光纖溫度感測器

光纖溫度感測器是一種感測裝置，利用部分物質吸收的光譜隨溫度變化而變化的原理，分析光纖傳輸的光譜了解實時溫度，主要材料有光纖、光譜分析儀、透明晶體等，分為分散式、光纖螢光溫度感測器。

基本介紹

• 中文名：光纖溫度感測器
• 外文名：Fiber-optic Temperature Sensor
• 類別：分散式、光纖螢光溫度感測器 
• 主要材料：光纖、光譜分析儀、透明晶體
• 性質：感測器

主要材料

光纖、光譜分析儀、透明晶體（如砷化鎵）

光纖溫度感測器採用一種和光纖折射率相匹配的高分子溫敏材料塗覆在二根熔接在一起的光纖外面，使光能由一根光纖輸入該反射面從另一根光纖輸出，由於這種新型溫敏材料受溫度影響，折射率發生變化，因此輸出的光功率與溫度呈函式關係。其物理本質是利用光纖中傳輸的光波的特徵參量，如振幅、相位、偏振態、波長和模式等，對外界環境因素，如溫度，壓力，輻射等具有敏感特性。它屬於非接觸式測溫。

系統結構

從室溫到1800℃全程測溫的光纖溫度感測器的系統主要包括端部摻雜的光纖感測頭、 Y型石英光纖傳導束、 超高亮發光二極體（LED）及驅動電路、 光電探測器、螢光信號處理系統和輻射信號處理系統。

系統的工作原理為: 在低溫區（400℃以下）， 輻射信號較弱， 系統開啟發光二極體(LED)使螢光測

圖1 螢光光纖溫度感測器感測探頭&amp

溫系統工作。 發光二極體發射調製的激勵光， 經聚光鏡耦合到Y型光纖的分支端， 由Y型光纖並通過光纖耦合器耦合到光纖溫度感測頭。

光纖感測頭端部受激勵光激發而發射螢光，螢光信號由光纖導出， 並通過光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出， 由光電探測器接收。

光電探測器輸出的光信號經放大後由螢光信號處理系統處理， 計算螢光壽命並由此得到所測溫度值。 而在高溫區（400℃以上）， 輻射信號足夠強， 輻射測溫系統工作， 發光二極體關閉。

輻射信號通過藍寶石光纖並通過Y型光纖輸出， 由探測器轉換成電信號， 系統通過檢測輻射信號強度計算得到所測溫度。

光纖感測頭端部由Cr3+離子摻雜， 實現光激勵時的螢光發射。 摻雜部分光纖長度為8～10 mm。 端部光纖的外表面同時鍍覆黑體腔， 用於輻射測溫。 (這時，光纖黑體腔長度與直徑之比大於10，可以滿足黑體腔表觀輻射率恆定的要求)。 值得注意的是， 避免或減少螢光發射部分與熱輻射部分的相互干擾， 對保證整個系統的性能十分重要。

經過分析， 可以發現這種干擾主要表現為:

1) 螢光信號中輻射背景信號對螢光壽命檢測精度的影響，

2) 光纖表面鍍覆對螢光強度的影響，

3) 光纖內Cr3+離子摻雜對黑體腔熱輻射信號的影響。

類別

分散式光纖溫度感測器
分散式光纖溫度感測器，通常用在檢測空間溫度分布的系統，其原理最早於1981年提出，後隨著科學家的實驗研究，最終研製出了此項技術。這種感測器原理髮展是基於三種感測器的研究，分別是瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射。在瑞利散射（OTDR）和布里淵散射（OTDR）的研究已取得了很大的進展，因此未來的感測器研究熱點，將放在對基於喇曼散射（OTDR）的新分散式光纖感測器的研究上。

最近，土耳其Gunes Yilmaz開發出了一種分散式光纖溫度感測器，此感測器的溫度解析度是1℃，空間解析度是1。23m。在我國也有很多大學展開了對分散式光纖溫度感測器的研究，例如，中國計量大學1997年發明出煤礦溫度檢測的感測器系統，其檢測溫度為-49℃～150℃，溫度解析度為0。1℃。
光纖螢光溫度感測器
當前最熱門的研究，就是針對光纖螢光溫度感測器，其是利用螢光的材料會發光的特性，來檢測發光區域的溫度。這種螢光的材料通常在受到紫外線或紅外線的刺激時，就會出現發光的情況，發射出的光參數和溫度是有著必然聯繫的，因此可以通過檢測螢光強度來測試溫度。

世界各國的高校都設計過此類感測器，例如，韓國漢城大學發現10cm的雙摻雜光纖，在其915nm的地方所反射出的螢光強度所對應的溫度指數是20℃～290℃；我國清華大學借用半導體GaAs原料來吸收光，進而以光隨溫度改變的原理，研發出了溫度範圍是0℃～160℃的光纖螢光溫度感測器。

發展前景

光纖溫度感測器的種類很多，除了以上所介紹的螢光和分散式光纖溫度感測器外，還有光纖光柵溫度感測器、干涉型光纖溫度感測器以及基於彎曲損耗的光纖溫度感測器等等，由於其種類很多，套用發展也很廣泛，例如，套用於電力系統、建築業、航空航天業以及海洋開發領域等等。

在電力系統行業的發展

光纖溫度感測器在電力系統的套用中得到發展，由於電力電纜溫度、高壓配電設備內部溫度、發電廠環境的溫度等，都需要使用光纖感測器進行測量，因此就促進了光纖感測器的不斷完善和發展。尤其是分散式光纖溫度感測器得到了改善，經過在電力系統行業的套用，從而使其接收信號和處理檢測系統的能力都得到了提升。

在建築業的發展

光纖光柵溫度感測器由於其較高的解析度和測量範圍廣泛等優點，被廣泛套用於建築業溫度測量工作中。西方很多已開發國家都已普遍採用此系統，進行建築物的溫度、位移等安全指標的測試工作，例如，美國墨西哥使用光柵溫度感測器，對高速公路上橋樑的溫度進行檢測。通過廣泛使用，光柵溫度感測器所存在的問題，如：交叉敏感的消除、光纖光柵的封裝等都得到了解決，因而此系統得到了完善。

航空航天業中的套用發展

航空航天業使用感測器的頻率較高，包括對飛行器的壓力、溫度、燃料等各方面的檢測，都需要使用光纖溫度感測器進行檢測，並且所使用到的感測器數量多達百個，所以對感測器的大小和重量要求很嚴格。因此，基於航空航天業對感測器的要求，光纖溫度感測器的體積、重量規格方面都經過了調整。

優點

光纖感測器採用的原理、結構、式樣最多，其潛在的優點是測量精度高、抗電磁干擾、安全防爆、可繞性好。而現有的溫度感測器不宜用於易燃易爆場合。