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第10章光纤温度传感器 1 第10章光纤温度传感器 2 10 1引言 在科研和工农业生产中 温度是检测与控制的重要参数 传统的温度测量技术已很成熟 如热电偶 热敏电阻 光学高温计 半导体以及其他类型的温度传感器 它们的敏感特性都是以电信号为工作基础的 即温度信号被电信号调制 而在特殊工况和环境下 如易燃 易爆 高电压 强电磁场 具有腐蚀性气体 液体 以及要求快速响应 非接触等 光纤温度测量技术具有独到的优越性 3 由于光纤本身的电绝缘性以及固有的宽频带等优点 使得光纤温度传感器突破了电调制温度传感器的限制 同时 由于其工作时温度信号被光信号调制 传感器多采用石英光纤 传输的幅值信号损耗低 并可以远距离传输 使传感器的光电器件远离现场 避免了恶劣的环境 在辐射测温中 光纤代替了常规测温仪的空间传输光路 使干扰因素如尘雾 水汽等对测量结果影响很小 光纤质量小 截面小 可弯曲传输测量不可视工作温度 便于特殊工况下的安装使用 4 红外温度传感器 而在特殊工况和环境下 如易燃 易爆 高电压 强电磁场 具有腐蚀性气体 液体 以及要求快速响应 非接触等 光纤温度测量技术具有独到的优越性 自然界一切温度高于绝对零度的物体 由于分子的热运动都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波 其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克定律公式是 5 光纤用于温度测量的机理与结构形式多种多样 按光纤所起的作用基本上可分为两大类 一类是传光型 这类传感器仅由光纤的几何位置排布实现光转换功能 另一类是传感型 它以光的相位 波长 强度 干涉 等为测量信号 传光型与传感型相比 虽然其温度灵敏度较低 但是由于具有技术上容易实现 结构简单 抗干扰能力强等特点 在实用化技术方面取得了突破 发展较快 如荧光衰减型 热辐射型光纤温度传感器已达到实用水平 光纤温度传感器 6 光纤温度传感器的测温机理及特点下表10 1传光型光纤温度传感器 使用电子式敏感器件 光纤仅为信号的传输通道 传感型光纤温度传感器 利用其本身具有的物理参数随温度变化的特性检测温度 光纤本身为敏感元件 其温度灵敏度较高 但由于光纤对温度以外的干扰如振动 应力等的敏感性 使其工作的稳定性和精度受到影响 光纤温度传感器 表10 1光纤温度传感器的测温机理及特点 7 10 2传光型光纤温度传感器 热色效应光纤温度传感器 荧光型光纤温度传感器 8 10 2 1半导体光吸收型光纤温度传感器 许多半导体材料在它的红限波长 即其禁带宽度对应的波长 的一段光波长范围内有递减的吸收特性 超过这一波段范围几乎不产生吸收 这一波段范围称为半导体材料的 能带隙 吸收端 如GaAs CdTe材料的吸收端在0 9 m附近 如图10 1 a 所示 9 a 光吸收温度特性 b 结构图10 1半导体光吸收型光纤温度传感器 10 2 1半导体光吸收型光纤温度传感器 10 用这种半导体材料作为温度敏感头的原理是 它们的禁带宽度随温度升高几乎线性地变窄 相应的红限波长 g几乎线性地变长 从而使其光吸收端线性地向长波方向平移 显然 当一个辐射光谱与相一致的光源发出的光通过半导体时 其透射光强随温度升高而线性地减小 图10 1 a 示出了这一说明 采用如图10 1 b 所示的结构 就组成了一个最简单的光纤温度传感器 这种结构由于光源不稳定的影响很大 实际中很少采用 10 2 1半导体光吸收型光纤温度传感器 11 一个实用化的设计如图10 2所示 这种传感器的测量范围是 10 300 精度可达 1 10 2 1半导体光吸收型光纤温度传感器 12 光探测器输出信号经采样放大器后 得到两个正比于脉冲宽度的直流信号 再由除法器以参考光信号 2 为标准将与温度相关的光信号 1 归一化 于是 除法器的输出只与温度T有关 采用单片机进行信息处理即可显示温度 10 2 1半导体光吸收型光纤温度传感器 两个光源 铝镓砷发光二极管 波长 1 0 88 m 铟镓磷砷发光二极管 波长 2 1 27 m 敏感头对 1光的吸收随温度而变化 对 2光不吸收 故取 2光作为参考信号 用雪崩光电二极管作为光探测器 13 许多无机溶液的颜色随温度而变化 因而溶液的光吸收谱线也随温度而变化 称为热色效应 其中钴盐溶液表现出最强的光吸收作用 热色溶液如溶液的光吸收频谱如图10 3所示 10 2 2热色效应光纤温度传感器 14 从图10 3可见 在25 75 之间的不同温度下 波长在400 800nm范围内有强烈的热色效应 在655nm波长处 光透射率几乎与温度成线性关系 而在800nm处 几乎与温度无关 同时 这样的热色效应是完全可逆的 因此可将这种溶液作为温度敏感探头 并分别采用波长为655nm和800nm的光作为敏感信号和参考信号 10 2 2热色效应光纤温度传感器 15 这种温度传感器的组成如图10 4所示 10 2 2热色效应光纤温度传感器 16 光源采用卤素灯泡 光进入光纤之前进行斩波调制 探头外径为1 5mm 长为10mm 内充钴盐溶液 两根光纤插入探头 构成单端反射形式 从探头出来的光纤经Y形分路器将光分为两种 分别经655nm和800nm滤波片得到信号光和参考光 10 2 2热色效应光纤温度传感器 再经光电信息处理电路 得到温度信息 由于系统利用信号光和参考光的比值作为温度信息 因而消除了光源波动及其他因素的影响 保证了系统测量的准确性 17 10 2 3荧光型光纤温度传感器 荧光现象大致分为两类 一类是下转换荧光现象 短波长辐射 紫外线 X射线 激发出长波长 可见光 光辐射 另一类是上转换荧光现象 长波长光辐射 LED 红外光 通过双光子效应激发出短波长 可见光 光辐射 后一类用于温度测量时 费效比低 有实用意义 荧光材料是 荧光粉 激励波长为940nm 荧光波长为554nm 荧光特性如图10 5所示 分为荧光段和余辉段 18 图10 5光脉冲激励的荧光特性 10 2 3荧光型光纤温度传感器 联合使用这两个温度参数实现温度计量的方法是所谓的余辉强度积分法 19 式中 t t2 t1 A是常数 IP T 是停止激励时的荧光峰值强度 是温度的函数 T 是荧光余辉寿命 是温度的函数 式 10 1 表明 IP T 和 T 是两个与温度T有关的独立的参数 可用于计量温度 余辉强度I t 是温度和时间的函数 即 10 1 10 2 3荧光型光纤温度传感器 20 联合使用这两个温度参数实现温度计量的方法是所谓的余辉强度积分法 即 10 2 该积分值等于图10 5中斜线下的面积 如图中阴影部分所示 温度不同 这个面积不同 这种方法的优点是温度计量的重现性好 测量范围宽 信号处理中采取m次累计平均的方法 如图10 6所示 荧光型光纤温度传感器的组成原理框图如图10 7所示 21 图10 6余辉强度积分法示意图 10 2 3荧光型光纤温度传感器 温度不同 这个面积不同 这种方法的优点是温度计量的重现性好 测量范围宽 信号处理中采取m次累计平均的方法 如图10 6所示 荧光型光纤温度传感器的组成原理框图如图10 7所示 22 10 7荧光型光纤温度传感器的组成原理框图 LED发射波长为940nm的脉冲光 通过光纤入射到探头荧光粉上 由于双光子过程荧光粉发射出波长为554nm的绿光 经光纤分路送至光电探测器进行光电转换 再经放大电路放大 由微机控制的采样 保持及模 数转换电路对荧光波进行采样 并由微机对采集的数据进行处理 给出温度的信息 10 2 3荧光型光纤温度传感器 23 10 3功能型光纤温度传感器 24 10 3 1光纤温度开关传感器 如果光纤纤芯和包层材料的折射率随温度变化 且在某一温度下出现交叉时 这种光纤就可以用做光纤温度传感器 25 图10 8三对光纤材料的折射率交叉点 图10 8示出了三对这种光纤材料的折射率交叉点情况 当纤心折射率大于包层折射率时 光能被集中在纤心中 当温度升高到两条折射率曲线的交叉点时 因纤心与包层折射率的差为0 光能进入包层 温度再升高 纤心中光能量将中断 传感器将发出警报信号 由于传感器是电绝缘的 又不怕强电磁干扰 因此可以方便地用于大型发电机 电动机及变压器中进行温度监控 10 3 1光纤温度开关传感器 26 10 3 2掺杂光纤温度传感器 掺杂稀土元素 如钕 铕 的玻璃光纤 具有温度敏感的吸收光谱 在两个波长处具有单调温度函数特性 如图10 9所示 在840nm波长处 吸收随温度升高而减少 在860nm处则相反 吸收随温度升高而增加 在500 处进行校准后 测定两个波长处的光强 由其比值即可测定温度 通常这种传感器的测温范围为0 800 27 10 3 2掺杂光纤温度传感器 掺杂稀土元素 如钕 铕 的玻璃光纤 具有温度敏感的吸收光谱 在两个波长处具有单调温度函数特性 如图10 9所示 在840nm波长处 吸收随温度升高而减少 在860nm处则相反 吸收随温度升高而增加 在500 处进行校准后 测定两个波长处的光强 由其比值即可测定温度 通常这种传感器的测温范围为0 800 28 a 掺钕光纤温度敏感的吸收光谱 b 温度响应曲线图10 9掺钕光纤的温度特性 10 3 2掺杂光纤温度传感器 29 10 3 3热辐射光纤高温传感器 热辐射光纤高温传感器是基于光纤被加热要引起热辐射这个原理的 热辐射的强度和波长是温度的函数 由于光纤材料的光谱工作范围的限制 这种传感器的适用范围在高温区 一般在500 以上 因此称为高温传感器 30 接触式热辐射光纤高温传感器通常有两种构成方式 分布黑体腔和固定黑体腔 前者是把与高温 500 1000 区接触的一段光纤当做黑体腔处理 这个接触区可以在光纤的任何一段上发生 因而可以同时测量热区 接触区 温度及热区位置 缺点是黑体腔的发射率受接触区尺寸及所用光纤总长度的影响 10 3 3热辐射光纤高温传感器 31 图10 10固定黑体腔光纤高温传感器的构成原理 我们着重讨论已经比较成熟的固定黑体腔光纤高温传感器 其构成原理如图10 10所示 这种传感器主要包括三大部分 带黑体腔的高温单晶蓝宝石 Al2O3 光纤 其熔化点温度为2050 传送待测热辐射功率的低温多模光纤和光电数据处理系统 10 3 3热辐射光纤高温传感器 32 当黑体腔与待测高温区热平衡时 黑体腔就按照黑体辐射定律发射与待测温度T相对应的电磁辐射 其谱功率密度出射度为 10 3 式中 为黑体腔谱发射率 为第一辐射常数 为第二辐射常数 T为待测温度 K 为辐射波长 m 10 3 3热辐射光纤高温传感器 33 这一功率从黑体腔出口经高温光纤直接耦合进入低温传输光纤 最后射入光电二极管光敏面 如果用n1 n2分别表示高温光纤与低温光纤 低温光纤与光电二极管光敏面的功率的耦合效率 用分别表示高温光纤 截面积 长度 损耗系数 并考虑到光电二极管光敏面的光谱响应范围为0 4 1 1 m 则入射到光电二极管光敏面的黑体辐射功率为 10 4 10 3 3热辐射光纤高温传感器 34 可见 入射到光电二极管光敏面上的功率与待测温度有确定关系 这就是热辐射光纤高温传感器的原理依据 经光电转换 信号放大 A D转换 微机处理及显示 给出待测温度值 对式 10 4 中的出射度M T 可以进行理论计算 再考虑各种耦合系数的量值 我们发现 在500 1800 的测温范围 黑体辐射功率的动态范围在之间 达量级 10 3 3热辐射光纤高温传感器 35 综合讨论 实现光纤高温传感技术的关键是 第一 性能稳定的高温光纤及黑体腔的制作 第二 适应大动态范围要求的高性噪比电子数据处理系统的精心设计 关于蓝宝石光纤探头黑体腔的形成 有三种方法 溅射蒸镀 包钳和人工缠绕 前者性能最好 但成品率低 后两种方法非常简单 且性能满足要求 为了使黑体腔的发射率稳定 一般只要控制黑体腔的长径比大于3即可 则 10 3 3热辐射光纤高温传感器 36 关于电子数据处理系统 要求在500 时能稳定检测出量级的微弱信号 一般应采用高阻抗低噪声前放与高Q选频放大相结合的放大方案 这又要求信号中心频率十分稳定 采用温补晶振锁相环控制调制频率 稳定度可达10 4量级 能满足高Q选频放大器窄带宽 f 10Hz 的要求 500 1800 温度范围内的光功率动态范围高达105W量级 远远超出了放大器的动态范围 采用电子开关动态范围扩展技术将测温范围分成若干温段 问题就能解决 10 3 3热辐射光纤高温传感器 37 图10 11示出了信号检测系统的原理框图 采用这样的系统 在500 1800 的高温范围内 测温精度高达0 1 如果采用光谱校准技术 测温精度可达0 05 10 3 3热辐射光纤高温传感器 38 2020 3 22 39 图10 11信号检测系统的原理框图 10 3 3热辐射光纤高温传感器 40 10 3 4相位干涉型光纤温度传感器 利用相位干涉仪做成的光纤温度传感器有多种形式 其中以马赫 泽得光纤干涉仪和法布里 珀罗光纤干涉仪最为典型 这里主要讨论马赫 泽得光纤干涉仪光纤温度传感器 这种光纤温度传感器的特点是 灵敏度高 理论值可达10 8 可对多种物理量敏感 对光纤本身性能要求高 如要采用高双折射单模保偏光纤 且要求对非测物理量去敏等 41 2020 3 22 常用相位调制型光纤传感结构 a 麦克尔逊干涉仪c 法布里 珀罗干涉仪a Michelsoninterferometerc Fabry Perotinterferometerb 马赫 曾德尔干涉仪d 塞格奈克干涉仪b Mach Zehnderinterferometerd Sagnacinterferometer图1 5各种光纤干涉仪 42 马赫 泽得光纤温度传感器工作时 由激光器 如He Ne激光器 发出的激光经分束器分别送入两根长度基本相同的单模光纤 将两根光纤的输出光束汇合到一起 两光束发生干涉 出现干涉条纹 光电探测器用来检测干涉条纹的变化 当测量 敏感 臂光纤受到温度场的作用后 会产生相位变化 从而引起干涉条纹的移动 显然 干涉条纹的移动量反映出被测温度的变化 10 3 4相位干涉型光纤温度传感器 43 考虑到测量臂光波相位变化是由温度变化引起的 可以写出温度灵敏度为 10 5 对石英光纤而言 有 10 6 裸光纤 护套光纤 44 由这两个数值量级可见 对石英裸光纤 其温度灵敏度几乎完全由折射率变化 光弹效应 决定 这是因为石英本身的热膨胀系数极小的缘故 而护套石英光纤的温度灵敏度比裸光纤大得多 这说明 护套层的杨氏模量和膨胀系数对光纤的温度灵敏度影响很大 实际上 人们正是利用不同护套材料的热膨胀系数的差异来对光纤进行温度增敏 高膨胀系数 或对温度去敏 低温度系数 45 这里顺便指出 当马赫 曾德尔干涉仪用于其他物理量如声压 磁场 电场的传感测量时 都有一个为了提高灵敏度而增敏的问题 研究表明 在石英光纤外面包一层弹性模量比石英低的材料 如塑料 可以大大提高干涉仪对声压的测量灵敏度 在测量磁场时 可以采用涂覆具有高磁伸缩系数的材料来提高灵敏度 当光纤与外场间接作用时 可以将光纤绕在对外场敏感的圆筒上 如测量声压时 将光纤绕在有柔性膜片的圆筒上 也可以大大提高探测的灵敏度 46 所有的增敏措施都是为了提高相位变化的灵敏度 高的相位灵敏度决定了相位传感器探测的相位变化是十分微弱的 这时相位检测带来了一个问题 即信号检测中的衰落现象 由于传感器不但受到被测场的作用 而且受到周围环境的影响 如温度传感器会受到压力场的干扰 压力传感器会受到环境温度变化引起的干扰以及磁场 振动的影响 这种环境干扰使测量的背景场随机起伏 使干涉仪噪声加大 造成信号衰落 因此 研究能抑制干涉仪输出衰落问题的检测技术是十分突出的问题 也是光纤相位传感器能够实用化的关键 47 10 4分布式光纤温度传感器 典型的分布式光纤温度传感器系统 能在整个连续的光纤上 以距离的连续函数形式测量出光纤上各点的温度值 分布式光纤温度传感器的工作机理是基于光纤内部光的散射现象的温度特性 利用光时域反射测试技术 将较高功率窄带光脉冲送入光纤 然后将返回的散射光强随时间的变化探测下来 分布式光纤温度传感器基于背向散射或前向散射机理 其中背向散射具有温度测量的实际意义 48 瑞利散射是造成光纤传输衰减的主要因素 虽然其背向散射效应较强 但在常规材料的光纤中 它随温度的变化不明显 非顺应性的拉曼散射与布里渊散射 虽然在强度上远弱于瑞利散射 但是它们都与温度直接相关 要从普通的石英光纤中探测这两种散射 在技术上已不成问题 从光纤返回的散射光有三种成分 1 由折射率的波动引起的瑞利散射 与入射光的频率相同 是强度最高的散射成分 2 拉曼散射 3 布里渊散射 10 4分布式光纤温度传感器 49 光纤拉曼背向散射及其温度效应 分布式光纤布里渊散射型温度传感器 分布式光纤拉曼背向散射光子温度传感器 10 4分布式光纤温度传感器 50 图10 14光纤中后向散射光的频谱分布 10 4分布式光纤温度传感器 51 10 4 1光纤光时域反射原理 光时域反射 OpticalTime DomainReflectometry OTDR 技术最初用于评价光学通信领域中光纤 光缆和耦合器的性能 是用于检验光纤损耗特性 光纤故障的手段 同时也是分布式光纤传感器的基础 图10 12是基于背向散射的光纤分布式传感器的测量原理 52 图10 12基于背向散射的光纤分布式传感器的测量原理 10 4 1光纤光时域反射原理 53 当光通过图10 12中所示的测量物理场时 光能量将以三种方式分配 1 一部分能量沿着光纤传输通道继续传播 2 一部分能量在传输过程中被吸收损耗或是散射至光纤外 3 一部分能量被耦合至接收通道 被光电探测器探测 10 4 1光纤光时域反射原理 54 当脉冲在光纤中传输时 由于光纤中存在折射率的微观不均匀性 因此会产生瑞利散射 若入射光经背向散射返回到探测器端所需的时间为t 光脉冲在光纤中传输的路程为2L 则2L vt 其中 v为光在光纤中的传播速度 v c n c为光在真空中的速度 n为光纤的折射率 在t时刻测量的是离光纤入射端距离为L处的背向瑞利散射光 10 4 1光纤光时域反射原理 55 在空间域 光纤的瑞利背向散射光子数为 10 7 式中 Ne为射入光纤的光脉冲所包含的光子数 KR为与光纤瑞利散射截面相关的系数 S为光纤的背向散射因子 0为入射激光光子频率 0为光纤的损耗 L为被测物理场距光源的长度 L可以表示为 10 8 56 10 4 2光纤拉曼背向散射及其温度效应 当频率为 0的激光进入光纤时 在其背向会产生拉曼散射 即频率不同于入射光的散射光 由于其分子量很少 所以拉曼散射与瑞利散射相比相当弱 拉曼散射光子的频率既可向低处移动 斯托克斯频移 也可向高处移 反斯托克斯频移 因此拉曼散射在频谱上 是由位于瑞利散射两旁的 对应的斯托克斯和反斯托克斯谱线组成的 在频域中 拉曼散射光子分为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频率为 57 反斯托克斯散射光子的频率为 10 10 式中 为光纤分子的振动频率 声子的振动频率 在光纤L处的斯托克斯散射光子数为 10 11 在光纤L处的反斯托克斯散射光子数为 10 12 10 4 1光纤光时域反射原理 58 式 10 11 和式 10 12 中 Ka KS分别为与光纤斯托克斯和反斯托克斯散射截面有关的系数 S为光纤的背向散射因子 分别为斯托克斯和反斯托克斯散射光子频率 分别为入射光 斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光频率的光纤传输损耗 L为光纤待测局域处的长度 分别为与光纤分子低能级和高能级上的布局数有关的系数 它们与光纤局域处的温度有关 10 11 10 12 10 4 1光纤光时域反射原理 59 分别为 10 13 10 14 式中 为拉曼声子频率 h为普朗克常量 k为玻耳兹曼常量 10 4 1光纤光时域反射原理 60 实际测量时 可用光纤的斯托克斯散射OTDR曲线解调光纤的反斯托克斯散射OTDR曲线 此时有 10 15 当利用上式进行温度测量时 可用的起始温度来确定被测光纤上各点的温度 此时式 10 15 变为 10 16 10 4 1光纤光时域反射原理 61 式 10 15 与式 10 16 相除 有 10 17 由式 10 17 可得局域处的温度为 10 18 10 4 1光纤光时域反射原理 62 对于多模光纤 如式 10 18 所示的拉曼声子频率 通过上式即可以确定测量的温度变化值 式 10 18 为典型的用斯托克斯散射OTDR曲线解调反斯托克斯散射OTDR曲线的被测温度T的表达式 虽然反斯托克斯散射光子比斯托克斯散射光子少得多 但是用于测温却非常有效 10 18 10 4 1光纤光时域反射原理 63 在典型的分布式温度测量系统中 可以用波长较短的反斯托克斯谱带获得温度信息 因为反斯托克斯散射信号比斯托克斯散射信号具有更高的温度灵敏度 在实际应用中 可以将温度灵敏度较高的反斯托克斯散射信号与温度灵敏度较低的斯托克斯散射信号的比值作为温度信息 以抑制光源强度 光注入光纤条件 光纤几何尺寸和结构等变化的影响 10 4 1光纤光时域反射原理 64 在实际测量中 也可以用瑞利散射OTDR曲线来解调拉曼散射OTDR曲线 此时 反斯托克斯自发拉曼散射与瑞利散射光子数的比值为 10 19 当起始温度T T0已知时 由式 10 19 来确定光纤上各点的温度 10 4 1光纤光时域反射原理 65 瑞利散射与温度无关 即 因此有 10 20 当起始温度已知时 通过式 10 20 可以确定光纤上各点的温度 由于光纤的瑞利散射信号要比自发拉曼散射信号强几个数量级 因此式 10 20 的信噪比优于式 10 17 10 4 1光纤光时域反射原理 66 10 4 3分布式光纤拉曼背向散射光子温度传感器 分布式光纤传感器的功能可以理解为 能在整个光纤长度上以距离的连续函数形式传感出被测参数随光纤长度的变化 按照OTDR原理 典型的分布式光纤温度传感器及其系统如图10 13所示 它主要由激光二极管 LD 光纤波分复用器