光纤温度传感器ppt

光纤荧光温度传感器
当物体受到光或放射线照射时,其原子便处于受激状 态.当原子回复至初始状态是随机发出荧光,且荧光的 强度和 辐射光的能量成正比,根据荧光的强度可以检 测温度.而激励撤销后,荧光余晖的持续性取决于荧光 物质特性,环境温度等因素,这种受激发荧光通常是按 指数方式衰减的,我们称衰减的时间常数为荧光寿命 或荧光余晖时间.我们发现,在不同的环境温度下,荧光 余晖衰减也不同.因此也通过测量荧光余晖的寿命的 长短,来检测当时的环境温度.
(2)直接埋入建筑物：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,用于监测桥梁的应变, 温度,加速度,位移等关键安全指标.1999年夏,美国新 墨西哥一所洲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.
光纤荧光温度传感器
强度性荧光光线传感器会受光纤的微弯,耦合,散射 等影响,很难达到高精度,而寿命型荧光传感器则可 避免这些缺点,荧光寿命的测量是测温的关键.目前 的研究主要围绕着荧光源的选择,如蓝宝石和红宝石 发光,稀土发光以及半导体发光.
光纤光栅温度传感器
近年来光纤光栅成为发展最为迅速,最具代表性的光纤无源器件之 一. FBG光栅传感器的传感原理是:如果用一宽光谱光源注入光纤,则每 个FBG光栅都反射回一个中心波长为布拉格波长的窄带光波,其布 拉格波长为 其中A是光栅周期,neff是纤芯的有效折射率. 温度的改变,将导致FBG波长的改变,这个改变可以从光栅的发射光 谱中检测出来,由此可以测定温度. 与一般的光纤温度传感器相比,光纤光栅传感器尺寸下,检测量是 波长信息,因此不受光源影响,光纤弯曲损耗,连接损耗和探测器老化 等因素的影响,对环境干扰不敏感,且波长编码,能方便实用波分复用 技术. 尽管光纤光栅温度传感器有很多优点,但在应用中还有许多待解决 的问题,如宽光谱,高功率光源的获得,光检测器波长分辨率的提高; 光纤光栅的封装;光纤光栅的可靠性;光纤光栅的寿命等.
(3)航空航天业：航空航天业是一个使用传感器密集的 地方,一架飞行器为了检测压力,温度,震动,燃料液位,起 落架状态,机翼和方向舵的位臵等,所需要使用的传感器 超过一百个,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)医学领域：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损害非常小,足以避免对正常医疗过程 的干扰.
布里渊散射
采用布里渊测温具有很大优势，但 是这种方法对激光器的稳定性要求 很高，而且布里渊散射对应力也十 分敏感，这对单独测温系统是不利 的。
Leabharlann Baidu 拉曼散射
基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤 传感技术中最为成熟的一项技术.对该技术开展研究 工作的主要有英国南安普顿大学,中国的重庆大学,和 中国计量学院.目前,该类传感器的一些产品已出现在 国际,国内市场上,最为著名的是英国york公司的dts, 它的空间分辨率和温度分辨率分别能达到2m,3℃,测 量范围为4-8km.从理论上讲,喇曼系统的极限空间分 辨率很高,约厘米量级,但高的输入功率的要求是其最 大的弱点;对受激布里渊系统,使用毫瓦量级的输入功 率实现很长跨度的分布测量并不是问题,关键是其极 限空间分辨率有限.就实际应用来讲,喇曼系统已较成 熟,且已有了性能指标都很优越的商品.而在这一方面 受激布里渊系统还差一些.
(5)井下传感：光纤光栅传感器因其抗电磁干扰,耐高温,长期 稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感,挪威的optoplan正 在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器
热辐射型光纤温度传感器
蓝宝石光纤温度传感器是一种特殊的光纤高温传感 器，它采用蓝宝石单晶光纤作为温度传感头，通过 直接测量光纤黑体本身的热辐射来探测所处环境的 温度。蓝宝石单晶由于具有极好的高温物理化学性 能，熔点最高可达2045℃,是一种优良的红外耐高温 光学材料,非常适用于高温下光纤测温应用,现在已在 辐射性光纤温度传感器光纤传感头上得到应用。
二:几种光纤温度传感器
热辐射型光纤高温传感器
半导体吸收式温度传感器
光纤荧光温度传感器 光纤光栅温度传感器
热辐射性光纤温度传感器
热辐射光纤高温传感器的原理是黑体辐射定律,物质 受热时会发出一定的热辐射,辐射量的大小取决于该 物质的温度和材料的辐射系数.当温度为230℃时,理 想黑体开始出现暗红色辐射,亮度随着温度的增加而 增强。由于物体的热辐射随温度的升高呈近指数型 增长，辐射性光纤温度传感器在高温下具有很高的 灵敏度。
一 光纤温度传感器的光学原理及其 分类
瑞利散射 喇曼散射
布里渊散射
瑞利散射测温的局限
由于液芯的使用，使得此方案存在很大争议：液体存在 冰点和沸点,因而温度测量范围受到了很大限制,光纤的不 纯或者有微粒,将增加光纤的散射面或者光纤局部损耗,从 而使得信号不准确,给出错误的温度信息.另外液芯光纤的 使用也不方便.这种方案是分布式温度传感方案的基础,但 其只能在试验室内工作良好,能达到在几百米长的光纤上 实现3℃的测温,温度的空间分辨率达到5m. 基于瑞利散射的分布式温度传感器系统结构比较简单,所 需元器件少,但是温度的变化会引起光纤波导物理特性的 变化,使瑞利散射光强随温度变化而波动,所以无法精确测 量温度.
光纤温度传感器
除以上介绍的传感器外,光纤温度传感器还有很多种. 如: 干涉型光纤温度传感器 基于弯曲损耗的光纤温度传感器 分布式光纤温度传感器
应用领域
电力系统
直接埋入建筑物
航空航天业 医学领域 井下传感
(1)电力系统：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;高压配电装臵内易发热部位的检测;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,输油管道德 温度和故障点检测;地热电站和户内封闭式变电站的 设备温度检测等.
半导体吸收式温度传感器
这种传感器的基本原理是利用有些半导体物质如GaAs具有极陡 的吸收光谱,波长与吸收端长的光可透过半导体,短的则被吸收. 当温度升高时,本征吸收波长变大,透射率曲线向长波长方向移 动,但形状不变;反之,当温度降低时,本征吸收波长变小,透射率曲 线保持形状不变而向短波长方向移动.当光源的光谱辐射强度不 变时,GaAs总透射率就随其温度发生变化,温度越高,总透射率越 低.通过测量透过GaAs总透射率就随其温度发生变化,温度越高, 总透射率越低.通过测量透过GaAs的光的强弱即可达到测温的 目的.通过研磨抛光将GaAs加工成很薄的薄片,其入射光和出射 光用光纤耦合,这就是半导体吸收式光纤温度传感器的基本原理. 这种传感器的测量距离远,而且探头的体积小,灵敏度高,工作可 靠.测量范围在0-300℃内保证较高的测量精度.