| 单词 | 光纤温度传感器 |
| 释义 | 【光纤温度传感器】 拼译：optical fiber temperature sensor 光纤的全称为光导纤维，一般由石英拉制，其外径在几十微米至几百微米之间，可用来传输光线，包括紫外至红外光线，自1966年高锟等从理论上得到降低传输损耗的途径后，1970年制成了有实用价值的石英光纤，1980年开通了正式的光纤通讯系统。 光纤传感器的研究几乎与光纤通讯同时进行。1974年，Rozzel等利用液晶的反射能力与温度有关的特性，把它与光纤传光技术结合起来，制成了早期的光纤温度传感器。1977年，美国海军实验室(NRL)开展了光纤传感器的研究计划。这样，70年代中期，兴起了光纤传感器的研究工作。光纤温度传感器则是其中发展最快的分支。与传统的温度传感器相比，光纤温度传感器有如下明显的优点：(1)光纤中传输的是光信号，不易受到干扰，如强电磁场或环境因素等的干扰，也不会产生火花，引发爆炸或燃烧；(2)石英光纤有耐高电压，耐酸碱腐蚀，耐高温等优良的化学、物理性能；(3)石英光纤的传输损耗很低，可远距离传输信号，又可使仪表的电子元器件部分，脱离被测现场，避开恶劣环境；(4)光纤重量轻，截面小，可弯曲，便于在特殊条件下的安装使用。由于光纤的这些优点，人们开始从不同角度研究光纤传感器的实现方法，希望用来解决测温难题。把光纤技术用到测温上的最直接方法，是把它与传统的技术，特别是辐射测温技术结合起来，用光纤传输辐射代替原来自由空间传输。这样光纤及其头部的集光系统就构成一个辐射式的光纤温度传感器。1977年Dakin等提出的光纤高温计，正是这样做的。由于这种构思技术上难度不大，又有光纤传输带来的优点，因此很快商品化。80年代，几乎各主要生产温度仪表的公司，如英国的LAND，美国的IRCON，日本的千野等都生产这种传感器，并作为常规辐射测温仪表的附件。许多现场应用中出现的特殊要求，时常可以在常规辐射仪表的前面，加上一个光纤温度传感器而得到满足。1982年，美国国家标准局(NBS)宣布制成蓝宝石光纤高温传感器。这是对辐射温度传感器的一个发展，一根直径5mm，长30cm的蓝宝石单晶裸光纤，头部镀一层耐高温的铱箔层，形成一个黑体空腔。测量时，令空腔底部与被测体接触，取得热平衡，由蓝宝石光纤导出热辐射，耦合给一根普通光传输至仪表部分，然后处理显示温度。这种基于热辐射而采用接触法的传感器，性能稳定，响应速度极快，并有很高的分辨率，可测至2000℃。1992年，林应文等在第7届国际温度大会发表文章，提出构成灰体空腔光纤温度传感器的新设想：用一根耐高温的空芯无底导管插入高温金属溶液，露出液面部分构成一个灰体空腔，腔底(即金属液面)的辐射由光纤传输到仪表部分处理显示，这种新型温度传感器也基于热辐射，测量时采用接触法。其优点是能够克服液面发射率带来的误差，这是高温金属液连续测温时遇到的主要障碍。随着光纤技术的发展，光纤辐射传感器的测温下限也在扩展之中。1982年，Hobrook等用氟化物光纤实现60℃的辐射测量。1989年，Zur等用卤化物光纤实现0℃的辐射测量。不过目前这类成果仅是实验室记录，尚待改进。中、低温段的光纤温度传感器，主要走接触式测量的道路。从原理上讲，任何材料或组件，当其温度因接触它物发生变化时，若随之有物理的或化学的变化，而这种变化又可利用来影响光纤的传光过程，使光强、波长、相位或极化方式等发生改变。那么，把它们与光纤结合起来，就可构成接触式光纤温度传感器。因此，接触式光纤温度传感器的感温原理或结构形式远较辐射式多样化。例如双金属片受热变形可用来改变光纤的入射光强，液晶受热改变颜色从而改变其吸收光谱，某些液体受热时会显著改变其折射率；半导体箔膜的吸收边沿会因温度的改变而沿波长方向移动。类似的例子还可举出，它们都可用来构成相应的光纤温度传感器，其中性能优良，适应面广的类型，为人们所重视，性能得到改进。萤光余辉时间常数法就是其中一个突出的例子。1979年有人提出这种感温原理，以后陆续有人采用不同萤光材料进行研究。1985年，美国Luxtron公司宣布制成商品，推向市场。其中型号为750的产品的测温范围为－200～400℃，精度0．1℃。这种接触式光纤温度传感器的结构与原理是这样：在一根石英光纤的头部端面上，粘结上一小块萤光材料，测温时，萤光材料与被测体接触，然后通过光纤送入激励光脉冲。脉冲过后，由同一光纤导出余辉，并据此测出其时间常数。已知确定材料的余辉时间常数是温度的单值函数，由此可得到被测的温度值。这种温度传感器最突出的优点，是被测温度值与系统的其它变量无关。例如光源强度的变化，光纤损耗的变化或耦合效率的变化等都不影响温度测量结果。因此，仪器的稳定性好，探头可以互换，甚至可做到不需要进行温度标定。这对批量生产是很有利的。目前，这种测温原理已推广到非接触测温，以及二维温度分布测量等场合，很有发展前途。光纤的特殊结构还导致出现一种与传统概念不同的温度传感器。这就是分布式光纤温度传感器。1981年，Gottieb等基于光纤内部产生热辐射的原理，提出用石英光纤沿长度方向与一维分布物体接触，温度平衡后，由两端辐射能量之比，可测出热点的位置及其温度值。以后人们发现，采用激光激发的光纤内部黎曼散射，能获得沿光纤长度的一维温度分布。1985年，Dakin等发表了实验结果，获得了5℃和5m的温度及位置分辨率。1992年，Lida制作了一种特殊的光纤，其外皮由石墨及陶瓷制成，可以耐受500℃高温，据称用这种光纤所制之分布式温度传感器，获得了0．1℃和1m的分辨率。该传感器曾用于测量炼铁高炉炉体沿高度方向的温度分布。但目前仍处于研究阶段。1993年，中国鲍晓毅研制成51km长的分布式光纤温度传感器，分辨率为1℃，5m。这是当时世界上研制成功的、最长的温度传感器。综上所述，光纤温度传感器有许多传统器件所不具备的优点。它的出现对传统测温技术起到良好的补充与发展作用，解决了许多测温难题。当前的问题是造价偏高，影响了它的推广应用。从技术上说，多路化与探头的互换性也需要解决。相信随着相关技术的发展，这种传感器技术会越来越受重视与采用，并在测温技术中发挥更重要的作用。【参考文献】：1 Rozzel T C，et al．J．Microwave Power，1974，9(3)∶2412 Johnson C C，Rozzel T C．Microwave，1975，18∶553 Dakin J P，Kahn D A．Opt Quart Electron 1977，9∶5404 James K A，Quick W H．Crotrol Eng．1979∶305 Gottlieb M，Branat G B．Applied Optics 1981，20(19)∶34086 U S Dept of Commerce News 1982，9(21)7 Hobrook L M，Sneed J D．Proc Soc．Photo-Opt．Instrum．Eng．1982，3208 Dakin J P，et al．Proc．SPIE 1985，566∶249～2569 Zur A．Proc SPIE 1989，1067∶7510 林应文，朱昆仑．Temperature，1992，6∶819(沈阳工业大学林应文教授撰) |
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