光纤温度传感器
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燕山大学光电子系
10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器
一个实用化的设计如图10.2所示。这种传感器的测量范围是-10℃~300℃，精 度可达1℃。
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10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器
两个光源，铝镓砷发光二 极管：波长λ1 ≈0.88μm； 铟镓磷砷发光二极管，波 长λ2≈1.27μm 。敏感头对λ1 光的吸收随温度而变化， 对λ2光不吸收，故取λ2光作 为参考信号。用雪崩光电 二极管作为光探测器。
光探测器输出信号经采样放大器后，得到两个正比于脉冲宽度 的直流信号，再由除法器以参考光信号(λ2)为标准将与温度相关 的光信号(λ1)归一化。于是，除法器的输出只与温度T有关。采
用单片机进行信息处理即可显示温度。
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10.2.2 热色效应光纤温度传感器
许多无机溶液的颜色随 温度而变化，因而溶液的 光吸收谱线也随温度而变 化，称为热色效应。其中 钴盐溶液表现出最强的光 吸收作用，热色溶液如
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光纤温度传感器
光纤温度传感器的测温机理及特点下表10.1 传光型光纤温度传感器：使用电子式敏感器件，光纤仅为信号的传输通道； 传感型光纤温度传感器：利用其本身具有的物理参数随温度变化的特性检测温度，
光纤本身为敏感元件，其温度灵敏度较高；但由于光纤对温度以外的干扰如振动、 应力等的敏感性，使其工作的稳定性和精度受到影响。
信号。
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10.2.2 热色效应光纤温度传感器
这种温度传感器的组成如图10.4所示。
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源自文库
10.2.2 热色效应光纤温度传感器
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红外温度传感器
❖自然界一切温度高于绝对 零度的物体。由于分子的热 运动都在不停地向周围空间 辐射包括红外波段在内的电 磁波。其辐射能量密度与物 体本身的温度关系符合普朗 克定律
公式是？？？
❖ 而在特殊工况和环境下，如易燃、易爆、高电压、强电磁场、 具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等，光
第10章 光纤温度传感器
第10章 光纤温度传感器
1 10.1 引 言 2 10.2 传光型光纤温度传感器 3 10.3 功能型光纤温度传感器 4 10.4 分布式光纤温度传感器
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10.1 引 言
❖ 在科研和工农业生产中，温度是检 测与控制的重要参数。
❖ 传统的温度测量技术已很成熟，如 热电偶、热敏电阻、光学高温计、 半导体以及其他类型的温度传感器。 它们的敏感特性都是以电信号为工 作基础的，即温度信号被电信号调 制；
表10.1 光纤温度传感器的测温机理及特点
测温机理
传感器的特点
荧光 激发的荧光（强度、时间）与测量温度的相关性
光干涉 法布里-珀罗器件，薄膜干涉
光吸收 砷化镓等半导体吸收
热致光辐射 黑体腔、石英、红外光纤、光导棒
光散射
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载有温度信息的光在光纤中形成的拉曼散射、瑞利 散射
10.2 传光型光纤温度传感器
纤温度测量技术具有独到的优越性。
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光纤温度传感器
❖光纤用于温度测量的机理与结构形式多种多样，按 光纤所起的作用基本上可分为两大类：一类是传光 型，这类传感器仅由光纤的几何位置排布实现光转 换功能；另一类是传感型，它以光的相位、波长、 强度（干涉）等为测量信号。
❖传光型与传感型相比，虽然其温度灵敏度较低，但 是由于具有技术上容易实现、结构简单、抗干扰能 力强等特点，在实用化技术方面取得了突破，发展 较快。如荧光衰减型、热辐射型光纤温度传感器已 达到实用水平。
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10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器
(a) 光吸收温度特性
(b) 结构
图10.1 半导体光吸收型光纤温度传感器
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10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器
用这种半导体材料作为温度敏感头的原理是，它们 的禁带宽度随温度升高几乎线性地变窄，相应的红限 波长λg几乎线性地变长，从而使其光吸收端线性地向 长波方向平移。显然，当一个辐射光谱与 相一致 的光源发出的光通过半导体时，其透射光强随温度升 高而线性地减小。图10.1(a)示出了这一说明。采用 如图10.1(b)所示的结构，就组成了一个最简单的光 纤温度传感器。这种结构由于光源不稳定的影响很大， 实际中很少采用。
❖ 而在特殊工况和环境下，如易燃、易爆、高电压、强电磁场、 具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等，光
纤温度测量技术具有独到的优越性。
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由于光纤本身的电绝缘性以及固有的宽频带等优 点，使得光纤温度传感器突破了电调制温度传感器的 限制。同时，由于其工作时温度信号被光信号调制， 传感器多采用石英光纤，传输的幅值信号损耗低，并 可以远距离传输，使传感器的光电器件远离现场，避 免了恶劣的环境。在辐射测温中，光纤代替了常规测 温仪的空间传输光路，使干扰因素如尘雾、水汽等对 测量结果影响很小。光纤质量小，截面小，可弯曲传 输测量不可视工作温度，便于特殊工况下的安装使用。
[(CH3 )3CHOH CoCl2 ]
溶液的光吸收频谱如图10.3 所示。
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10.2.2 热色效应光纤温度传感器
从 图10.3 可见， 在25℃ ~ 75℃之间的不同温度下，波长 在400 ~ 800nm范围内有强烈 的热色效应。在655 nm波长处， 光透射率几乎与温度成线性关 系，而在800 nm处，几乎与温 度无关。同时，这样的热色效 应是完全可逆的，因此可将这 种溶液作为温度敏感探头，并 分别采用波长为655 nm和800 nm 的 光 作 为 敏 感 信 号 和 参 考
10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器 10.2.2 热色效应光纤温度传感器 10.2.3 荧光型光纤温度传感器
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10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器 许多半导体材料在它的红限波长 （即g 其禁带宽度对应的波长）
的一段光波长范围内有递减的吸收特性，超过这一波段范围几 乎不产生吸收，这一波段范围称为半导体材料的(能带隙)吸收 端。如GaAs, CdTe材料的吸收端在0.9μm附近，如图10.1(a) 所示。
10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器
一个实用化的设计如图10.2所示。这种传感器的测量范围是-10℃~300℃，精 度可达1℃。
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10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器
两个光源，铝镓砷发光二 极管：波长λ1 ≈0.88μm； 铟镓磷砷发光二极管，波 长λ2≈1.27μm 。敏感头对λ1 光的吸收随温度而变化， 对λ2光不吸收，故取λ2光作 为参考信号。用雪崩光电 二极管作为光探测器。
光探测器输出信号经采样放大器后，得到两个正比于脉冲宽度 的直流信号，再由除法器以参考光信号(λ2)为标准将与温度相关 的光信号(λ1)归一化。于是，除法器的输出只与温度T有关。采
用单片机进行信息处理即可显示温度。
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10.2.2 热色效应光纤温度传感器
许多无机溶液的颜色随 温度而变化，因而溶液的 光吸收谱线也随温度而变 化，称为热色效应。其中 钴盐溶液表现出最强的光 吸收作用，热色溶液如
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光纤温度传感器
光纤温度传感器的测温机理及特点下表10.1 传光型光纤温度传感器：使用电子式敏感器件，光纤仅为信号的传输通道； 传感型光纤温度传感器：利用其本身具有的物理参数随温度变化的特性检测温度，
光纤本身为敏感元件，其温度灵敏度较高；但由于光纤对温度以外的干扰如振动、 应力等的敏感性，使其工作的稳定性和精度受到影响。
信号。
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10.2.2 热色效应光纤温度传感器
这种温度传感器的组成如图10.4所示。
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源自文库
10.2.2 热色效应光纤温度传感器
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红外温度传感器
❖自然界一切温度高于绝对 零度的物体。由于分子的热 运动都在不停地向周围空间 辐射包括红外波段在内的电 磁波。其辐射能量密度与物 体本身的温度关系符合普朗 克定律
公式是？？？
❖ 而在特殊工况和环境下，如易燃、易爆、高电压、强电磁场、 具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等，光
第10章 光纤温度传感器
第10章 光纤温度传感器
1 10.1 引 言 2 10.2 传光型光纤温度传感器 3 10.3 功能型光纤温度传感器 4 10.4 分布式光纤温度传感器
燕山大学光电子系
10.1 引 言
❖ 在科研和工农业生产中，温度是检 测与控制的重要参数。
❖ 传统的温度测量技术已很成熟，如 热电偶、热敏电阻、光学高温计、 半导体以及其他类型的温度传感器。 它们的敏感特性都是以电信号为工 作基础的，即温度信号被电信号调 制；
表10.1 光纤温度传感器的测温机理及特点
测温机理
传感器的特点
荧光 激发的荧光（强度、时间）与测量温度的相关性
光干涉 法布里-珀罗器件，薄膜干涉
光吸收 砷化镓等半导体吸收
热致光辐射 黑体腔、石英、红外光纤、光导棒
光散射
燕山大学光电子系
载有温度信息的光在光纤中形成的拉曼散射、瑞利 散射
10.2 传光型光纤温度传感器
纤温度测量技术具有独到的优越性。
燕山大学光电子系
光纤温度传感器
❖光纤用于温度测量的机理与结构形式多种多样，按 光纤所起的作用基本上可分为两大类：一类是传光 型，这类传感器仅由光纤的几何位置排布实现光转 换功能；另一类是传感型，它以光的相位、波长、 强度（干涉）等为测量信号。
❖传光型与传感型相比，虽然其温度灵敏度较低，但 是由于具有技术上容易实现、结构简单、抗干扰能 力强等特点，在实用化技术方面取得了突破，发展 较快。如荧光衰减型、热辐射型光纤温度传感器已 达到实用水平。
燕山大学光电子系
10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器
(a) 光吸收温度特性
(b) 结构
图10.1 半导体光吸收型光纤温度传感器
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10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器
用这种半导体材料作为温度敏感头的原理是，它们 的禁带宽度随温度升高几乎线性地变窄，相应的红限 波长λg几乎线性地变长，从而使其光吸收端线性地向 长波方向平移。显然，当一个辐射光谱与 相一致 的光源发出的光通过半导体时，其透射光强随温度升 高而线性地减小。图10.1(a)示出了这一说明。采用 如图10.1(b)所示的结构，就组成了一个最简单的光 纤温度传感器。这种结构由于光源不稳定的影响很大， 实际中很少采用。
❖ 而在特殊工况和环境下，如易燃、易爆、高电压、强电磁场、 具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等，光
纤温度测量技术具有独到的优越性。
燕山大学光电子系
由于光纤本身的电绝缘性以及固有的宽频带等优 点，使得光纤温度传感器突破了电调制温度传感器的 限制。同时，由于其工作时温度信号被光信号调制， 传感器多采用石英光纤，传输的幅值信号损耗低，并 可以远距离传输，使传感器的光电器件远离现场，避 免了恶劣的环境。在辐射测温中，光纤代替了常规测 温仪的空间传输光路，使干扰因素如尘雾、水汽等对 测量结果影响很小。光纤质量小，截面小，可弯曲传 输测量不可视工作温度，便于特殊工况下的安装使用。
[(CH3 )3CHOH CoCl2 ]
溶液的光吸收频谱如图10.3 所示。
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10.2.2 热色效应光纤温度传感器
从 图10.3 可见， 在25℃ ~ 75℃之间的不同温度下，波长 在400 ~ 800nm范围内有强烈 的热色效应。在655 nm波长处， 光透射率几乎与温度成线性关 系，而在800 nm处，几乎与温 度无关。同时，这样的热色效 应是完全可逆的，因此可将这 种溶液作为温度敏感探头，并 分别采用波长为655 nm和800 nm 的 光 作 为 敏 感 信 号 和 参 考
10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器 10.2.2 热色效应光纤温度传感器 10.2.3 荧光型光纤温度传感器
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10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器 许多半导体材料在它的红限波长 （即g 其禁带宽度对应的波长）
的一段光波长范围内有递减的吸收特性，超过这一波段范围几 乎不产生吸收，这一波段范围称为半导体材料的(能带隙)吸收 端。如GaAs, CdTe材料的吸收端在0.9μm附近，如图10.1(a) 所示。