第 10 章 光纤温度传感器

1. 第10章 光纤温度传感器 www.ysu.edu.cn

2. 1 2 3 4 10.2 传光型光纤温度传感器 10.3 功能型光纤温度传感器 10.4 分布式光纤温度传感器 第10章 光纤温度传感器 10.1 引 言

3. 10.1 引 言 • 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。

4. 10.1 引 言 • 表10.1 光纤温度传感器的测温机理及特点 • 对测量物体某一点温度或温度场温度的点式光纤温度传感器的研究和开发比较活跃。 • 近几年，为了解决温度场的测量问题，研制出了分布式光纤温度传感器。

5. 半导体光吸收型光纤温度 传感器 10.2.1 热色效应光纤温度传感器 10.2.2 荧光型光纤温度传感器 10.2.3 10.2 传光型光纤温度传感器

6. 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吸收端。 例如 GaAs, CdTe 材料的吸收端在0.9 μm附近，如图10.1(a)所示。 (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

7. 10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器 • 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 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。

8. 10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器 • 一个实用化的设计如图10.2所示。它采用了两个光源，一个是铝镓砷发光二极管，波长 ；另一个是铟镓磷砷发光二极管，波长 。敏感头对 光的吸收随温度而变化，对 光不吸收，故取 光作为参考信号。用雪崩光电二极管作为光探测器。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( )为标准将与温度相关的光信号( )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。

9. 10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器 • 这种传感器的测量范围是-10℃~300℃，精度可达1℃。 图10.2 实用化半导体光吸收型光纤温度传感器

10. 10.2.2 热色效应光纤温度传感器 • 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。 图10.3 热色溶液的光吸收频谱

11. 10.2.2 热色效应光纤温度传感器 • 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 655 nm 波长处，光透射率几乎与温度成线性关系，而在 800 nm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 655 nm 和 800nm 的光作为敏感信号和参考信号。

12. 10.2.2 热色效应光纤温度传感器 • 这种温度传感器的组成如图10.4所示。 • 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 1.5mm，长为 10 mm，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655 nm 和 800 nm 滤波片得到信号光和参考光，再经光电信息处理电路，得到温度信息。

13. 10.2.2 热色效应光纤温度传感器 图10.4 热色效应光纤温度传感器

14. 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 940 nm，荧光波长为 554 nm。

15. 10.2.3 荧光型光纤温度传感器 • 荧光特性如图10.5所示，分为荧光段和余辉段。余辉强度 I(t) 是温度和时间的函数，即 图10.5 光脉冲激励的荧光特性

16. 10.2.3 荧光型光纤温度传感器 (10.1) • 式中， ；A是常数； 是停止激励时的荧光峰值强度，t是温度的函数； 是荧光余辉寿命，是温度的函数。 • 式(10.1)表明， 和 是两个与温度T 有关的独立的参数，可用于计量温度。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)

17. 10.2.3 荧光型光纤温度传感器 • 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。 图10.6 余辉强度积分法示意图图

18. 10.2.3 荧光型光纤温度传感器 • 荧光型光纤温度传感器的组成原理框图如图10.7所示。LED发射波长为940 nm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554 nm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。 • 10.7荧光型光纤温度传感器的组成原理框图

19. 光纤温度开关传感器 热辐射光纤高温传感器 10.3.3 10.3.1 掺杂光纤温度传感器 相位干涉型光纤温度传感器 10.3.4 10.3.2 10.3 功能型光纤温度传感器

20. 10.3.1 光纤温度开关传感器 • 如果光纤纤心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。 • 图10.8示出了三对这种光纤材料的折射率交叉点情况。 图10.8 三对光纤材料的折射率交叉点

21. 10.3.1 光纤温度开关传感器 • 在图10.8中： • 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。

22. 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。 (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

23. 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。 • 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。 • 固定黑体腔光纤高温传感器，其构成原理如图10.10所示。 图10.10 固定黑体腔光纤高温传感器的构成原理

24. 10.3.3 热辐射光纤高温传感器 • 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(α-Al2O3 )光纤、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。 • 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( )；

25. 10.3.3 热辐射光纤高温传感器 • 入射到光电二极管光敏面的黑体辐射功率为 (10.4) • 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。 • 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。

26. 10.3.3 热辐射光纤高温传感器 • 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 。 • 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％ 。

27. 10.3.3 热辐射光纤高温传感器 图10.11 信号检测系统的原理框图

28. 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。 • 马赫-泽得光纤干涉仪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）。

29. 10.3.4 相位干涉型光纤温度传感器 • 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。

30. 10.3.4 相位干涉型光纤温度传感器 • 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）

31. 10.3.4 相位干涉型光纤温度传感器 • 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）。

32. 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。 • 从光纤返回的散射光有三种成分： • (1) 瑞利散射，是强度最高的散射成分； • (2) 拉曼散射； • (3) 布里渊散射。

33. 光纤光时域反射原理 分布式光纤拉曼背向散射光子温度传感器 10.4.1 10.4.3 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 10.4.4 10.4.2 10.4 分布式光纤温度传感器

34. 10.4.1 光纤光时域反射原理 • 光时域反射(Optical Time-Domain Reflectometry, 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。

35. 10.4.1 光纤光时域反射原理 • 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。 图10.12 基于背向散射的光纤分布式传感器的测量原理

36. 10.4.1 光纤光时域反射原理 • 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 ，光脉冲在光纤中传输的路程为2L ，则 2L = vt 。 • 其中， 为光在光纤中的传播速度，v = c/n； 为光在真空中的速度；n 为光纤的折射率。在 时刻测量的是离光纤入射端距离为 处的背向瑞利散射光。

37. 10.4.1 光纤光时域反射原理 • 在空间域，光纤的瑞利背向散射光子数为 (10.7) • 式中， 为射入光纤的光脉冲所包含的光子数； 为与光纤瑞利散射截面相关的系数； 为光纤的背向散射因子； 为入射激光光子频率； 为光纤的损耗； 为被测物理场距光源的长度。 • 可以表示为 (10.8)

38. 10.4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效应 • 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 (10.9) • 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 处的斯托克斯散射光子数为 (10.11)

39. 10.4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效应 • 在光纤处的反斯托克斯散射光子数为 (10.12) • , 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。 和 分别为 (10.13) (10.14) • 式中， 为拉曼声子频率； 为普朗克常量； 为玻耳兹曼常量。

40. 10.4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效应 • 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) • 经过变换有 (10.17) • 由式(10.17)可得局域处的温度为 (10.18)

41. 10.4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效应 • 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。 • 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 已知时，由式(10.19)来确定光纤上各点的温度。

42. 10.4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效应 • 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)。

43. 10.4.3 分布式光纤拉曼背向散射光子温度传感器 • 典型的分布式光纤温度传感器及其系统如图10.13所示。 图10.13 分布式光纤温度传感器及其系统 • 它主要由激光二极管( LD )、光纤波分复用器、光电接收与放大组件、信号采集与处理系统等单元组成。 • 半导体激光器发出一系列光脉冲，经过光纤耦合器进入光纤，来自被测光纤的部分后向散射光再次经过耦合器传输到雪崩光电二极管转换为电信号。

44. 10.4.4 分布式光纤布里渊散射型温度传感器 • 如上所述，当光通过光纤介质时，有一部分光会偏离原来的传播方向而向空中散射，形成三种散射： • 第一种是频率与入射光相同的瑞利散射，它是由光纤折射率的微小变化引起的； • 第二种是与入射光频差为几十太赫兹的拉曼散射，它是由光子与光声子的相互作用而引起的； • 第三种是与入射光频差为几十吉赫兹的布里渊散射，它是由光子与低频声子的相互作用而引起的。

45. 10.4.4 分布式光纤布里渊散射型温度传感器 • 光纤中后向散射光的频谱分布如图10.14所示。 图10.14 光纤中后向散射光的频谱分布

46. 10.4.4 分布式光纤布里渊散射型温度传感器 • 布里渊散射是入射光波场与介质内弹性声波场相互作用而产生的一种光散射现象。 • 依据弹性声波场产生的原因，它可以分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种。前者是介质的宏观弹性振动，其振动的频率较低。受激布里渊散射过程中的弹性声波场是通过电致伸缩效应而发生的。 • 利用光时域反射(OTDR )技术的基本原理出现了一种光时域分析(OTDA )技术，其特点是在光纤两端有输入的光信号。OTDA 技术原理框图如图10.15所示。

47. 10.4.4 分布式光纤布里渊散射型温度传感器 • 光纤右侧的激光器发出一连续光进入光纤，延迟一段时间后，位于光纤左侧的激光器发出一光脉冲进入光纤，这一光脉冲在光纤的传播过程中会不断地与相向传播的连续光发生作用，且两束光的作用同时受到外界物理量的调制，通过光纤左侧的光电探测器检测连续光的强度可以获知被测物理量的大小。 图10.15 OTDA 技术原理框图

48. 习 题 10.1 试设计一种功能型光纤温度传感器，并简述其工作原理。 10.2 试分析分布式光纤温度传感器较传统的温度传感器有哪些优点？