5、荧光光纤温度传感器
传光型
功能型 传光型：采用荧光材料粘接或涂敷在光纤端头或被测
物体表面作为敏感部分
功能型：在光纤中掺杂一定浓度的稀有元素作为敏感部
分。 • 根据对荧光信号处理方式的不同,荧光光纤温度传感器可分为荧光强度 型、荧光寿命型。
外汞灯
光纤荧光温度传感器
测温范围为-30～200℃ ,精度为 5℃ .在0～70℃的测温范围内,连 续测温偏差0.04℃ 简单的工作流程图如右图所示
4.光纤光栅温度传感器
工作原理：借助于某种装置将被测参量的变化转化为作用于光纤光栅上的应变 或温度的变化,从而引起光纤光栅布喇格波长的变化通过建立并标定光纤光栅的 应变或温度响应与被测参量变化的关系,就可以由光纤光栅布喇格波长的变化,测 量出被测量的变化。
将被测参 量的变化
光纤光栅上 的应变或温 度的变化
优点： 1、蓝宝石单晶物理化学性能稳定、机械强度好、本质绝缘, 耐腐蚀 2、在0.3～0.4μm波段范围内透光性很好,熔点高达2 045℃ . 3、蓝宝石单晶光纤既有蓝宝石单晶的优良性能又有光波导 的特点, 测温范围在500～2 000℃
缺点：当温度高于1 700℃时,表面有所变化,应用受到一定的 限制
传输型：光导纤维只起到传输光的作 用，必须在光纤端面加装其它的敏感 元件才能构成新型传感器的传输型传 感器。
三、两种传感器的举例介绍
1
功 能 型
干涉式光纤温度传感器 分布式光纤温度传感器
2 3
4
反射式光纤温度传感器
光纤光栅温度传感器
1.干涉式光纤温度传感器
• 属于相位调制式功能型光纤温度传感器，主要应用于精密测 温领域 • 工作原理：当两根在温度场的光纤在不同的温度场工作时, 其折射率会产生差异,随之光程也会发生差异.若此时进行耦 合,就会产生干涉现象.
反射 输入光纤 输出光纤
温度变化
干涉条数处理 干涉条纹 温度数字 显示
两个目标 彼此靠近
4、新型结构光纤温度传感器
此种光纤温度传感器属于光强调制型传感器 普通光纤在被外力挤压时,光纤中光强的变化量很 小,几乎测不到,所以光强调制型的光纤温度传感 器一般要加外部敏感元件,从而调制光纤中的光强。
新型结构光纤温度传感器
3.反射式光纤温度传感器
传感原理：反射率随温度变化。
这种结构的传感器其输出随温度变化的响应速度较快,响 应时间小于3秒
测温范围：0一150 ℃,准确度1 ℃
3反射式温度传感器
分束1 光源 分光器 分束2 信号处理 显示 光纤传感器 反射后的信号
反射式光纤温度测量系统 特点：适合用作测量高压电气设备绝缘内部温度的传感器 由于此测量方法中所用的测温元件是全绝缘、小尺寸的 光纤温度传感器,用在高压电气设备上的最大优点是可以直接测 出高压电气设备的内部温度。
R
a0 , ,
Eg (0)
透过率与温度和波长的关系
t
l
半导体光纤温度传感器
分束器 探头 光探测器 滤波放大
光探测器
滤波放大
CPU
A/D
除法器
半导体光纤温度测量系统
3、使用双金属片的光纤温度传感器
• 它是采用差动热膨胀原理的传感器,所使用的传感元件为双金属片.两 个反射目标材料(铝和硅)具有明显的热膨胀差异特性,它们能将来自输 入光纤的光线反射到输出光纤. 输出光纤中产生了干涉条纹。如果将 干涉条数进行处理,便得到应用反射原理测量温度的数字显示方法. • 这种方法易于实现,工艺成熟,性能可靠.在0～100℃之间有良好的测试 结果.
IS [
Ia [
1
exp( hc / kT ) 1
1 exp( hc / kT ) 1
1] S4
1] a4
s , a ----斯托克斯光和反斯托克斯光波长；
h ----普朗克常数； c ----真空中的光速； k -----波尔兹曼常数； -----偏移波数； T -----绝对温度。
接触-非接触式光纤测温系统（武汉理工大学）
普通石英光纤 常温区 高温区
比色信号 处理
滤分复 用器
透镜组 黑体腔耐高温保护区
比色测温法：通过测量物体两个（或三个及其以上）波段上的辐射亮度， 并根据他们的比值来确定温度。
主要特点：采用比色测温法，将光纤测温技术和比色测温法两者 的优点结合了起来。
总结与展望
黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定。
M ,T =C1 （e
-5
全辐射出射度 由斯蒂芬-波尔兹曼定律导出
c2 T
- 1）
1

MT
0 T为绝对温度 实际物体的出射度需乘以发射率
M
,T
d T

4
辐射式光纤温度传感器的应用
1、亮度式光纤温 度仪
2、接触-非接触 式光纤温度传感 器
简述光纤温度传感器原理 及应用分析
目录
光纤传感器基本原理 功能型光纤温度传感器 传输型光纤温度传感器 总结与展望
1 2
3
4
一、光纤传感原理
物理量敏感特性
二、光纤温度传感器
相关 应用 特点 原理 分类
光纤温度传感器
功能型
传输型
功能型：利用光导纤维本身具有的某种 敏感功能而使光纤起到测量温度的作用
亮度式光纤温度仪
黑体空腔 蓝宝石棒 低温光纤 探测器
耦合棒 窄带滤波器 贵金属保 护膜 三氧化二铝 保护膜 光电探测器
特点：在500~2000℃测量范围内可得0.01 ℃的温度分辨率
燕山大学 WFH-68A型亮度光纤测温仪 优势：最大误差为±1.0%，分辨率为1 ℃,响应时间为0.1ms具 有精度高，响应速度快和重复性良好等特点。
温度场
光纤 计算机 光子计数器 光电倍增管
调制 光线
分束器、反光镜、双光栅单色仪
拉曼散射
斯托克斯和反斯托克斯散射光
光电倍增器
过滤噪声
计算机
电子计数器
拉曼分布式温度传感器
不足之处：返回信号非常弱,因为反斯托克斯-拉曼散 射比瑞利散射强度要弱20～30 dB. 主要优点是: 1、非接触测量,可测运动物体的瞬间温度; 2、响应速度快,没有一般温度计的热平衡时间,可作 为高温测量.
2neff 2neff
4.光纤光栅温度传感器测温系统
滤分复用器
泵浦光源
980/1550nm 1500nm 光纤光栅 滤光片
2.光纤传输型温度传感器
非接触式
1
双波长光纤温度传感器
4
接触式
2
3 4 5 6
半导体吸收式光纤温度传感器 使用双金属片的光纤温度传感器
新型结构光纤温度传感器 光纤荧光温度传感器
激光器
扩光器
光纤
温度场
• 设两臂光纤的长度分别为L1,和 L2,光在光纤中的传播常数为β , 纤芯的折射率为n,光在真空中 的传播常数为k,经过这段光纤 传输后，两根光纤输出光的相位 差为: 激光器
1 L1 2 L2
扩光器
光纤
kn 2 n /
当光纤其中一臂受温度的影响发生变化后,光 输出相位差探头处（荧 光材料）
光纤传输
接收光纤
两个硅光电 二极管 （PD）
电信号
A/D转换
PC
辐射式光纤温度传感器
• 红外测温的基本原理 • 条件：本身及其周围温度不是绝对零度 • 现象：物体向周围辐射热量
动平衡状态
在温度测量中，通常应用的是可见光区与0.76~20um的红外 光区。
• 光谱辐射出射度：某一波长附近的单位波长间隔内单位面积向半球空 间辐射的功率。
光纤光栅布喇格 波长的变化
测出被测参 量的变化
建立两者之间建 的关系
4.光纤光栅温度传感器
根据光纤耦合模理论,当宽带光在光纤布喇格光栅中传输时,产生模式藕 合,满足布喇格条件的波长光被反射,于是有
B =2n eff
光纤栅格周期
neff 导模的有效折射率
光纤光栅的中心反射波长 B 随 neff 的改变而改变，由于温 度和应力的变化都导致 和neff发生变化,产生 和 neff 可得布喇格条件的发射光波长的移位为
温度场
dL d dl dn tL tL tLK (n ) dt dt dt dt
dl 单位长度光纤温度变化一度时 dt 产生的变化
d 温度变化一度时β产生的变化 dt
2.分布式光纤温度传感器
拉曼散射光就是由斯托克斯光和反斯托克斯光这两种不同波长的光组成 的,其波长的偏移由光纤组成元素的固定属性决定,因此拉曼散射光的强 度与温度有关,其关系如下:
辐射式光纤温度传感器
非接触式双波长光纤温度传感器
光电转换
光纤传感头
分路器 光电转换
接收黑体 腔发射的 辐射光波
A/D转换
单片机
温度显示
进行A/D转 换，由二 次仪表计 算出温度
波分复用 器将辐射 光转换成 电信号
从测量 现场传 回至仪 表
接触式光纤温度传感器
接触式双波长光纤温度传感器
蓝宝石光纤可以构成良好的黑体式温度传感器. 传感器在蓝宝石光纤的一端涂覆高反射率的感温介质薄层, 并经高温烧结形成一个微型的光纤感温腔.在其接触热源达 到热平衡时,感温腔辐射的光信号经蓝宝石光纤传输耦合进 传输光纤内.
2、半导体吸收式光纤温度传感器
温敏元件采用半导体材料(如GaAs）制成。其光谱透过率T（λ，t）为温度和 波长的函数
光强和温度的关系：
I (t ) I 0 (1 R) exp{a0 [hv Eg (0) t / (1 )] l}
2
1 2
I0
入射光强 半导体材料入射面的反射率 与半导体材料相关的常数 温度为0K时的禁带宽度能量 温度 半导体材料厚度