發布日期：2022-10-09 點擊率：70
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。 從伽利略發明溫度計開始， 人們開始利用溫度進行測量。
溫度傳感器是最早開發、應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家賽貝發明的， 就是后來的熱電偶傳感器。 50 年以后，德國人西門子發明了鉑電阻溫度計。 在半導體技術的支持下， 本世紀相繼開發了包含半導體熱電偶傳感器在內的多種溫度傳感器。 與之相應， 根據波與物質的相互作用規律， 相繼開發了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。 而光纖自20 世紀70 年代問世以來， 隨著激光技術的發展， 從理論和實踐上都已證明光纖具有一系列的優越性， 光纖在傳感技術領域中的應用也日益受到廣泛重視， 隨著科學技術的發展， 涌現了許許多多的光纖溫度傳感器， 并且可以預料， 在新技術革命的浪潮中， 光纖溫度傳感器必將得到廣泛的應用， 并發揮出更多的作用。
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過光纖送入調制器， 待測參數溫度與進入調制區的光相互作用后， 導致光的光學性質( 如光的強度、波長、頻率、相位等) 發生變化， 稱為被調制的信號光。 再經過光纖送入光探測器， 經解調后， 獲得被測參數。
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、強度等) 隨溫度變換的特點， 進行溫度測定。 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的作用， 以避開測溫區域復雜的環境。 對待測對象的調制功能是靠其他物理性質的敏感元件來實現的。 這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題， 增加了系統的復雜性， 且對機械振動之類的干擾比較敏感。
2 光纖溫度傳感器的研究現狀
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狀， 其中有代表性的有光纖Fabry- perot 干涉型溫度傳感器、半導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。 在現有報道的光纖法珀溫度傳感器中， 主要采用2 種技術方案， 其一是采用外徑大于125 nm 的玻璃毛細管封裝， 由2個光纖的端面構成光纖法珀腔并采用膠封的方式固定于溫度敏感材料中， 另外一種最近發展起來的技術是采用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， 其結構如圖1 所示。
圖1 光纖法珀溫度傳感器結構圖。
該傳感器采用溫度敏感的金屬材料作為法珀腔的腔體， 利用高精度位移機構將光纖兩端插入金屬毛細管中形成低精細度的光纖法珀腔。 光纖在金屬管的兩端通過膠粘的方式固定。 當外界溫度發生變化時將直接導致金屬毛細管的熱膨脹， 帶動插入金屬管內的光纖移動， 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力不均勻現象， 簡化了封裝工藝。 同時， 金屬毛細管的長度即為該溫度傳感器的標距， 它將決定傳感器的靈敏度。 該傳感器的核心結構為光纖法珀干涉腔( 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F- P 腔的腔長是傳輸光半波長的整數倍時， 反射光強最大。 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距成正比的特性， 可以通過改變標距的方法方便地調整傳感器的靈敏度。 同時， 該傳感器制作工藝簡單、性能穩定、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纖芯的部分區域將處于MM- HNA- 5 光纖的扇形孔中， 與其內的空氣相接觸， 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， 可以近似認為沒有形成反射面) 會耦合進入MM- HNA- 5 中心實芯部分繼續向前傳播，在MM- HNA- 5 中心實芯部分的尾端發生反射( 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， 且得到當干涉腔長為3。 46 mm 時， 其光程差靈敏度約為103 nm/ # 。 這種結構簡單、穩定性好、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領域將具有極大的潛在應用價值。
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構復雜， 而全光纖微型法- 珀( F- P) 干涉儀制作工藝復雜。
2.2 半導體吸收型光纖溫度傳感器
半導體吸收型光纖溫度傳感器是利用半導體材料的吸收光譜隨溫度變化而變化的特性實現的。 光通過半導體材料時， 材料會吸收一部分光子能量， 當光子能量超過半導體禁帶寬度能量Eg ( T ) 時， 傳輸光的波長發生變化， 由于禁帶寬度隨溫度的變化而變化， 因此半導體材料吸收的波長會隨溫度而變化，同時進入半導體材料的光強將發生變化。 當溫度變化時進入半導體材料的光強將發生變化， 如果檢測出穿過半導體材料的光強， 即可得出對應的溫度量。
許忠保等人利用半導體光吸收原理設計了一種可在高壓、強電磁干擾環境下應用的溫度傳感器。 圖3 所示是系統的工作原理圖。
圖3 系統的工作原理圖。
由發光管穩壓電源驅動AlGaAs， InGaAsP 兩發光二極管發光， 控制電路控制光開關分時接收來自信號光源( AlGaAs) 與參考光源( InGaAsP) 發出的光束， 探頭中的GaAs 材料對光有吸收作用， 透射光強與溫度有關。 首先是讓測量光通過， 然后是參考光通過， 經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PIN 光電二極管把參考光束和信號光束轉變為電信號， 經前置放大、濾波后， 通過A/ D 接口到單片機， 經除法運算和數據處理后輸出顯示。 光探頭是由半導體材料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 傳感頭結構圖。
實驗證明， 此傳感器其溫度測量范圍在- 10~120 ℃ ， 精確度可達1 ℃ ， 響應時間22 s， 特別適合超長距離和惡劣環境下的應用。
張英等人基于半導體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計了一種單光路的半導體吸收式光纖溫度傳感器。 測溫系統原理圖如圖5 所示。
圖5 傳感器實驗原理圖。
用7805 穩壓器搭建穩壓電路驅動紅外發光二極管( LED) ， 使LED 獲得穩定的輸出功率， 經耦合裝置將LED 光源部分耦合進入光纖， 經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 進行電壓放大處理， 最后進行標定。 敏感測頭如圖6 所示。
圖6 敏感測頭結構。
采用經研磨并拋光厚度達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到% 1 ℃ ， 響應時間在20 s 之內， 有良好的長期穩定性、重復性; 在20~ 70℃ 具有良好的線性， 在這個范圍內對某些環境下( 如石油工業、電力工業) 可得到廣泛應用。 根據傳感頭內的各部分材料特性， 以及光纖的熱穩定性， 這種傳感器可在- l0~ 300 # 內正常工作。
由此可見， 上面2種傳感器后者比前者在響應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光纖光柵所處環境的溫度發生變化時， 光柵的周期或纖芯折射率將發生變化， 從而使發射光的波長發生變化， 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 對溫度和應變同時敏感的特性， 通過合理的結構設計， 把FBG 和高熱膨脹系數材料封裝在一起， 當被測溫度變化時， 通過高熱膨脹系數材料的形變向FBG 施加一個應變量， 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材料上， 當溫度升高時， 高膨脹系數材料直接拉動FBG， 使FBG 的應變加大， 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制約、分辨率有限、而且伴有啁啾的負面效應。
( 2) Jaehoon Jung 等[ 10] 提出通過采用雙金屬結構的方法實現溫度增敏， 效果明顯。 溫度變化時， 雙金屬結構把2 種熱膨脹系數不同的金屬的長度變化量的差轉化成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 溫度傳感器的結構和精度作進一步研究， 限制了它的應用范圍。
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變同時敏感的特性， 設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 傳感器結構示意圖。
當溫度變化時， 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FBG的應變發生變化時， 其返回波長會隨之發生變化。
FBG 的應變量越大， 返回波長變化量也就越大。 因此， 可以通過調整A 和B 的長度和選用不同熱膨脹系數的材料來控制FBG 的應變量， 從而實現高分辨率和高精度的溫度測量。 實驗證明: 該傳感器的精度達到% 0。 05 ℃ ， 獲得了現今光纖光柵溫度傳感器最高的分辨率0。 001 4 ℃ / pm， 再稍微擴展下還能利用這個原理， 設計制作一款靈敏度系數可調的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器 ， 并通過調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構示意圖。
由靜等人設計了一種對外加應力應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構示意圖。 其中， 外套管隔離了外加應力應變向內管的作用， 避免了外力通過內管傳遞給光纖Bragg 光柵。 同時， 由于內、外管均是熱傳導性能良好的金屬材料( 比如: 銅) ， 故溫度仍能通過外管和內管傳遞給光纖Bragg 光柵， 從而使得Brag g 波長響應溫度變化而產生移位。 根據測溫實驗數據得到光纖光柵溫度傳感器的各項靜態性能指標， 光纖光柵溫度傳感系統靈敏度為9。 8pm/ ℃ ， 分辨率為0。 102 ℃ ， 線性度為99。 88%， 重復性誤差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可調的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器， 而后者能實現消除外加應力應變的影響， 保障在實際應用中溫度測量的系統精度。
3 結 束 語
光纖溫度傳感器自問世以來。 主要應用于電力系統、建筑、化工、航空航天、醫療以至海洋開發等領域， 并已取得了大量可靠的應用實績。 它的應用是一個方興未艾的領域， 有著非常廣闊的發展前景， 迄今為止， 國內外已經有不少相關研究， 雖然在靈敏度、測量范圍、分辨率等方面均有了很大的發展， 但是相信隨著研究的深入， 根據具體的應用目的， 會有越來越多的精度更高、結構更簡單、成本更低、更實用的方案提出， 更進一步促進溫度傳感器的發展。
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