基于光纖的溫度傳感器

溫度傳感器是基于一個基本的物理量“溫度”，自然界中的一切過程無不與 溫度!密切相關。 從伽利略發明溫度計開始， 人們開始利用溫度進行測量。

　　溫度傳感器是最早開發、應用最廣的一類傳感器。 但真正把溫度變成電信號的傳感器是由德國物理學家賽貝發明的， 就是后來的熱電偶傳感器。 50 年以后，德國人西門子發明了鉑電阻溫度計。 在半導體技術的支持下， 本世紀相繼開發了包含半導體熱電偶傳感器在內的多種溫度傳感器。 與之相應， 根據波與物質的相互作用規律， 相繼開發了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。 而光纖自20 世紀70 年代問世以來， 隨著激光技術的發展， 從理論和實踐上都已證明光纖具有一系列的優越性， 光纖在傳感技術領域中的應用也日益受到廣泛重視， 隨著科學技術的發展， 涌現了許許多多的光纖溫度傳感器， 并且可以預料， 在新技術革命的浪潮中， 光纖溫度傳感器必將得到廣泛的應用， 并發揮出更多的作用。

　　1 光纖溫度傳感器的原理

　　光纖溫度傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器， 待測參數溫度與進入調制區的光相互作用后， 導致光的光學性質( 如光的強度、波長、頻率、相位等) 發生變化， 稱為被調制的信號光。 再經過光纖送入光探測器， 經解調后， 獲得被測參數。

　　光纖溫度傳感器種類很多 ， 但概括起來按其工作原理可分為功能型和傳輸型兩種。 功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性( 相位、偏振、強度等) 隨溫度變換的特點， 進行溫度測定。 這類傳感器盡管具有 傳!、 感!合一的特點， 但也增加了增敏和去敏的困難。 傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號傳輸的作用， 以避開測溫區域復雜的環境。 對待測對象的調制功能是靠其他物理性質的敏感元件來實現的。 這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題， 增加了系統的復雜性， 且對機械振動之類的干擾比較敏感。

　　2 光纖溫度傳感器的研究現狀

　　目前已研制成多種光纖溫度傳感器。 下面介紹幾種主要的光纖溫度傳感器的研究現狀， 其中有代表性的有光纖Fabry- perot 干涉型溫度傳感器、半導體吸收型光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器三種。

　　2.1 光纖Fabry- perot 干涉型溫度傳感器

　　此傳感器的依據是利用溫度改變Fabry- perot干涉儀的干涉條紋來測量外界溫度。 在現有報道的光纖法珀溫度傳感器中， 主要采用2 種技術方案， 其一是采用外徑大于125 nm 的玻璃毛細管封裝， 由2個光纖的端面構成光纖法珀腔并采用膠封的方式固定于溫度敏感材料中， 另外一種最近發展起來的技術是采用MEMS 工藝制作光纖法珀腔 。 但是這兩種方案工藝都比較復雜， 一致性難以保證， 并且膠的老化和蠕變對于傳感器的性能影響較大。 為了解決該問題， 張文濤等人提出了一種新型金屬封裝的光纖法珀溫度傳感器， 其結構如圖1 所示。

圖1 光纖法珀溫度傳感器結構圖。

　　該傳感器采用溫度敏感的金屬材料作為法珀腔的腔體， 利用高精度位移機構將光纖兩端插入金屬毛細管中形成低精細度的光纖法珀腔。 光纖在金屬管的兩端通過膠粘的方式固定。 當外界溫度發生變化時將直接導致金屬毛細管的熱膨脹， 帶動插入金屬管內的光纖移動， 從而引起光纖法珀腔的腔長變化。 采用這種方案， 避免了膠直接作用于光纖法珀腔腔體上， 消除了由于涂膠不勻引起的應力不均勻現象， 簡化了封裝工藝。 同時， 金屬毛細管的長度即為該溫度傳感器的標距， 它將決定傳感器的靈敏度。 該傳感器的核心結構為光纖法珀干涉腔( F- P 腔) 。 在使用低相干光源時， 由于低相干光源都具有一定的光譜寬度， 因此可看成是多個波長， 1， 2， ?， n， 的迭加。 光入射到F- P 腔后， 不斷地在F- P 腔的2個端面之間進行反射和透射， 形成多光束干涉。 在文中所研究的端面反射率很低， 反射光的干涉可看成雙光束干涉， 當F- P 腔的腔長是傳輸光半波長的整數倍時， 反射光強最大。 通過對峰值波長移動量的測量即可得到待測溫度的變化情況， 該傳感器具有靈敏度與傳感器的標距成正比的特性， 可以通過改變標距的方法方便地調整傳感器的靈敏度。 同時， 該傳感器制作工藝簡單、性能穩定、具有很高的實用價值， 但是此傳感器所適用的溫度并不高。

　　柯濤等人通過在單模光纖SMF28e 后有軸心偏移地熔接一段特種光子晶體光纖( MM- HNA-5) 制作了一種全光纖微型法- 珀( F- P) 干涉儀， 原理如圖2 所示。

圖2 微型光纖F- P 干涉儀原理圖。