《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》 教案 3-7光纖溫度計(jì)

光纖溫度計(jì)根據(jù)光纖在傳感器中的作用，將其分為功能型(FF)和非功能型(NFF)兩大類。功能型光纖溫度計(jì)當(dāng)光沿單模光纖傳播時(shí)，表征光特性的某些參數(shù)，如振幅、相位、偏振等，會(huì)因外界因素(溫度、壓力、加速度、振動(dòng)和電磁場(chǎng))的改變而改變?；诖私⑵饋淼囊活惞饫w溫度計(jì)稱為功能型光纖溫度計(jì)，光纖在其中不僅起導(dǎo)光作用還起感溫作用。1）相位干涉型光纖溫度計(jì)在功能型光纖溫度計(jì)中，以相位干涉型最有應(yīng)用價(jià)值，其中的典型代表為馬赫-珍德相位干涉光纖溫度計(jì)。采用兩根材質(zhì)相同、長度基本相同的單模光纖，令其出射端平行，則它們的出射光就會(huì)干涉并在屏幕上形成明暗相間的干涉條紋。一根為測(cè)量用光纖，另一根為參考光纖，置于被測(cè)溫度場(chǎng)內(nèi)。當(dāng)溫度變化時(shí)，測(cè)量光線出射光的相位將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致干涉條紋發(fā)生移動(dòng)。溫度變化越大，干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目就越多。通過測(cè)量干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目，就可推出被測(cè)溫度的變化量。圖1是干涉型光纖溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖。圖1馬赫-珍德干涉型光纖溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖1—He-Ne激光器；2—擴(kuò)束鏡；3—分光鏡；4，5—透鏡；6—測(cè)量光纖；7—參考光纖；8—半導(dǎo)體PIN管；9—屏幕激光器1發(fā)射單色光，經(jīng)擴(kuò)束鏡2擴(kuò)束準(zhǔn)直為平行光，再經(jīng)分光鏡3分成兩路分別經(jīng)透鏡4、5進(jìn)行光束直徑聚焦。聚焦后光束大小等于測(cè)量光纖6、參考光纖7的入射端面直徑的大小，兩出射光在屏幕9上產(chǎn)生干涉條紋，屏幕后設(shè)置的半導(dǎo)體管8檢測(cè)出干涉條紋的移動(dòng)。2）法布里-珀羅光纖溫度計(jì)該溫度計(jì)利用法布里-珀羅光纖本身產(chǎn)生的多次反射形成的光束產(chǎn)生干涉，同時(shí)可以采用很長的光纖來獲得很高的靈敏度。它只用一根光纖，干擾要比馬赫-珍德相位干涉光纖溫度計(jì)小得多。法布里-珀羅光纖溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。它包括激光器8、起偏器7、物鏡6、調(diào)制源5、壓電轉(zhuǎn)換器4、光探測(cè)器2、記錄儀1及干涉腔單模光纖(F-P光纖)3。F-P光纖一部分繞在加有正弦電壓的壓電轉(zhuǎn)換器上，光纖的長度受到調(diào)制。只有在產(chǎn)生干涉的各束光通過光纖后出現(xiàn)的相位差時(shí)，輸出才最大，此時(shí)探測(cè)器獲得周期性的連續(xù)脈沖信號(hào)。當(dāng)外界的被測(cè)溫度使得光纖中的光波相位發(fā)生變化時(shí)，輸出脈沖峰值的位置將發(fā)生變化。圖2法布里-珀羅光纖溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖1—記錄儀；2—光探測(cè)器；3—光纖；4—壓電變換器；5—調(diào)制源；6—顯微物鏡；7—起偏器；8—He-Ne激光器非功能型光纖溫度計(jì)非功能型光纖溫度計(jì)又稱傳光型光纖溫度計(jì)。感溫功能由非光纖型敏感元件完成，光纖僅起導(dǎo)光作用，這種光纖溫度計(jì)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)。1）熒光光纖溫度計(jì)（1）熒光強(qiáng)度式光纖溫度計(jì)熒光強(qiáng)度式光纖溫度計(jì)利用光致發(fā)光效應(yīng)制成。稀土熒光物質(zhì)在外加光波的激勵(lì)下，原子處于受激勵(lì)狀態(tài)產(chǎn)生能級(jí)躍遷。當(dāng)受激原子恢復(fù)到初始狀態(tài)時(shí)發(fā)出熒光，且出現(xiàn)余暉，強(qiáng)度與入射能量和熒光材料有關(guān)。當(dāng)入射光能量恒定時(shí)，熒光強(qiáng)度只是溫度的單值函數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中多采用測(cè)量兩個(gè)熒光光譜比值的方法，用于克服測(cè)量中的影響。由于物體的熒光只是在低溫區(qū)才具有可檢測(cè)的熒光溫度特性，因此它只適于低溫區(qū)的測(cè)量。圖3是熒光強(qiáng)度式光纖溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖。光源2在脈沖電源1的激勵(lì)下發(fā)出紫外輻射激光束，經(jīng)透鏡3校直為近似平行光，再由濾光器4去除可見光，經(jīng)分光鏡5其透射部分經(jīng)透鏡6聚焦射入光纖7,再投射到熒光物質(zhì)12上。熒光物質(zhì)12返回的熒光經(jīng)透鏡6校直為近似平行光，再經(jīng)分光鏡5分成兩路，其反射部分經(jīng)濾光器8分出兩路特定波長的譜線，然后經(jīng)過透鏡9聚焦到兩個(gè)固體光電探測(cè)器10上。探測(cè)器輸出的信號(hào)再經(jīng)過放大等處理。熒光強(qiáng)度式光纖溫度計(jì)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)溫范圍寬、重復(fù)性好等特點(diǎn)。測(cè)溫范圍為－30～250℃,一般測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.5℃,等級(jí)高的可達(dá)±0.1℃,響應(yīng)時(shí)間為1/4～4s。熒光強(qiáng)度式光纖溫度計(jì)探頭和傳輸部分連成一體，沒有導(dǎo)電物質(zhì)，特別適合于狹小空間的溫度測(cè)量。圖3熒光強(qiáng)度式光纖溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖1—脈沖電源；2—光源；3，6，9—透鏡；4，8—濾光器；5—分光鏡；7—顯光纖；10—光電探測(cè)器；11—放大處理電路；12—熒光物質(zhì)（2）熒光衰變式光纖溫度計(jì)熒光衰變式光纖溫度計(jì)是基于熒光強(qiáng)度與溫度的關(guān)系設(shè)計(jì)制成的。基于熒光壽命的測(cè)溫技術(shù)無須光強(qiáng)測(cè)量，只要熒光材料選擇得當(dāng)，溫度僅根據(jù)“熒光壽命”這一本征參數(shù)來確定。閃爍光照射到摻雜的晶體上，可以激發(fā)出熒光來。熒光的強(qiáng)度衰變到初值的1/e時(shí)所需要的時(shí)間稱為衰變時(shí)間，而且與溫度有關(guān)。利用熒光物質(zhì)的衰變時(shí)間來控制激勵(lì)光源的調(diào)制頻率，測(cè)量調(diào)制頻率就可測(cè)出溫度。典型熒光衰變式光纖溫度計(jì)結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。發(fā)光二極管2作為激勵(lì)光源，其頻率由熒光物質(zhì)的衰變時(shí)間來控制。光源的光通過透鏡3進(jìn)入濾光器4濾去長波，再經(jīng)過分光鏡5和透鏡6注入光纖7射向熒光物質(zhì)8激發(fā)熒光。返回的熒光有分光鏡5耦合到濾光鏡9上，經(jīng)濾光器后的熒光經(jīng)透鏡10聚焦進(jìn)入探測(cè)器11轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)過放大器12、相移器13和幅度控制器14,最后反饋到調(diào)制器1控制脈沖光源的發(fā)光。系統(tǒng)正常工作后通過計(jì)數(shù)器15測(cè)量振蕩頻率，即可測(cè)量被測(cè)對(duì)象的溫度。熒光衰變式光纖溫度計(jì)的測(cè)量范圍是0～70℃,連續(xù)測(cè)溫的偏差為0.04℃。圖4熒光衰變式光纖溫度計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖1—調(diào)制器；2—發(fā)光二極管；3，6，10—透鏡；4，9—濾光器；5—分光鏡；7—光纖；8—熒光物質(zhì)；11—探測(cè)器；12—放大器；13—相移器；14—幅度控制器；15—計(jì)數(shù)器（3）藍(lán)寶石單晶光纖溫度計(jì)藍(lán)寶石單晶光纖溫度計(jì)綜合了光纖輻射溫度計(jì)和熒光光纖溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)從室溫到1800℃大范圍的溫度測(cè)量，結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。在低溫區(qū)(400℃)輻射信號(hào)較弱，系統(tǒng)開啟發(fā)光二極管3使熒光測(cè)溫系統(tǒng)工作。發(fā)光二極管發(fā)射調(diào)制的激勵(lì)光，經(jīng)透鏡4聚焦到Y(jié)形光纖5的分支端，再經(jīng)光耦合器6透射至紅寶石(熒光發(fā)射體)13上，使其受激發(fā)生熒光。熒光信號(hào)由藍(lán)寶石光纖12導(dǎo)出，經(jīng)光纖耦合器6從Y形光纖5的另一分支端射出，經(jīng)高通濾波器11被光電探測(cè)器10接收。光電探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后由熒光處理系統(tǒng)9處理、計(jì)算，得到被測(cè)對(duì)象的溫度。在高溫區(qū)(400℃以上)輻射測(cè)溫系統(tǒng)工作，發(fā)光二極管關(guān)閉，當(dāng)系統(tǒng)切換到輻射測(cè)溫模式時(shí)，黑體空腔7發(fā)射出輻射信號(hào)經(jīng)藍(lán)寶石光纖12輸出，并經(jīng)Y形光纖5導(dǎo)出，由光電轉(zhuǎn)換器10轉(zhuǎn)成電信號(hào)，再經(jīng)輻射處理系統(tǒng)8處理后，通過檢測(cè)輻射信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算得到被測(cè)對(duì)象溫度。圖5藍(lán)寶石單晶光纖溫度計(jì)原理框圖1—單片機(jī)；2—驅(qū)動(dòng)模塊；3—LED；4—透鏡；5—Y形石英光纖傳導(dǎo)束；6—光纖耦合器；7—黑體空腔；8—輻射處理系統(tǒng)；9—熒光處理系統(tǒng)；10—光電探測(cè)器；11—高通濾波器；12—藍(lán)寶石光纖；13—紅寶石2）半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)由半導(dǎo)體接收器、光纖、光源和光探測(cè)器信號(hào)處理系統(tǒng)等組成。某些半導(dǎo)體材料(如GaAs砷化鎵)展現(xiàn)出獨(dú)特的光譜特性，其吸收光譜極為陡峭，對(duì)光的吸收隨著溫度的升高顯著增強(qiáng)。半導(dǎo)體材料光透射特性如圖6所示，圖中λg為吸收邊沿波長。邊沿線左邊的光能被半導(dǎo)體材料吸收，右邊的光能透過。由圖中可以看出半導(dǎo)體材料的光譜特性分為3個(gè)區(qū)域：①短波部分，入射光全部被吸收，透射為零；②長波部分，吸收為零，入射光全部透過；③中間部分，吸收的邊沿隨溫度升高而向長波方向移動(dòng)。光源發(fā)出的光譜峰值落在吸收的邊沿為λg上，當(dāng)溫度升高時(shí)透過半導(dǎo)體的輻射功率(圖中光源光譜線與半導(dǎo)體的透射光譜線之間的面積)將明顯減少。利用此特性制成半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)。半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)探頭結(jié)構(gòu)如圖7所示，兩根光纖端面中間夾一塊半導(dǎo)體感溫薄片，外面用封熔材料和不銹鋼套固定。光源發(fā)出的光從光纖的一端射入，透過半導(dǎo)體薄片后，光纖的另一端設(shè)置光探測(cè)器。根據(jù)探測(cè)器接收光強(qiáng)的大小就可以測(cè)出半導(dǎo)體薄片位置的溫度。半導(dǎo)體材料常用砷化鎵(GaAs)和碲化鎘(CdTe),厚度分別為0.2mm和0.5mm。上述半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)為單光源、單波長結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、便于推廣，但是測(cè)量準(zhǔn)確度較低。圖6半導(dǎo)體材料光透射特性曲線??—透射率；λg—波長；1—光源光譜特性；2—半導(dǎo)體光譜特性圖7半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)探頭結(jié)構(gòu)圖1—光纖；2—不銹鋼套；3—半導(dǎo)體吸收元件；4—封結(jié)材料雙波長半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)增加了一個(gè)參考光源，其輻射功率與溫度無關(guān)，與耦合效率、光纖衰減等干擾因素有關(guān)。它是利用接收端參考光輻射功率與信號(hào)光輻射功率之比來確定溫度，這就消除了干擾因素的影響，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。雙波長半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)結(jié)構(gòu)原理如圖8所示。光源采用兩只不同波長的發(fā)光二極管，一只是AlGaAs發(fā)光二極管，波長λ1≈0.88μm;另一只是InGaPAs發(fā)光二極管，波長λ?≈1.27μm。它們由脈沖發(fā)生器激勵(lì)而發(fā)出兩束光，通過耦合器4一起射入光纖，再經(jīng)過探頭6，探頭中的半導(dǎo)體元件吸收波長λ的光，吸收率隨溫度而變化；探頭中的半導(dǎo)體元件對(duì)波長λ?的光不吸收幾乎全部透過。波長λ?的光為測(cè)量信號(hào)，波長λ?的光為參考信號(hào)。該溫度計(jì)的測(cè)量范圍為－30～300℃,準(zhǔn)確度可達(dá)1℃。圖8雙波長半導(dǎo)體光纖溫度計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖1—脈沖發(fā)生器；2—LED驅(qū)動(dòng)器；3—LED；4—光耦合器；5，7—光纖連接器；6—測(cè)溫探頭；8—光探測(cè)器；9—信號(hào)處理電路；10—光纖3）熱色效應(yīng)光纖溫度計(jì)許多無機(jī)溶液的顏色(既光吸收譜線)隨溫度變化的特性，稱為熱色效應(yīng)，根據(jù)此原理設(shè)計(jì)的溫度計(jì)稱為熱色效應(yīng)光纖溫度計(jì)。在此溫度計(jì)中無機(jī)溶液為感溫元件，其顏色通過光纖傳導(dǎo)出來用于測(cè)量。熱色效應(yīng)光纖溫度計(jì)探頭結(jié)構(gòu)如圖9所示。無機(jī)溶液2置于玻璃管套管1的頂端，用內(nèi)玻璃套管3封死無機(jī)溶液，然后用環(huán)氧樹脂5粘牢內(nèi)外套管。再把兩束用聚乙烯套管6包裹起來的光纖4插入內(nèi)玻璃套管3中，一束用來導(dǎo)入由光源產(chǎn)生的窄頻帶紅光脈沖，另一束用以接收無機(jī)溶液的反射光。測(cè)量溫度時(shí)把探頭插入被測(cè)介質(zhì)中，無機(jī)溶液感受被測(cè)介質(zhì)的溫度而改變顏色，從而導(dǎo)致無機(jī)溶液對(duì)入射單色光反射強(qiáng)弱的變化，反射光再經(jīng)接收光纖束導(dǎo)出送給光探測(cè)器從而測(cè)出溫度。熱色效應(yīng)光纖溫度計(jì)結(jié)構(gòu)見圖10所示。采用鹵素?zé)襞葑龉庠?,并用斬波器2把輸入光變成頻率穩(wěn)定的光脈沖信號(hào)，然后通過物鏡3把光脈沖導(dǎo)入光纖5,再送至測(cè)溫探頭4中，無機(jī)溶液的反射光經(jīng)接收光纖傳至光纖耦合器6,光纖耦合器把接收的信號(hào)分成兩路，分別經(jīng)波長655nm和800nm的濾光器7進(jìn)行選擇。波長655nm光信號(hào)的振幅是受溫度調(diào)制的測(cè)量信號(hào)，波長800mm的光信號(hào)與溫度無關(guān)，作為參考信號(hào)，這兩路光信號(hào)再經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換測(cè)量，根據(jù)測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的比值計(jì)算測(cè)量溫度。該溫度計(jì)的測(cè)量范圍為5～75℃,分辨率優(yōu)于0.1℃,響應(yīng)時(shí)間為2s。圖9熱色效應(yīng)光纖溫度計(jì)探頭結(jié)構(gòu)圖1—玻璃套管；2—無機(jī)溶液；3—內(nèi)玻璃套管；4—半導(dǎo)纖維束；5，6—環(huán)氧樹脂粘接點(diǎn)；7—聚乙烯套管圖10熱色效應(yīng)光纖溫度計(jì)結(jié)構(gòu)1—光源；2—斬波器；3—透鏡；4—測(cè)溫探頭；5—光纖；6—光纖耦合器；7—濾光器；8—光電探測(cè)器；9—濾波放大器；10—微機(jī)系統(tǒng)根據(jù)使用方法不同，光纖溫度計(jì)又可分為：接觸式光纖溫度計(jì)和非接觸式光纖溫度計(jì)。接觸式光纖溫度計(jì)。使用時(shí)光纖溫度傳感器與被測(cè)溫對(duì)象接觸。如熒光光纖溫度計(jì)，半導(dǎo)體吸收光纖溫度計(jì)等。非接觸式光纖溫度計(jì)。使用時(shí)光纖溫度傳感器不與被測(cè)溫對(duì)象接觸，而采用熱輻射原理感溫，由光纖接收并傳輸被測(cè)物體表面的熱輻射，故又稱為光纖輻射溫度計(jì)。光纖輻射溫度計(jì)如圖11所示，經(jīng)探頭收集的輻射能，由光纖傳輸給探測(cè)器、經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信息處理后顯示出被測(cè)溫度?？梢?，光纖輻射溫度計(jì)與一般輻射溫度計(jì)的區(qū)別是：用探頭與光纖代替一般輻射溫度計(jì)的透鏡和光路。一般輻射溫度計(jì)的透鏡直徑大，難以用于空間狹小或被遮擋等場(chǎng)所，但光纖直徑小且可彎曲則可解決這些特殊情況的溫度測(cè)量問題。圖11光纖輻射溫度計(jì)系統(tǒng)1—被測(cè)目標(biāo)；2—光學(xué)系統(tǒng)；3—光纖；4—探測(cè)器；5—信號(hào)處理系統(tǒng)；6—顯示儀表普通光纖輻射溫度計(jì)由光耦合器、傳輸光纖和光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理單元等部分組成。光耦合器在測(cè)溫時(shí)逼近被測(cè)目標(biāo)，是決定拾光量大小和溫度計(jì)靈敏度的主要元件，其耦合效率是評(píng)估這一性能的重要參數(shù)。輻射面元dF入射到具有平端面的光導(dǎo)纖維時(shí)，其光耦合效率η為 η=WWA=1式中WA——輻射面元dFW——經(jīng)耦合進(jìn)入光纖被傳輸?shù)哪芰?；n0由上式看出，耦合效率的大小直接與數(shù)值孔徑有關(guān)。當(dāng)輻射源處于空氣介質(zhì)中時(shí)，n0=1 η=NA2 （2為提高光纖輻射溫度計(jì)的靈敏度，必須采用較大數(shù)值孔徑的光纖，但NA數(shù)值的大小又直接影響距離系數(shù)的性能指標(biāo)，要綜合考慮。因距離系數(shù)K取決于光纖的數(shù)值孔徑，K可用下式表示 K=12cotarcsin由上式看出，增大NA雖然可以提高耦合效率η和儀表的靈敏度，但卻要相應(yīng)地減小K。即在保持測(cè)量距離不變的情況下，要求有更大的被測(cè)靶徑，這樣便不能用于小目標(biāo)測(cè)量。綜合考慮測(cè)量距離與被測(cè)目標(biāo)大小問題，光纖輻射溫度計(jì)探頭設(shè)計(jì)有兩大類結(jié)構(gòu)，即直接耦合式與透鏡耦合式兩類，其結(jié)