光纤测温

光纤测温

１．概述

光导纤维是一种利用光完全内反射原理而传输光的器件。一般光导纤维用

石英玻璃制成，通常有三层：最里面直径仅有几十微米的细芯称芯子，其折射率

为ｎ；外面有一层外径为１０

００～２０

００μｍ的包层，其折射率为ｎ２，通常ｎ略小于

ｎ１；芯子和包层一起叫做心线；心线外面为保护层，其折射率为ｎ３，ｎ３≥ｎ２。这种结构可保证按一定角度入射的光线在芯子和包层的界面发生全反射，

使光线只集中在芯子内向前传输。与温度测量有关的光导纤维的特征参数主要

是数值孔径ＮＡ，其表达式为

ＮＡ＝ｎ０ｓｉｎθ０＝ｎ２１－ｎ２２（６－３２）

式中，ｎ０为空气折射率，其值为１；ｎ１为芯子材料的折射率；ｎ２

为包层材料的折

射率；θ为临界入射角（指保证入射光在芯子和包层界面间发生全反射，从而集

中在芯子内部向前传输的最大入射角）。

ＮＡ大，表示可以在较大入射角范围内输入并获得全反射光；它与心线直径

无关，仅与它们材料的折射率有关。一般光学玻璃组成的光纤，其ＮＡ约为０．４；而石英玻璃组成的光纤，其ＮＡ约为０．２５。

２．光纤温度传感器

光纤温度传感器是采用光纤作为敏感元件或能量传输介质而构成的新型测

温传感器，它有接触式和非接触式等多种型式。

光纤传感器由光源激励、光源、光纤（含敏感元件）、光检测器、光电转换及处

理系统和各种连接件等部分构成。光纤传感器可分为功能型和非功能型两种型

式，功能型传感器是利用光纤的各种特性，由光纤本身感受被测量的变化，光纤

既是传输介质，又是敏感元件；非功能型传感器又称传光型，由其他敏感元件感

受被测量的变化，光纤仅作为光信号的传输介质。

（１）功能型光纤温度传感器

功能型光纤温度传感器是由光纤本身感受被测目标物体的温度变化，并引

起传输光的相应变化，然后据此确定被测目标物体的温度高低与发生变化的位

置。这类传感器目前仍处于研究阶段，下面介绍其中两种功能型光纤温度传感

器。

①黑体辐射型

这种温度传感器与辐射光纤传感器很相似，其工作原理是基于光纤芯线受

热产生黑体辐射现象来测量被测物体内热点的温度。此时，光纤本身成为一个

待测温度的黑体腔，它与辐射温度计的区别在于辐射不是固定在头部，而是光纤

整体。在光纤长度方向上的任何一段，因受热而产生的辐射都在端部收集起来，

并用来确定高温段的位置与温度。因此，它属于接触式温度传感器范畴。这种

传感器是靠被测物体加热光纤，使其热点产生热辐射，所以，它不需要任何外加

敏感元件，可以测量物体内部任何位置的温度。而且，传感器对光纤要求较低，

只要能承受被测温度就可以。

光纤温度传感器的热辐射能量取决于光纤温度、发射率与光谱范围。当一

定长度的光纤受热时，光纤的所有部分都将产生热辐射，但光纤各部分的温度可

能相差很大，所辐射的光谱成分也不同。由于热辐射随物体温度增加而显著增

加，所以，在光纤终端探测到的光谱成分将主要取决于光纤上最高温度，即光纤

中的热点，而与其长度无关。

采用硫化铅、硒化铅作探测器时，测温下限可达室温。对于一般的光纤温度

传感器，测温范围为１３５～７２５

℃。这种温度传感器用来监测电机、变压器等电

器设备的热点是较适宜的。

②喇曼效应

这种光纤温度计是基于光纤内部产生喇曼散射现象，喇曼（Ｒａｍａｎ）效应是

一种利用光纤材料内分子相互作用调制光线的非线性散射效应。这种散射光的

波长会在两个方向上变化，即长波方向（称Ｓｔｏｃｋｅｓ线）和短波方向（称为反Ｓｔｏｃｋｅｓ线）。通过理论证明，Ｓｔｏｃｋｅｓ辐射强度与反Ｓｔｏｃｋｅｓ辐射强度之比为热力学温

度的函数，可用来测定热点的温度；再测量光波传输的时间，就能确定其位置。

测量时，由光纤首端射入光脉冲，通常采用功率较大的激光器，以便得到较

强的散射光，可增加检测的灵敏度。用氖离子激光器激发时，产生的Ｓｔｏｃｋｅｓ和

反Ｓｔｏｃｋｅｓ的反射信号，

据报导在长度约１ｋｍ光纤上实验时，该系统的温度分辨率为５Ｋ，位置分辨率为

５ｍ。现在已有商品出售，但只使用反Ｓｔｏｃｋｅｓ线来确定温度。据称目前已获得１℃以上的分辨力。（２）非功能型光纤温度传感器

非功能型光纤温度传感器在研究、生产

和实际应用中更为成功，现有多种类型，已

实用化的有液晶光纤温度传感器、荧光光纤

温度传感器、半导体光纤温度传感器和光纤

辐射型温度传感装置等。

①液晶光纤温度传感器

液晶光纤温度传感器利用液晶的“热

色”效应而工作。例如在光纤端面上安装液

晶片，在液晶片中按比例混入三种液晶，温

度在１０～４５

℃范围变化，液晶颜色由绿变

成深红，光的反射率也随之变化，测量光强

变化可知相应温度，其精度约为０．１

℃。不同型式的液晶光纤温度传感器的测

温范围可在－５０～２５０℃之间。

②荧光光纤温度传感器

荧光光纤温度传感器的工作原理是利用荧光材料的荧光强度随温度而变

化，或荧光强度的衰变速度随温度而变化的特性，前者称荧光强度型，后者称荧

光余辉型。其结构是在光纤头部粘接荧光材料，用紫外光进行激励，荧光材料将

会发出荧光，检测荧光强度就可以检测温度。荧光强度型传感器的测温范围为

－５０～２０

００℃；荧光余辉型温度传感器的测温范围为－５０～２５０℃。

③半导体光纤温度传感器

半导体光纤温度传感器是利用半导体的光吸收响应随温度高低而变化的特

性，根据透过半导体的光强变化检测温度。温度变化时，半导体的透光率亦随之

变化。当温度升高时，其透过光强将减弱，测出光强变化就可知对应的温度变

化。这类温度计的测温范围为－３０～３０

００℃。

④光纤辐射型温度传感装置

光纤辐射型温度传感装置的工作原理和普通的辐射测温仪表类似，它可以

接近或接触目标进行测温。目前，因受光纤传输能力的限制，其工作波长一般为