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光纖溫度傳感器工作原理

光纖溫度傳感器具有動態范圍大、靈敏度高、響應快、抗電磁干擾等優點,非常適用于等離子體沉積、高頻電加熱爐及高溫熱氣流等領域的溫度測量。

在各種光纖溫度傳感器中, 有兩類具有特別重要的應用價值:根據普朗克輻射定律,利用物體高溫熱輻射進行檢測的輻射型光纖溫度傳感器［1］和利用物體熒光壽命與溫度對應關系的熒光壽命檢測型光纖溫度傳感器［2］。由于物體的熱輻射隨溫度的升高呈近指數型增長,輻射型光纖溫度傳感器在高溫下具有很高的靈敏度, 但無法應用于低溫區域。相反,由于物體的熒光僅在低溫區具有可檢測的熒光溫度特性,而在高溫區則由于熒光淬滅以及輻射背景的增加而無法適用,因此熒光測溫型光纖溫度傳感器適用于低溫區的溫度測量。上述兩種光纖溫度傳感器如能有機地結合在一起,將能實現從低溫到高溫的大范圍溫度測量。利用單一光纖探頭實現大范圍測溫具有重要的應用價值。

藍寶石單晶光纖由于其極好的高溫物理化學性能, 非常適用于高溫下光纖測溫應用,現已成功地用作輻射型光纖溫度傳感器的光纖傳感頭［1,3］。利用激光加熱基座法（LHPG）單晶光纖生長技術,通過在藍寶石單晶光纖的端部摻入Cr3+離子［4］,可以實現光激發下的熒光發射。通過熒光壽命的檢測, 可以測量所對應的溫度。因此,這種溫度傳感器將實現從低溫到高溫的全程測溫。

2　系統結構及工作原理

從室溫到1800℃全程測溫的藍寶石單晶光纖溫度傳感器的系統結構框圖如圖1所示,系統主要包括端部摻雜的藍寶石單晶光纖傳感頭、Y型石英光纖傳導束、超高亮發光二極管（LED）及驅動電路、光電探測器、熒光信號處理系統［4］和輻射信號處理系統［3］。

系統的工作原理為: 在低溫區（400℃以下）, 輻射信號較弱,系統開啟發光二極管(LED)使熒光測溫系統工作。發光二極管發射調制的激勵光, 經聚光鏡耦合到Y型光纖的分支端,由Y型光纖并通過光纖耦合器耦合到藍寶石光纖溫度傳感頭。光纖傳感頭端部受激勵光激發而發射熒光, 熒光信號由藍寶石光纖導出,并通過光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出, 由光電探測器接收。光電探測器輸出的光信號經放大后由熒光信號處理系統處理,計算熒光壽命并由此得到所測溫度值。而在高溫區（400℃以上）,輻射信號足夠強, 輻射測溫系統工作, 發光二極管關閉。輻射信號通過藍寶石光纖并通過Y型光纖輸出, 由探測器轉換成電信號,系統通過檢測輻射信號強度計算得到所測溫度。

圖1中所示的光纖傳感頭端部由Cr3+離子摻雜, 實現光激勵時的熒光發射。摻雜部分光纖長度為8～10mm。端部光纖的外表面同時鍍覆黑體腔,用于輻射測溫。(這時,光纖黑體腔長度與直徑之比大于10,可以滿足黑體腔表觀輻射率恒定的要求)［3］。值得注意的是,避免或減少熒光發射部分與熱輻射部分的相互干擾, 對保證整個系統的性能十分重要。經過分析, 可以發現這種干擾主要表現為:1)熒光信號中輻射背景信號對熒光壽命檢測精度的影響, 2) 光纖表面鍍覆對熒光強度的影響,3)光纖內Cr3+離子摻雜對黑體腔熱輻射信號的影響。以下分別加以說明。

首先考慮輻射背景對熒光壽命檢測精度的影響。由于熱輻射信號強度遵守普朗克定律呈近指數變化, 在熒光測溫工作的低溫區內,輻射背景很小,而且為未加調制的直流信號, 相對于周期調制的熒光信號, 很容易用濾波電路加以消除。因此其影響可以忽略。

其次, 考慮光纖端部表面鍍覆對熒光信號強度的影響。光纖內的摻雜離子在受激發時,向空間各方向發出熒光,但只有立體角滿足光纖數值孔徑的那部分熒光, 才能通過光纖表面的全反射由光纖導出。經過分析,可以發現確有部分熒光由于端部表面的鍍覆而被吸收, 且影響較大（強度降低約60%）。為保證盡可能大的信噪比,應特意加長端部摻雜光纖長度, 使超過鍍覆長度2～3 mm, 才能有效地消除表面鍍覆對熒光強度的影響。

再次, 考慮離子摻雜對輻射信號的影響。實際上, 由于高溫下能帶的交疊, 離子吸收的影響越來越小,可以忽略離子摻雜對熱輻射光譜的影響,這點也已由實驗證明。圖2分別為端部有Cr3+離子摻雜和沒有離子摻雜的光纖在鍍覆黑體腔后在1000℃時的熱輻射譜（OMA采入）,顯然圖中沒有明顯的吸收譜段。（由于兩光纖測試時的位置略有不同, 使譜高度等也略有不同）。

來源:互聯網

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