光纤在温度传感器方面的应用
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作者: 谢晓宇
摘要：本文主要介绍几种光纤传感器的原理以及其优缺点。
关键词：光纤 温度传感器 原理
引言
光纤温度传感器采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纤外面，使光能由一根光纤输入该反射面出另一根光纤输出，由于这种新型温敏材料受温度影响，折射率发生变化，因此输出的光功率与温度呈函数关系。其物理本质是利用光纤中传输的光波的特征参量，如振幅、相位、偏振态、波长和模式等，对外界环境因素，如温度，压力，辐射等具有敏感特性。
1、几种光纤温度传感器介绍
1.1辐射光纤温度传感器
属于被动式温度测量，测量原理为黑体辐射定律，即物质受热时将发出一定的热辐射，辐射量大小取决于该物质的温度和材料了辐射系数，光纤本身作为一个待测温度飞黑体腔。对于理想黑体当温度为230时，开始出现暗红色辐射，亮度岁着温度的增强而增强。辐射能量由探头中的物镜汇聚，用滤色镜限制工作光检测器测量光强的变化，就可以得出所检测的温度。
1.2半导体吸收式光纤温度传感器
利用半导体材料的吸收光谱温度变化的特性。半导体材料吸收光谱随着温度变化而变化，当光通过半导体材料时，材料会吸收一部分光分子能量，当光分子能量超过半导体近代宽的能量时，传输光的波长会发生变化。选择适当的半导体光源使其光谱范围正好落在吸收区域，这样透过半导体材料的光强度随温度的增加而减小。
1.3分布式光纤温度传感器
分布式光纤温度传感器通常是将光纤沿场排布, 测量光在光纤中传输时所产生的散射光, 根据散射光所携带的温度信息, 同时采用光时域反射( OTDR) 技术, 对沿光纤传输路径的空间分布和随时间变化的信息进行测量或监控。在分布式光纤温度传感器中主要涉及的是光纤中的以下三种散射: 瑞利散射、喇曼散射和布里渊散射。
1.4荧光光纤温度传感器
荧光测温法的工作机理建立在光致发光这一基本物理现象上 。当某些荧光材料受到紫外光激发时会发出荧光, 其荧光强度与荧光材料的温度及激发光强度有关。
1.5干涉型光纤温度传感器
通过检测相位的变化来测量温度。干涉仪的信号臂和参考臂由单模光纤组成，参考臂置于恒温器重，它在测温过程中光程始终不变而信号臂在温度作用下长度与折射率会发生变化。工作时，有激光器发出激光束经分束器由显微镜物镜耦合进入两条长度基本相等的单模光纤。把两条光纤的输出端合在一起，则两束光产生干涉，出现干涉条纹。当干涉仪的信号臂光纤受到温度场作用后，其中的光波相位发生变化，从而引起干涉条纹的移动。
1.6光纤液体温度传感器
利用一种透明液体作为包层构成的光纤温度传感器。是一种无源的光学传感器，在结构上采用投射式。光纤中的一段包层被腐蚀掉露出纤维，然后将这一段密封在充满某种液体的玻璃管内，这样管内液体变成了光纤的包层，由于液体折射率随温度变化，输出光强也随之变化，由光强的变化得出检测温度。
消除了测量系统受温度的影响,使用不同的液体,能够改变输出电压与温度关系的区间,也就是说,改变液体的折射率可以测得各种温度间隔范围内的温度.
2、几种光纤温度传感器优缺点比较
2.1辐射光纤温度传感器
优点：非接触式测量，可测运动物体的瞬时温度，相应速度快，没有一般温度计的热平衡时间，可作为高温测量。
缺点：此种温度计只能测量表面温度,从而引起“ 发射误差”。
2.2半导体吸收式光纤温度传感器
优点：探头体积小灵敏度高，工作可靠，适用于高电压系统中的高温测量，具有重要应用价值。可在一些特殊场合如：如易燃易爆、高电压、强磁场和具有腐蚀性的环境，光线的低损耗传输特性使光纤传感器的光电器件远离现场,避开了恶劣的环境 ，实现遥测。
2.3分布式光纤温度传感器
优点：集传感与传输于一体, 可实现远距离测量与监控; 一次测定就可以获取整个光纤区域的一维分布图; 能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几十、几百甚至几千条信息, 因此单位信息成本大大降低; 测量范围宽, 具有高空间分辨率和高精度; 在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其它传感器无法接近的严酷环境下, 分布式光纤温度传感器具有无可比拟的优点。
2.4荧光光纤温度传感器
优点：具有抗电磁干扰、高压绝缘、稳定可靠、高精度、高灵敏度、微小尺寸、长寿命及耐腐蚀、适应性好等特点，全寿命无须校准标定，非常适合应用于高电压、强电磁(EMI/RFI/EMP)等特殊工业环境中的温度监测。系统设计形式灵活、可靠性高，适合于各种测温需求及拓扑结构复杂的多点温度监测应用领域。
缺点：激励光源的不稳定及测量通道中的光强漂移对测量结果的影响,
2.5干涉型光纤温度传感器
优点：它除了具有一般光纤温度传感器测温准确、响应速度快、抗电磁干扰能力强等优点外,还具有灵敏度极高的特点,是潜在开发灵敏度最高的传感器,它的灵敏度比普通的测温方法高2～3个数量级。特别是嵌入式光纤温度传感器它的灵敏度更高,比放置在空气中的干涉型光纤温度传感器灵敏度要高2～3倍。
不足之处,如,对光源、光纤的性能要求严格、光路和信号处理系统复杂。
参考文献：
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