基于光纖的溫度傳感器

　　采用經(jīng)研磨并拋光厚度達200 m， 面積約2mm ? 2 mm 的GaAs 片， 將其垂直置于直徑為2。 49mm 的陶瓷套管中。 將GaAs 片粘在一邊的陶瓷插芯端面， 將光纖對準并固定。 實驗證明: 該單光路光纖溫度傳感器的測量精度可達到% 1 ℃ ， 響應時間在20 s 之內， 有良好的長期穩(wěn)定性、重復性; 在20~ 70℃ 具有良好的線性， 在這個范圍內對某些環(huán)境下( 如石油工業(yè)、電力工業(yè)) 可得到廣泛應用。 根據(jù)傳感頭內的各部分材料特性， 以及光纖的熱穩(wěn)定性， 這種傳感器可在- l0~ 300 # 內正常工作。

　　由此可見， 上面2 種傳感器后者比前者在響應時間及適用溫度范圍方面均有提高， 但前者適合超長距離使用。 總的來說， 雖然這兩種傳感器性能還不是最佳， 但相比以前的一些傳感器而言已有了很大的提高， 取得了不錯的效果。

　　2.3 光纖光柵溫度傳感器

　　光纖光柵溫度傳感器的工作原理是當光纖光柵所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化時， 光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化， 從而使發(fā)射光的波長發(fā)生變化， 通過測量溫度變化前后反射光波長的變化， 就可以獲得溫度的變化情況。

　　FBG 溫度傳感器增敏的原理是利用FBG 對溫度和應變同時敏感的特性， 通過合理的結構設計， 把FBG 和高熱膨脹系數(shù)材料封裝在一起， 當被測溫度變化時， 通過高熱膨脹系數(shù)材料的形變向FBG 施加一個應變量， 使得FBG 的返回波長變化量加大。 基于此原則的方法大體上分為兩種:

　　( 1) J。 L。 Cruz 等[ 9] 提出直接將FBG 粘貼在高熱膨脹系數(shù)材料上， 當溫度升高時， 高膨脹系數(shù)材料直接拉動FBG， 使FBG 的應變加大， 返回中心波長的變化量增加。 然而， 這種增敏方式有明顯的缺點:

　　增敏效果受到材料的熱膨脹系數(shù)制約、分辨率有限、而且伴有啁啾的負面效應。

　　( 2) Jaehoon Jung 等[ 10] 提出通過采用雙金屬結構的方法實現(xiàn)溫度增敏， 效果明顯。 溫度變化時， 雙金屬結構把2 種熱膨脹系數(shù)不同的金屬的長度變化量的差轉化成FBG 長度的變化量， 從而提高FBG的溫度靈敏度。 可是， 他們沒有對該類型的FBG 溫度傳感器的結構和精度作進一步研究， 限制了它的應用范圍。

　　基于上面所提到的2 個缺點， 李闊[ 11] 等人利用光纖光柵對溫度和應變同時敏感的特性， 設計制作了一款雙金屬光纖光柵溫度傳感器， 在地震前兆觀測時能滿足地溫觀測的精度要求。 雙金屬的溫度增敏原理如圖7 所示。

圖7 傳感器結構示意圖。

　　當溫度變化時， 材料A 和材料B 長度均變化，且A 長度的變化量比B 長度的變化量大得多， A 、B 長度的變化量的差值直接傳遞給了FBG。 當FBG的應變發(fā)生變化時， 其返回波長會隨之發(fā)生變化。

　　FBG 的應變量越大， 返回波長變化量也就越大。 因此， 可以通過調整A 和B 的長度和選用不同熱膨脹系數(shù)的材料來控制FBG 的應變量， 從而實現(xiàn)高分辨率和高精度的溫度測量。 實驗證明: 該傳感器的精度達到% 0。 05 ℃ ， 獲得了現(xiàn)今光纖光柵溫度傳感器最高的分辨率0。 001 4 ℃ / pm， 再稍微擴展下還能利用這個原理， 設計制作一款靈敏度系數(shù)可調的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器 ， 并通過調整高靈敏度光纖光柵溫度傳感器的靈敏度改變其量程。

　圖8 雙管式光纖光柵溫度傳感器結構示意圖。

　　由靜等人設計了一種對外加應力應變不敏感的雙管式光纖光柵溫度傳感器。 圖8 為雙管式光纖Bragg 光柵溫度傳感器的結構示意圖。 其中， 外套管隔離了外加應力應變向內管的作用， 避免了外力通過內管傳遞給光纖Bragg 光柵。 同時， 由于內、外管均是熱傳導性能良好的金屬材料( 比如: 銅) ， 故溫度仍能通過外管和內管傳遞給光纖Bragg 光柵， 從而使得Brag g 波長響應溫度變化而產生移位。 根據(jù)測溫實驗數(shù)據(jù)得到光纖光柵溫度傳感器的各項靜態(tài)性能指標， 光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)靈敏度為9。 8pm/ ℃ ， 分辨率為0。 102 ℃ ， 線性度為99。 88%， 重復性誤差1. 55% 。

　　上面介紹的2 種傳感器各有特色， 雙金屬光纖光柵溫度傳感器能達到非常高的分辨率， 能用于地震前兆的觀測， 而且稍微改變下還能制作出靈敏度系數(shù)可調的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器， 而后者能實現(xiàn)消除外加應力應變的影響， 保障在實際應用中溫度測量的系統(tǒng)精度。

　　3 結 束 語

　　光纖溫度傳感器自問世以來。 主要應用于電力系統(tǒng)、建筑、化工、航空航天、醫(yī)療以至海洋開發(fā)等領域， 并已取得了大量可靠的應用實績。 它的應用是一個方興未艾的領域， 有著非常廣闊的發(fā)展前景， 迄今為止， 國內外已經(jīng)有不少相關研究， 雖然在靈敏度、測量范圍、分辨率等方面均有了很大的發(fā)展， 但是相信隨著研究的深入， 根據(jù)具體的應用目的， 會有越來越多的精度更高、結構更簡單、成本更低、更實用的方案提出， 更進一步促進溫度傳感器的發(fā)展。