光纤光栅传感器基本知识
光纤光栅传感器技术指标
光纤光栅传感器技术指标光纤光栅传感器是一种基于光纤光栅原理的传感器，通过测量光纤光栅的光谱特性变化来实现对环境参数的监测和测量。
光纤光栅传感器具有高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰等优点，在工业、航空航天、能源等领域有着广泛的应用。
1. 分辨率光纤光栅传感器的分辨率是指传感器能够分辨出的最小参数变化。
通常用波长分辨率来表示，单位为纳米。
分辨率越高，传感器能够检测到更小的参数变化，具有更高的精度。
2. 灵敏度光纤光栅传感器的灵敏度是指传感器输出信号对参数变化的响应程度。
灵敏度越高，传感器能够对参数变化产生更大的信号响应，具有更好的测量能力。
3. 动态范围光纤光栅传感器的动态范围是指传感器能够测量的参数范围。
传感器的动态范围应该能够覆盖实际应用中可能出现的参数变化范围，以保证测量结果的准确性。
4. 响应时间光纤光栅传感器的响应时间是指传感器对参数变化的响应速度。
响应时间短的传感器能够及时捕捉到参数变化，并及时输出相应的信号。
5. 温度稳定性光纤光栅传感器的温度稳定性是指传感器在不同温度条件下测量结果的稳定性。
传感器的温度稳定性应该能够适应实际应用环境中的温度变化，以保证测量结果的准确性和可靠性。
6. 抗电磁干扰能力光纤光栅传感器应具备良好的抗电磁干扰能力，以保证传感器在电磁干扰环境下的正常工作。
传感器应能够有效屏蔽外界电磁干扰，并输出准确可靠的测量结果。
7. 可靠性光纤光栅传感器的可靠性是指传感器在长时间工作状态下的稳定性和可靠性。
传感器应具备良好的抗老化能力，能够长期稳定地工作，以保证测量结果的准确性和稳定性。
8. 环境适应性光纤光栅传感器应具备良好的环境适应性，能够适应不同环境条件下的工作要求。
传感器应具备良好的防水、防尘、耐腐蚀等性能，以保证传感器在恶劣环境中的正常工作。
9. 尺寸和重量光纤光栅传感器应具备小尺寸和轻量化的特点，以便于安装和集成到各种应用设备中。
10. 成本效益光纤光栅传感器的成本效益是指传感器在实际应用中所带来的经济效益和性价比。
光纤光栅传感器基本知识
• 外部写入法
---分波面干涉法、逐点写入法、振幅掩模法、接触式相位掩模法、
非接触式相位掩模法。相位掩模法使规模化生产成为可能。
QPS
相位掩模法
该技术不仅提高了光栅的写入效率，而且通过改变两束相干光的夹角， 还可以改变光栅的周期，从而达到控制光纤光栅布喇格波长的目的。
• Bragg
条件： B 2neff
neff
式中： B ---Bragg 波长;
---光栅的---光栅周期,即折射率调制的空间周期有效折射率， 即折射率调制幅度大小的平均效应; •传感原理：Bragg光栅的反射谱主要由其带宽和峰值反射率决定， 而这些参数又是光栅长度、折射率调制系数等参数的函数。任何使这些参量发 生改变的物理过程（如：温度、应力等）都将引起光栅Bragg波长的漂移。建立 并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，即可由光纤布拉格中心波长的 变化获得被测量。
QPS
基本构成
QP量系统构成
QPS
八、光纤光栅传感器的优点
低耗传输（损耗约0.2dB/km ） • 抗电磁干扰（光传输，频率远高于电磁波）数字编码 • 化学稳定，电绝缘性能好，抗腐蚀，特别适合于恶劣 和高危环境中应用光纤所用的材料为石英玻璃、氟化物 或聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（即有机玻璃） • 质轻、径细、柔韧、成本低 （可埋入被测对象内，对环境影响小，安装简单） • 绝对测量，可自校准，重复性好 • 可分布式测量或逐点定位测量，无电测量 • 强大的数据管理功能，实时记录测量数据和操作日志， 并方便查询 • 兼容性好：可与其他系统实现互联互通；
qps光纤光栅传感器基本知识一简述二光学基本知识三光纤的光敏性四光纤光栅的写入五光纤光栅测量原理六光纤光栅的输入输出七实际传感系统的基本构成八光纤光栅传感器的优点qps一光纤光栅传感器简述光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位光栅其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的透射或反射滤波器或反射镜其光学性质又受控于外界环境物理量从而构成了光纤光栅传感器
光纤光栅传感器
光纤光栅监测报警系统结构示意图
使
用
FBG探头
连接光缆
现
场
光连接器
控 显示仪表 制 室 内
计算机
调制解调器
传输光缆
3 、光纤布喇格光栅解调原理
光纤布喇格光栅的解调有多种方法，下面介绍匹 配光纤光栅解调法。匹配光纤光栅检测信号的 基本原理如下图所示，其中左图为传感光栅与 解调光栅的配置，右图为两光栅的反射谱及检 测到的信号．
当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到 的光信号较大，反之则较小，即检测器检测到 的光强是检测光纤光栅 FBG1和匹配光纤光栅 FBG2两个光谱函数的卷积。随着 FBG1上的微 扰，在 FBG2的反射谱中可检测到相对应的一定 光强度的光信号。
F-P腔波长滤波解调原理
法布里—珀罗腔(F-P腔)的光学原理是多光束干
* 光纤光栅传感器
• 光纤光栅传感器(FBG)是利用 Bragg波长 对温度、应力的敏感特性而制成的一种 新型的光纤传感器。
光纤光栅工作原理
感光折射率 n 包层折射率 n2
包层
芯层折射率 n1
λ1 λ2 …λn
λ2 …λn
Λ
λ1
芯层
相位掩模板
紫外掩模写入法
+1级
-1级
包层 芯层
1 、光纤布喇格光栅原理
对包含有φ(z)的非正弦分布也进行了类似于周期 函数的傅里叶展开可以得到光栅区的实际折射 率分布为
该式即为光纤布喇格光栅的折射率调制函数，它 给出了光纤光栅的理论模型，是分析光纤光栅 特性的基础。
2 、光纤布喇格光栅传感原理 光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式
给出：
这里λUV是紫外光源波长， θ是两相干光束之间的 夹角。
光纤光栅传感器的基本原理及应用光栅原理应用以及应用基本原理
光纤光栅传感器的基本原理及应用光栅原理应用以及应用基本原理光纤光栅传感器的基本原理及应用摘要:概述光纤光栅传感器的基本原理及实际应用，介绍了光纤光栅传感器在地球动力学、航天器及船舶航运、民用工程结构、电力工业、医学、和化学传感中的应用。
一、前言 1978 年加拿大渥太华通信研究中心的 KOHill 等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅。
19，美国联合技术研究中心的 GMeltz 等人实现了光纤Bragg 光栅FBG的 UV 激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。
随着光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器EDFA 技术之后的又一重大技术突破。
光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。
所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。
而在纤芯内形成的空间相位光栅，其实质就是在纤芯内形成一个窄带的透射或反射滤波器或反射镜。
利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件，它们都具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
光纤光栅的种类很多，主要分两大类:一是 Bragg 光栅也称为反射或短周期光栅，二是透射光栅也称为长周期光栅。
光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅;其中，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅chirp 光栅。
目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。
在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。
由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小标准裸光纤为 125um、重量轻、耐温性好工作温度上限可达 400?,600?、复用能力强、传输距离远传感器到解调端可达几公里、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早在 1988 年就成功地应用在航空、航天领域中作为有效的无损检测当中，同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，以及在土木工程领域中如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等的混凝土组件和结构中测定结构的完整性和内部应变状态，从而建立灵巧结构，并进一步实现智能建筑。
光纤光栅传感器的原理应用
光纤光栅传感器的原理应用1. 光纤光栅传感器的基本原理光纤光栅传感器是一种基于光纤光栅原理的传感器，主要用于测量和监测光纤中的温度、应变、压力等物理量。
其基本原理如下：•光纤光栅构造：光纤光栅由一段光纤中定期布置的光栅构成，其中光栅中的折射率周期性变化，形成了一个光栅结构。
•光栅反射与折射：当光线传播通过光纤光栅时，一部分光线会被光栅反射回来，另一部分光线会因为光栅的折射而偏转。
•光栅中的相位偏移：当外界物理量（如温度、应变、压力）作用于光栅光纤时，会引起光栅的折射率发生改变，从而导致光栅中的相位偏移。
•相位偏移的测量：通过测量光纤光栅反射光的相位，可以间接得到光栅中的相位偏移，进而推导出外界物理量的变化。
2. 光纤光栅传感器的应用领域光纤光栅传感器在各个领域都有广泛的应用，包括但不限于以下方面：2.1 温度传感•石油和化工工业：用于测量和监测油井和化工过程中的温度变化，以确保设备的正常运行和安全性。
•电力系统：用于测量电力设备和输电线路中的温度，以保护设备并及时发现故障。
•环境监测：用于测量大气温度、水温等环境参数，用于气象和环境保护研究。
2.2 应变传感•结构安全监测：用于测量桥梁、建筑物等结构的应变变化，以预防和监测结构的损坏。
•航天航空领域：用于测量飞机、火箭等复杂结构的应变，以保证其安全性和稳定性。
•汽车工业：用于测量汽车和列车等交通工具的应变，以确保车辆的安全性和性能。
2.3 压力传感•工业自动化：用于测量和监测工业设备中的压力变化，以控制和调节设备的运行状态。
•化工过程：用于测量化工过程中的压力，以确保设备的正常运行和安全性。
•石油勘探：用于测量油井中的压力变化，以评估油井的产量和储量。
3. 光纤光栅传感器的优势和特点光纤光栅传感器具有以下优势和特点：•高灵敏度：光纤光栅传感器能够实现高精度的物理量测量，具有很高的灵敏度和分辨率。
•远距离传输：光纤传输具有低损耗和高带宽的特点，可实现长距离传输和分布式测量。
光纤光栅及其传感技术
光纤光栅及其传感技术
光纤光栅是一种利用光的干涉原理来实现光信号传输和传感的技术。
它具有高灵敏度、高分辨率和广泛的应用领域等特点，被广泛应
用于光通信、光传感和光学仪器等领域。
光纤光栅的基本原理是利用光纤的折射率分布在一定长度内变化，形成一定的反射光强分布，从而实现对光信号的控制和传感。
常见的
光纤光栅有两种类型，分别是光纤光栅传输器和光纤光栅传感器。
光纤光栅传输器是利用光纤光栅的反射、透射和干涉等特性，将
光信号传输到目标位置。
它可以实现对光信号的调制、分光、合并等
功能，为光通信系统提供了重要的技术支持。
光纤光栅传输器的应用
领域包括光纤通信、光纤传感、激光器和光放大器等。
光纤光栅传感器则是将光纤光栅作为敏感元件，实现对温度、应变、压力、湿度等物理量的测量。
光纤光栅传感器具有灵敏度高、抗
干扰性强、体积小等优点，被广泛应用于工业生产、环境监测、医学
诊断等领域。
光纤光栅传感器的工作原理是通过测量光纤光栅的反射
光波长或亮度的变化，来推断被测量物理量的变化。
光纤光栅技术的发展为光通信和光传感领域带来了重大突破。
它
不仅提高了光通信系统的传输质量和性能稳定性，而且为物理量测量
和环境监测等领域提供了一种高精度、实时的测量手段。
总结起来，光纤光栅是一种基于光的干涉原理的传感技术，具有
高灵敏度和广泛的应用领域。
它可以应用于光通信系统的光纤传输和
光传感器的物理量测量等领域。
随着光纤光栅技术的不断发展和突破，相信它将在未来的互联网技术应用中发挥越来越重要的作用。
光纤光栅传感器
温度传感
温度传感
光纤光栅传感器能够实时监测温度变化，广 泛应用于电力、能源、环保等领域的温度监 控。通过将光纤光栅传感器安装在发热设备 或热流通道中，可以实时监测温度，实现设 备的预防性维护和安全控制。
温度传感特点
光纤光栅传感器具有测温范围广、响应速度 快、精度高、稳定性好等特点，能够实现高 精度的温度测量和实时监测。
航空航天
用于监测飞机和航天器的结构健康状况，如机翼、 机身等关键部位的温度、应变和振动等参数。
智能交通
用于监测高速公路、桥梁和隧道等基础设施的结 构健康状况，以及车辆速度、流量等交通参数。
06 光纤光栅传感器与其他传 感器的比较
电容式传感器
总结词
电容式传感器利用电场感应原理，通过测量电容器极板 间距离的变化来检测位移或形变。
分布式测量
长距离传输
光纤光栅传感器可以实现分布式测量，即 在同一条光纤上布置多个光栅，实现对多 点同时监测。
光纤光栅传感器以光纤为传输媒介，可实 现远距离信号传输，适用于长距离、大规 模监测系统。
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抗电磁干扰
光纤光栅传感器采用光信号传输，不 受电磁干扰的影响，特别适合在强电 磁场环境下工作。这使得光纤光栅传 感器在电力、航空航天、军事等领域 具有广泛的应用前景。
光纤光栅传感器的抗电磁干扰特性使 其在复杂环境中能够稳定工作，提高 了测量的可靠性和准确性。
耐腐蚀与高温
光纤光栅传感器采用石英光纤作为传输介质，具有优良的化 学稳定性和耐腐蚀性，能够在恶劣的化学环境下正常工作。 同时，石英光纤的熔点高达1700℃，使得光纤光栅传感器能 够在高温环境下进行测量。
光纤光栅传感器
光纤传感技术课件：光纤光栅传感器
光纤光栅传感器
直接测量掺锗光纤紫外吸收谱相对较为困难， 尤其是测 量244 nm处的吸收谱。 一般测量光纤的吸收谱是采用反逆技 术， 在被测光纤的光注入端和输出端都放上单色仪， 测量其 频谱。 用这种方法可以测得掺锗3%（摩尔分数）的玻璃在 325 nm处的吸收峰约为17 dB/m。 考虑到244 nm带的吸收率 是325 nm带的1000倍， 可以认为在244 nm处的衰减约为 17 000 dB/m。 故被测光纤的长度不能大于1 cm， 否则难以用 反逆技术测量。
8
光纤光栅传感器
随着光纤布拉格光栅（FBG）制作工艺的不断提高， 特 别是FBG自动化生产平台的建立， 制作出高性能、 低成本的 可靠FBG已成为可能。 同时， 近几年对波长解调技术的深入 研究和不断成熟， 已经扩大了光纤布拉格光栅传感器的应用， 并为只能传感这一新思路创造了一个新的机遇。 智能结构监 测， 智能油井和管道， 智能土木工程建筑， 以及智能航天、 航海传感都需要高质量、 低成本、 稳定性好、 传感特性精密 的光学传感器， FBG传感器阵列由于其波长编码、 可同时测 量多个物理量（温度、 压力、 应力等）以及一路光纤上应用 波分复用技术等自身的优点， 在上述领域已经得到了广泛关 注。
14
光纤光栅传感器
8.2
所谓的光敏性， 就是指当材料被外部光照射时， 引起 该材料物理或化学性的暂时或永久性变化的一种效应。 光纤 的光敏性通常是指光纤纤芯折射率在外部光源照射时发生改变 的特性。 在一定条件下， 变化的大小与光强成线性关系， 并 可保存下来。
15
光纤光栅传感器
光纤的光敏性首先于1978年通过在掺锗光纤内形成驻波观 察到。 在那个实验中， 发现了两束波长相同但反向传输的氩 离子激光（488 nm或514.5 nm）在掺锗光纤纤芯中激起了周期 性的折射率变化。 此后， 做了许多工作确定这一激光折射率 变化的原因。 Yuen的实验指出， 光纤中的光敏现象与双光子 吸收过程有联系， 确定掺锗光纤对蓝绿光的光敏性与244 nm 处吸收响应的双光子吸收作用有关。
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紫外激光光束 金属掩模
相位掩模 干涉
光纤纤芯
光纤中写入光栅的相位掩模几何原理
QPS
相位掩膜技术
QPS
2009/6/17 9
五、光纤光栅测量原理
•相长干涉：当光入射到纤芯中，在折射率周期性变化的介质表面发生反射和透射。
当在不同界面上反射的光的光程差是某个波长的整数倍时，将发生相长干涉， 由此可得布拉格条件。反射峰非常窄。
光纤光栅传感器基本知识
一、简述 二、光学基本知识 三、光纤的光敏性 四、光纤光栅的写入 五、光纤光栅测量原理 六、光纤光栅的输入输出 七、实际传感系统的基本构成 八、光纤光栅传感器的优点
QPS QPS
一、光纤光栅传感器简述
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内 形成空间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成 一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，其 光学性质又受控于外界环境物理量，从而构成了 光纤光栅传感器。 光纤本身具有低耗传输、抗电磁干扰、质 轻、径细、柔韧、化学稳定、电绝缘等优点，光 纤光栅传感器成了无与伦比的新一代传感器，具 有广泛的应用前景。
QPS
布拉格反射
反 射 功 率
波长
QPS
传感模型：光纤光栅的传感模型有 ：应变传感模型 、温度传感模型 、动态
磁场传感模型。通常，可以只考虑温度和应力的影响。
基本公式：
B
B
k
T
T
k
其中： B 为布拉格波长， T 为温度变化量， 为应力变化量； 灵敏度系数， k 为应变响应灵敏度系数。
QPS
•
布拉格定律
当入射波从晶体中的平行原子平面作镜面反射，若平行晶面 间距为d，则相邻平行晶面反射的射线行程差是2ndsin ，当 行程差是波长的整数倍时，来自相继平面的辐射就发生了相 长干涉。 这就是布拉格定律。
2nd sin k
入射光
反射光会聚点
d
两镜面反射光光程差的计算
QPS
三、光纤的光相互作用引起折射率的永久性变化
•光敏机理
光敏效应在微观上可能与众多物理因素有关，是一个非常复杂的物理过程， 目前还不能给出完全定量化的描述缺陷又被称为色心，是光敏性的原因。 常用的解释模型有色心模型、密致模型。是光的粒子性的一种表现
•增敏技术
常用的增敏技术有：增加缺陷浓度；掺入具有较大紫外吸收系数的杂质； 增加纤芯与包层之间的热特性失配度等等
B1 KT 1T K 1 B1
B 2 KT 2 T K 2 B 2
QPS
六、光纤光栅的输入输出
QPS
七、光纤光栅传感系统的基本构成
• 基本构成：宽带光源、分路器、光纤光栅、解调器 • 其余：除此之外光纤光栅传感系统还包括如下几个方面：
（1）光纤光栅网络系统： 该系统的功能是通过光缆将多个探头串接起来，并构成传感器矩阵， 形成传感器网络。
QPS
2009/6/17 2
sin 2 n1 sin 1 n2
二、光学基本知识
• 光的反射--反射定律 • 光的折射--折射定律 • 光的全反射--光疏、光密介质、临界角
光线从光密介质射向光疏介质；入射角大于临界角
• 光的衍射-- 光的波动性，非直线传播 • 光的干涉 -- 干涉现象、莫尔条纹、相干光源
QPS
基本构成
QPS
单个测量系统构成
QPS
多个测量系统构成
QPS
八、光纤光栅传感器的优点
低耗传输（损耗约0.2dB/km ） • 抗电磁干扰（光传输，频率远高于电磁波）数字编码 • 化学稳定，电绝缘性能好，抗腐蚀，特别适合于恶劣 和高危环境中应用光纤所用的材料为石英玻璃、氟化物 或聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（即有机玻璃） • 质轻、径细、柔韧、成本低 （可埋入被测对象内，对环境影响小，安装简单） • 绝对测量，可自校准，重复性好 • 可分布式测量或逐点定位测量，无电测量 • 强大的数据管理功能，实时记录测量数据和操作日志， 并方便查询 • 兼容性好：可与其他系统实现互联互通；
（2）光纤通讯传输网络：
不同位置的监测点可以使用光缆直接将传输信号引入中心监控室的信息 处理及分析系统上。
（3）信息处理及分析系统： 该系统由光纤光栅传感探测信号处理器以及计算机软件构成，信号处理 器系统功能包括系统的信息收集、处理和传送，计算机软件系统包括信 息处理、分析、传送、储存管理、预警、报警功能。
QPS
nd sin k
• 光纤 光纤中引导光传播的基本原理是全反射
折射率阶跃光纤 （包层与纤芯为折射率不同的两种均匀材料） 折射率梯度光纤（折射率从纤芯到芯边缘渐渐变小） 光在渐变光纤中会自觉地进行调整，自聚焦。
• 光栅
平面光栅相长干涉的条件：ndsin k 相位光栅相长干涉的条件：2 nd sin k
• Bragg
条件： B 2neff
neff
式中： B ---Bragg 波长;
---光栅的---光栅周期,即折射率调制的空间周期有效折射率， 即折射率调制幅度大小的平均效应; •传感原理：Bragg光栅的反射谱主要由其带宽和峰值反射率决定， 而这些参数又是光栅长度、折射率调制系数等参数的函数。任何使这些参量发 生改变的物理过程（如：温度、应力等）都将引起光栅Bragg波长的漂移。建立 并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，即可由光纤布拉格中心波长的 变化获得被测量。
•
QPS
请与我们联系：
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QPS
2009/6/17 38
谢谢!
QPS
如载氢技术、光纤还原法、多种掺杂等 •光纤生命周期和热稳定性
般考虑热退化（即擦除温度）和机械强度。
QPS
四、光纤光栅的写入
• 写入方法
----可分为内部写入与外部写入（侧写）。
• 内部写入法
---射入光纤的激光经另一端反射镜反射后与入射光相干涉形成驻波，
在光纤内]形成了与驻波周期相一致的体积折射率光栅…Bragg光栅。
1978年由K.O.Hill用内写入法发现了光纤的光敏性。
• 外部写入法
---分波面干涉法、逐点写入法、振幅掩模法、接触式相位掩模法、
非接触式相位掩模法。相位掩模法使规模化生产成为可能。
QPS
相位掩模法
该技术不仅提高了光栅的写入效率，而且通过改变两束相干光的夹角， 还可以改变光栅的周期，从而达到控制光纤光栅布喇格波长的目的。
kT
为温度响应
交叉敏感问题：利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度
界温度变化和应力变化量。
的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过解二元线性方程组来获得外 如使其中一条光纤光栅不受应力影响，上述方程组可得到简化，成了温度补 偿。反之，亦可构成应力补偿。
QPS
利用响应灵敏度不同的两条光纤光栅，测量同一 环境中的温度和应力，解线性方程组得到被测温 度和应力