基于光纖的溫度傳感器

　　采用經(jīng)研磨并拋光厚度達(dá)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(zhǔn)并固定。 實(shí)驗(yàn)證明: 該單光路光纖溫度傳感器的測量精度可達(dá)到% 1 ℃ ， 響應(yīng)時(shí)間在20 s 之內(nèi)， 有良好的長期穩(wěn)定性、重復(fù)性; 在20~ 70℃ 具有良好的線性， 在這個(gè)范圍內(nèi)對某些環(huán)境下( 如石油工業(yè)、電力工業(yè)) 可得到廣泛應(yīng)用。 根據(jù)傳感頭內(nèi)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(nèi)正常工作。

　　由此可見， 上面2 種傳感器后者比前者在響應(yīng)時(shí)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(cuò)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(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化時(shí)， 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(yīng)變同時(shí)敏感的特性， 通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 把FBG 和高熱膨脹系數(shù)材料封裝在一起， 當(dāng)被測溫度變化時(shí)， 通過高熱膨脹系數(shù)材料的形變向FBG 施加一個(gè)應(yīng)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(dāng)溫度升高時(shí)， 高膨脹系數(shù)材料直接拉動(dòng)FBG， 使FBG 的應(yīng)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(diǎn):

　　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(fù)面效應(yīng)。

　　( 2) Jaehoon Jung 等[ 10] 提出通過采用雙金屬結(jié)構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)溫度增敏， 效果明顯。 溫度變化時(shí)， 雙金屬結(jié)構(gòu)把2 種熱膨脹系數(shù)不同的金屬的長度變化量的差轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和精度作進(jìn)一步研究， 限制了它的應(yīng)用范圍。

　　基于上面所提到的2 個(gè)缺點(diǎn)， 李闊[ 11] 等人利用光纖光柵對溫度和應(yīng)變同時(shí)敏感的特性， 設(shè)計(jì)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(shí)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(jié)構(gòu)示意圖。

　　當(dāng)溫度變化時(shí)， 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(dāng)FBG的應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)， 其返回波長會隨之發(fā)生變化。

　　FBG 的應(yīng)變量越大， 返回波長變化量也就越大。 因此， 可以通過調(diào)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(yīng)變量， 從而實(shí)現(xiàn)高分辨率和高精度的溫度測量。 實(shí)驗(yàn)證明: 該傳感器的精度達(dá)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(kuò)展下還能利用這個(gè)原理， 設(shè)計(jì)制作一款靈敏度系數(shù)可調(diào)的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器 ， 并通過調(diào)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(jié)構(gòu)示意圖。

　　由靜等人設(shè)計(jì)了一種對外加應(yīng)力應(yīng)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(jié)構(gòu)示意圖。 其中， 外套管隔離了外加應(yīng)力應(yīng)變向內(nèi)管的作用， 避免了外力通過內(nèi)管傳遞給光纖Bragg 光柵。 同時(shí)， 由于內(nèi)、外管均是熱傳導(dǎo)性能良好的金屬材料( 比如: 銅) ， 故溫度仍能通過外管和內(nèi)管傳遞給光纖Bragg 光柵， 從而使得Brag g 波長響應(yīng)溫度變化而產(chǎn)生移位。 根據(jù)測溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到光纖光柵溫度傳感器的各項(xiàng)靜態(tài)性能指標(biāo)， 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(fù)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(dá)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(diào)的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器， 而后者能實(shí)現(xiàn)消除外加應(yīng)力應(yīng)變的影響， 保障在實(shí)際應(yīng)用中溫度測量的系統(tǒng)精度。

　　3 結(jié) 束 語

　　光纖溫度傳感器自問世以來。 主要應(yīng)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(lǐng)域， 并已取得了大量可靠的應(yīng)用實(shí)績。 它的應(yīng)用是一個(gè)方興未艾的領(lǐng)域， 有著非常廣闊的發(fā)展前景， 迄今為止， 國內(nèi)外已經(jīng)有不少相關(guān)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(yīng)用目的， 會有越來越多的精度更高、結(jié)構(gòu)更簡單、成本更低、更實(shí)用的方案提出， 更進(jìn)一步促進(jìn)溫度傳感器的發(fā)展。