光纖温度傳感器

光纖、光譜分析儀、透明晶體（如砷化鎵）

光纖温度傳感器採用一種和光纖折射率相匹配的高分子温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，由於這種新型温敏材料受温度影響，折射率發生變化，因此輸出的光功率與温度呈函數關係。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，如温度，壓力，輻射等具有敏感特性。它屬於非接觸式測温。

從室温到1800℃全程測温的光纖温度傳感器的系統主要包括端部摻雜的光纖傳感頭、 Y型石英光纖傳導束、 超高亮發光二極管（LED）及驅動電路、 光電探測器、熒光信號處理系統和輻射信號處理系統。

系統的工作原理為: 在低温區（400℃以下）， 輻射信號較弱， 系統開啓發光二極管(LED)使熒光測

温系統工作。 發光二極管發射調製的激勵光， 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温度傳感頭。

光纖傳感頭端部受激勵光激發而發射熒光，熒光信號由光纖導出， 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熒光信號處理系統處理， 計算熒光壽命並由此得到所測温度值。 而在高温區（400℃以上）， 輻射信號足夠強， 輻射測温系統工作， 發光二極管關閉。

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温度。

光纖傳感頭端部由Cr3+離子摻雜， 實現光激勵時的熒光發射。 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， 用於輻射測温。 (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， 避免或減少熒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) 熒光信號中輻射背景信號對熒光壽命檢測精度的影響，

2) 光纖表面鍍覆對熒光強度的影響，

3) 光纖內Cr3+離子摻雜對黑體腔熱輻射信號的影響。

分佈式光纖温度傳感器，通常用在檢測空間温度分佈的系統，其原理最早於1981年提出，後隨着科學家的實驗研究，最終研製出了此項技術。這種傳感器原理髮展是基於三種傳感器的研究，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，因此未來的傳感器研究熱點，將放在對基於喇曼散射（OTDR）的新分佈式光纖傳感器的研究上。

最近，土耳其Gunes Yilmaz開發出了一種分佈式光纖温度傳感器，此傳感器的温度分辨率是1℃，空間分辨率是1。23m。在我國也有很多大學展開了對分佈式光纖温度傳感器的研究，例如，中國計量大學1997年發明出煤礦温度檢測的傳感器系統，其檢測温度為-49℃～150℃，温度分辨率為0。1℃。

當前最熱門的研究，就是針對光纖熒光温度傳感器，其是利用熒光的材料會發光的特性，來檢測發光區域的温度。這種熒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，發射出的光參數和温度是有着必然聯繫的，因此可以通過檢測熒光強度來測試温度。

世界各國的高校都設計過此類傳感器，例如，韓國漢城大學發現10cm的雙摻雜光纖，在其915nm的地方所反射出的熒光強度所對應的温度指數是20℃～290℃；我國清華大學借用半導體GaAs原料來吸收光，進而以光隨温度改變的原理，研發出了温度範圍是0℃～160℃的光纖熒光温度傳感器 ^[1]  。

光纖温度傳感器的種類很多，除了以上所介紹的熒光和分佈式光纖温度傳感器外，還有光纖光柵温度傳感器、干涉型光纖温度傳感器以及基於彎曲損耗的光纖温度傳感器等等，由於其種類很多，應用發展也很廣泛，例如，應用於電力系統、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

光纖温度傳感器在電力系統的應用中得到發展，由於電力電纜温度、高壓配電設備內部温度、發電廠環境的温度等，都需要使用光纖傳感器進行測量，因此就促進了光纖傳感器的不斷完善和發展。尤其是分佈式光纖温度傳感器得到了改善，經過在電力系統行業的應用，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

光纖光柵温度傳感器由於其較高的分辨率和測量範圍廣泛等優點，被廣泛應用於建築業温度測量工作中。西方很多發達國家都已普遍採用此係統，進行建築物的温度、位移等安全指標的測試工作，例如，美國墨西哥使用光柵温度傳感器，對高速公路上橋樑的温度進行檢測。通過廣泛使用，光柵温度傳感器所存在的問題，如：交叉敏感的消除、光纖光柵的封裝等都得到了解決，因而此係統得到了完善。

航空航天業中的應用發展

航空航天業使用傳感器的頻率較高，包括對飛行器的壓力、温度、燃料等各方面的檢測，都需要使用光纖温度傳感器進行檢測，並且所使用到的傳感器數量多達百個，所以對傳感器的大小和重量要求很嚴格。因此，基於航空航天業對傳感器的要求，光纖温度傳感器的體積、重量規格方面都經過了調整 ^[2]  。

光纖傳感器採用的原理、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。而現有的温度傳感器不宜用於易燃易爆場合 ^[3]  。