光纖溫度計(jì)資料匯總

光纖溫度計(jì)【摘要】本文首先大體介紹下溫度計(jì)的產(chǎn)生與開(kāi)展，以與各種溫度計(jì)的根本原理，重點(diǎn)介紹光纖溫度計(jì)的原理與應(yīng)用，最后預(yù)測(cè)溫度計(jì)開(kāi)展的總趨勢(shì)?！娟P(guān)鍵詞】溫度計(jì)光纖溫度計(jì)光纖傳感器開(kāi)展趨勢(shì)一、 溫度計(jì)概述溫度計(jì)是測(cè)溫儀器的總稱，可以準(zhǔn)確的判斷和測(cè)量溫度。利用固體、液體、氣體受溫度的影響而熱脹冷縮等的現(xiàn)象為設(shè)計(jì)的依據(jù)。在物理學(xué)開(kāi)展早期的17、18世紀(jì)，物理學(xué)家對(duì)溫度這一物理量的認(rèn)識(shí)尚很淺薄。意大利物理學(xué)家伽利略在1593年根據(jù)理想氣體的熱膨脹原理設(shè)計(jì)出溫度計(jì)的雛形。伽利略的朋友圣托里奧首次引入溫度的數(shù)值刻度，為后世真正溫度計(jì)的誕生奠定了根底。英國(guó)的費(fèi)迪南德大公爵〔Ferdinand，GrandDukeofTuscany〕于1642年開(kāi)場(chǎng)使用密封在玻璃管中的酒精來(lái)指示溫度的變化。以上幾種溫度計(jì)僅能夠用來(lái)觀測(cè)溫度的漲落，都還沒(méi)有科學(xué)的絕對(duì)溫度標(biāo)定。英國(guó)科學(xué)家牛頓在1701年定義了冰水混合物的溫度為零度。荷蘭物理學(xué)家華倫海特于1709年和1714年分別創(chuàng)造了利用酒精和水銀作為測(cè)量介質(zhì)的更準(zhǔn)確的溫度計(jì)。時(shí)至今日，華倫海特創(chuàng)造的玻璃制的酒精、水銀溫度計(jì)仍然被廣泛的使用。在華氏溫標(biāo)制建立之后10多年，瑞典天文學(xué)家聶耳修斯改良了華倫海特溫度計(jì)的刻度，他把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的沸點(diǎn)定為零度，水的冰點(diǎn)定為100度。后來(lái)他的同事把這兩個(gè)溫度點(diǎn)的數(shù)值又倒過(guò)來(lái)，就成為了現(xiàn)在的百分溫度，即用。C表示的攝氏溫度。繼攝氏、華氏溫標(biāo)建立之后，另一位英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文根據(jù)熱力學(xué)定律于1836年建立了絕對(duì)溫標(biāo)。開(kāi)氏溫標(biāo)的出現(xiàn)是現(xiàn)代溫度計(jì)量的開(kāi)端。二、 溫度計(jì)開(kāi)展歷程根據(jù)使用目的的不同，已經(jīng)設(shè)計(jì)出了多種溫度計(jì)。分別有：1、氣體熱膨脹溫度計(jì)：由伽利略創(chuàng)造的基于氣體熱膨脹效應(yīng)的溫度計(jì)至今仍在工業(yè)中應(yīng)用。冬12-1(A)原始的氣棒膨脹濕度卷示裝曜；(B)琬代的氣體膨服林/指示裝倒由于需要測(cè)量氣體的熱膨脹所造成的氣體壓強(qiáng)的改變，這類溫度傳感器可以看做是壓強(qiáng)傳感器在溫度傳感器中的應(yīng)用。如上圖A所示，溫度敏感介質(zhì)是封裝在玻璃球的氣體，受熱之后氣體的壓強(qiáng)變化造成了管液面的上升和下降，指示溫度的上下。這種原始裝置中由于液體和空氣是聯(lián)通的，因而管液面的高度也會(huì)受到大氣壓強(qiáng)漲落的影響。上圖〔B〕中所示的現(xiàn)代氣體熱膨脹式溫度計(jì)那么防止了這一問(wèn)題。2、玻璃液體溫度計(jì)：玻璃液體溫度計(jì)底端的盛裝溫度敏感液體的玻璃泡與毛細(xì)管相連。玻璃泡中的液體由于熱膨脹而產(chǎn)生的體積改變由毛細(xì)管上的刻度測(cè)量。古老的玻璃溫度計(jì)簡(jiǎn)單可靠、價(jià)格低廉、使用方便，因而能保持生命力至今。但是玻璃溫度計(jì)共同的缺點(diǎn)是熱慣性大、響應(yīng)速度慢、溫度圍有限、測(cè)量結(jié)果不易數(shù)字化，因而在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中應(yīng)用很有限。玻璃液體溫度計(jì)的最低和最高工作溫度分別由敏感液體的凝固點(diǎn)和沸騰點(diǎn)所決定。常見(jiàn)的液體溫度計(jì)的性能指標(biāo):玻璃管中的液體最低工作溫度最高工作溫度典型溫度誤差水銀-35°C+300C±0.1C甲醇-100°C+80C±0.5C甲苯-80C+100C±0.5C有機(jī)油-100C+300C±0.5C3、雙金屬片溫度計(jì)：金屬材料的熱膨脹也可以作為溫度測(cè)量的根底。雙金屬片溫度計(jì)利用兩種熱膨脹系數(shù)不同的金屬材料結(jié)合在一起來(lái)對(duì)熱膨脹效應(yīng)加以放大，從而使得利用固體的熱膨脹測(cè)量溫度的靈敏度大為提高。圖12-4雙金屬片當(dāng)溫度改變的

產(chǎn)生的彎曲結(jié)構(gòu)圖如上圖所示，它的溫度敏感元件由粘結(jié)在一起的一對(duì)熱膨脹系數(shù)差異較大的雙金屬片組成。在環(huán)境溫度改變時(shí)，雙金屬片由于熱膨脹系數(shù)的差異會(huì)發(fā)生彎曲，使自由端發(fā)生彎曲形變。從而檢測(cè)溫度的變化。雙金屬片溫度計(jì)雖然逐步被各種更加靈敏，并能將溫度直接轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的電子式溫敏元件所替代，但由于雙金屬片的適用溫度圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、價(jià)格低廉，目前仍然有著廣泛的應(yīng)用。4、熱電阻溫度計(jì)：基于熱電阻原理測(cè)溫是根據(jù)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的特性，將電阻值的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而到達(dá)測(cè)溫的目的。熱電阻測(cè)溫優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)靈敏度高、易于連續(xù)測(cè)量。但是，它需要電源鼓勵(lì)、有自熱現(xiàn)象以與測(cè)量溫度不能太高。常用熱電阻主要有鉑電阻、銅電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻。由于熱電阻溫度計(jì)較為熟悉，在此不再贅述。5、熱電偶測(cè)溫計(jì)：熱電偶是工業(yè)和武器設(shè)備試驗(yàn)中溫度測(cè)量應(yīng)用最多的器件。它的特點(diǎn)是測(cè)溫圍廣、測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，輸出直接為電信號(hào)，可以遠(yuǎn)傳，便于集中測(cè)量和自動(dòng)控制。熱點(diǎn)偶的測(cè)溫原理在于熱電效應(yīng)。將兩種不同導(dǎo)體A和B連成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)，由于這種熱電效應(yīng)現(xiàn)象是1821年塞貝克首先發(fā)現(xiàn)提出，故又稱為塞貝克效應(yīng)。圖9-8塞貝克效應(yīng)示意圖人們把上圖所示的兩種不同材料構(gòu)成的熱電轉(zhuǎn)換元件稱為熱電偶，導(dǎo)體A和導(dǎo)體B稱為熱電極，通常把兩熱電極一個(gè)端點(diǎn)固定焊接，作為測(cè)量端；另一端點(diǎn)保持為某一恒定溫度或室溫，俗稱為冷端。熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)由溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)組成。溫差電勢(shì)是指同一熱電極兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢(shì)。而接觸電勢(shì)是由于兩熱電極材料不同而具有不同的自由電子密度，其數(shù)值取決于電極材料和接觸點(diǎn)的溫度。由此可見(jiàn)，當(dāng)熱電偶兩熱電極材料確定后，其總電勢(shì)僅與兩端點(diǎn)溫度有關(guān)。據(jù)此可以得到溫度值。困叫］工業(yè)熱電偶基本結(jié)構(gòu) 國(guó)日1出線密耕3一出線孔螺職3-鏈條；1-蓋35—接線柱：6蓋6睇7度線,its接癡屋；9保護(hù)Th2絕緣管；II內(nèi)引戲；1Z熱電儡歐熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)管和接線盒組成。上圖所示，為工業(yè)熱電偶根本結(jié)構(gòu)。三、光纖溫度計(jì)傳統(tǒng)的溫度測(cè)量技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成熟，如熱電偶、熱敏電阻等。它們的敏感機(jī)理是以電信號(hào)為工作根底的，即溫度信號(hào)被電信號(hào)調(diào)制。而在特殊的環(huán)境下，如易燃易爆、高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)，具有腐蝕性氣體、液體以與需要快速響應(yīng)等，光纖溫度計(jì)具有獨(dú)到的優(yōu)越性。光纖溫度計(jì)可分為兩大類，第一類為非功能型，光纖在溫度計(jì)中僅起傳輸光信號(hào)的作用，又稱傳光型或結(jié)構(gòu)型光纖溫度計(jì)。第二類為功能型，光纖不僅起光信號(hào)的傳導(dǎo)作用，它還作為測(cè)溫的敏感元件，利用多種光學(xué)效應(yīng)如偏振干預(yù)、相位干預(yù)等，當(dāng)光纖在受到溫度的影響光纖溫度計(jì)的特點(diǎn)是耐腐蝕，抗電磁干擾，這是其他傳感器所不能相比的。在測(cè)量端可實(shí)現(xiàn)不帶電的全光路系統(tǒng)，因而具有完全的防爆性能。下面介紹兩種典型的光纖溫度計(jì)。（1）半導(dǎo)體吸收式光纖溫度計(jì)一一非功能型根本原理：光纖只起到光信號(hào)傳輸?shù)淖饔谩Ｋ抢冒雽?dǎo)體材料的光吸收響應(yīng)隨溫度而變化的特性，根據(jù)透過(guò)半導(dǎo)體的光強(qiáng)變化檢測(cè)溫度。例如單波長(zhǎng)式半導(dǎo)體光纖溫度傳感器，半導(dǎo)體的透光率與溫度的變化曲線如下列圖所示：溫度變化時(shí)，半導(dǎo)體的透光率曲線發(fā)生變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，曲線將向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，在光源的光譜處于入g附近的特定入射波長(zhǎng)圍，其透過(guò)光強(qiáng)將衰減，測(cè)出光強(qiáng)變化，就可知對(duì)應(yīng)的溫度變化。這類溫度計(jì)測(cè)溫圍為-30笆——300笆。半導(dǎo)體光纖傳感器的裝置簡(jiǎn)圖與探頭結(jié)構(gòu)如下圖：(bi探浪IS3.41半導(dǎo)體光纖溫度傳感器的裝置簡(jiǎn)圖及探頭結(jié)構(gòu)

1—光源；2一光纖；3一探:頭*4一光探測(cè)器；5—不銹鋼套；6一半;導(dǎo)體吸收元件(2)干預(yù)型光纖溫度計(jì)一一功能型根本原理：溫度的變化會(huì)引起相位的變化，即采用相位調(diào)制的方法。通過(guò)光纖干預(yù)儀來(lái)檢測(cè)相位大小的變化即可測(cè)得溫度值。光纖即為溫度敏感元件。馬赫一曾德?tīng)柛深A(yù)光纖應(yīng)變傳感器：馬赫一曾德?tīng)柛深A(yù)儀(fiber-opticMach-Zehnderinterferometricsensor，MZI〕是奧地利物理學(xué)家ErnstMach和LudwigZehnder于19世紀(jì)末創(chuàng)造的。它的根本原理是將相干光分成兩束，在其中一束引入一定的光程差，再使兩束光聚合在一起，通過(guò)對(duì)相位不同的兩束光的干預(yù)效應(yīng)的分析可以測(cè)量他們之間的位相差。圖7-21吧赫道德?tīng)柟饫w應(yīng)變傳感器的基本結(jié)柢由激光源發(fā)射的相干光經(jīng)由入射光纖到達(dá)第一個(gè)光纖耦合器，被分為強(qiáng)度相等的兩束，分別進(jìn)入兩根完全一樣的光纖。兩根光纖，一根用作參考，另一根那么為測(cè)量光纖，它的一段與被測(cè)物體粘結(jié)在一起，被測(cè)物體的應(yīng)變會(huì)引起測(cè)量光纖長(zhǎng)度的微小改變，從而改變?cè)谄渲袀鞑サ墓饩€的光程。當(dāng)兩束光重聚在一起時(shí)，會(huì)發(fā)生干預(yù)效應(yīng)。輸出光強(qiáng)度的改變?nèi)Q于相位差的大小。干預(yù)型光纖溫度計(jì)：光纖中光波的相位由光纖波導(dǎo)的物理長(zhǎng)度、折射率與其分布、波導(dǎo)橫向幾何尺寸所決定。一般來(lái)說(shuō)，壓力、溫度等外界物理量能直接改變上述三個(gè)波導(dǎo)參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，即實(shí)現(xiàn)光纖的相位調(diào)制，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的測(cè)量。但目前各類光纖傳感器都不能感知光波的相位變化，因此必須采用光波的干預(yù)技術(shù)，將相位變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)的變化，這樣才能使用光強(qiáng)探測(cè)實(shí)現(xiàn)外界物理量的測(cè)量?；蛘咧苯硬捎霉饫w干預(yù)儀，根據(jù)干預(yù)條紋即可得到溫度值。KW罌單模光纖耐Ift運(yùn)KW罌單模光纖耐Ift運(yùn)j牛 狷量世干涉條致圖2.53干涉型光纖溫度計(jì)原理圖上圖為馬赫一曾德?tīng)柛深A(yù)儀的光纖溫度計(jì)的原理圖。干預(yù)儀中的信號(hào)臂和參考臂由單模光纖組成，參考臂置于恒溫環(huán)境中，由此它在測(cè)溫過(guò)程中光程始終不會(huì)變化。而信號(hào)臂在溫度的作用下，長(zhǎng)度和折射率會(huì)發(fā)生變化。信號(hào)臂的相位為2n中= n*L力式中入為光源波長(zhǎng)，n為纖芯折射率，L為光纖長(zhǎng)度。對(duì)上式微分，可求出單位長(zhǎng)度上的相位變化，即：8中2口,dnndL. =-(—+ )L8T人8TL8T以氦-氟激光器為例，對(duì)n=1.456的單模光纖有性L8T=5*10-7〔1/笆〕，8n8t=10*10-8〔1/。以，將這些值帶入得，8中8中LT=107rad/(°C?m)上式說(shuō)明，在1m長(zhǎng)的光纖上，溫度每變化1笆那么有17根條紋移動(dòng)，通過(guò)條紋計(jì)數(shù)就能獲得相應(yīng)的溫度值。光纖溫度計(jì)的實(shí)際應(yīng)用一光纖輻射溫度測(cè)量?jī)x：任何物體只要本身與其周圍的溫度不是絕對(duì)零度，那么物體本身就會(huì)向周圍輻射熱量。物體的輻射出射度與輻射的溫度T和發(fā)射率e有關(guān)，只要測(cè)出物體的輻射出射度，又物體的發(fā)射率，即可求出溫度T。根據(jù)光纖測(cè)溫儀應(yīng)用的波長(zhǎng)特性將其分類，可分為光纖紅外測(cè)溫儀、光纖亮度測(cè)溫儀和光纖比色測(cè)溫儀等。下面具體介紹下黑體空腔式光纖測(cè)溫儀。黑體空腔式光纖測(cè)溫儀是由黑體空腔與被測(cè)介質(zhì)到達(dá)溫度平衡，通過(guò)光纖將黑體腔的輻射能量傳輸給光電探測(cè)器件，從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。美國(guó)Accufiber公司研制的藍(lán)寶石光纖高溫計(jì)，采用在藍(lán)寶石前端噴鍍一層

鉑銠金屬膜再在外邊覆蓋一層氧化鋁保護(hù)膜的方法，形成黑體。如下列圖所示:圖8-24藍(lán)寶石光肝高溫計(jì)黑體空腔置于待測(cè)點(diǎn)上，當(dāng)熱傳感頭深入到熱源時(shí)光纖感溫腔與周圍環(huán)境迅速到達(dá)熱平衡，感溫腔輻射的光信號(hào)經(jīng)藍(lán)寶石光纖傳輸。溫度測(cè)量光電放大器由耦合器和探測(cè)器組成。圖3耦合模塊結(jié)構(gòu)示意圖為了提高耦合效率，減少衰減，使光信號(hào)最大限度的遠(yuǎn)距離傳輸，設(shè)計(jì)了耦合模塊。輻射光信號(hào)由透鏡變成平行光后經(jīng)窄帶濾光片通過(guò)另一透鏡會(huì)聚到傳導(dǎo)光纖中，再傳至光電探測(cè)器件。如上圖所示。窄帶干預(yù)濾光片雖然降低了信噪比，但提高了測(cè)溫精度，按照要求選擇窄帶截止型干預(yù)濾光片。光電探測(cè)器選用硅PIN光電二極管與一個(gè)以FET為前端的寬帶低噪聲放大器混合集成的光電接收組件。這種器件是一個(gè)包含小面積，小電容的光電二極管與高輸入阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管前置放大器的組合體.其中所有引線長(zhǎng)度與雜散電容都做得非常小，由于電容小，輸入阻抗高，可以大大降低熱噪聲，這種組件還具有供電電壓低，工作十分穩(wěn)定、使用方便的特點(diǎn)。光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，由數(shù)據(jù)采集局部采集，經(jīng)專用測(cè)溫軟件處理得出測(cè)點(diǎn)的溫度一時(shí)間曲線。下列圖為光電轉(zhuǎn)換原理圖：vcc圖4光電轉(zhuǎn)換原理圖藍(lán)寶石光纖黑體腔高溫計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，靈敏度高，響應(yīng)速度快，壽命長(zhǎng)，適合于惡劣環(huán)境下高溫的測(cè)量。利用專用測(cè)溫軟件顯示溫度一一時(shí)間曲線、電壓一一時(shí)間曲線，通過(guò)光標(biāo)能讀取曲線上任意點(diǎn)的溫度值、電壓值與對(duì)應(yīng)的時(shí)間；藍(lán)寶石光纖高溫計(jì)實(shí)物圖如下所示：近年來(lái)為了解決空間分布的溫度與溫度場(chǎng)的測(cè)量，研制出了分布式光纖溫度計(jì)，它相對(duì)電信號(hào)為根底的溫度傳感器和點(diǎn)式光纖溫度傳感器，無(wú)論從測(cè)量技術(shù)的難度、測(cè)量容與指標(biāo)，還是測(cè)量場(chǎng)合和圍都提高到了一個(gè)新的階段。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是近年來(lái)開(kāi)展起來(lái)的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的系統(tǒng)，它是一種分布式的、連續(xù)的、功能型光纖溫度測(cè)量技術(shù)。其中，光纖既是傳輸媒體也是傳感媒體，利用光纖后向拉曼散射的溫度效應(yīng)，可以對(duì)光纖所在的溫度場(chǎng)進(jìn)展實(shí)時(shí)測(cè)量，利用光時(shí)域反射技術(shù)可以對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)展準(zhǔn)確定位。光纖布拉格光柵是最近十幾年開(kāi)展最為迅速的光纖無(wú)源器件之一，它是利用摻雜〔如錯(cuò)、磷等〕光纖的光敏性，通過(guò)某種工藝方法使外界入射光子和纖芯的摻雜粒子相互作用，導(dǎo)致纖芯折射率沿纖軸方向周期或非周期性永久性變化，在纖芯形成空間相位光柵。當(dāng)溫度變化時(shí)，光纖的柵距和折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致其響應(yīng)波長(zhǎng)的移動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)響應(yīng)波形即可確定溫度。它可以在一根光纖上實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，并能同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變。四、溫度計(jì)的開(kāi)展趨勢(shì)由上分析可知，傳統(tǒng)的溫度計(jì)如玻璃液體溫度計(jì)、雙金屬片溫度計(jì)由于價(jià)格低廉，穩(wěn)定性高仍然會(huì)長(zhǎng)久存在。另一方面，一些更高技術(shù)的溫度計(jì)逐漸被創(chuàng)造利用。很多情況下，對(duì)于實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)或一些特殊條件下的溫度測(cè)量，比方對(duì)極限溫度、高溫腐蝕性介質(zhì)溫度、氣流溫度、固體部溫度、生物體溫度、太空間溫度分布、電磁干擾條件下溫度測(cè)量來(lái)講，要想