基于光纖的溫度傳感器

   溫度傳感器是基于一個(gè)基本的物理量“溫度”，自然界中的一切過程無不與 溫度!密切相關(guān)。 從伽利略發(fā)明溫度計(jì)開始， 人們開始利用溫度進(jìn)行測量。

　　溫度傳感器是最早開發(fā)、應(yīng)用最廣的一類傳感器。 但真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的， 就是后來的熱電偶傳感器。 50 年以后，德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。 在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下， 本世紀(jì)相繼開發(fā)了包含半導(dǎo)體熱電偶傳感器在內(nèi)的多種溫度傳感器。 與之相應(yīng)， 根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律， 相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。 而光纖自20 世紀(jì)70 年代問世以來， 隨著激光技術(shù)的發(fā)展， 從理論和實(shí)踐上都已證明光纖具有一系列的優(yōu)越性， 光纖在傳感技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益受到廣泛重視， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 涌現(xiàn)了許許多多的光纖溫度傳感器， 并且可以預(yù)料， 在新技術(shù)革命的浪潮中， 光纖溫度傳感器必將得到廣泛的應(yīng)用， 并發(fā)揮出更多的作用。

　　1  光纖溫度傳感器的原理

　　光纖溫度傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器， 待測參數(shù)溫度與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后， 導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)( 如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位等) 發(fā)生變化， 稱為被調(diào)制的信號(hào)光。 再經(jīng)過光纖送入光探測器， 經(jīng)解調(diào)后， 獲得被測參數(shù)。

　　光纖溫度傳感器種類很多 ， 但概括起來按其工作原理可分為功能型和傳輸型兩種。 功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性( 相位、偏振、強(qiáng)度等) 隨溫度變換的特點(diǎn)， 進(jìn)行溫度測定。 這類傳感器盡管具有 傳!、 感!合一的特點(diǎn)， 但也增加了增敏和去敏的困難。 傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號(hào)傳輸?shù)淖饔茫?以避開測溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境。 對待測對象的調(diào)制功能是靠其他物理性質(zhì)的敏感元件來實(shí)現(xiàn)的。 這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題， 增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性， 且對機(jī)械振動(dòng)之類的干擾比較敏感。

　　2  光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀

　　目前已研制成多種光纖溫度傳感器。 下面介紹幾種主要的光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀， 其中有代表性的有光纖Fabry- perot 干涉型溫度傳感器、半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器三種。

　　2.1 光纖Fabry- perot 干涉型溫度傳感器

　　此傳感器的依據(jù)是利用溫度改變Fabry- perot干涉儀的干涉條紋來測量外界溫度。 在現(xiàn)有報(bào)道的光纖法珀溫度傳感器中， 主要采用2 種技術(shù)方案， 其一是采用外徑大于125 nm 的玻璃毛細(xì)管封裝， 由2個(gè)光纖的端面構(gòu)成光纖法珀腔并采用膠封的方式固定于溫度敏感材料中， 另外一種最近發(fā)展起來的技術(shù)是采用MEMS 工藝制作光纖法珀腔 。 但是這兩種方案工藝都比較復(fù)雜， 一致性難以保證， 并且膠的老化和蠕變對于傳感器的性能影響較大。 為了解決該問題， 張文濤等人提出了一種新型金屬封裝的光纖法珀溫度傳感器， 其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光纖法珀溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖。

　　該傳感器采用溫度敏感的金屬材料作為法珀腔的腔體， 利用高精度位移機(jī)構(gòu)將光纖兩端插入金屬毛細(xì)管中形成低精細(xì)度的光纖法珀腔。 光纖在金屬管的兩端通過膠粘的方式固定。 當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)將直接導(dǎo)致金屬毛細(xì)管的熱膨脹， 帶動(dòng)插入金屬管內(nèi)的光纖移動(dòng)， 從而引起光纖法珀腔的腔長變化。 采用這種方案， 避免了膠直接作用于光纖法珀腔腔體上， 消除了由于涂膠不勻引起的應(yīng)力不均勻現(xiàn)象， 簡化了封裝工藝。 同時(shí)， 金屬毛細(xì)管的長度即為該溫度傳感器的標(biāo)距， 它將決定傳感器的靈敏度。 該傳感器的核心結(jié)構(gòu)為光纖法珀干涉腔( F- P 腔) 。 在使用低相干光源時(shí)， 由于低相干光源都具有一定的光譜寬度， 因此可看成是多個(gè)波長， 1， 2， ?， n， 的迭加。 光入射到F- P 腔后， 不斷地在F- P 腔的2個(gè)端面之間進(jìn)行反射和透射， 形成多光束干涉。 在文中所研究的端面反射率很低， 反射光的干涉可看成雙光束干涉， 當(dāng)F- P 腔的腔長是傳輸光半波長的整數(shù)倍時(shí)， 反射光強(qiáng)最大。 通過對峰值波長移動(dòng)量的測量即可得到待測溫度的變化情況， 該傳感器具有靈敏度與傳感器的標(biāo)距成正比的特性， 可以通過改變標(biāo)距的方法方便地調(diào)整傳感器的靈敏度。 同時(shí)， 該傳感器制作工藝簡單、性能穩(wěn)定、具有很高的實(shí)用價(jià)值， 但是此傳感器所適用的溫度并不高。

　　柯濤等人通過在單模光纖SMF28e 后有軸心偏移地熔接一段特種光子晶體光纖( MM- HNA-5) 制作了一種全光纖微型法- 珀( F- P) 干涉儀， 原理如圖2 所示。

圖2 微型光纖F- P 干涉儀原理圖。

　　SMF28e 的纖芯直徑為8。 2 m， 模場直徑約為10。 4 m， 大于MM- HNA- 5 中間的纖芯， SMF28e纖芯的部分區(qū)域?qū)⑻幱贛M- HNA- 5 光纖的扇形孔中， 與其內(nèi)的空氣相接觸， 由于空氣與SMF28e 纖芯材料( 純SiO2) 的折射率不同， 所以此交界面形成F- P 干涉儀的第一個(gè)面， 部分入射光將被此面反射回SMF28e; 另一部分入射光( 由于SMF28e 的纖芯和MM- HNA- 5 都是純SiO2 材料， 兩者熔接面的反射率很小， 可以近似認(rèn)為沒有形成反射面) 會(huì)耦合進(jìn)入MM- HNA- 5 中心實(shí)芯部分繼續(xù)向前傳播，在MM- HNA- 5 中心實(shí)芯部分的尾端發(fā)生反射( 尾端與外界空氣相接觸處存在折射率差， 形成的F- P 干涉儀的第二個(gè)面) ， 由這兩束反射光形成干涉。 實(shí)驗(yàn)表明， 這種傳感器可以用于l 200 # 的高溫測量， 且得到當(dāng)干涉腔長為3。 46 mm 時(shí)， 其光程差靈敏度約為103 nm/ # 。 這種結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、體積小、靈敏度高、測量范圍廣的光纖F- P 干涉微型溫度傳感器在國防和工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒕哂袠O大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

　　雖然上面介紹的2 種傳感器在各方面均取得了很大的進(jìn)步， 但各自也有不足， 新型金屬封裝的光纖法珀溫度傳感器其適用的溫度不高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 而全光纖微型法- 珀( F- P) 干涉儀制作工藝復(fù)雜。

　　2.2 半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器

　　半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器是利用半導(dǎo)體材料的吸收光譜隨溫度變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)的。 光通過半導(dǎo)體材料時(shí)， 材料會(huì)吸收一部分光子能量， 當(dāng)光子能量超過半導(dǎo)體禁帶寬度能量Eg ( T ) 時(shí)， 傳輸光的波長發(fā)生變化， 由于禁帶寬度隨溫度的變化而變化， 因此半導(dǎo)體材料吸收的波長會(huì)隨溫度而變化，同時(shí)進(jìn)入半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)將發(fā)生變化。 當(dāng)溫度變化時(shí)進(jìn)入半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)將發(fā)生變化， 如果檢測出穿過半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)， 即可得出對應(yīng)的溫度量。

　　許忠保等人 利用半導(dǎo)體光吸收原理設(shè)計(jì)了一種可在高壓、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下應(yīng)用的溫度傳感器。 圖3 所示是系統(tǒng)的工作原理圖。

圖3 系統(tǒng)的工作原理圖。

　　由發(fā)光管穩(wěn)壓電源驅(qū)動(dòng)AlGaAs， InGaAsP 兩發(fā)光二極管發(fā)光， 控制電路控制光開關(guān)分時(shí)接收來自信號(hào)光源( AlGaAs) 與參考光源( InGaAsP) 發(fā)出的光束， 探頭中的GaAs 材料對光有吸收作用， 透射光強(qiáng)與溫度有關(guān)。 首先是讓測量光通過， 然后是參考光通過， 經(jīng)過的路徑和前面完全一樣， 只是由于探頭中的GaAs 材料對它來說是完全透明的。 兩光束通過光纖傳輸后經(jīng)PIN 光電二極管把參考光束和信號(hào)光束轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)， 經(jīng)前置放大、濾波后， 通過A/ D 接口到單片機(jī)， 經(jīng)除法運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理后輸出顯示。 光探頭是由半導(dǎo)體材料GaAs 制作， 其厚度約100 m， 兩邊拋光， 鍍增透膜， 探頭與光纖芯的連接如圖4 所示。

圖4 傳感頭結(jié)構(gòu)圖。

　　實(shí)驗(yàn)證明， 此傳感器其溫度測量范圍在- 10~120 ℃ ， 精確度可達(dá)1 ℃ ， 響應(yīng)時(shí)間22 s， 特別適合超長距離和惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。

　　張英等人基于半導(dǎo)體GaAs 對近紅外光的吸收波峰值隨溫度升高向長波長移動(dòng)從而引起透射率隨溫度變化而變化這一特性設(shè)計(jì)了一種單光路的半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器。 測溫系統(tǒng)原理圖如圖5 所示。

圖5 傳感器實(shí)驗(yàn)原理圖。

　　用7805 穩(wěn)壓器搭建穩(wěn)壓電路驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管( LED) ， 使LED 獲得穩(wěn)定的輸出功率， 經(jīng)耦合裝置將LED 光源部分耦合進(jìn)入光纖， 經(jīng)敏感測頭的光能量攜帶溫度信號(hào)通過耦合裝置耦合到硅光電三極管， 采用集成運(yùn)放LM324 進(jìn)行電壓放大處理， 最后進(jìn)行標(biāo)定。 敏感測頭如圖6 所示。

圖6 敏感測頭結(jié)構(gòu)。

　　采用經(jīng)研磨并拋光厚度達(dá)200 m， 面積約2mm ? 2 mm 的GaAs 片， 將其垂直置于直徑為2。 49mm 的陶瓷套管中。 將GaAs 片粘在一邊的陶瓷插芯端面， 將光纖對準(zhǔn)并固定。 實(shí)驗(yàn)證明: 該單光路光纖溫度傳感器的測量精度可達(dá)到% 1 ℃ ， 響應(yīng)時(shí)間在20 s 之內(nèi)， 有良好的長期穩(wěn)定性、重復(fù)性; 在20~ 70℃ 具有良好的線性， 在這個(gè)范圍內(nèi)對某些環(huán)境下( 如石油工業(yè)、電力工業(yè)) 可得到廣泛應(yīng)用。 根據(jù)傳感頭內(nèi)的各部分材料特性， 以及光纖的熱穩(wěn)定性， 這種傳感器可在- l0~ 300 # 內(nèi)正常工作。

　　由此可見， 上面2 種傳感器后者比前者在響應(yīng)時(shí)間及適用溫度范圍方面均有提高， 但前者適合超長距離使用。 總的來說， 雖然這兩種傳感器性能還不是最佳， 但相比以前的一些傳感器而言已有了很大的提高， 取得了不錯(cuò)的效果。

　　2.3 光纖光柵溫度傳感器

　　光纖光柵溫度傳感器的工作原理是當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化時(shí)， 光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化， 從而使發(fā)射光的波長發(fā)生變化， 通過測量溫度變化前后反射光波長的變化， 就可以獲得溫度的變化情況。

　　FBG 溫度傳感器增敏的原理是利用FBG 對溫度和應(yīng)變同時(shí)敏感的特性， 通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 把FBG 和高熱膨脹系數(shù)材料封裝在一起， 當(dāng)被測溫度變化時(shí)， 通過高熱膨脹系數(shù)材料的形變向FBG 施加一個(gè)應(yīng)變量， 使得FBG 的返回波長變化量加大。 基于此原則的方法大體上分為兩種:

　　( 1) J。 L。 Cruz 等[ 9] 提出直接將FBG 粘貼在高熱膨脹系數(shù)材料上， 當(dāng)溫度升高時(shí)， 高膨脹系數(shù)材料直接拉動(dòng)FBG， 使FBG 的應(yīng)變加大， 返回中心波長的變化量增加。 然而， 這種增敏方式有明顯的缺點(diǎn):

　　增敏效果受到材料的熱膨脹系數(shù)制約、分辨率有限、而且伴有啁啾的負(fù)面效應(yīng)。

　　( 2) Jaehoon Jung 等[ 10] 提出通過采用雙金屬結(jié)構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)溫度增敏， 效果明顯。 溫度變化時(shí)， 雙金屬結(jié)構(gòu)把2 種熱膨脹系數(shù)不同的金屬的長度變化量的差轉(zhuǎn)化成FBG 長度的變化量， 從而提高FBG的溫度靈敏度。 可是， 他們沒有對該類型的FBG 溫度傳感器的結(jié)構(gòu)和精度作進(jìn)一步研究， 限制了它的應(yīng)用范圍。

　　基于上面所提到的2 個(gè)缺點(diǎn)， 李闊[ 11] 等人利用光纖光柵對溫度和應(yīng)變同時(shí)敏感的特性， 設(shè)計(jì)制作了一款雙金屬光纖光柵溫度傳感器， 在地震前兆觀測時(shí)能滿足地溫觀測的精度要求。 雙金屬的溫度增敏原理如圖7 所示。

圖7 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

　　當(dāng)溫度變化時(shí)， 材料A 和材料B 長度均變化，且A 長度的變化量比B 長度的變化量大得多， A 、B 長度的變化量的差值直接傳遞給了FBG。 當(dāng)FBG的應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)， 其返回波長會(huì)隨之發(fā)生變化。

　　FBG 的應(yīng)變量越大， 返回波長變化量也就越大。 因此， 可以通過調(diào)整A 和B 的長度和選用不同熱膨脹系數(shù)的材料來控制FBG 的應(yīng)變量， 從而實(shí)現(xiàn)高分辨率和高精度的溫度測量。 實(shí)驗(yàn)證明: 該傳感器的精度達(dá)到% 0。 05 ℃ ， 獲得了現(xiàn)今光纖光柵溫度傳感器最高的分辨率0。 001 4 ℃ / pm， 再稍微擴(kuò)展下還能利用這個(gè)原理， 設(shè)計(jì)制作一款靈敏度系數(shù)可調(diào)的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器 ， 并通過調(diào)整高靈敏度光纖光柵溫度傳感器的靈敏度改變其量程。

　圖8 雙管式光纖光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

　　由靜等人設(shè)計(jì)了一種對外加應(yīng)力應(yīng)變不敏感的雙管式光纖光柵溫度傳感器。 圖8 為雙管式光纖Bragg 光柵溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 其中， 外套管隔離了外加應(yīng)力應(yīng)變向內(nèi)管的作用， 避免了外力通過內(nèi)管傳遞給光纖Bragg 光柵。 同時(shí)， 由于內(nèi)、外管均是熱傳導(dǎo)性能良好的金屬材料( 比如: 銅) ， 故溫度仍能通過外管和內(nèi)管傳遞給光纖Bragg 光柵， 從而使得Brag g 波長響應(yīng)溫度變化而產(chǎn)生移位。 根據(jù)測溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到光纖光柵溫度傳感器的各項(xiàng)靜態(tài)性能指標(biāo)， 光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)靈敏度為9。 8pm/ ℃ ， 分辨率為0。 102 ℃ ， 線性度為99。 88%， 重復(fù)性誤差1. 55% 。

　　上面介紹的2 種傳感器各有特色， 雙金屬光纖光柵溫度傳感器能達(dá)到非常高的分辨率， 能用于地震前兆的觀測， 而且稍微改變下還能制作出靈敏度系數(shù)可調(diào)的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器， 而后者能實(shí)現(xiàn)消除外加應(yīng)力應(yīng)變的影響， 保障在實(shí)際應(yīng)用中溫度測量的系統(tǒng)精度。

　　3  結(jié) 束 語

　　光纖溫度傳感器自問世以來。 主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)、建筑、化工、航空航天、醫(yī)療以至海洋開發(fā)等領(lǐng)域， 并已取得了大量可靠的應(yīng)用實(shí)績。 它的應(yīng)用是一個(gè)方興未艾的領(lǐng)域， 有著非常廣闊的發(fā)展前景， 迄今為止， 國內(nèi)外已經(jīng)有不少相關(guān)研究， 雖然在靈敏度、測量范圍、分辨率等方面均有了很大的發(fā)展， 但是相信隨著研究的深入， 根據(jù)具體的應(yīng)用目的， 會(huì)有越來越多的精度更高、結(jié)構(gòu)更簡單、成本更低、更實(shí)用的方案提出， 更進(jìn)一步促進(jìn)溫度傳感器的發(fā)展。