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光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析

2021-02-15 13:17:24

  温度是度量物体冷热程度的物理量,许多物理现象和化学过程都是在一定温度下进行,人们的日常生活也和温度密切相关。随着科学技术的迅猛发展,对温度的测量也提出了更多更高的要求。以电信号为工作基础的传统的温度传感器,如热电偶、热敏电阻、热释电探测器等温度传感器的发展已经非常成熟,但在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下,基于电信号测量的传统温度传感器便受到很大的限制。

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图1)

  光纤温度传感与测量技术是仪器仪表领域重要的发展方向之一。由于光纤具有体积小、重量轻、可挠、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围大、灵敏度高等特点,对传统的传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的作用,完成前者很难完成甚至不能完成的任务。光纤传感技术用于温度测量,除了具有以上特点外,与传统的温度测量仪器相比,还具有响应快、频带宽、防爆、防燃、抗电磁干扰等特点。

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图2)

  光纤温度传感器是上世纪70年代发展起来的一门新型的测温技术。它基于光信号传送信息,具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压等优势特征。在国外,光纤温度传感器发展很快,形成了多种型号的产品,并已应用到多个领域,取得了很好的效果。国内在这方面的研究也如火如荼,多个大学、研究所与公司展开合作,研发了多种光纤测温系统投入到了现场应用。

  光纤温度传感器特点

  光纤温度传感器与传统的温度传感器相比具有很多优点:

  1、光波不产生电磁干扰,也不怕电磁干扰;

  2、易被各种光探测器件接收,可方便地进行光电或电光转换;

  3、易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配;

  4、光纤工作频率宽,动态范围大,是一种低损耗传输线;

  5、光纤本身不带电,体积小质量轻,易弯曲,抗辐射性能好,特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。

  光纤测温传感器测量温度的方法

  光纤测温传感器是用光纤来测量温度的,有两种方法可实现:

  一是利用被测表面辐射能随温度的变化而变化的特点;利用光纤将辐射能量传输到热敏元件上,经过转换再变成可供纪录和显示的电信号。这种方法独特之处就是可以远距离测量。

  另外一种方法是利用光在光导纤维内传输的相位随温度参数的改变而改变的特点,光信号的相位随温度的变化是由于光纤材料的尺寸和折射率都随温度改变而引起的。

  光纤传感器的基本原理

  传输光光波的某一参数,使其随之变化,然后对已知调制的光信号进行检测,从而得到被测量。当被测物理量作用于光纤传感头内传输的光波时,使的强度发生变化,就称为强度调制光纤传感器;当作用的结果使传输光的波长、相位或偏振态发生变化时,就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传感器。

  几种光纤温度传感器的原理

  光纤温度传感器按其工作原理可分为功能型和传输型两种。功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性f相位、偏振、强度等)随温度变换的特点,进行温度测定。这类传感器尽管具有”传”、”感”合一的特点,但也增加了增敏和去敏的困难。传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用,以避开测温区域复杂的环境,对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的。这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题,增加了系统的复杂性,且对机械振动之类的干扰较敏感。

  光纤光栅温度传感器

  光纤光栅温度传感技术主要研究Bmgg光纤传感技术。根据Bragg光纤光栅反射波长会随温度的变化而产生”波长移位”的原理制成光纤光栅温度传感器。1978年,加拿大渥太华通信研究中心首先发现掺锗石英光纤的光敏效应,采用注入法制成世界上第一只光纤光栅(FBG)。

  光纤光栅温度传感器除了具有普通光纤温度传感器的许多优点外,还有一些明显优于其它光纤温度传感器的方面。其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图3)

  这一传感机制的好处在于:测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响;避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要;能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式测量;很容易埋人材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量。

  尽管光纤光栅温度传感器有很多优点,但在应用中还需考虑很多因素:波长微小位移的检测;宽光谱、高功率光源的获得;光检测器波长分辨率的提高;交叉敏感的消除;光纤光栅的封装;光纤光栅的可靠性;光纤光栅的寿命。

  光纤荧光温度传感器

  光纤荧光温度传感器是目前研究比较活跃的新型温度传感器。荧光测温的工作机理是建立在光致发光这一基本物理现象上。

  所谓光致发光是一种光发射现象,就是当材料由于受紫外、可见光或红外区的光激发,所产生的发光现象。出射的荧光参数与温度有一一对应关系,通过检测其荧光强度或荧光寿命来得到所需的温度的。

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图4)

  强度型荧光光纤传感器受光纤的微弯曲、耦合、散射、背反射影响,造成强度扰动,很难达到高精度。荧光寿命型传感器可以避免上述缺点,因此是采用的主要模式,荧光寿命的测量是测温系统的关键。美国密西西比州立大学用一种商用的环氧胶做温度指示(PAHs)。PAHs在用紫外光激发时发荧光,荧光的强度随环氧胶周围温度的升高而减小,该传感器可监测20℃~100℃范围内的温度。

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图5)

  光纤荧光温度传感器于其它光纤温度传感器相比有自己独特的优点:由于荧光寿命与温度的关系从本质上讲是内在的,与光的强度无关,这样就可以制成自较准的光纤温度传感器。而一般的基于光强度检测的光纤温度传感器则因为系统的光传输特性往往与传输光纤和光纤耦合器等相关而需经常校准。目前国外的研究主要围绕着荧光源的选择.主要为下面几个方面:蓝宝石和红宝石发光、稀土发光及半导体吸收。

  干涉型光纤温度传感器

  干涉型光纤温度传感器是一种相位调制型光纤传感器。它是利用温度改变Mach—Zehnder干涉仪、Fabry—Perot干涉仪、Sagnac干涉仪等一些干涉仪的干涉条纹来外界测量温度。英国的SamerK.AbiKaedBev用长周期光纤光栅做成Mach—Zehnder干涉型光纤温度传感器.其温度分辨率为O.7℃。

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图6)

  干涉型光纤温度传感器的温度分辨率高:动态响应宽:结构灵巧。研究干涉型光纤温度传感器的主要工作放在减小噪声干扰和信号解调上。

  基于弯曲损耗的光纤温度传感器

  基于弯曲损耗的光纤温度传感器利用硅纤芯和塑料包层折射率差随温度变化引起光纤孔径的变化、光纤的突然弯曲引起的局部孔径的变化的原理测量温度。乌克兰采用EBOC生产的多模阶跃塑料包层硅纤芯光纤HCN~H,已做出基于弯曲损耗的光纤温度传感器,其测温范围一30℃~70℃,灵敏度达到O.5℃。

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图7)

  分布式光纤温度传感器

  分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统。分布光纤传感器系统最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的。1983年英国的Hartog用液体光纤的拉曼光谱效应进行了分布式光纤温度传感器原理性实验。1985年英国的Dakin在实验室用氩离子激光器作为光源进行了用石英光纤的拉曼光谱效应的分布光纤温度传感器测温实验。同年Hartog和Dakin分别独立地用半导体激光器作为光源,研制了分布光纤温度传感器实验装置。

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图8)体育竞猜

  分布式光纤温度传感器是基于瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射三种分布式温度传感器。分布式光纤传感器从最初提出的基于光时域散射fOTDRl的瑞利散射系统开始,经历了基于0TDR的喇曼散射系统和基于0TDR的布里渊散射系统.使得测温精度和范围大幅提高。光频域散射fOFDR)的提出也很早,但只有到了近期,伴随着喇曼散射和布里渊散射研究的深入,使OFDR和它们结合才显示出了它的优越性。基于0TDR和OFDR的分布式温度光纤传感器已经显示出了很大的优越性,所以基于OTDR0FDR的分布式温度光纤传感器仍将是研究的热点,尤其是基于OFDR的新的分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。

  www.wgzrj.com光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图9)

  分布式光纤温传感器具有其他温度传感器不可比拟的优点。它能够连续测量光纤沿线所在处的温度,测量距离在几千米范围,空间定位精度达到米的数量级。能够进行不问断的自动测量,特别适用于需要大范围多点测量的直用场合。

  目前对分布式光纤温度传感器研究的重点:实现单根光纤上多个物理参数或化学参数的同时测量:提高信号接收和处理系统的检测能力,提高系统的空间分辨率和测量不确定度,提高测量系统的测量范围,减少测量时间,基于二维或多维的分布式光纤温度传感器网络。

  基于布里渊散射的分布式光纤传感技术

  由于介质分子内部存在一定形式的振动,引起介质折射率随时间和空间周期性起伏,从而产生自发声波场。光定向入射到光纤介质时受到该声波场的作用,光纤中的光学声子和光学光子发生非弹性碰撞,则产生布里渊散射。在布里渊散射中,散射光的频率相对于泵浦光有一个频移,该频移通常称为布里渊频移。散射光布里渊频移量的大小与光纤材料声子的特性有直接关系。当与散射光频率相关的光纤材料特性受温度和应变的影响时,布里渊频移大小将发生变化。因此通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移量就可以实现分布式温度应变测量。

  光纤中布里渊散射通过相对于入射泵浦波频率下移的斯托克斯波的产生来表现,布里渊散射可以看作是泵浦波和斯托克斯波、声波之间的参量相互作用。散射产生的布里渊频移量与光线中的声速成正比:

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图10)

  式中,

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图11)

  实验发现,布里渊功率也随温度和应变而变化,布里渊功率随温度的上升而线性增加,随应变增加而线性下降。因此布里渊功率也可表示为:

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图12)

  其中,

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图13)

  由于应变相对于温度对布里渊散射光功率的影响要小的多,一般可以忽略,而认为布里渊散射光功率只与温度有关。因此由3、4两式可知,通过检测布里渊散射光的光功率和频率即可得到光纤沿线的温度、应变等的分布信息。

  基于布里渊光频域分析(BOFDA)技术的分布式光纤传感器

  BOFDA分布式光纤传感技术是1997年德国D.Garus等人提出的一种新型的分布式光纤传感技术。

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图14)

  BOFDA同样是利用布里渊频移特性来实现温度/应变的传感,但其被测量空间定位不再是传统的广时域反射技术,而是通过得到光纤的复合基带传输函数来实现的。因此传感光纤两端所注入的光为频率不同的连续光,其中探测光与泵浦光频差约等于光纤中的布里渊频移分量

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图15)

  光纤温度传感器的工作原理和应用场景分析(图16)

  光纤温度传感器的应用

  光纤温度传感自问世以来,主要应用于电力系统、建筑、化工、航空航天、医疗以至海洋开发等领域,并已取得了大量可靠的应用实绩。

  1、光纤温度传感器在电力系统有着重要的应用,电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控;高压配电装置内易发热部位的监测;发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统;各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断;火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管道的温度和故障点检测;地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。

  2、光纤温度传感特别是光纤光栅温度传感器很容易埋入材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量,因而被广泛的应用于建筑、桥梁上。美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家早就开展了桥梁安全监测的研究,并在主要大桥上都安装了桥梁安全监测预警系统,用来监测桥梁的应变、温度加速度、位移等关键安全指标。1999年夏,美国新墨西哥LasCruces10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了120个光纤光栅温度传感器,创造了单座桥梁上使用该类传感器最多的记录。

  3、航空航天业是一个使用传感器密集的地方,一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等,所需要使用的传感器超过100个,因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤传感器从尺寸小和重量轻的优点来讲,几乎没有其他传感器可以与之相比。

  4、传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的,光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量,提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的技术相当丰富。对于光纤温度传感器的研究占到将近所有光纤传感器研究的20%。

  光纤温度传感器的研究,除对现有器件进行外场验证、完善和提高外,目前有以下几个发展动向:大力发展测量温度分布的测量技术,即由对单个点的温度测量到对光纤沿线上温度分布,以及大面积表面温度分布的测量;开发包括测量温度在内的多功能的传感器;研制大型传感器阵列,实现全光学遥测。


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