第10章光纖溫度傳感器

第10章光纖溫度傳感器

第10章光纖溫度傳感器10.2傳光型光纖溫度傳感器210.3功能型光纖溫度傳感器310.4分布式光纖溫度傳感器4110.1引言第10章光纖溫度傳感器10.2傳光型光纖溫度傳感器2

10.1引言

在科研和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫度是檢測與控制的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的溫度測量技術(shù)已很成熟，如熱電偶、熱敏電阻、光學(xué)高溫計、半導(dǎo)體以及其他類型的溫度傳感器。它們的敏感特性都是以電信號為工作基礎(chǔ)的，即溫度信號被電信號調(diào)制；而在特殊工況和環(huán)境下，如易燃、易爆、高電壓、強電磁場、具有腐蝕性氣體、液體，以及要求快速響應(yīng)、非接觸等，光纖溫度測量技術(shù)具有獨到的優(yōu)越性。

10.1引言

在科研和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫度是檢測由于光纖本身的電絕緣性以及固有的寬頻帶等優(yōu)點，使得光纖溫度傳感器突破了電調(diào)制溫度傳感器的限制。同時，由于其工作時溫度信號被光信號調(diào)制，傳感器多采用石英光纖，傳輸?shù)姆敌盘枔p耗低，并可以遠距離傳輸，使傳感器的光電器件遠離現(xiàn)場，避免了惡劣的環(huán)境。在輻射測溫中，光纖代替了常規(guī)測溫儀的空間傳輸光路，使干擾因素如塵霧、水汽等對測量結(jié)果影響很小。光纖質(zhì)量小，截面小，可彎曲傳輸測量不可視工作溫度，便于特殊工況下的安裝使用。由于光纖本身的電絕緣性以及固有的寬頻帶等優(yōu)

紅外溫度傳感器

而在特殊工況和環(huán)境下，如易燃、易爆、高電壓、強電磁場、具有腐蝕性氣體、液體，以及要求快速響應(yīng)、非接觸等，光纖溫度測量技術(shù)具有獨到的優(yōu)越性。自然界一切溫度高于絕對零度的物體。由于分子的熱運動都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波。其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克定律公式是？？？

紅外溫度傳感器

而在特殊工況和環(huán)境下，如易燃、易爆、高電壓光纖用于溫度測量的機理與結(jié)構(gòu)形式多種多樣，按光纖所起的作用基本上可分為兩大類：一類是傳光型，這類傳感器僅由光纖的幾何位置排布實現(xiàn)光轉(zhuǎn)換功能；另一類是傳感型，它以光的相位、波長、強度（干涉）等為測量信號。傳光型與傳感型相比，雖然其溫度靈敏度較低，但是由于具有技術(shù)上容易實現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強等特點，在實用化技術(shù)方面取得了突破，發(fā)展較快。如熒光衰減型、熱輻射型光纖溫度傳感器已達到實用水平。

光纖溫度傳感器

光纖用于溫度測量的機理與結(jié)構(gòu)形式多種多樣，按光纖所起的作用基光纖溫度傳感器的測溫機理及特點下表10.1傳光型光纖溫度傳感器：使用電子式敏感器件，光纖僅為信號的傳輸通道；傳感型光纖溫度傳感器：利用其本身具有的物理參數(shù)隨溫度變化的特性檢測溫度，光纖本身為敏感元件，其溫度靈敏度較高；但由于光纖對溫度以外的干擾如振動、應(yīng)力等的敏感性，使其工作的穩(wěn)定性和精度受到影響。光纖溫度傳感器

測溫機理傳感器的特點熒光激發(fā)的熒光（強度、時間）與測量溫度的相關(guān)性光干涉法布里-珀羅器件，薄膜干涉光吸收砷化鎵等半導(dǎo)體吸收熱致光輻射黑體腔、石英、紅外光纖、光導(dǎo)棒光散射載有溫度信息的光在光纖中形成的拉曼散射、瑞利散射表10.1光纖溫度傳感器的測溫機理及特點光纖溫度傳感器的測溫機理及特點下表10.1光纖溫10.2傳光型光纖溫度傳感器10.2.1

半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器10.2.2

熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器10.2.3

熒光型光纖溫度傳感器10.2傳光型光纖溫度傳感器10.2.1半導(dǎo)體光吸收型

10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器

許多半導(dǎo)體材料在它的紅限波長（即其禁帶寬度對應(yīng)的波長）的一段光波長范圍內(nèi)有遞減的吸收特性，超過這一波段范圍幾乎不產(chǎn)生吸收，這一波段范圍稱為半導(dǎo)體材料的(能帶隙)吸收端。如GaAs,CdTe材料的吸收端在0.9μm附近，如圖10.1(a)所示。

10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器

(a)光吸收溫度特性(b)結(jié)構(gòu)圖10.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器(a)光吸收溫度特性

用這種半導(dǎo)體材料作為溫度敏感頭的原理是，它們的禁帶寬度隨溫度升高幾乎線性地變窄，相應(yīng)的紅限波長λg幾乎線性地變長，從而使其光吸收端線性地向長波方向平移。顯然，當(dāng)一個輻射光譜與相一致的光源發(fā)出的光通過半導(dǎo)體時，其透射光強隨溫度升高而線性地減小。圖10.1(a)示出了這一說明。采用如圖10.1(b)所示的結(jié)構(gòu)，就組成了一個最簡單的光纖溫度傳感器。這種結(jié)構(gòu)由于光源不穩(wěn)定的影響很大，實際中很少采用。10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器用這種半導(dǎo)體材料作為溫度敏感頭的原理是，它們的禁一個實用化的設(shè)計如圖10.2所示。這種傳感器的測量范圍是-10℃~300℃，精度可達1℃。10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器一個實用化的設(shè)計如圖10.2所示。這種傳感器的測量范圍是-1光探測器輸出信號經(jīng)采樣放大器后，得到兩個正比于脈沖寬度的直流信號，再由除法器以參考光信號(λ2)為標準將與溫度相關(guān)的光信號(λ1)歸一化。于是，除法器的輸出只與溫度T有關(guān)。采用單片機進行信息處理即可顯示溫度。10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器兩個光源，鋁鎵砷發(fā)光二極管：波長λ1≈0.88μm；銦鎵磷砷發(fā)光二極管，波長λ2≈1.27μm。敏感頭對λ1光的吸收隨溫度而變化，對λ2光不吸收，故取λ2光作為參考信號。用雪崩光電二極管作為光探測器。光探測器輸出信號經(jīng)采樣放大器后，得到兩個正比于脈沖寬

許多無機溶液的顏色隨溫度而變化，因而溶液的光吸收譜線也隨溫度而變化，稱為熱色效應(yīng)。其中鈷鹽溶液表現(xiàn)出最強的光吸收作用，熱色溶液如溶液的光吸收頻譜如圖10.3所示。

10.2.2熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器許多無機溶液的顏色隨溫度而變化，因而溶液的光吸收從圖10.3可見，在25℃~75℃之間的不同溫度下，波長在400~800nm范圍內(nèi)有強烈的熱色效應(yīng)。在655nm波長處，光透射率幾乎與溫度成線性關(guān)系，而在800nm處，幾乎與溫度無關(guān)。同時，這樣的熱色效應(yīng)是完全可逆的，因此可將這種溶液作為溫度敏感探頭，并分別采用波長為655nm和800nm的光作為敏感信號和參考信號。10.2.2熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器從圖10.3可見，在25℃~75

這種溫度傳感器的組成如圖10.4所示。10.2.2熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器這種溫度傳感器的組成如圖10.4所示。

光源采用鹵素?zé)襞?，光進入光纖之前進行斬波調(diào)制。探頭外徑為1.5mm，長為10mm，內(nèi)充鈷鹽溶液，兩根光纖插入探頭，構(gòu)成單端反射形式。從探頭出來的光纖經(jīng)Y形分路器將光分為兩種，分別經(jīng)655nm和800nm濾波片得到信號光和參考光，10.2.2熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器再經(jīng)光電信息處理電路，得到溫度信息。由于系統(tǒng)利用信號光和參考光的比值作為溫度信息，因而消除了光源波動及其他因素的影響，保證了系統(tǒng)測量的準確性。光源采用鹵素?zé)襞?，光進入光纖之前進行斬

10.2.3熒光型光纖溫度傳感器

熒光現(xiàn)象大致分為兩類：一類是下轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象，短波長輻射（紫外線、X射線）激發(fā)出長波長（可見光）光輻射；另一類是上轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象，長波長光輻射（LED、紅外光）通過雙光子效應(yīng)激發(fā)出短波長（可見光）光輻射。

后一類用于溫度測量時，費效比低，有實用意義。熒光材料是：熒光粉，激勵波長為940nm，熒光波長為554nm。熒光特性如圖10.5所示，分為熒光段和余輝段。

10.2.3熒光型光纖溫度傳感器

熒光現(xiàn)象大圖10.5光脈沖激勵的熒光特性10.2.3熒光型光纖溫度傳感器

聯(lián)合使用這兩個溫度參數(shù)實現(xiàn)溫度計量的方法是所謂的余輝強度積分法，圖10.5光脈沖激勵的熒光特性10.2.3熒光型光式中，t=t2-t1

；A是常數(shù)；IP(T)是停止激勵時的熒光峰值強度，是溫度的函數(shù)；τ(T)是熒光余輝壽命，是溫度的函數(shù)。式(10.1)表明，IP(T)和τ(T)是兩個與溫度T有關(guān)的獨立的參數(shù)，可用于計量溫度。余輝強度I(t)是溫度和時間的函數(shù)，即(10.1)10.2.3熒光型光纖溫度傳感器

式中，t=t2-t1；A是常數(shù)；IP(T)是停止激聯(lián)合使用這兩個溫度參數(shù)實現(xiàn)溫度計量的方法是所謂的余輝強度積分法，即(10.2)

該積分值等于圖10.5中斜線下的面積，如圖中陰影部分所示。溫度不同，這個面積不同。這種方法的優(yōu)點是溫度計量的重現(xiàn)性好，測量范圍寬。信號處理中采取m次累計平均的方法，如圖10.6所示。熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖如圖10.7所示。聯(lián)合使用這兩個溫度參數(shù)實現(xiàn)溫度計量圖10.6余輝強度積分法示意圖10.2.3熒光型光纖溫度傳感器

溫度不同，這個面積不同。這種方法的優(yōu)點是溫度計量的重現(xiàn)性好，測量范圍寬。信號處理中采取m次累計平均的方法，如圖10.6所示。熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖如圖10.7所示。圖10.6余輝強度積分法示意圖10.2.3熒光型光纖溫10.7熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖LED發(fā)射波長為940nm的脈沖光，通過光纖入射到探頭熒光粉上，由于雙光子過程熒光粉發(fā)射出波長為554nm的綠光，經(jīng)光纖分路送至光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)放大電路放大，由微機控制的采樣、保持及模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路對熒光波進行采樣，并由微機對采集的數(shù)據(jù)進行處理，給出溫度的信息。10.2.3熒光型光纖溫度傳感器

10.7熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖LED

10.3功能型光纖溫度傳感器

10.3.1

光纖溫度開關(guān)傳感器10.3.3

熱輻射光纖高溫傳感器10.3.2

摻雜光纖溫度傳感器10.3.4

相位干涉型光纖溫度傳感器

10.3功能型光纖溫度傳感器

10.3.1光纖溫度開關(guān)傳感器

如果光纖纖芯和包層材料的折射率隨溫度變化，且在某一溫度下出現(xiàn)交叉時，這種光纖就可以用做光纖溫度傳感器。

10.3.1光纖溫度開關(guān)傳感器

如果光纖纖圖10.8三對光纖材料的折射率交叉點

圖10.8示出了三對這種光纖材料的折射率交叉點情況。當(dāng)纖心折射率大于包層折射率時，光能被集中在纖心中。當(dāng)溫度升高到兩條折射率曲線的交叉點時，因纖心與包層折射率的差為0，光能進入包層。溫度再升高，纖心中光能量將中斷，傳感器將發(fā)出警報信號。由于傳感器是電絕緣的，又不怕強電磁干擾，因此可以方便地用于大型發(fā)電機、電動機及變壓器中進行溫度監(jiān)控。10.3.1光纖溫度開關(guān)傳感器

圖10.8三對光纖材料的折射率交叉點圖10.8

10.3.2摻雜光纖溫度傳感器

摻雜稀土元素（如釹、銪）的玻璃光纖，具有溫度敏感的吸收光譜，在兩個波長處具有單調(diào)溫度函數(shù)特性，如圖10.9所示。在840nm波長處，吸收隨溫度升高而減少；在860nm處則相反，吸收隨溫度升高而增加。在500℃處進行校準后，測定兩個波長處的光強，由其比值即可測定溫度。通常這種傳感器的測溫范圍為0℃~800℃。

10.3.2摻雜光纖溫度傳感器

10.3.2摻雜光纖溫度傳感器

摻雜稀土元素（如釹、銪）的玻璃光纖，具有溫度敏感的吸收光譜，在兩個波長處具有單調(diào)溫度函數(shù)特性，如圖10.9所示。在840nm波長處，吸收隨溫度升高而減少；在860nm處則相反，吸收隨溫度升高而增加。在500℃處進行校準后，測定兩個波長處的光強，由其比值即可測定溫度。通常這種傳感器的測溫范圍為0℃~800℃。

10.3.2摻雜光纖溫度傳感器

(a)摻釹光纖溫度敏感的吸收光譜(b)溫度響應(yīng)曲線圖10.9摻釹光纖的溫度特性10.3.2摻雜光纖溫度傳感器

(a)摻釹光纖溫度敏感的吸收光譜

10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

熱輻射光纖高溫傳感器是基于光纖被加熱要引起熱輻射這個原理的。熱輻射的強度和波長是溫度的函數(shù)，由于光纖材料的光譜工作范圍的限制，這種傳感器的適用范圍在高溫區(qū)（一般在500℃以上），因此稱為高溫傳感器。

10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

熱輻射光纖高溫傳感器接觸式熱輻射光纖高溫傳感器通常有兩種構(gòu)成方式：分布黑體腔和固定黑體腔。前者是把與高溫(500℃~1000℃)區(qū)接觸的一段光纖當(dāng)做黑體腔處理，這個接觸區(qū)可以在光纖的任何一段上發(fā)生，因而可以同時測量熱區(qū)（接觸區(qū)）溫度及熱區(qū)位置。缺點是黑體腔的發(fā)射率受接觸區(qū)尺寸及所用光纖總長度的影響。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

接觸式熱輻射光纖高溫傳感器通常有兩種圖10.10固定黑體腔光纖高溫傳感器的構(gòu)成原理我們著重討論已經(jīng)比較成熟的固定黑體腔光纖高溫傳感器，其構(gòu)成原理如圖10.10所示。這種傳感器主要包括三大部分：帶黑體腔的高溫單晶藍寶石(α-Al2O3)光纖（其熔化點溫度為2050℃）、傳送待測熱輻射功率的低溫多模光纖和光電數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

圖10.10固定黑體腔光纖高溫傳感器的構(gòu)成原理當(dāng)黑體腔與待測高溫區(qū)熱平衡時，黑體腔就按照黑體輻射定律發(fā)射與待測溫度T相對應(yīng)的電磁輻射，其譜功率密度出射度為

(10.3)式中，為黑體腔譜發(fā)射率；為第一輻射常數(shù)()；為第二輻射常數(shù)()；T為待測溫度(K)；λ為輻射波長(μm)。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

當(dāng)黑體腔與待測高溫區(qū)熱平衡時，黑體這一功率從黑體腔出口經(jīng)高溫光纖直接耦合進入低溫傳輸光纖，最后射入光電二極管光敏面，如果用n1，n2分別表示高溫光纖與低溫光纖、低溫光纖與光電二極管光敏面的功率的耦合效率，用分別表示高溫光纖，截面積、長度、損耗系數(shù)，并考慮到光電二極管光敏面的光譜響應(yīng)范圍為0.4~1.1μm，則入射到光電二極管光敏面的黑體輻射功率為(10.4)10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

這一功率從黑體腔出口經(jīng)高溫光纖直接耦合進入低溫傳輸光纖，最后可見，入射到光電二極管光敏面上的功率與待測溫度有確定關(guān)系，這就是熱輻射光纖高溫傳感器的原理依據(jù)。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、微機處理及顯示，給出待測溫度值。對式(10.4)中的出射度M(T)可以進行理論計算，再考慮各種耦合系數(shù)的量值。我們發(fā)現(xiàn)，在500℃~1800℃的測溫范圍，黑體輻射功率的動態(tài)范圍在之間，達量級。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

可見，入射到光電二極管光敏面上的功率與待測溫度有綜合討論，實現(xiàn)光纖高溫傳感技術(shù)的關(guān)鍵是：第一，性能穩(wěn)定的高溫光纖及黑體腔的制作；第二，適應(yīng)大動態(tài)范圍要求的高性噪比電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的精心設(shè)計。關(guān)于藍寶石光纖探頭黑體腔的形成，有三種方法：濺射蒸鍍、包鉗和人工纏繞。前者性能最好，但成品率低，后兩種方法非常簡單，且性能滿足要求。為了使黑體腔的發(fā)射率穩(wěn)定，一般只要控制黑體腔的長徑比大于3即可，則。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

綜合討論，實現(xiàn)光纖高溫傳感技術(shù)的關(guān)鍵是：10.3.3熱輻關(guān)于電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，要求在500℃時能穩(wěn)定檢測出量級的微弱信號，一般應(yīng)采用高阻抗低噪聲前放與高Q選頻放大相結(jié)合的放大方案。這又要求信號中心頻率十分穩(wěn)定，采用溫補晶振鎖相環(huán)控制調(diào)制頻率，穩(wěn)定度可達10-4量級，能滿足高Q選頻放大器窄帶寬(Δf=10Hz)的要求。500℃~1800℃溫度范圍內(nèi)的光功率動態(tài)范圍高達105W量級，遠遠超出了放大器的動態(tài)范圍。采用電子開關(guān)動態(tài)范圍擴展技術(shù)將測溫范圍分成若干溫段，問題就能解決。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

關(guān)于電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，要求在500℃時能穩(wěn)定檢測出圖10.11示出了信號檢測系統(tǒng)的原理框圖。采用這樣的系統(tǒng)，在500℃~1800℃的高溫范圍內(nèi)，測溫精度高達0.1％。如果采用光譜校準技術(shù)，測溫精度可達0.05％。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

圖10.11示出了信號檢測系統(tǒng)的原理框圖。采用這樣的系統(tǒng)，在圖10.11信號檢測系統(tǒng)的原理框圖10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

圖10.11信號檢測系統(tǒng)的原理框圖10.3.3熱輻射

10.3.4相位干涉型光纖溫度傳感器

利用相位干涉儀做成的光纖溫度傳感器有多種形式，其中以馬赫-澤得光纖干涉儀和法布里-珀羅光纖干涉儀最為典型。這里主要討論馬赫-澤得光纖干涉儀光纖溫度傳感器。這種光纖溫度傳感器的特點是：靈敏度高（理論值可達10-8℃），可對多種物理量敏感，對光纖本身性能要求高（如要采用高雙折射單模保偏光纖，且要求對非測物理量去敏等）。

10.3.4相位干涉型光纖溫度傳感器

利用相位干涉儀做燕山大學(xué)光電子系常用相位調(diào)制型光纖傳感結(jié)構(gòu)a)

麥克爾遜干涉儀c)

法布里-珀羅干涉儀a)

Michelsoninterferometer

c)

Fabry-Perotinterferometer

b)馬赫-曾德爾干涉儀

d)

塞格奈克干涉儀

b)

Mach-Zehnderinterferometer

d)

Sagnacinterferometer

圖1-5

各種光纖干涉儀

燕山大學(xué)光電子系常用相位調(diào)制型光纖傳感結(jié)構(gòu)馬赫-澤得光纖溫度傳感器工作時，由激光器（如He-Ne激光器）發(fā)出的激光經(jīng)分束器分別送入兩根長度基本相同的單模光纖。將兩根光纖的輸出光束匯合到一起，兩光束發(fā)生干涉，出現(xiàn)干涉條紋，光電探測器用來檢測干涉條紋的變化。當(dāng)測量（敏感）臂光纖受到溫度場的作用后，會產(chǎn)生相位變化，從而引起干涉條紋的移動。顯然，干涉條紋的移動量反映出被測溫度的變化。10.3.4相位干涉型光纖溫度傳感器

馬赫-澤得光纖溫度傳感器工作時，由激光器（如He-Ne激光器考慮到測量臂光波相位變化是由溫度變化引起的，可以寫出溫度靈敏度為(10.5)對石英光纖而言，有(10.6)

（裸光纖）（護套光纖）考慮到測量臂光波相位變化是由溫度變化引起的，可以寫由這兩個數(shù)值量級可見，對石英裸光纖，其溫度靈敏度幾乎完全由折射率變化（光彈效應(yīng)）決定，這是因為石英本身的熱膨脹系數(shù)極小的緣故；而護套石英光纖的溫度靈敏度比裸光纖大得多。這說明，護套層的楊氏模量和膨脹系數(shù)對光纖的溫度靈敏度影響很大。實際上，人們正是利用不同護套材料的熱膨脹系數(shù)的差異來對光纖進行溫度增敏（高膨脹系數(shù)），或?qū)囟热ッ簦ǖ蜏囟认禂?shù)）。由這兩個數(shù)值量級可見，對石英裸光纖，其溫度靈敏度幾乎完全由折這里順便指出，當(dāng)馬赫-曾德爾干涉儀用于其他物理量如聲壓、磁場、電場的傳感測量時，都有一個為了提高靈敏度而增敏的問題。研究表明，在石英光纖外面包一層彈性模量比石英低的材料（如塑料），可以大大提高干涉儀對聲壓的測量靈敏度；在測量磁場時，可以采用涂覆具有高磁伸縮系數(shù)的材料來提高靈敏度；當(dāng)光纖與外場間接作用時，可以將光纖繞在對外場敏感的圓筒上，如測量聲壓時，將光纖繞在有柔性膜片的圓筒上，也可以大大提高探測的靈敏度。這里順便指出，當(dāng)馬赫-曾德爾干涉儀用于其他物理量如聲壓、磁場所有的增敏措施都是為了提高相位變化的靈敏度，高的相位靈敏度決定了相位傳感器探測的相位變化是十分微弱的。這時相位檢測帶來了一個問題，即信號檢測中的衰落現(xiàn)象。由于傳感器不但受到被測場的作用，而且受到周圍環(huán)境的影響，如溫度傳感器會受到壓力場的干擾，壓力傳感器會受到環(huán)境溫度變化引起的干擾以及磁場、振動的影響。這種環(huán)境干擾使測量的背景場隨機起伏，使干涉儀噪聲加大，造成信號衰落。因此，研究能抑制干涉儀輸出衰落問題的檢測技術(shù)是十分突出的問題，也是光纖相位傳感器能夠?qū)嵱没年P(guān)鍵。

所有的增敏措施都是為了提高相位變化的靈敏度，高的相位靈敏度決

10.4分布式光纖溫度傳感器

典型的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，能在整個連續(xù)的光纖上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式測量出光纖上各點的溫度值。分布式光纖溫度傳感器的工作機理是基于光纖內(nèi)部光的散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時域反射測試技術(shù)，將較高功率窄帶光脈沖送入光纖，然后將返回的散射光強隨時間的變化探測下來。分布式光纖溫度傳感器基于背向散射或前向散射機理，其中背向散射具有溫度測量的實際意義。

10.4分布式光纖溫度傳感器

典型的分布式光纖溫度傳感瑞利散射是造成光纖傳輸衰減的主要因素，雖然其背向散射效應(yīng)較強，但在常規(guī)材料的光纖中，它隨溫度的變化不明顯。非順應(yīng)性的拉曼散射與布里淵散射，雖然在強度上遠弱于瑞利散射，但是它們都與溫度直接相關(guān)。要從普通的石英光纖中探測這兩種散射，在技術(shù)上已不成問題。從光纖返回的散射光有三種成分：(1)由折射率的波動引起的瑞利散射，與入射光的頻率相同，是強度最高的散射成分；(2)拉曼散射；(3)布里淵散射。10.4分布式光纖溫度傳感器

瑞利散射是造成光纖傳輸衰減的主要因素，雖然其背向散射效應(yīng)較強10.4.1

光纖光時域反射原理10.4.2

光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)10.4.4

分布式光纖布里淵散射型溫度傳感器10.4.3

分布式光纖拉曼背向散射光子溫度傳感器10.4分布式光纖溫度傳感器

10.4.1光纖光時域反射原理10.4.2光纖拉曼背向散圖10.14光纖中后向散射光的頻譜分布10.4分布式光纖溫度傳感器

圖10.14光纖中后向散射光的頻譜分布10.4分布

10.4.1光纖光時域反射原理

光時域反射(OpticalTime-DomainReflectometry,OTDR)技術(shù)最初用于評價光學(xué)通信領(lǐng)域中光纖、光纜和耦合器的性能，是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障的手段，同時也是分布式光纖傳感器的基礎(chǔ)。圖10.12是基于背向散射的光纖分布式傳感器的測量原理。

10.4.1光纖光時域反射原理

圖10.12基于背向散射的光纖分布式傳感器的測量原理10.4.1光纖光時域反射原理

圖10.12基于背向散射的光纖分布式傳感器的測量原理10當(dāng)光通過圖10.12中所示的測量物理場時，光能量將以三種方式分配：(1)一部分能量沿著光纖傳輸通道繼續(xù)傳播；(2)一部分能量在傳輸過程中被吸收損耗或是散射至光纖外；(3)一部分能量被耦合至接收通道，被光電探測器探測。10.4.1光纖光時域反射原理

當(dāng)光通過圖10.12中所示的測量物理場時，光能量當(dāng)脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，因此會產(chǎn)生瑞利散射。若入射光經(jīng)背向散射返回到探測器端所需的時間為t，光脈沖在光纖中傳輸?shù)穆烦虨?L，則2L=vt。其中，v為光在光纖中的傳播速度，v=c/n；c為光在真空中的速度；n為光纖的折射率。在t時刻測量的是離光纖入射端距離為L處的背向瑞利散射光。10.4.1光纖光時域反射原理

當(dāng)脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，因在空間域，光纖的瑞利背向散射光子數(shù)為

(10.7)

式中，Ne

為射入光纖的光脈沖所包含的光子數(shù)；KR為與光纖瑞利散射截面相關(guān)的系數(shù)；S為光纖的背向散射因子；α0為入射激光光子頻率；υ0為光纖的損耗；L為被測物理場距光源的長度。L可以表示為

(10.8)在空間域，光纖的瑞利背向散射光子數(shù)為

10.4.2光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)

當(dāng)頻率為υ0的激光進入光纖時，在其背向會產(chǎn)生拉曼散射，即頻率不同于入射光的散射光。由于其分子量很少，所以拉曼散射與瑞利散射相比相當(dāng)弱。拉曼散射光子的頻率既可向低處移動（斯托克斯頻移），也可向高處移（反斯托克斯頻移)，因此拉曼散射在頻譜上，是由位于瑞利散射兩旁的、對應(yīng)的斯托克斯和反斯托克斯譜線組成的。在頻域中，拉曼散射光子分為斯托克斯散射光子和反斯托克斯散射光子。斯托克斯散射光子的頻率為

10.4.2光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)

當(dāng)頻率為υ0反斯托克斯散射光子的頻率為(10.10)

式中，為光纖分子的振動頻率，聲子的振動頻率。

在光纖L處的斯托克斯散射光子數(shù)為(10.11)

在光纖L處的反斯托克斯散射光子數(shù)為(10.12)10.4.1光纖光時域反射原理

反斯托克斯散射光子的頻率為式(10.11)和式(10.12)中，Ka，KS

分別為與光纖斯托克斯和反斯托克斯散射截面有關(guān)的系數(shù)；S為光纖的背向散射因子；,分別為斯托克斯和反斯托克斯散射光子頻率；分別為入射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光頻率的光纖傳輸損耗；L為光纖待測局域處的長度；分別為與光纖分子低能級和高能級上的布局數(shù)有關(guān)的系數(shù)，它們與光纖局域處的溫度有關(guān)。(10.11)(10.12)10.4.1光纖光時域反射原理

式(10.11)和式(10.12)中，Ka，KS分分別為

(10.13)

(10.14)式中，為拉曼聲子頻率；h為普朗克常量；k為玻耳茲曼常量。10.4.1光纖光時域反射原理

分別為實際測量時，可用光纖的斯托克斯散射OTDR曲線解調(diào)光纖的反斯托克斯散射OTDR曲線，此時有(10.15)當(dāng)利用上式進行溫度測量時，可用的起始溫度來確定被測光纖上各點的溫度，此時式(10.15)變?yōu)?10.16)10.4.1光纖光時域反射原理

實際測量時，可用光纖的斯托克斯散射O式(10.15)與式(10.16)相除，有(10.17)由式(10.17)可得局域處的溫度為

(10.18)10.4.1光纖光時域反射原理

式(10.15)與式(10.16)相除，有10.4.1光對于多模光纖，如式(10.18)所示的拉曼聲子頻率。通過上式即可以確定測量的溫度變化值。式(10.18)為典型的用斯托克斯散射OTDR曲線解調(diào)反斯托克斯散射OTDR曲線的被測溫度T

的表達式。雖然反斯托克斯散射光子比斯托克斯散射光子少得多，但是用于測溫卻非常有效。(10.18)10.4.1光纖光時域反射原理

對于多模光纖，如式(10.18)在典型的分布式溫度測量系統(tǒng)中，可以用波長較短的反斯托克斯譜帶獲得溫度信息，因為反斯托克斯散射信號比斯托克斯散射信號具有更高的溫度靈敏度。在實際應(yīng)用中，可以將溫度靈敏度較高的反斯托克斯散射信號與溫度靈敏度較低的斯托克斯散射信號的比值作為溫度信息，以抑制光源強度、光注入光纖條件、光纖幾何尺寸和結(jié)構(gòu)等變化的影響。10.4.1光纖光時域反射原理

在典型的分布式溫度測量系統(tǒng)中，可以用波長較短的反斯托克斯譜帶在實際測量中，也可以用瑞利散射OTDR曲線來解調(diào)拉曼散射OTDR曲線，此時，反斯托克斯自發(fā)拉曼散射與瑞利散射光子數(shù)的比值為(10.19)

當(dāng)起始溫度T=T0已知時，由式(10.19)來確定光纖上各點的溫度，10.4.1光纖光時域反射原理

在實際測量中，也可以用瑞利散射OTD瑞利散射與溫度無關(guān)，即，因此有(10.20)

當(dāng)起始溫度已知時，通過式(10.20)可以確定光纖上各點的溫度。由于光纖的瑞利散射信號要比自發(fā)拉曼散射信號強幾個數(shù)量級，因此式(10.20)的信噪比優(yōu)于式(10.17)。10.4.1光纖光時域反射原理

瑞利散射與溫度無關(guān)，即，因此有

10.4.3分布式光纖拉曼背向散射光子溫度傳感器

分布式光纖傳感器的功能可以理解為：能在整個光纖長度上以距離的連續(xù)函數(shù)形式傳感出被測參數(shù)隨光纖長度的變化。按照OTDR原理，典型的分布式光纖溫度傳感器及其系統(tǒng)如圖10.13所示。它主要由激光二極管(LD)、光纖波分復(fù)用器、光電接收與放大組件、信號采集與處理系統(tǒng)等單元組成。半導(dǎo)體激光器發(fā)出一系列光脈沖，經(jīng)過光纖耦合器進入光纖，來自被測光纖的部分后向散射光再次經(jīng)過耦合器傳輸?shù)窖┍拦怆姸O管轉(zhuǎn)換為電信號。

10.4.3分布式光纖拉曼背向散射光子溫度傳感器

分布圖10.13分布式光纖溫度傳感器及其系統(tǒng)圖10.13分布式光纖溫度傳感器及其系統(tǒng)

10.4.4分布式光纖布里淵散射型溫度傳感器

如上所述，當(dāng)光通過光纖介質(zhì)時，有一部分光會偏離原來的傳播方向而向空中散射，形成三種散射：第一種是頻率與入射光相同的瑞利散射，它是由光纖折射率的微小變化引起的；第二種是與入射光頻差為幾十太赫茲的拉曼散射，它是由光子與光聲子的相互作用而引起的；第三種是與入射光頻差為幾十吉赫茲的布里淵散射，它是由光子與低頻聲子的相互作用而引起的。光纖中后向散射光的頻譜分布如圖10.14所示。

10.4.4分布式光纖布里淵散射型溫度傳感器

圖10.14光纖中后向散射光的頻譜分布圖10.14光纖中后向散射光的頻譜分布布里淵散射是入射光波場與介質(zhì)內(nèi)彈性聲波場相互作用而產(chǎn)生的一種光散射現(xiàn)象。依據(jù)彈性聲波場產(chǎn)生的原因，它可以分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射兩種。前者是介質(zhì)的宏觀彈性振動，其振動的頻率較低。由于介質(zhì)內(nèi)的自發(fā)熱運動所產(chǎn)生的彈性聲波場較弱，對其測量與觀察較困難，一般采用法布里-珀羅干涉儀實現(xiàn)頻率的檢測。布里淵散射是入射光波場與介質(zhì)內(nèi)彈性聲波場相互作用而產(chǎn)生的一種利用光時域反射(OTDR)技術(shù)的基本原理出現(xiàn)了一種光時域分析(OTDA)技術(shù)，其特點是在光纖兩端有輸入的光信號。受激布里淵散射過程中的彈性聲波場是通過電致伸縮效應(yīng)而發(fā)生的。這種相干聲波場與入射激光耦合而產(chǎn)生受激布里淵散射的相干輻射。如果入射激光足夠強，以至于介質(zhì)內(nèi)電致伸縮效應(yīng)感應(yīng)產(chǎn)生的聲波場和相應(yīng)的散射光波場的增益大于它們各自的損耗，則將出現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)感應(yīng)聲波場與布里淵散射光波場的受激放大。利用光時域反射(OTDR)技術(shù)的基本原理出現(xiàn)了一種光時域分析圖10.15OTDA技術(shù)原理框圖OTDA技術(shù)原理框圖如圖10.15所示。圖10.15OTDA技術(shù)原理框圖OTDA技術(shù)原理框圖如光纖右側(cè)的激光器發(fā)出一連續(xù)光進入光纖，延遲一段時間后，位于光纖左側(cè)的激光器發(fā)出一光脈沖進入光纖，這一光脈沖在光纖的傳播過程中會不斷地與相向傳播的連續(xù)光發(fā)生作用，且兩束光的作用同時受到外界物理量的調(diào)制，通過光纖左側(cè)的光電探測器檢測連續(xù)光的強度可以獲知被測物理量的大小。借助于光脈沖發(fā)出時刻與檢測時刻的時間差還可以確定檢測到的光強與空間位置的對應(yīng)關(guān)系，即獲得被測物理量在光纖上的分布情況。光纖右側(cè)的激光器發(fā)出一連續(xù)光進入光纖，延遲一段時間后，位于光習(xí)題10.1試設(shè)計一種功能型光纖溫度傳感器，并簡述其工作原理。10.2試分析分布式光纖溫度傳感器較傳統(tǒng)的溫度傳感器有哪些優(yōu)點？習(xí)題10.1試設(shè)計一種功能型光纖溫度傳感器，并簡第10章光纖溫度傳感器

第10章光纖溫度傳感器

第10章光纖溫度傳感器10.2傳光型光纖溫度傳感器210.3功能型光纖溫度傳感器310.4分布式光纖溫度傳感器4110.1引言第10章光纖溫度傳感器10.2傳光型光纖溫度傳感器2

10.1引言

在科研和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫度是檢測與控制的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的溫度測量技術(shù)已很成熟，如熱電偶、熱敏電阻、光學(xué)高溫計、半導(dǎo)體以及其他類型的溫度傳感器。它們的敏感特性都是以電信號為工作基礎(chǔ)的，即溫度信號被電信號調(diào)制；而在特殊工況和環(huán)境下，如易燃、易爆、高電壓、強電磁場、具有腐蝕性氣體、液體，以及要求快速響應(yīng)、非接觸等，光纖溫度測量技術(shù)具有獨到的優(yōu)越性。

10.1引言

在科研和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫度是檢測由于光纖本身的電絕緣性以及固有的寬頻帶等優(yōu)點，使得光纖溫度傳感器突破了電調(diào)制溫度傳感器的限制。同時，由于其工作時溫度信號被光信號調(diào)制，傳感器多采用石英光纖，傳輸?shù)姆敌盘枔p耗低，并可以遠距離傳輸，使傳感器的光電器件遠離現(xiàn)場，避免了惡劣的環(huán)境。在輻射測溫中，光纖代替了常規(guī)測溫儀的空間傳輸光路，使干擾因素如塵霧、水汽等對測量結(jié)果影響很小。光纖質(zhì)量小，截面小，可彎曲傳輸測量不可視工作溫度，便于特殊工況下的安裝使用。由于光纖本身的電絕緣性以及固有的寬頻帶等優(yōu)

紅外溫度傳感器

而在特殊工況和環(huán)境下，如易燃、易爆、高電壓、強電磁場、具有腐蝕性氣體、液體，以及要求快速響應(yīng)、非接觸等，光纖溫度測量技術(shù)具有獨到的優(yōu)越性。自然界一切溫度高于絕對零度的物體。由于分子的熱運動都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波。其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克定律公式是？？？

紅外溫度傳感器

而在特殊工況和環(huán)境下，如易燃、易爆、高電壓光纖用于溫度測量的機理與結(jié)構(gòu)形式多種多樣，按光纖所起的作用基本上可分為兩大類：一類是傳光型，這類傳感器僅由光纖的幾何位置排布實現(xiàn)光轉(zhuǎn)換功能；另一類是傳感型，它以光的相位、波長、強度（干涉）等為測量信號。傳光型與傳感型相比，雖然其溫度靈敏度較低，但是由于具有技術(shù)上容易實現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強等特點，在實用化技術(shù)方面取得了突破，發(fā)展較快。如熒光衰減型、熱輻射型光纖溫度傳感器已達到實用水平。

光纖溫度傳感器

光纖用于溫度測量的機理與結(jié)構(gòu)形式多種多樣，按光纖所起的作用基光纖溫度傳感器的測溫機理及特點下表10.1傳光型光纖溫度傳感器：使用電子式敏感器件，光纖僅為信號的傳輸通道；傳感型光纖溫度傳感器：利用其本身具有的物理參數(shù)隨溫度變化的特性檢測溫度，光纖本身為敏感元件，其溫度靈敏度較高；但由于光纖對溫度以外的干擾如振動、應(yīng)力等的敏感性，使其工作的穩(wěn)定性和精度受到影響。光纖溫度傳感器

測溫機理傳感器的特點熒光激發(fā)的熒光（強度、時間）與測量溫度的相關(guān)性光干涉法布里-珀羅器件，薄膜干涉光吸收砷化鎵等半導(dǎo)體吸收熱致光輻射黑體腔、石英、紅外光纖、光導(dǎo)棒光散射載有溫度信息的光在光纖中形成的拉曼散射、瑞利散射表10.1光纖溫度傳感器的測溫機理及特點光纖溫度傳感器的測溫機理及特點下表10.1光纖溫10.2傳光型光纖溫度傳感器10.2.1

半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器10.2.2

熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器10.2.3

熒光型光纖溫度傳感器10.2傳光型光纖溫度傳感器10.2.1半導(dǎo)體光吸收型

10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器

許多半導(dǎo)體材料在它的紅限波長（即其禁帶寬度對應(yīng)的波長）的一段光波長范圍內(nèi)有遞減的吸收特性，超過這一波段范圍幾乎不產(chǎn)生吸收，這一波段范圍稱為半導(dǎo)體材料的(能帶隙)吸收端。如GaAs,CdTe材料的吸收端在0.9μm附近，如圖10.1(a)所示。

10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器

(a)光吸收溫度特性(b)結(jié)構(gòu)圖10.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器(a)光吸收溫度特性

用這種半導(dǎo)體材料作為溫度敏感頭的原理是，它們的禁帶寬度隨溫度升高幾乎線性地變窄，相應(yīng)的紅限波長λg幾乎線性地變長，從而使其光吸收端線性地向長波方向平移。顯然，當(dāng)一個輻射光譜與相一致的光源發(fā)出的光通過半導(dǎo)體時，其透射光強隨溫度升高而線性地減小。圖10.1(a)示出了這一說明。采用如圖10.1(b)所示的結(jié)構(gòu)，就組成了一個最簡單的光纖溫度傳感器。這種結(jié)構(gòu)由于光源不穩(wěn)定的影響很大，實際中很少采用。10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器用這種半導(dǎo)體材料作為溫度敏感頭的原理是，它們的禁一個實用化的設(shè)計如圖10.2所示。這種傳感器的測量范圍是-10℃~300℃，精度可達1℃。10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器一個實用化的設(shè)計如圖10.2所示。這種傳感器的測量范圍是-1光探測器輸出信號經(jīng)采樣放大器后，得到兩個正比于脈沖寬度的直流信號，再由除法器以參考光信號(λ2)為標準將與溫度相關(guān)的光信號(λ1)歸一化。于是，除法器的輸出只與溫度T有關(guān)。采用單片機進行信息處理即可顯示溫度。10.2.1半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器兩個光源，鋁鎵砷發(fā)光二極管：波長λ1≈0.88μm；銦鎵磷砷發(fā)光二極管，波長λ2≈1.27μm。敏感頭對λ1光的吸收隨溫度而變化，對λ2光不吸收，故取λ2光作為參考信號。用雪崩光電二極管作為光探測器。光探測器輸出信號經(jīng)采樣放大器后，得到兩個正比于脈沖寬

許多無機溶液的顏色隨溫度而變化，因而溶液的光吸收譜線也隨溫度而變化，稱為熱色效應(yīng)。其中鈷鹽溶液表現(xiàn)出最強的光吸收作用，熱色溶液如溶液的光吸收頻譜如圖10.3所示。

10.2.2熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器許多無機溶液的顏色隨溫度而變化，因而溶液的光吸收從圖10.3可見，在25℃~75℃之間的不同溫度下，波長在400~800nm范圍內(nèi)有強烈的熱色效應(yīng)。在655nm波長處，光透射率幾乎與溫度成線性關(guān)系，而在800nm處，幾乎與溫度無關(guān)。同時，這樣的熱色效應(yīng)是完全可逆的，因此可將這種溶液作為溫度敏感探頭，并分別采用波長為655nm和800nm的光作為敏感信號和參考信號。10.2.2熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器從圖10.3可見，在25℃~75

這種溫度傳感器的組成如圖10.4所示。10.2.2熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器這種溫度傳感器的組成如圖10.4所示。

光源采用鹵素?zé)襞荩膺M入光纖之前進行斬波調(diào)制。探頭外徑為1.5mm，長為10mm，內(nèi)充鈷鹽溶液，兩根光纖插入探頭，構(gòu)成單端反射形式。從探頭出來的光纖經(jīng)Y形分路器將光分為兩種，分別經(jīng)655nm和800nm濾波片得到信號光和參考光，10.2.2熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器再經(jīng)光電信息處理電路，得到溫度信息。由于系統(tǒng)利用信號光和參考光的比值作為溫度信息，因而消除了光源波動及其他因素的影響，保證了系統(tǒng)測量的準確性。光源采用鹵素?zé)襞?，光進入光纖之前進行斬

10.2.3熒光型光纖溫度傳感器

熒光現(xiàn)象大致分為兩類：一類是下轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象，短波長輻射（紫外線、X射線）激發(fā)出長波長（可見光）光輻射；另一類是上轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象，長波長光輻射（LED、紅外光）通過雙光子效應(yīng)激發(fā)出短波長（可見光）光輻射。

后一類用于溫度測量時，費效比低，有實用意義。熒光材料是：熒光粉，激勵波長為940nm，熒光波長為554nm。熒光特性如圖10.5所示，分為熒光段和余輝段。

10.2.3熒光型光纖溫度傳感器

熒光現(xiàn)象大圖10.5光脈沖激勵的熒光特性10.2.3熒光型光纖溫度傳感器

聯(lián)合使用這兩個溫度參數(shù)實現(xiàn)溫度計量的方法是所謂的余輝強度積分法，圖10.5光脈沖激勵的熒光特性10.2.3熒光型光式中，t=t2-t1

；A是常數(shù)；IP(T)是停止激勵時的熒光峰值強度，是溫度的函數(shù)；τ(T)是熒光余輝壽命，是溫度的函數(shù)。式(10.1)表明，IP(T)和τ(T)是兩個與溫度T有關(guān)的獨立的參數(shù)，可用于計量溫度。余輝強度I(t)是溫度和時間的函數(shù)，即(10.1)10.2.3熒光型光纖溫度傳感器

式中，t=t2-t1；A是常數(shù)；IP(T)是停止激聯(lián)合使用這兩個溫度參數(shù)實現(xiàn)溫度計量的方法是所謂的余輝強度積分法，即(10.2)

該積分值等于圖10.5中斜線下的面積，如圖中陰影部分所示。溫度不同，這個面積不同。這種方法的優(yōu)點是溫度計量的重現(xiàn)性好，測量范圍寬。信號處理中采取m次累計平均的方法，如圖10.6所示。熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖如圖10.7所示。聯(lián)合使用這兩個溫度參數(shù)實現(xiàn)溫度計量圖10.6余輝強度積分法示意圖10.2.3熒光型光纖溫度傳感器

溫度不同，這個面積不同。這種方法的優(yōu)點是溫度計量的重現(xiàn)性好，測量范圍寬。信號處理中采取m次累計平均的方法，如圖10.6所示。熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖如圖10.7所示。圖10.6余輝強度積分法示意圖10.2.3熒光型光纖溫10.7熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖LED發(fā)射波長為940nm的脈沖光，通過光纖入射到探頭熒光粉上，由于雙光子過程熒光粉發(fā)射出波長為554nm的綠光，經(jīng)光纖分路送至光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)放大電路放大，由微機控制的采樣、保持及模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路對熒光波進行采樣，并由微機對采集的數(shù)據(jù)進行處理，給出溫度的信息。10.2.3熒光型光纖溫度傳感器

10.7熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖LED

10.3功能型光纖溫度傳感器

10.3.1

光纖溫度開關(guān)傳感器10.3.3

熱輻射光纖高溫傳感器10.3.2

摻雜光纖溫度傳感器10.3.4

相位干涉型光纖溫度傳感器

10.3功能型光纖溫度傳感器

10.3.1光纖溫度開關(guān)傳感器

如果光纖纖芯和包層材料的折射率隨溫度變化，且在某一溫度下出現(xiàn)交叉時，這種光纖就可以用做光纖溫度傳感器。

10.3.1光纖溫度開關(guān)傳感器

如果光纖纖圖10.8三對光纖材料的折射率交叉點

圖10.8示出了三對這種光纖材料的折射率交叉點情況。當(dāng)纖心折射率大于包層折射率時，光能被集中在纖心中。當(dāng)溫度升高到兩條折射率曲線的交叉點時，因纖心與包層折射率的差為0，光能進入包層。溫度再升高，纖心中光能量將中斷，傳感器將發(fā)出警報信號。由于傳感器是電絕緣的，又不怕強電磁干擾，因此可以方便地用于大型發(fā)電機、電動機及變壓器中進行溫度監(jiān)控。10.3.1光纖溫度開關(guān)傳感器

圖10.8三對光纖材料的折射率交叉點圖10.8

10.3.2摻雜光纖溫度傳感器

摻雜稀土元素（如釹、銪）的玻璃光纖，具有溫度敏感的吸收光譜，在兩個波長處具有單調(diào)溫度函數(shù)特性，如圖10.9所示。在840nm波長處，吸收隨溫度升高而減少；在860nm處則相反，吸收隨溫度升高而增加。在500℃處進行校準后，測定兩個波長處的光強，由其比值即可測定溫度。通常這種傳感器的測溫范圍為0℃~800℃。

10.3.2摻雜光纖溫度傳感器

10.3.2摻雜光纖溫度傳感器

摻雜稀土元素（如釹、銪）的玻璃光纖，具有溫度敏感的吸收光譜，在兩個波長處具有單調(diào)溫度函數(shù)特性，如圖10.9所示。在840nm波長處，吸收隨溫度升高而減少；在860nm處則相反，吸收隨溫度升高而增加。在500℃處進行校準后，測定兩個波長處的光強，由其比值即可測定溫度。通常這種傳感器的測溫范圍為0℃~800℃。

10.3.2摻雜光纖溫度傳感器

(a)摻釹光纖溫度敏感的吸收光譜(b)溫度響應(yīng)曲線圖10.9摻釹光纖的溫度特性10.3.2摻雜光纖溫度傳感器

(a)摻釹光纖溫度敏感的吸收光譜

10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

熱輻射光纖高溫傳感器是基于光纖被加熱要引起熱輻射這個原理的。熱輻射的強度和波長是溫度的函數(shù)，由于光纖材料的光譜工作范圍的限制，這種傳感器的適用范圍在高溫區(qū)（一般在500℃以上），因此稱為高溫傳感器。

10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

熱輻射光纖高溫傳感器接觸式熱輻射光纖高溫傳感器通常有兩種構(gòu)成方式：分布黑體腔和固定黑體腔。前者是把與高溫(500℃~1000℃)區(qū)接觸的一段光纖當(dāng)做黑體腔處理，這個接觸區(qū)可以在光纖的任何一段上發(fā)生，因而可以同時測量熱區(qū)（接觸區(qū)）溫度及熱區(qū)位置。缺點是黑體腔的發(fā)射率受接觸區(qū)尺寸及所用光纖總長度的影響。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

接觸式熱輻射光纖高溫傳感器通常有兩種圖10.10固定黑體腔光纖高溫傳感器的構(gòu)成原理我們著重討論已經(jīng)比較成熟的固定黑體腔光纖高溫傳感器，其構(gòu)成原理如圖10.10所示。這種傳感器主要包括三大部分：帶黑體腔的高溫單晶藍寶石(α-Al2O3)光纖（其熔化點溫度為2050℃）、傳送待測熱輻射功率的低溫多模光纖和光電數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

圖10.10固定黑體腔光纖高溫傳感器的構(gòu)成原理當(dāng)黑體腔與待測高溫區(qū)熱平衡時，黑體腔就按照黑體輻射定律發(fā)射與待測溫度T相對應(yīng)的電磁輻射，其譜功率密度出射度為

(10.3)式中，為黑體腔譜發(fā)射率；為第一輻射常數(shù)()；為第二輻射常數(shù)()；T為待測溫度(K)；λ為輻射波長(μm)。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

當(dāng)黑體腔與待測高溫區(qū)熱平衡時，黑體這一功率從黑體腔出口經(jīng)高溫光纖直接耦合進入低溫傳輸光纖，最后射入光電二極管光敏面，如果用n1，n2分別表示高溫光纖與低溫光纖、低溫光纖與光電二極管光敏面的功率的耦合效率，用分別表示高溫光纖，截面積、長度、損耗系數(shù)，并考慮到光電二極管光敏面的光譜響應(yīng)范圍為0.4~1.1μm，則入射到光電二極管光敏面的黑體輻射功率為(10.4)10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

這一功率從黑體腔出口經(jīng)高溫光纖直接耦合進入低溫傳輸光纖，最后可見，入射到光電二極管光敏面上的功率與待測溫度有確定關(guān)系，這就是熱輻射光纖高溫傳感器的原理依據(jù)。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、微機處理及顯示，給出待測溫度值。對式(10.4)中的出射度M(T)可以進行理論計算，再考慮各種耦合系數(shù)的量值。我們發(fā)現(xiàn)，在500℃~1800℃的測溫范圍，黑體輻射功率的動態(tài)范圍在之間，達量級。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

可見，入射到光電二極管光敏面上的功率與待測溫度有綜合討論，實現(xiàn)光纖高溫傳感技術(shù)的關(guān)鍵是：第一，性能穩(wěn)定的高溫光纖及黑體腔的制作；第二，適應(yīng)大動態(tài)范圍要求的高性噪比電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的精心設(shè)計。關(guān)于藍寶石光纖探頭黑體腔的形成，有三種方法：濺射蒸鍍、包鉗和人工纏繞。前者性能最好，但成品率低，后兩種方法非常簡單，且性能滿足要求。為了使黑體腔的發(fā)射率穩(wěn)定，一般只要控制黑體腔的長徑比大于3即可，則。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

綜合討論，實現(xiàn)光纖高溫傳感技術(shù)的關(guān)鍵是：10.3.3熱輻關(guān)于電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，要求在500℃時能穩(wěn)定檢測出量級的微弱信號，一般應(yīng)采用高阻抗低噪聲前放與高Q選頻放大相結(jié)合的放大方案。這又要求信號中心頻率十分穩(wěn)定，采用溫補晶振鎖相環(huán)控制調(diào)制頻率，穩(wěn)定度可達10-4量級，能滿足高Q選頻放大器窄帶寬(Δf=10Hz)的要求。500℃~1800℃溫度范圍內(nèi)的光功率動態(tài)范圍高達105W量級，遠遠超出了放大器的動態(tài)范圍。采用電子開關(guān)動態(tài)范圍擴展技術(shù)將測溫范圍分成若干溫段，問題就能解決。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

關(guān)于電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，要求在500℃時能穩(wěn)定檢測出圖10.11示出了信號檢測系統(tǒng)的原理框圖。采用這樣的系統(tǒng)，在500℃~1800℃的高溫范圍內(nèi)，測溫精度高達0.1％。如果采用光譜校準技術(shù)，測溫精度可達0.05％。10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

圖10.11示出了信號檢測系統(tǒng)的原理框圖。采用這樣的系統(tǒng)，在圖10.11信號檢測系統(tǒng)的原理框圖10.3.3熱輻射光纖高溫傳感器

圖10.11信號檢測系統(tǒng)的原理框圖10.3.3熱輻射

10.3.4相位干涉型光纖溫度傳感器

利用相位干涉儀做成的光纖溫度傳感器有多種形式，其中以馬赫-澤得光纖干涉儀和法布里-珀羅光纖干涉儀最為典型。這里主要討論馬赫-澤得光纖干涉儀光纖溫度傳感器。這種光纖溫度傳感器的特點是：靈敏度高（理論值可達10-8℃），可對多種物理量敏感，對光纖本身性能要求高（如要采用高雙折射單模保偏光纖，且要求對非測物理量去敏等）。

10.3.4相位干涉型光纖溫度傳感器

利用相位干涉儀做燕山大學(xué)光電子系常用相位調(diào)制型光纖傳感結(jié)構(gòu)a)

麥克爾遜干涉儀c)

法布里-珀羅干涉儀a)

Michelsoninterferometer

c)

Fabry-Perotinterferometer

b)馬赫-曾德爾干涉儀

d)

塞格奈克干涉儀

b)

Mach-Zehnderinterferometer

d)

Sagnacinterferometer

圖1-5

各種光纖干涉儀

燕山大學(xué)光電子系常用相位調(diào)制型光纖傳感結(jié)構(gòu)馬赫-澤得光纖溫度傳感器工作時，由激光器（如He-Ne激光器）發(fā)出的激光經(jīng)分束器分別送入兩根長度基本相同的單模光纖。將兩根光纖的輸出光束匯合到一起，兩光束發(fā)生干涉，出現(xiàn)干涉條紋，光電探測器用來檢測干涉條紋的變化。當(dāng)測量（敏感）臂光纖受到溫度場的作用后，會產(chǎn)生相位變化，從而引起干涉條紋的移動。顯然，干涉條紋的移動量反映出被測溫度的變化。10.3.4相位干涉型光纖溫度傳感器

馬赫-澤得光纖溫度傳感器工作時，由激光器（如He-Ne激光器考慮到測量臂光波相位變化是由溫度變化引起的，可以寫出溫度靈敏度為(10.5)對石英光纖而言，有(10.6)

（裸光纖）（護套光纖）考慮到測量臂光波相位變化是由溫度變化引起的，可以寫由這兩個數(shù)值量級可見，對石英裸光纖，其溫度靈敏度幾乎完全由折射率變化（光彈效應(yīng)）決定，這是因為石英本身的熱膨脹系數(shù)極小的緣故；而護套石英光纖的溫度靈敏度比裸光纖大得多。這說明，護套層的楊氏模量和膨脹系數(shù)對光纖的溫度靈敏度影響很大。實際上，人們正是利用不同護套材料的熱膨脹系數(shù)的差異來對光纖進行溫度增敏（高膨脹系數(shù)），或?qū)囟热ッ簦ǖ蜏囟认禂?shù)）。由這兩個數(shù)值量級可見，對石英裸光纖，其溫度靈敏度幾乎完全由折這里順便指出，當(dāng)馬赫-曾德爾干涉儀用于其他物理量如聲壓、磁場、電場的傳感測量時，都有一個為了提高靈敏度而增敏的問題。研究表明，在石英光纖外面包一層彈性模量比石英低的材料（如塑料），可以大大提高干涉儀對聲壓的測量靈敏度；在測量磁場時，可以采用涂覆具有高磁伸縮系數(shù)的材料來提高靈敏度；當(dāng)光纖與外場間接作用時，可以將光纖繞在對外場敏感的圓筒上，如測量聲壓時，將光纖繞在有柔性膜片的圓筒上，也可以大大提高探測的靈敏度。這里順便指出，當(dāng)馬赫-曾德爾干涉儀用于其他物理量如聲壓、磁場所有的增敏措施都是為了提高相位變化的靈敏度，高的相位靈敏度決定了相位傳感器探測的相位變化是十分微弱的。這時相位檢測帶來了一個問題，即信號檢測中的衰落現(xiàn)象。由于傳感器不但受到被測場的作用，而且受到周圍環(huán)境的影響，如溫度傳感器會受到壓力場的干擾，壓力傳感器會受到環(huán)境溫度變化引起的干擾以及磁場、振動的影響。這種環(huán)境干擾使測量的背景場隨機起伏，使干涉儀噪聲加大，造成信號衰落。因此，研究能抑制干涉儀輸出衰落問題的檢測技術(shù)是十分突出的問題，也是光纖相位傳感器能夠?qū)嵱没年P(guān)鍵。

所有的增敏措施都是為了提高相位變化的靈敏度，高的相位靈敏度決

10.4分布式光纖溫度傳感器

典型的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，能在整個連續(xù)的光纖上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式測量出光纖上各點的溫度值。分布式光纖溫度傳感器的工作機理是基于光纖內(nèi)部光的散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時域反射測試技術(shù)，將較高功率窄帶光脈沖送入光纖，然后將返回的散射光強隨時間的變化探測下來。分布式光纖溫度傳感器基于背向散射或前向散射機理，其中背向散射具有溫度測量的實際意義。

10.4分布式光纖溫度傳感器

典型的分布式光纖溫度傳感瑞利散射是造成光纖傳輸衰減的主要因素，雖然其背向散射效應(yīng)較強，但在常規(guī)材料的光纖中，它隨溫度的變化不明顯。非順應(yīng)性的拉曼散射與布里淵散射，雖然在強度上遠弱于瑞利散射，但是它們都與溫度直接相關(guān)。要從普通的石英光纖中探測這兩種散射，在技術(shù)上已不成問題。從光纖返回的散射光有三種成分：(1)由折射率的波動引起的瑞利散射，與入射光的頻率相同，是強度最高的散射成分；(2)拉曼散射；(3)布里淵散射。10.4分布式光纖溫度傳感器

瑞利散射是造成光纖傳輸衰減的主要因素，雖然其背向散射效應(yīng)較強10.4.1

光纖光時域反射原理10.4.2

光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)10.4.4

分布式光纖布里淵散射型溫度傳感器10.4.3

分布式光纖拉曼背向散射光子溫度傳感器10.4分布式光纖溫度傳感器

10.4.1光纖光時域反射原理10.4.2光纖拉曼背向散圖10.14光纖中后向散射光的頻譜分布10.4分布式光纖溫度傳感器

圖10.14光纖中后向散射光的頻譜分布10.4分布

10.4.1光纖光時域反射原理

光時域反射(OpticalTime-DomainReflectometry,OTDR)技術(shù)最初用于評價光學(xué)通信領(lǐng)域中光纖、光纜和耦合器的性能，是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障的手段，同時也是分布式光纖傳感器的基礎(chǔ)。圖10.12是基于背向散射的光纖分布式傳感器的測量原理。

10.4.1光纖光時域反射原理

圖10.12基于背向散射的光纖分布式傳感器的測量原理10.4.1光纖光時域反射原理

圖10.12基于背向散射的光纖分布式傳感器的測量原理10當(dāng)光通過圖10.12中所示的測量物理場時，光能量將以三種方式分配：(1)一部分能量沿著光纖傳輸通道繼續(xù)傳播；(2)一部分能量在傳輸過程中被吸收損耗或是散射至光纖外；(3)一部分能量被耦合至接收通道，被光電探測器探測。10.4.1光纖光時域反射原理

當(dāng)光通過圖10.12中所示的測量物理場時，光能量當(dāng)脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，因此會產(chǎn)生瑞利散射。若入射光經(jīng)背向散射返回到探測器端所需的時間為t，光脈沖在光纖中傳輸?shù)穆烦虨?L，則2L=vt。其中，v為光在光纖中的傳播速度，v=c/n；c為光在真空中的速度；n為光纖的折射率。在t時刻測量的是離光纖入射端距離為L處的背向瑞利散射光。10.4.1光纖光時域反射原理

當(dāng)脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，因在空間域，光纖的瑞利背向散射光子數(shù)為

(10.7)

式中，Ne

為射入光纖的光脈沖所包含的光子數(shù)；KR為與光纖瑞利散射截面相關(guān)的系數(shù)；S為光纖的背向散射因子；α0為入射激光光子頻率；υ0為光纖的損耗；L為被測物理場距光源的長度。L可以表示為

(10.8)在空間域，光纖的瑞利背向散射光子數(shù)為

10.4.2光纖拉曼背向散射及其溫度效應(yīng)

當(dāng)頻率為υ0的激光進