光纖溫度傳感器的原理及應用研究

孟瑜　于蘭　王亞杰　黃丫　李勝男

摘? 要：光纖溫度傳感器具有靈敏度高、體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾、電絕緣等優(yōu)點。為促進光纖溫度傳感器在更多領域的發(fā)展，本文對光纖溫度傳感器的原理及應用前景進行了綜述。首先概述了光纖傳感器的原理，并分別介紹了幾種常見光纖溫度傳感器的原理，各自特點，最后對光纖溫度傳感器的應用和發(fā)展進行了總結和展望。

關鍵詞：光纖;光纖傳感器;溫度;應用;發(fā)展

一、引言

近年來，傳感器朝著精確、靈敏、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這一新興產(chǎn)業(yè)倍受關注。光纖傳感器是伴隨著光通信技術的發(fā)展而逐步形成的，它是把外界被測量（ 溫度、壓力、位移、電磁場等） 轉換為光纖傳輸光波的特征參量（ 振幅、相位、波長、偏振態(tài)） 的傳感器。

在科研和生產(chǎn)實踐中，精確的溫度檢測與控制十分重要，而光纖溫度傳感器是光纖傳感器家族中非常重要的一員。傳統(tǒng)的溫度檢測包括熱電偶溫或PN結型的溫度傳感器。光纖溫度傳感器與它們相比具有很多優(yōu)點：抗電磁干擾能力強、可以實現(xiàn)非接觸測量、靈敏度高、尺寸小、低損耗、易控制、低成本，特別適合易燃、易爆等特殊環(huán)境下使用。

光纖溫度傳感器始于20世紀 70年代，當前的主流產(chǎn)品主要有分布式光纖溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器以及光纖光柵溫度傳感器等。在國外一些發(fā)達國家，很多領域已經(jīng)采用光纖溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)溫度傳感器而成為商品。我國的光纖傳感器研究開始的也較早，但與國外發(fā)達水平相比，研究水平還有一定的差距，很多傳感器仍處于試驗階段不能大批量生產(chǎn)，不能滿足市場需求。

本文主要介紹了幾種常用的光纖溫度傳感器，包括它們的結構、工作原理以及應用領域，最后對光纖溫度傳感器發(fā)展前景進行了展望。

二、光纖溫度傳感器原理簡介

在光學行業(yè)，早期的光纖用于傳光和傳像，在20世紀70年代初產(chǎn)生低損光纖后，光纖開始用于長距離信息傳輸。但是光纖在作為光波的傳輸介質時，由于外界環(huán)境因素的影響（溫度、位移、壓力、電磁場）會導致光纖中傳輸?shù)墓獠ㄌ卣鲄⒘浚ㄕ穹?、相位、波長、偏振態(tài)）發(fā)生變化，如圖1所示。因而可以通過測量光波參量的變化來探測外界因素的變化，由此產(chǎn)生了光纖傳感技術。

三、光纖溫度傳感器的分類

光纖溫度傳感器的機理和結構形式多種多樣，但基本上可以分為功能型（傳感型）和傳輸型（傳光型）兩大類。

功能型光纖溫度傳感器是基于光纖傳輸?shù)墓獠▍⒘浚ㄕ穹?、相位、波長）隨環(huán)境溫度的變化而變化的特性，光纖既是傳感元件又是傳光介質。而傳輸型光纖溫度傳感器是使用外加敏感元件實現(xiàn)傳感功能，光纖只作為傳光介質。下面針對這兩種類型的傳感器，介紹幾種典型的應用實例。

（一）功能型光纖溫度傳感器

1、分布式光纖溫度傳感器

光纖中返回的散射光有線性散射和非線性散射。其中瑞利散射是由于光纖的折射率隨機變化引起的，其散射光頻率與入射光相同，屬于線性散射，散射光強度較高。非線性散射包含受激拉曼散射和受激布里淵散射，散射光相對于入射光有一定的非線性頻移，其散射光強度要弱于瑞利散射。因為光纖中散射光特性和散射介質溫度有關，通過測量光纖中返回的散射光強度或頻率可以測量溫度值，通過OTDR技術或光干涉技術對測量點進行定位，可以實現(xiàn)在光纖傳輸方向上連續(xù)傳感溫度。圖2是一個分布式光纖溫度傳感器結構圖，其測溫原理基于對光纖中拉曼散射光的測量。

分布式光纖溫度傳感器的特點是能夠在大空間范圍實現(xiàn)連續(xù)、實時的測量溫度，傳感長度從幾千米到幾百千米的范圍。和傳統(tǒng)的點式傳感器相比，它具有測量空間范圍大、結構簡單、性價比高等優(yōu)點，因此有廣泛的市場需求。

（二）干涉型光纖溫度傳感器

當環(huán)境溫度變化時，可以引起光纖傳輸光的相位發(fā)生變化，從而形成相位調制型（干涉型）光纖溫度傳感器。通常測量相位時采用兩束光的干涉，根據(jù)干涉光強度變化得到溫度值。常見用于測溫的光纖干涉儀有馬赫澤德爾（M-Z）干涉儀、邁克爾遜（Michelson）干涉儀和法布里-珀羅（F-P）干涉儀。下面主要介紹基于M-Z干涉原理和F-P干涉原理的光纖溫度傳感器。 這種傳感器具有靈敏度高、靈活多樣、測量對象廣泛等優(yōu)點。

圖3為M-Z光纖溫度傳感器的原理圖，激光器發(fā)出的相干光，經(jīng)光纖耦合器分光后，分別進入兩根長度相等的單模光纖。其中一根光纖處于溫度變化的探測場，溫度改變光纖折射率和長度都發(fā)生變化，光波相位隨之改變，稱為傳感臂;另一根光纖處于恒定的溫度場，光程保持不變，稱為參考臂。從兩根光纖輸出的光經(jīng)將發(fā)生干涉，溫度改變時由于兩束光的相位差變化，干涉條紋就會發(fā)生移動。因此檢測干涉光強即探測溫度值。

圖4為F-P光纖溫度傳感器的裝置圖，它由激光器、隔離器、分束器、傳輸光纖和光纖F-P傳感頭、接收器等元件構成。從圖中可以看出，光纖F-P腔兩端鍍高反射膜，構成多光束干涉腔。當環(huán)境溫度變化時，光纖F-P腔的腔長L和折射率n隨之改變，引起輸出的多光束干涉光強度變化，根據(jù)檢測的反射或透射光強測得溫度值。

（三）光纖光柵溫度傳感器

光纖Bragg光柵 （FBG）是基于光纖的光敏性，例如應用紫外光照射使纖芯產(chǎn)生周期性的折射率變化。外界溫度變化時，Bragg光柵周期和折射率都會發(fā)生變化，從而導致光柵布拉格波長[λB]漂移，通過測量Bragg光柵布拉格反射波長即可測量溫度，這種傳感器屬于波長調制型。

光纖光柵傳感器具有抗干擾能力強、結構簡單、重復性好、可實現(xiàn)絕對測量、便于成網(wǎng)等特點，并且光柵的寫入工藝已較成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)。

（四）傳輸型光纖溫度傳感器

傳輸型光纖溫度傳感器的典型應用實例是光纖熒光溫度傳感器，熒光材料在受外界光（紅外光、紫外光或可見光）激發(fā)時，會向外輻射光，稱為熒光。熒光材料的激發(fā)區(qū)光譜是材料的固有屬性，由材料的吸收譜決定。光纖熒光溫度傳感器是利用熒光材料的溫度特性測溫的，有基于熒光強度比和熒光壽命兩種測溫方式。

熒光強度比測溫主要是測量兩個不同高能級躍遷到同一低態(tài)能級之間的熒光強度比，它是與溫度有關的參量。圖6為基于熒光強度比測溫的光纖傳感器。

熒光材料向外輻射熒光的壽命也是與溫度相關的參量，選用脈沖調制的光源作為熒光材料的激發(fā)光，在激發(fā)光停止后，由探測器接收輻射的熒光，和信號處理單元根據(jù)熒光衰減時間（熒光壽命）即可得到溫度信息。在這種測溫系統(tǒng)中光纖只起到傳輸光的作用。它的優(yōu)點是抗干擾能力強，光源的光強不穩(wěn)定對測溫結果的影響較小，經(jīng)濟耐用。

光纖溫度傳感器的種類很多，除了上述介紹的種類外，還有半導體吸收型、彎曲損耗型光纖溫度傳感器等等，由于其種類很多，應用發(fā)展也很廣泛。

四、光纖傳溫度感器的應用

在光纖傳感器領域，溫度傳感器的研究和應用比較多， 約占總數(shù)的20%左右。它具有光纖傳感器的固有優(yōu)勢，除了應用于一些傳統(tǒng)領域的測溫，還能應用在某些特殊領域，例如高溫高壓、易燃易爆、強電磁干擾和化學腐蝕性強的場所，因此具有很大的市場需求。目前光纖溫度傳感器的研究和應用領域包含醫(yī)療、建筑、電力、化工和航空航天等，本文只介紹幾種領域內的典型應用。

（一）醫(yī)學領域的應用

醫(yī)用光纖溫度傳感器的主要特點是它的尺寸普遍偏小，設計很堅固，整體系統(tǒng)的精度，可重復使用。例如光纖光柵傳感器是迄今為止能做到的最小的傳感器，可以以很小的傷害進入人體內部，精確探測局部的壓力、溫度和聲波場信息;又例如我們所熟知的醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)，是在強電磁場干擾的環(huán)境下工作的，它的溫控系統(tǒng)也是用的光纖溫度傳感器來測量的，可靠性得到保證。

（二）航天航空領域的應用

在航天航空領域，使用傳感器的數(shù)量非常多。例如一架飛行器需要傳感的信息包括溫度、壓力、燃料液位、振動、方向舵和機翼的位置等，內部傳感器數(shù)量可多達上百個，因此需要傳感器的尺寸和重量都要非常小。尤其在對環(huán)境控制系統(tǒng)和飛行發(fā)動機系統(tǒng)測控時，需要溫度進行實時監(jiān)控，而傳統(tǒng)的溫度傳感器采用熱電偶或熱敏電阻的元器件，不能滿足航空航天裝備的傳感需要。光纖傳感器尺寸小、重量輕、抗干擾能力強、測量準確度高，具有其他傳感器無法比擬的優(yōu)勢， 在航空航天系統(tǒng)有十分廣泛的應用前景。

（三）電力行業(yè)的應用

由于光纖溫度傳感器具有體積小、抗電磁干擾能力強、電絕緣性能好，耐腐蝕和本質安全等優(yōu)勢，因此被廣泛應用于電力系統(tǒng)的在線溫度檢測。例如各類大中型發(fā)電機、電動機和變壓器的溫度檢測，電力電纜密集區(qū)的溫度檢測，電力系統(tǒng)的熱動保護或故障診斷等。

（四）建筑行業(yè)的應用

光纖或者光纖光柵能夠很容易的埋入一些建筑或橋梁的材料中，這樣利用光纖傳感器就能夠對建筑內部的溫度實現(xiàn)大范圍和高精度的測量。國外許多國家和地區(qū)很早就將光纖傳感器應用于橋梁或建筑中，通過傳感橋梁的溫度、應力應變、位移等重要參數(shù)，對建筑實現(xiàn)安全檢測和預警。在國內，這方面的應用也有很廣泛的空間。

五、光纖溫度傳感器發(fā)展趨勢

在過去的幾十年時間，許多光纖溫度傳感器進入了實用化和商品化階段。光纖溫度傳感器的獨特優(yōu)勢使它具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。未來的發(fā)展，除了要進一步提高產(chǎn)品性能和降低成本外，還應致力于開拓新的應用領域。技術研究可大力發(fā)展集成化的光纖溫度傳感器，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，研制大型傳感器陣列，實現(xiàn)多功能全光纖控制等。總之，這種傳感器的市場應用前景還是十分廣闊的。

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