和應(yīng)變同時敏感的特性， 設(shè)計制作了一款雙金屬光纖光柵溫度傳感器， 在地震前兆觀測時能滿足地溫觀測的精度要求。 雙金屬的溫度增敏原理如圖7 所示。
圖7 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
當(dāng)溫度變化時， 材料A 和材料B 長度均變化，且A 長度的變化量比B 長度的變化量大得多， A 、B 長度的變化量的差值直接傳遞給了FBG。 當(dāng)FBG的應(yīng)變發(fā)生變化時， 其返回波長會隨之發(fā)生變化。
FBG 的應(yīng)變量越大， 返回波長變化量也就越大。 因此， 可以通過調(diào)整A 和B 的長度和選用不同熱膨脹系數(shù)的材料來控制FBG 的應(yīng)變量， 從而實現(xiàn)高分辨率和高精度的溫度測量。 實驗證明: 該傳感器的精度達(dá)到% 0。 05 ℃ ， 獲得了現(xiàn)今光纖光柵溫度傳感器最高的分辨率0。 001 4 ℃ / pm， 再稍微擴(kuò)展下還能利用這個原理， 設(shè)計制作一款靈敏度系數(shù)可調(diào)的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器 ， 并通過調(diào)整高靈敏度光纖光柵溫度傳感器的靈敏度改變其量程。
圖8 雙管式光纖光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
由靜等人設(shè)計了一種對外加應(yīng)力應(yīng)變不敏感的雙管式光纖光柵溫度傳感器。 圖8 為雙管式光纖Bragg 光柵溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 其中， 外套管隔離了外加應(yīng)力應(yīng)變向內(nèi)管的作用， 避免了外力通過內(nèi)管傳遞給光纖Bragg 光柵。 同時， 由于內(nèi)、外管均是熱傳導(dǎo)性能良好的金屬材料( 比如: 銅) ， 故溫度仍能通過外管和內(nèi)管傳遞給光纖Bragg 光柵， 從而使得Brag g 波長響應(yīng)溫度變化而產(chǎn)生移位。 根據(jù)測溫實驗數(shù)據(jù)得到光纖光柵溫度傳感器的各項靜態(tài)性能指標(biāo)， 光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)靈敏度為9。 8pm/ ℃ ， 分辨率為0。 102 ℃ ， 線性度為99。 88%， 重復(fù)性誤差1. 55% 。
上面介紹的2 種傳感器各有特色， 雙金屬光纖光柵溫度傳感器能達(dá)到非常高的分辨率， 能用于地震前兆的觀測， 而且稍微改變下還能制作出靈敏度系數(shù)可調(diào)的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器， 而后者能實現(xiàn)消除外加應(yīng)力應(yīng)變的影響， 保障在實際應(yīng)用中溫度測量的系統(tǒng)精度。
3 結(jié) 束 語
光纖溫度傳感器自問世以來。 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。 它的應(yīng)用是一個方興未艾的領(lǐng)域， 有著非常廣闊的發(fā)展前景， 迄今為止， 國內(nèi)外已經(jīng)有不少相關(guān)研究， 雖然在靈敏度、測量范圍、分辨率等方面均有了很大的發(fā)展， 但是相信隨著研究的深入， 根據(jù)具體的應(yīng)用目的， 會有越來越多的精度更高、結(jié)構(gòu)更簡單、成本更低、更實用的方案提出， 更進(jìn)一步促進(jìn)溫度傳感器的發(fā)展。
