光纤温度传感器
摘要：本文分析了光纤温度传感器在温度探测中的优势，分别介绍了分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器的工作原理，最后综述了光纤温度感器在现代工业及生活的应用。
关键字：光纤传感温度应用
1引言
在科研和生产中，有很多温度测量问题，传统的温度传感器有热电偶，热电阻温度传感器，热敏电阻温度传感器，半导体温度传感器等等。光纤温度传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器。与传统的温度传感器相比，它具有灵敏度高，体积小，质量轻，易弯曲，不产生电磁干扰，不受电磁干扰，抗腐蚀性好等等优点，特别适用于易燃，易爆，空间狭窄和具有腐蚀性强的气体，液体以及射线污染等苛刻环境下的温度检测。
2光纤温度传感器分类
光纤温度传感器按照调制机理可分为相位调制，振幅调制，偏振态调制；按工作原理分，光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体，而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。传光型与传感型相比，虽然灵敏度稍差，但可靠性高，实用的传感器大多是这种类型。
目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。
2.1光纤光栅温度传感器
光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。光纤光栅以波长为编码，具有传统传感器不可比拟的优势，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，已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等。
光纤光栅温度传感器主要有Bragg光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg光栅，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg 光栅效应，其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，满足如下光学方程：
=2nA
式中：为Bragg波长，A为光栅周期，n为光纤模式的有效折射率。
长周期光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，其传光原理是将前向传输的基模耦合到前向传输的包层模中。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的重视，是一种新型的宽带带阻滤波器。
光纤温度监测系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调器组成。光纤光栅解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理，以获得测量结果，传输光纤用于传输光信号，光纤光栅传感器则主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光，如图1所示：
图1 光纤温度监测系统的构成
光纤光栅传感器一般利用掺杂(如锗、磷等)光纤的光敏性，通过某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用导致纤芯折射率沿纤轴方向周期或非周期性的永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅解调器是分布式温度监测系统的核心部分，主要是检测光纤光栅响应波长的移动。一般光源部分设计用He—Ne激光器，近年来也有用LED发光管的．反射光波长范围在l525～1625 nm之间呈较量好的线性关系，温度每变化100，波长变化1 nm。对于较低温段(-100～+250)的检测，分辨率可达0.1。一根单模光纤上可以接20个以上的温度传感器(传感器的个数和测温范围有关)，单根光纤的测量速度一般在几十毫秒以内，光纤的传输距离可达10 km以上。
与一般的光线温度传感器相比，光纤光栅传感器尺寸小，检测量是波长信息，因此不受光源欺负，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，能方便使用波分复用技术。
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。
2.2分布式光纤温度传感器
分布式光纤传感器最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的。激光在光纤传送中的反射光主要有瑞利散射(Rayleigh scarer)、拉曼散射(Ramanscatter)、和布里渊散射(Brillouin scarer)三部分，如图2所示。分布式光纤传感器经历从最初的基于后向瑞利散射的液芯光纤分布式温度监控系统，到基于光时域(OTDR)拉曼散射的光纤测温系统，以及基于光频域拉曼散射光纤测温系统(ROFDA)等等。目前其测量距离最长可达30km，测量精度最高可达0.5，空间定位精度最高可达0.25m，温度分辨率最高可达到0.01左右。
图2 分布式光纤温度传感器基本原理
目前，分布式光纤温度传感器主要基于拉曼散射效应及光时域反射计(OTDR)技术实现连续分布式测量，如York Sensa、Sensornet等公司产品。基于布里渊散射光时域及光频域系统也是当前光纤传感器领域研究的热点，LIOS、MICRJON
OPTICS等公司已有相应的产品。
分布式光纤温度传感器非常适合于电力系统变电站高压电器的温度监测。目前，光纤光栅解调器的费用比较昂贵，对于大量点的监测，经济性是个不容忽视的问题。由此设计的分布式光纤温度监测系统如图3所示：
图中考虑到系统的经济性与容量等原因，采用由一个光纤光栅解调与数据处理模块、两级通道切换器和若干光纤光栅温度传感器组成的监测系统。光纤光栅解调与数据处理模块包括光纤光栅解调、温度解调、数据采集与转换、温度计算与修正、通信接口等多种功能。在进行温度检测时，通道切换器由光纤光栅解调与数据处理模块传递通道切换命令，依次一个一个通道的进行温度检测。
2.3光纤荧光温度传感器
光纤荧光温度传感器是目前研究比较活跃的新型温度传感器，荧光测温的工作机理是建立在光致发光这一基本物理现象上。所谓光致发光是一种光发射现象，就是当材料由于受紫外、可见光或红外区的光激发所产生的发光现象。出射的荧光参数与温度有一一对应关系，通过检测其荧光强度或荧光寿命来得到所需的温度的。强度型荧光光纤传感器受光纤的微弯曲、耦合、散射、背反射影响，造成强度扰动，很难达到高精度。荧光寿命型传感器可以避免上述缺点，因此是采用的主要模式，荧光寿命的测量是测温系统的关键。
2.4干涉型光纤温度传感器
干涉型光纤温度传感器是一种相位调制型光纤传感器，它是利用温度改变Mach—Zehnder干涉仪、Fabry—Perot干涉仪、Sagnac干涉仪等一些干涉仪的干涉条纹来外界测量温度。英国的Samer K．Abi Kaed Bev用长周期光纤光栅做成Mach—Zehnder干涉型光纤温度传感器，其温度分辨率为0.7。燕山大学研制出基于白光干涉的Fabrv—Perot光纤温度传感器．其测温范围为-40～100，分辨率为0.01。哈尔滨工程大学研制出数字式Mach—Zehnder干涉型光纤传感器．其测温范围为35～80，压力、温度、位移分辨率分别为0.03kPa、0．07、2.5μm。
