光纖溫度傳感器ppt課件

1、 瑞利散射 喇曼散射 布里淵散射 一一 光纖溫度傳感器的光學(xué)原理及其光纖溫度傳感器的光學(xué)原理及其分類分類 由于液芯的使用，使得此方案存在很大爭議：液體存在冰點和沸點,因而溫度測量范圍受到了很大限制,光纖的不純或者有微粒,將增加光纖的散射面或者光纖局部損耗,從而使得信號不準(zhǔn)確,給出錯誤的溫度信息.另外液芯光纖的使用也不方便.這種方案是分布式溫度傳感方案的基礎(chǔ),但其只能在試驗室內(nèi)工作良好,能達到在幾百米長的光纖上實現(xiàn)3的測溫,溫度的空間分辨率達到5m. 基于瑞利散射的分布式溫度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單,所需元器件少,但是溫度的變化會引起光纖波導(dǎo)物理特性的變化,使瑞利散射光強隨溫度變化而波動,所以無法

2、精確測量溫度.瑞利散射測溫的局限瑞利散射測溫的局限 采用布里淵測溫具有很大優(yōu)勢，但是這種方法對激光器的穩(wěn)定性要求很高，而且布里淵散射對應(yīng)力也十分敏感，這對單獨測溫系統(tǒng)是不利的。布里淵散射布里淵散射 基于拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)是分布式光纖傳感技術(shù)中最為成熟的一項技術(shù).對該技術(shù)開展研究工作的主要有英國南安普頓大學(xué),中國的重慶大學(xué),和中國計量學(xué)院.目前,該類傳感器的一些產(chǎn)品已出現(xiàn)在國際,國內(nèi)市場上,最為著名的是英國york公司的dts,它的空間分辨率和溫度分辨率分別能達到2m,3,測量范圍為4-8km.從理論上講,喇曼系統(tǒng)的極限空間分辨率很高,約厘米量級,但高的輸入功率的要求是其最大的弱點;對

3、受激布里淵系統(tǒng),使用毫瓦量級的輸入功率實現(xiàn)很長跨度的分布測量并不是問題,關(guān)鍵是其極限空間分辨率有限.就實際應(yīng)用來講,喇曼系統(tǒng)已較成熟,且已有了性能指標(biāo)都很優(yōu)越的商品.而在這一方面受激布里淵系統(tǒng)還差一些.拉曼散射拉曼散射 熱輻射型光纖高溫傳感器熱輻射型光纖高溫傳感器 半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器 光纖熒光溫度傳感器光纖熒光溫度傳感器 光纖光柵溫度傳感器光纖光柵溫度傳感器二二:幾種光纖溫度傳感器幾種光纖溫度傳感器 熱輻射光纖高溫傳感器的原理是黑體輻射定律,物質(zhì)受熱時會發(fā)出一定的熱輻射,輻射量的大小取決于該物質(zhì)的溫度和材料的輻射系數(shù).當(dāng)溫度為230時,理想黑體開始出現(xiàn)暗紅色輻射,亮度

4、隨著溫度的增加而增強。由于物體的熱輻射隨溫度的升高呈近指數(shù)型增長，輻射性光纖溫度傳感器在高溫下具有很高的靈敏度。熱輻射性光纖溫度傳感器熱輻射性光纖溫度傳感器 藍寶石光纖溫度傳感器是一種特殊的光纖高溫傳感器，它采用藍寶石單晶光纖作為溫度傳感頭，通過直接測量光纖黑體本身的熱輻射來探測所處環(huán)境的溫度。藍寶石單晶由于具有極好的高溫物理化學(xué)性能，熔點最高可達2045,是一種優(yōu)良的紅外耐高溫光學(xué)材料,非常適用于高溫下光纖測溫應(yīng)用,現(xiàn)在已在輻射性光纖溫度傳感器光纖傳感頭上得到應(yīng)用。熱輻射型光纖溫度傳感器熱輻射型光纖溫度傳感器 這種傳感器的基本原理是利用有些半導(dǎo)體物質(zhì)如這種傳感器的基本原理是利用有些半導(dǎo)體物質(zhì)

5、如GaAsGaAs具有極陡具有極陡的吸收光譜的吸收光譜, ,波長與吸收端長的光可透過半導(dǎo)體波長與吸收端長的光可透過半導(dǎo)體, ,短的則被吸收短的則被吸收. .當(dāng)溫度升高時當(dāng)溫度升高時, ,本征吸收波長變大本征吸收波長變大, ,透射率曲線向長波長方向移透射率曲線向長波長方向移動動, ,但形狀不變但形狀不變; ;反之反之, ,當(dāng)溫度降低時當(dāng)溫度降低時, ,本征吸收波長變小本征吸收波長變小, ,透射率曲透射率曲線保持形狀不變而向短波長方向移動線保持形狀不變而向短波長方向移動. .當(dāng)光源的光譜輻射強度不當(dāng)光源的光譜輻射強度不變時變時,GaAs,GaAs總透射率就隨其溫度發(fā)生變化總透射率就隨其溫度發(fā)生變化

6、, ,溫度越高溫度越高, ,總透射率越總透射率越低低. .通過測量透過通過測量透過GaAsGaAs總透射率就隨其溫度發(fā)生變化總透射率就隨其溫度發(fā)生變化, ,溫度越高溫度越高, ,總透射率越低總透射率越低. .通過測量透過通過測量透過GaAsGaAs的光的強弱即可達到測溫的的光的強弱即可達到測溫的目的目的. .通過研磨拋光將通過研磨拋光將GaAsGaAs加工成很薄的薄片加工成很薄的薄片, ,其入射光和出射其入射光和出射光用光纖耦合光用光纖耦合, ,這就是半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器的基本原理這就是半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器的基本原理. . 這種傳感器的測量距離遠這種傳感器的測量距離遠, ,而且探頭

7、的體積小而且探頭的體積小, ,靈敏度高靈敏度高, ,工作可工作可靠靠. .測量范圍在測量范圍在0-3000-300內(nèi)保證較高的測量精度內(nèi)保證較高的測量精度. . 當(dāng)物體受到光或放射線照射時當(dāng)物體受到光或放射線照射時, ,其原子便處于受激狀其原子便處于受激狀態(tài)態(tài). .當(dāng)原子回復(fù)至初始狀態(tài)是隨機發(fā)出熒光當(dāng)原子回復(fù)至初始狀態(tài)是隨機發(fā)出熒光, ,且熒光的且熒光的強度和強度和 輻射光的能量成正比輻射光的能量成正比, ,根據(jù)熒光的強度可以檢根據(jù)熒光的強度可以檢測溫度測溫度. .而激勵撤銷后而激勵撤銷后, ,熒光余暉的持續(xù)性取決于熒光熒光余暉的持續(xù)性取決于熒光物質(zhì)特性物質(zhì)特性, ,環(huán)境溫度等因素環(huán)境溫度等因

8、素, ,這種受激發(fā)熒光通常是按這種受激發(fā)熒光通常是按指數(shù)方式衰減的指數(shù)方式衰減的, ,我們稱衰減的時間常數(shù)為熒光壽命我們稱衰減的時間常數(shù)為熒光壽命或熒光余暉時間或熒光余暉時間. .我們發(fā)現(xiàn)我們發(fā)現(xiàn), ,在不同的環(huán)境溫度下在不同的環(huán)境溫度下, ,熒光熒光余暉衰減也不同余暉衰減也不同. .因此也通過測量熒光余暉的壽命的因此也通過測量熒光余暉的壽命的長短長短, ,來檢測當(dāng)時的環(huán)境溫度來檢測當(dāng)時的環(huán)境溫度. .光纖熒光溫度傳感器光纖熒光溫度傳感器 強度性熒光光線傳感器會受光纖的微彎強度性熒光光線傳感器會受光纖的微彎, ,耦合耦合, ,散射散射等影響等影響, ,很難達到高精度很難達到高精度, ,而壽命型

9、熒光傳感器則可而壽命型熒光傳感器則可避免這些缺點避免這些缺點, ,熒光壽命的測量是測溫的關(guān)鍵熒光壽命的測量是測溫的關(guān)鍵. .目前目前的研究主要圍繞著熒光源的選擇的研究主要圍繞著熒光源的選擇, ,如藍寶石和紅寶石如藍寶石和紅寶石發(fā)光發(fā)光, ,稀土發(fā)光以及半導(dǎo)體發(fā)光稀土發(fā)光以及半導(dǎo)體發(fā)光. .光纖熒光溫度傳感器光纖熒光溫度傳感器 近年來光纖光柵成為發(fā)展最為迅速,最具代表性的光纖無源器件之一. FBG光柵傳感器的傳感原理是:如果用一寬光譜光源注入光纖,則每個FBG光柵都反射回一個中心波長為布拉格波長的窄帶光波,其布拉格波長為 其中A是光柵周期,neff是纖芯的有效折射率. 溫度的改變,將導(dǎo)致FBG波

10、長的改變,這個改變可以從光柵的發(fā)射光譜中檢測出來,由此可以測定溫度. 與一般的光纖溫度傳感器相比,光纖光柵傳感器尺寸下,檢測量是波長信息,因此不受光源影響,光纖彎曲損耗,連接損耗和探測器老化等因素的影響,對環(huán)境干擾不敏感,且波長編碼,能方便實用波分復(fù)用技術(shù). 盡管光纖光柵溫度傳感器有很多優(yōu)點,但在應(yīng)用中還有許多待解決的問題,如寬光譜,高功率光源的獲得,光檢測器波長分辨率的提高;光纖光柵的封裝;光纖光柵的可靠性;光纖光柵的壽命等.光纖光柵溫度傳感器光纖光柵溫度傳感器 除以上介紹的傳感器外除以上介紹的傳感器外,光纖溫度傳感器還有很多種光纖溫度傳感器還有很多種.如如: 干涉型光纖溫度傳感器干涉型光纖

11、溫度傳感器 基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器 分布式光纖溫度傳感器分布式光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 電力系統(tǒng)電力系統(tǒng) 直接埋入建筑物直接埋入建筑物 航空航天業(yè)航空航天業(yè) 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 井下傳感井下傳感(1)電力系統(tǒng)：光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)有著重要的電力系統(tǒng)：光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)有著重要的應(yīng)用應(yīng)用.電力電纜的表面溫度及電纜密集區(qū)域的溫度監(jiān)電力電纜的表面溫度及電纜密集區(qū)域的溫度監(jiān)測監(jiān)控測監(jiān)控;高壓配電裝置內(nèi)易發(fā)熱部位的檢測高壓配電裝置內(nèi)易發(fā)熱部位的檢測;發(fā)電廠發(fā)電廠,變電站的環(huán)境溫度檢測及火災(zāi)報警系統(tǒng)變電站的環(huán)境溫度檢測及火災(zāi)報警系統(tǒng);各種大中型各

12、種大中型發(fā)電機發(fā)電機,變壓器變壓器,電動機的溫度分布測量電動機的溫度分布測量,熱動保護以熱動保護以及故障診斷及故障診斷;火力發(fā)電廠的加熱系統(tǒng)火力發(fā)電廠的加熱系統(tǒng),蒸汽管道蒸汽管道,輸油輸油管道德溫度和故障點檢測管道德溫度和故障點檢測;地?zé)犭娬竞蛻魞?nèi)封閉式變地?zé)犭娬竞蛻魞?nèi)封閉式變電站的設(shè)備溫度檢測等電站的設(shè)備溫度檢測等.(2)直接埋入建筑物：光纖溫度傳感特別是光纖光柵溫直接埋入建筑物：光纖溫度傳感特別是光纖光柵溫度傳感器很容易埋入材料中對其內(nèi)部的溫度進行高度傳感器很容易埋入材料中對其內(nèi)部的溫度進行高分辨率和大范圍地測量分辨率和大范圍地測量,因而被廣泛的應(yīng)用于建筑因而被廣泛的應(yīng)用于建筑,橋橋梁上梁

13、上.美國美國,英國英國,日本日本,加拿大和德國等一些發(fā)達國家加拿大和德國等一些發(fā)達國家早就開展了橋梁安全監(jiān)測的研究早就開展了橋梁安全監(jiān)測的研究,并在主要大橋上都并在主要大橋上都安裝了橋梁安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)安裝了橋梁安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),用于監(jiān)測橋梁的應(yīng)變用于監(jiān)測橋梁的應(yīng)變,溫度溫度,加速度加速度,位移等關(guān)鍵安全指標(biāo)位移等關(guān)鍵安全指標(biāo).1999年夏年夏,美國新美國新墨西哥一所洲際高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上安裝墨西哥一所洲際高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上安裝了了120個光纖光柵溫度傳感器個光纖光柵溫度傳感器,創(chuàng)造了單座橋梁上使用創(chuàng)造了單座橋梁上使用該類傳感器最多的記錄該類傳感器最多的記錄. (3)航空航天業(yè)

14、：航空航天業(yè)是一個使用傳感器密集的航空航天業(yè)：航空航天業(yè)是一個使用傳感器密集的地方地方,一架飛行器為了檢測壓力一架飛行器為了檢測壓力,溫度溫度,震動震動,燃料液位燃料液位,起起落架狀態(tài)落架狀態(tài),機翼和方向舵的位置等機翼和方向舵的位置等,所需要使用的傳感所需要使用的傳感器超過一百個器超過一百個,因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要.光纖傳感器從尺寸小和重量輕的優(yōu)點來講光纖傳感器從尺寸小和重量輕的優(yōu)點來講,幾乎沒有其幾乎沒有其他傳感器可以與之相比他傳感器可以與之相比.(4)(4)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常有意義的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常有意義的, ,光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的傳感器光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的傳感器. .光纖光柵傳光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進行內(nèi)部感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進行內(nèi)部測量測量, ,提供有關(guān)溫度提供有關(guān)溫度, ,壓力和聲波場的精確局部信息壓力和聲波場的精確局部信息. .光纖光柵光纖光柵傳感器