光纤温度传感器ppt
合集下载
《光纤传感器》PPT课件
用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的 光或被其反射、散射的光。
光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器
返回
上一页
第十七页，共3下3页一。 页
强度调制与解调
利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对 象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测 器进行检测， 结构简单、容易实现、成本低。 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
第三十三页，共33页。
传输光纤 出射光纤
标志孔
电路板标志检测
当光纤发出 的光穿过标志孔时， 若无反射，说明电 路板方向放置正确。
第三十页，共33页。
光纤式光电开关应用
遮断型光纤 光电开关
第三十一页，共33页。
光纤式光电开关应用
第三十二页，共33页。
采用遮断 型光纤光电
开关对IC 芯 片引脚进行 检测
内容总结
光纤传感器。r为光纤半径，λ为光波波长。光纤传感器一般可分为两大类：功能型FF和非功 能型NF。功能型FF:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。优点：无需特殊光纤及其他特 殊技术，。利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。便于与 计算机和光纤传输系统相连 ，易于实现系统的遥测和控制。阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各 点均匀一致，称为多模光纤。与光纤耦合的电光与光电转换器件
光纤传感器
一、 光纤传感器基础
二、 光调制与解调技术
三、 光纤传感器实例
返回
上一页
第一页，共33下页。一页
第二页，共33页。
第三页，共33页。
一、 光纤传感器基础
9.1.1 光纤波导原理
光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、玻 璃、塑料等)构成的光通路。
光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器
返回
上一页
第十七页，共3下3页一。 页
强度调制与解调
利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对 象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测 器进行检测， 结构简单、容易实现、成本低。 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
第三十三页，共33页。
传输光纤 出射光纤
标志孔
电路板标志检测
当光纤发出 的光穿过标志孔时， 若无反射，说明电 路板方向放置正确。
第三十页，共33页。
光纤式光电开关应用
遮断型光纤 光电开关
第三十一页，共33页。
光纤式光电开关应用
第三十二页，共33页。
采用遮断 型光纤光电
开关对IC 芯 片引脚进行 检测
内容总结
光纤传感器。r为光纤半径，λ为光波波长。光纤传感器一般可分为两大类：功能型FF和非功 能型NF。功能型FF:利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。优点：无需特殊光纤及其他特 殊技术，。利用被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。便于与 计算机和光纤传输系统相连 ，易于实现系统的遥测和控制。阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各 点均匀一致，称为多模光纤。与光纤耦合的电光与光电转换器件
光纤传感器
一、 光纤传感器基础
二、 光调制与解调技术
三、 光纤传感器实例
返回
上一页
第一页，共33下页。一页
第二页，共33页。
第三页，共33页。
一、 光纤传感器基础
9.1.1 光纤波导原理
光纤波导简称光纤，是用透光率高的电介质(石英、玻 璃、塑料等)构成的光通路。
第7章-2光纤传感检测ppt课件
2、光纤多普勒流速计 下图为利用光纤多普勒计来测量流体流速的原理。当 待测流体为气体时，散射光将非常微弱，此时可采用大 功率的 Ar 激光器（出射光功率为 2W ， λ=514.5nm ）以 提高信噪比。 特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态。
2
1 7 8 探测器 3 4
5 6
频谱 分析仪
He-Ne激光器
1 光源 2 接收
（3）遮光式光纤温度计
热双金属式光纤温度开关 1 遮光板； 2 双金属片
7.3.3 光纤角速度传感器（光纤陀螺）
光检测器 偏振器 光源 调制器
空间 滤波器
赛格纳克相移：
3dB光劈
8 NA 0c
传感环 光纤陀螺
7.3.4 光纤压力传感器
强度调制型： 光 纤 压 力 传 感 器
式中，υ为血流速度；n为血液的折射率，其值为 1.33； 分束器的另一束光用做参考光，将驱动频率f1=40 MHz的布拉格盒移频器，置于参考光路中，用以 区别血流方向。移频后的参考光信号频率为 f0-f1 （f0是光源的频率）。将新的参考光信号与多普 勒频移信号( f0+Δf )进行混频，就得到要探测的光 信号。这种方法称为光学外差法。
在情况 A 中，因为血流没有受到干扰，多普勒信 号显示为相当窄的频率分布；在情况 B 中，频谱 很宽，从 40 MHz 到较高的频率，最后降到散粒 噪声水平。多普勒变化信号的展宽是由光纤插入 血管中所引起的干扰造成的。
在情况 B 中，频率变化 Δf 与情况 A 中频率Δf 乘
以 1.33 相一致，而 1.33 恰好为血液的折射率。所
热色效应光纤温度传感器
下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温 度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直 方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光 纤温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为0.5℃。 它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较 长，一般需几分钟。
《光纤传感器》PPT课件
光导纤维的主要参数
1. 数值孔径（NA）
2. 光纤模式
3. 传播损耗
返返 回回
上一页 上一页
下一页 下一页
1. 数值孔径（NA）
2 NA sin i n12 n2
反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。
意义：无论光源发射功率有多大，只有 2θi 张角 之内的光功率能被光纤接受传播。
差动式膜片反射型光纤压力传感器
1．输出光纤
2．输入光纤
3．输出光纤
4．胶
5．膜片
I 2 1 Ap A―常数； 两束输出光的光强之比 I 1 1 Ap p―待测量压力
输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关
返 回 上一页 下一页
将上式两边取对数，在满足(Ap)2≤1时，得到
传感器的固有频率可表示为
2.56t gE fr p 2 2 R 3 (1 )
式中, ρ――膜片材料的密度； g――重力加速度。 结构简单、体积小、使用方便， 光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，
其精度就要受到影响。
返
回
上一页
下一页
The most commonly used type of fiberoptic sensor is an intensity sensor, where light intensity is modulated by an external stimulus
光纤传感器强度调制
非 干 涉 型
光纤传感器偏振调制
光纤传感器频率调制
注：MM——多模光纤；SM——单模光纤；PM——偏振保持光纤
返 回 上一页 下一页
《光纤温度传感器》PPT课件
4
编辑ppt
两光束通过光纤传输后经PIN 光电二极管把参考 光束和信号光束转变为电信号， 经前置放大、滤 波后， 通过A/ D 接口到单片机， 经除法运算和数 据处理后输出显示。
光探头是由半导体材料GaAs 制作， 其厚度 约100 M，两边抛光， 镀增透膜， 探头与光纤芯 的连接如图所示。
传感头结构图 此传感器其温度测量范围在- 10~120 ℃ ， 精确度可达1 ℃ ， 响应时间22 s， 特别适合超长距离和恶劣环境下的应用。
5
编辑ppt
基于半导体GaAs 对近红外光的吸收波峰值随温度 升高向长波长移动从而引起透射率随温度变化而变化这 一特性设计了一种单光路的半导体吸收式光纤温度传感 器。测温系统原理图如图所示：
传感器原理图 用7805 稳压器搭建稳压电路驱动红外发光二极管 ( LED) ， 使LED 获得稳定的输出功率， 经耦合装置将 LED 光源部分耦合进入光纤， 经敏感测头的光能量携 带温度信号通过耦合装置耦合到硅光电三极管， 采用 集成运放LM324 进行电压放大处理， 最后进行标定。 敏感测头如图6 所示。
6
编辑ppt
敏感测头结构 采用经研磨并抛光厚度达200 m， 面积约2mm ? 2 mm 的GaAs 片， 将其垂直置于直径为2。 49mm 的陶瓷套管中 。 将GaAs 片粘在一边的陶瓷插芯端面， 将光纤对准并固定。 实验证明: 该单光路光纤温度传感器的测量精度可达到% 1 ℃ ， 响应时间在20 s 之内， 有良好的长期稳定性、重复性; 在 20~ 70℃ 具有良好的线性， 在这个范围内对某些环境下( 如 石油工业、电力工业) 可得到广泛应用。 根据传感头内的各部 分材料特性， 以及光纤的热稳定性， 这种传感器可在- l0~ 300 ℃内正常工作。 上面2 种传感器后者比前者在响应时间及适用温度范围方面均 有提高， 但前者适合超长距离使用。
编辑ppt
两光束通过光纤传输后经PIN 光电二极管把参考 光束和信号光束转变为电信号， 经前置放大、滤 波后， 通过A/ D 接口到单片机， 经除法运算和数 据处理后输出显示。
光探头是由半导体材料GaAs 制作， 其厚度 约100 M，两边抛光， 镀增透膜， 探头与光纤芯 的连接如图所示。
传感头结构图 此传感器其温度测量范围在- 10~120 ℃ ， 精确度可达1 ℃ ， 响应时间22 s， 特别适合超长距离和恶劣环境下的应用。
5
编辑ppt
基于半导体GaAs 对近红外光的吸收波峰值随温度 升高向长波长移动从而引起透射率随温度变化而变化这 一特性设计了一种单光路的半导体吸收式光纤温度传感 器。测温系统原理图如图所示：
传感器原理图 用7805 稳压器搭建稳压电路驱动红外发光二极管 ( LED) ， 使LED 获得稳定的输出功率， 经耦合装置将 LED 光源部分耦合进入光纤， 经敏感测头的光能量携 带温度信号通过耦合装置耦合到硅光电三极管， 采用 集成运放LM324 进行电压放大处理， 最后进行标定。 敏感测头如图6 所示。
6
编辑ppt
敏感测头结构 采用经研磨并抛光厚度达200 m， 面积约2mm ? 2 mm 的GaAs 片， 将其垂直置于直径为2。 49mm 的陶瓷套管中 。 将GaAs 片粘在一边的陶瓷插芯端面， 将光纤对准并固定。 实验证明: 该单光路光纤温度传感器的测量精度可达到% 1 ℃ ， 响应时间在20 s 之内， 有良好的长期稳定性、重复性; 在 20~ 70℃ 具有良好的线性， 在这个范围内对某些环境下( 如 石油工业、电力工业) 可得到广泛应用。 根据传感头内的各部 分材料特性， 以及光纤的热稳定性， 这种传感器可在- l0~ 300 ℃内正常工作。 上面2 种传感器后者比前者在响应时间及适用温度范围方面均 有提高， 但前者适合超长距离使用。
光纤传感器ppt
外界参数温度 压力 振动等引起光纤长度的变化和相位的光 相位变化;从而产生不同数量的干涉条纹;对它的模向移动进 行计数;就可测量温度或压力等
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体 上 另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤 传送到光敏元件上 被测物体与光纤间 距离变化;反射到 接受光纤上;光通 量发生变化 再通 过光电传感器检测 出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章 光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角 度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章 光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收 散射和弯曲 处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象 微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率 变化
反射角变化
石英系玻璃 旋转圆盘
石英系玻璃 石英系玻璃 薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像 多波长传输 非线性光学
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体 上 另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤 传送到光敏元件上 被测物体与光纤间 距离变化;反射到 接受光纤上;光通 量发生变化 再通 过光电传感器检测 出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章 光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角 度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章 光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收 散射和弯曲 处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象 微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率 变化
反射角变化
石英系玻璃 旋转圆盘
石英系玻璃 石英系玻璃 薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像 多波长传输 非线性光学
光纤传感器ppt课件
第9章 光纤传感器
光纤传感器的原理结构及种类
光的传输原理
光导纤维传感器的类型
功能型光纤传感器
非功能型光纤传感器
光纤传感器的应用
光纤即光导纤维是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成新的光学技术，创造了光电子学新领域。光纤的出现产生了光纤通讯技术，特别是光纤在有线通讯网的优势越来越突出，它为人类21世纪的通讯基础------信息高速公路奠定了基础，为多媒体（符号、数字、语言、图形和动态图象）通信提供了实现的必须条件。
光导纤维传感器的类型
光纤传感器的分类
按测量对象分类 ：分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。
按光纤中光波调制的原理分类 ：分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。
按光纤在传感器中的作用分类 ：分为功能型光纤传感器（FF型，function fiber）和非功能型光纤传感器（NFF型，non function fiber）
高纯度石英（sio2）玻璃纤维，这种材料的光损耗比较小。
多组分玻璃纤维，用常规玻璃制成，损耗较小。
塑料光纤，用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但质量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。
2、按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型 1）阶跃型光纤（折射率固定不变）：指纤芯和包层折射率不连续的光纤。 2）梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）：在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处 n1=n2，n1的分布大多按抛物线规律，其关系式为： n1=n.(1-A.r2/2) n为纤芯中心折射率，如1.525 A为常数，如A=0.5mm-2 r为径向坐标 采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。
光纤传感器的原理结构及种类
光的传输原理
光导纤维传感器的类型
功能型光纤传感器
非功能型光纤传感器
光纤传感器的应用
光纤即光导纤维是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成新的光学技术，创造了光电子学新领域。光纤的出现产生了光纤通讯技术，特别是光纤在有线通讯网的优势越来越突出，它为人类21世纪的通讯基础------信息高速公路奠定了基础，为多媒体（符号、数字、语言、图形和动态图象）通信提供了实现的必须条件。
光导纤维传感器的类型
光纤传感器的分类
按测量对象分类 ：分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。
按光纤中光波调制的原理分类 ：分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。
按光纤在传感器中的作用分类 ：分为功能型光纤传感器（FF型，function fiber）和非功能型光纤传感器（NFF型，non function fiber）
高纯度石英（sio2）玻璃纤维，这种材料的光损耗比较小。
多组分玻璃纤维，用常规玻璃制成，损耗较小。
塑料光纤，用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但质量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。
2、按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型 1）阶跃型光纤（折射率固定不变）：指纤芯和包层折射率不连续的光纤。 2）梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）：在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处 n1=n2，n1的分布大多按抛物线规律，其关系式为： n1=n.(1-A.r2/2) n为纤芯中心折射率，如1.525 A为常数，如A=0.5mm-2 r为径向坐标 采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。
《光纤传感器 》课件
通过化学气相沉积等方法 制备出光纤预制棒，作为 光纤制造的原材料。
拉丝工艺
将光纤预制棒加热软化后 ，通过拉丝机拉制成连续 的光纤。
涂覆与保护
在拉制出的光纤表面涂覆 一层保护涂层，以提高光 纤的机械强度和耐腐蚀性 。
光纤传感器的封装工艺
光纤光栅封装
光纤传感器的密封与保护
将光纤光栅粘贴在特定的封装基底上 ，并使用环氧树脂等材料进行固定和 保护。
光纤传感器的应用领域。
光纤传感器的小型化与集成化
总结词
光纤传感器正朝着小型化与集成化的方向发展，以满 足现代科技领域对传感器尺寸和集成度的要求。
详细描述
随着微纳加工技术和光子集成技术的不断发展，光纤 传感器的小型化与集成化成为可能。小型化的光纤传 感器具有更小的体积和更高的可靠性，集成化的光纤 传感器则能够实现多个传感功能的集成，提高系统的 集成度和智能化程度。
光纤传感器的优点与局限性
优点
高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可 在恶劣环境下工作、可远程测量等。
局限性
对温度、压力、位移等物理量的测量 可能会受到其他因素的干扰，如弯曲 、振动等；同时，光纤传感器成本较 高，限制了其在某些领域的应用。
03
CHAPTER
光纤传感器的制造工艺
光纤的制备
01
02
03
预制棒制备
光纤传感器
目录
CONTENTS
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的制造工艺 • 光纤传感器在各领域的应用 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 案例分析：光纤传感器在石油工业中的应用
01
CHAPTER
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检 测和测量物理量（如温度、压力、位移等）的变化。
拉丝工艺
将光纤预制棒加热软化后 ，通过拉丝机拉制成连续 的光纤。
涂覆与保护
在拉制出的光纤表面涂覆 一层保护涂层，以提高光 纤的机械强度和耐腐蚀性 。
光纤传感器的封装工艺
光纤光栅封装
光纤传感器的密封与保护
将光纤光栅粘贴在特定的封装基底上 ，并使用环氧树脂等材料进行固定和 保护。
光纤传感器的应用领域。
光纤传感器的小型化与集成化
总结词
光纤传感器正朝着小型化与集成化的方向发展，以满 足现代科技领域对传感器尺寸和集成度的要求。
详细描述
随着微纳加工技术和光子集成技术的不断发展，光纤 传感器的小型化与集成化成为可能。小型化的光纤传 感器具有更小的体积和更高的可靠性，集成化的光纤 传感器则能够实现多个传感功能的集成，提高系统的 集成度和智能化程度。
光纤传感器的优点与局限性
优点
高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可 在恶劣环境下工作、可远程测量等。
局限性
对温度、压力、位移等物理量的测量 可能会受到其他因素的干扰，如弯曲 、振动等；同时，光纤传感器成本较 高，限制了其在某些领域的应用。
03
CHAPTER
光纤传感器的制造工艺
光纤的制备
01
02
03
预制棒制备
光纤传感器
目录
CONTENTS
• 光纤传感器概述 • 光纤传感器的技术原理 • 光纤传感器的制造工艺 • 光纤传感器在各领域的应用 • 光纤传感器的发展趋势与挑战 • 案例分析：光纤传感器在石油工业中的应用
01
CHAPTER
光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的传感器，能够检 测和测量物理量（如温度、压力、位移等）的变化。
《光纤传感器》课件
光纤传感器的应 用：广泛应用于 航空航天、医疗、 工业等领域，如 光纤陀螺仪、光 纤温度传感器等
光的调制技术：通过改变光的强度、相位、频率等参数，实现对信息的编码和传 输
光纤传感器的工作原理：利用光的调制技术，将待测物理量转换为光信号，通过 光纤传输到接收端，进行检测和处理
光的调制技术在光纤传感器中的应用：通过光的调制技术，可以实现对温度、压 力、流量等物理量的高精度测量
工作原理：利用光纤对温度敏 感的特性进行测量
特点：精度高、响应速度快、 抗干扰能力强
应用实例：温度监测、温度控 制、温度补偿等
应用领域：广泛应用于工业、医疗、航空航天等领域 工作原理：通过光纤的折射率变化来测量压力 特点：高精度、高灵敏度、抗干扰能力强 应用实例：在飞机发动机、汽车发动机、液压系统中的应用
应用领域：广泛应 用于工业自动化、 机器人、航空航天 等领域
工作原理：利用光 纤的弹性和光学特 性，测量物体的位 移变化
特点：精度高、 响应速度快、抗 干扰能力强
实例：在汽车制造、 机械加工、电子设 备等领域的应用
应用领域：广泛应 用于石油、化工、 食品、医药等行业
工作原理：利用光 纤的折射率变化来 测量液位
提高灵敏度：通过优化光纤结构和材料，提高传感器的灵敏度 降低成本：通过优化生产工艺和材料选择，降低传感器的生产成本 提高稳定性：通过优化传感器设计和材料选择，提高传感器的稳定性和可靠性 提高兼容性：通过优化传感器设计和材料选择，提高传感器与其他设备的兼容性和互操作性
应用领域：工业、医疗、科研 等领域
量测量
应用领域：化 工、环保、食 品、医药等行
业
工作原理：利 用光纤对光的 敏感性，检测 液体或气体的
浓度
光纤温度传感器ppt
二:几种光纤温度传感器
热辐射型光纤高温传感器
半导体吸收式温度传感器
光纤荧光温度传感器 光纤光栅温度传感器
热辐射性光纤温度传感器
热辐射光纤高温传感器的原理是黑体辐射定律,物质 受热时会发出一定的热辐射,辐射量的大小取决于该 物质的温度和材料的辐射系数.当温度为230℃时,理 想黑体开始出现暗红色辐射,亮度随着温度的增加而 增强。由于物体的热辐射随温度的升高呈近指数型 增长，辐射性光纤温度传感器在高温下具有很高的 灵敏度。
光纤光栅传感器因其抗电磁干扰耐高温长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感挪威的optoplan正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器光纤光栅传感器因其抗电磁干扰耐高温长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感挪威的optoplan正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器
一 光纤温度传感器的光学原理及其 分类
半导体吸收式温度传感器
这种传感器的基本原理是利用有些半导体物质如GaAs具有极陡 的吸收光谱,波长与吸收端长的光可透过半导体,短的则被吸收. 当温度升高时,本征吸收波长变大,透射率曲线向长波长方向移 动,但形状不变;反之,当温度降低时,本征吸收波长变小,透射率曲 线保持形状不变而向短波长方向移动.当光源的光谱辐射强度不 变时,GaAs总透射率就随其温度发生变化,温度越高,总透射率越 低.通过测量透过GaAs总透射率就随其温度发生变化,温度越高, 总透射率越低.通过测量透过GaAs的光的强弱即可达到测温的 目的.通过研磨抛光将GaAs加工成很薄的薄片,其入射光和出射 光用光纤耦合,这就是半导体吸收式光纤温度传感器的基本原理. 这种传感器的测量距离远,而且探头的体积小,灵敏度高,工作可 靠.测量范围在0-300℃内保证较高的测量精度.
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
热辐射型光纤温度传感器
蓝宝石光纤温度传感器是一种特殊的光纤高温传感 器，它采用蓝宝石单晶光纤作为温度传感头，通过 直接测量光纤黑体本身的热辐射来探测所处环境的 温度。蓝宝石单晶由于具有极好的高温物理化学性 能，熔点最高可达2045℃,是一种优良的红外耐高温 光学材料,非常适用于高温下光纤测温应用,现在已在 辐射性光纤温度传感器光纤传感头上得到应用。
(3)航空航天业：航空航天业是一个使用传感器密集的 地方,一架飞行器为了检测压力,温度,震动,燃料液位,起 落架状态,机翼和方向舵的位臵等,所需要使用的传感器 超过一百个,因此传感器的尺寸和重量变得非常重要.光 纤传感器从尺寸小和重量轻的优点来讲,几乎没有其他 传感器可以与之相比.
(4)医学领域：传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的 ,光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器.光纤光栅传 感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部 测量,提供有关温度,压力和声波场的精确局部信息.光纤光栅 传感器对人体组织的损害非常小,足以避免对正常医疗过程 的干扰.
二:几种光纤温度传感器
热辐射型光纤高温传感器
半导体吸收式温度传感器
光纤荧光温度传感器 光纤光栅温度传感器
热辐射性光纤温度传感器
热辐射光纤高温传感器的原理是黑体辐射定律,物质 受热时会发出一定的热辐射,辐射量的大小取决于该 物质的温度和材料的辐射系数.当温度为230℃时,理 想黑体开始出现暗红色辐射,亮度随着温度的增加而 增强。由于物体的热辐射随温度的升高呈近指数型 增长，辐射性光纤温度传感器在高温下具有很高的 灵敏度。
光纤温度传感器
除以上介绍的传感器外,光纤温度传感器还有很多种. 如: 干涉型光纤温度传感器 基于弯曲损耗的光纤温度传感器 分布式光纤温度传感器
应用领域
电力系统
直接埋入建筑物
航空航天业 医学领域 井下传感
(1)电力系统：光纤温度传感器在电力系统有着重要的 应用.电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监 测监控;高压配电装臵内易发热部位的检测;发电厂,变 电站的环境温度检测及火灾报警系统;各种大中型发 电机,变压器,电动机的温度分布测量,热动保护以及故 障诊断;火力发电厂的加热系统,蒸汽管道,输油管道德 温度和故障点检测;地热电站和户内封闭式变电站的 设备温度检测等.
光纤荧光温度传感器
当物体受到光或放射线照射时,其原子便处于受激状 态.当原子回复至初始状态是随机发出荧光,且荧光的 强度和 辐射光的能量成正比,根据荧光的强度可以检 测温度.而激励撤销后,荧光余晖的持续性取决于荧光 物质特性,环境温度等因素,这种受激发荧光通常是按 指数方式衰减的,我们称衰减的时间常数为荧光寿命 或荧光余晖时间.我们发现,在不同的环境温度下,荧光 余晖衰减也不同.因此也通过测量荧光余晖的寿命的 长短,来检测当时的环境温度.
半导体吸收式温度传感器
这种传感器的基本原理是利用有些半导体物质如GaAs具有极陡 的吸收光谱,波长与吸收端长的光可透过半导体,短的则被吸收. 当温度升高时,本征吸收波长变大,透射率曲线向长波长方向移 动,但形状不变;反之,当温度降低时,本征吸收波长变小,透射率曲 线保持形状不变而向短波长方向移动.当光源的光谱辐射强度不 变时,GaAs总透射率就随其温度发生变化,温度越高,总透射率越 低.通过测量透过GaAs总透射率就随其温度发生变化,温度越高, 总透射率越低.通过测量透过GaAs的光的强弱即可达到测温的 目的.通过研磨抛光将GaAs加工成很薄的薄片,其入射光和出射 光用光纤耦合,这就是半导体吸收式光纤温度传感器的基本原理. 这种传感器的测量距离远,而且探头的体积小,灵敏度高,工作可 靠.测量范围在0-300℃内保证较高的测量精度.
一 光纤温度传感器的光学原理及其 分类
瑞利散射 喇曼散射
布里渊散射
瑞利散射测温的局限
由于液芯的使用，使得此方案存在很大争议：液体存在 冰点和沸点,因而温度测量范围受到了很大限制,光纤的不 纯或者有微粒,将增加光纤的散射面或者光纤局部损耗,从 而使得信号不准确,给出错误的温度信息.另外液芯光纤的 使用也不方便.这种方案是分布式温度传感方案的基础,但 其只能在试验室内工作良好,能达到在几百米长的光纤上 实现3℃的测温,温度的空间分辨率达到5m. 基于瑞利散射的分布式温度传感器系统结构比较简单,所 需元器件少,但是温度的变化会引起光纤波导物理特性的 变化,使瑞利散射光强随温度变化而波动,所以无法精确测 量温度.
布里渊散射
采用布里渊测温具有很大优势，但 是这种方法对激光器的稳定性要求 很高，而且布里渊散射对应力也十 分敏感，这对单独测温系统是不利 的。
拉曼散射
基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤 传感技术中最为成熟的一项技术.对该技术开展研究 工作的主要有英国南安普顿大学,中国的重庆大学,和 中国计量学院.目前,该类传感器的一些产品已出现在 国际,国内市场上,最为著名的是英国york公司的dts, 它的空间分辨率和温度分辨率分别能达到2m,3℃,测 量范围为4-8km.从理论上讲,喇曼系统的极限空间分 辨率很高,约厘米量级,但高的输入功率的要求是其最 大的弱点;对受激布里渊系统,使用毫瓦量级的输入功 率实现很长跨度的分布测量并不是问题,关键是其极 限空间分辨率有限.就实际应用来讲,喇曼系统已较成 熟,且已有了性能指标都很优越的商品.而在这一方面 受激布里渊系统还差一些.
(2)直接埋入建筑物：光纤温度传感特别是光纤光栅温 度传感器很容易埋入材料中对其内部的温度进行高 分辨率和大范围地测量,因而被广泛的应用于建筑,桥 梁上.美国,英国,日本,加拿大和德国等一些发达国家 早就开展了桥梁安全监测的研究,并在主要大桥上都 安装了桥梁安全监测预警系统,用于监测桥梁的应变, 温度,加速度,位移等关键安全指标.1999年夏,美国新 墨西哥一所洲际高速公路的一座钢结构桥梁上安装 了120个光纤光栅温度传感器,创造了单座桥梁上使用 该类传感器最多的记录.
光纤荧光温度传感器
强度性荧光光线传感器会受光纤的微弯,耦合,散射 等影响,很难达到高精度,而寿命型荧光传感器则可 避免这些缺点,荧光寿命的测量是测温的关键.目前 的研究主要围绕着荧光源的选择,如蓝宝石和红宝石 发光,稀土发光以及半导体发光.
光纤光栅温度传感器
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. FBG光栅传感器的传感原理是:如果用一宽光谱光源注入光纤,则每 个FBG光栅都反射回一个中心波长为布拉格波长的窄带光波,其布 拉格波长为 其中A是光栅周期,neff是纤芯的有效折射率. 温度的改变,将导致FBG波长的改变,这个改变可以从光栅的发射光 谱中检测出来,由此可以测定温度. 与一般的光纤温度传感器相比,光纤光栅传感器尺寸下,检测量是 波长信息,因此不受光源影响,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,能方便实用波分复用 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;光纤井下传感：光纤光栅传感器因其抗电磁干扰,耐高温,长期 稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感,挪威的optoplan正 在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器