光纤测温传感器剖析.ppt

第10章 光纤温度传感器 第10章 光纤温度传感器 10.1 引 言 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。 10.1 引 言 表10.1 光纤温度传感器的测温机理及特点 对测量物体某一点温度或温度场温度的点式光纤温度传感器的研究和开发比较活跃。 近几年，为了解决温度场的测量问题，研制出了分布式光纤温度传感器。 10.2 传光型光纤温度传感器 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吸收端。 例如 GaAs, CdTe 材料的吸收端在0.9 μm附近，如图10.1(a)所示。 (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 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 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。 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。它采用了两个光源，一个是铝镓砷发光二极管，波长 ；另一个是铟镓磷砷发光二极管，波长 。敏感头对 光的吸收随温度而变化，对 光不吸收，故取 光作为参考信号。用雪崩光电二极管作为光探测器。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( )为标准将与温度相关的光信号( )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。 10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器 这种传感器的测量范围是-10℃~300℃，精度可达?1℃。 图10.2 实用化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 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 溶液的光吸收频谱如图10.3所示。 图10.3 热色溶液的光吸收频谱 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 800nm 的光作为敏感信号和参考信号。 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。 光源采用卤素灯泡，光进入光纤之前进行斩波调制。探头外径 1.5mm，长为 10 mm，内充钴盐溶液，两根光纤插入探头，构成单端反射形式。 从探头出来的光纤经 Y 形分路器将光分为两种，分别经655 nm 和 800 nm 滤波片得到信号光和参考光，再经光电信息处理电路，得到温度信息。 10.2.2 热色效应光纤温度传感器 图10.4 热色效应光纤温度传感器 10.2.3 荧