基于光纖的溫度傳感器

溫度傳感器是基于一個(gè)基本的物理量“溫度”，自然界中的一切過(guò)程無(wú)不與 溫度!密切相關(guān)。 從伽利略發(fā)明溫度計(jì)開(kāi)始， 人們開(kāi)始利用溫度進(jìn)行測(cè)量。

　　溫度傳感器是最早開(kāi)發(fā)、應(yīng)用最廣的一類傳感器。 但真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是由德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明的， 就是后來(lái)的熱電偶傳感器。 50 年以后，德國(guó)人西門(mén)子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。 在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下， 本世紀(jì)相繼開(kāi)發(fā)了包含半導(dǎo)體熱電偶傳感器在內(nèi)的多種溫度傳感器。 與之相應(yīng)， 根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律， 相繼開(kāi)發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。 而光纖自20 世紀(jì)70 年代問(wèn)世以來(lái)， 隨著激光技術(shù)的發(fā)展， 從理論和實(shí)踐上都已證明光纖具有一系列的優(yōu)越性， 光纖在傳感技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益受到廣泛重視， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 涌現(xiàn)了許許多多的光纖溫度傳感器， 并且可以預(yù)料， 在新技術(shù)革命的浪潮中， 光纖溫度傳感器必將得到廣泛的應(yīng)用， 并發(fā)揮出更多的作用。

　　1 光纖溫度傳感器的原理

　　光纖溫度傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器， 待測(cè)參數(shù)溫度與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后， 導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)( 如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位等) 發(fā)生變化， 稱為被調(diào)制的信號(hào)光。 再經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器， 經(jīng)解調(diào)后， 獲得被測(cè)參數(shù)。

　　光纖溫度傳感器種類很多 ， 但概括起來(lái)按其工作原理可分為功能型和傳輸型兩種。 功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性( 相位、偏振、強(qiáng)度等) 隨溫度變換的特點(diǎn)， 進(jìn)行溫度測(cè)定。 這類傳感器盡管具有 傳!、 感!合一的特點(diǎn)， 但也增加了增敏和去敏的困難。 傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號(hào)傳輸?shù)淖饔茫?以避開(kāi)測(cè)溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境。 對(duì)待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是靠其他物理性質(zhì)的敏感元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問(wèn)題， 增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性， 且對(duì)機(jī)械振動(dòng)之類的干擾比較敏感。

　　2 光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀

　　目前已研制成多種光纖溫度傳感器。 下面介紹幾種主要的光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀， 其中有代表性的有光纖Fabry- perot 干涉型溫度傳感器、半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器三種。

　　2.1 光纖Fabry- perot 干涉型溫度傳感器

　　此傳感器的依據(jù)是利用溫度改變Fabry- perot干涉儀的干涉條紋來(lái)測(cè)量外界溫度。 在現(xiàn)有報(bào)道的光纖法珀溫度傳感器中， 主要采用2 種技術(shù)方案， 其一是采用外徑大于125 nm 的玻璃毛細(xì)管封裝， 由2個(gè)光纖的端面構(gòu)成光纖法珀腔并采用膠封的方式固定于溫度敏感材料中， 另外一種最近發(fā)展起來(lái)的技術(shù)是采用MEMS 工藝制作光纖法珀腔 。 但是這兩種方案工藝都比較復(fù)雜， 一致性難以保證， 并且膠的老化和蠕變對(duì)于傳感器的性能影響較大。 為了解決該問(wèn)題， 張文濤等人提出了一種新型金屬封裝的光纖法珀溫度傳感器， 其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光纖法珀溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖。

　　該傳感器采用溫度敏感的金屬材料作為法珀腔的腔體， 利用高精度位移機(jī)構(gòu)將光纖兩端插入金屬毛細(xì)管中形成低精細(xì)度的光纖法珀腔。 光纖在金屬管的兩端通過(guò)膠粘的方式固定。 當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)將直接導(dǎo)致金屬毛細(xì)管的熱膨脹， 帶動(dòng)插入金屬管內(nèi)的光纖移動(dòng)， 從而引起光纖法珀腔的腔長(zhǎng)變化。 采用這種方案， 避免了膠直接作用于光纖法珀腔腔體上， 消除了由于涂膠不勻引起的應(yīng)力不均勻現(xiàn)象， 簡(jiǎn)化了封裝工藝。 同時(shí)， 金屬毛細(xì)管的長(zhǎng)度即為該溫度傳感器的標(biāo)距， 它將決定傳感器的靈敏度。 該傳感器的核心結(jié)構(gòu)為光纖法珀干涉腔( F- P 腔) 。 在使用低相干光源時(shí)， 由于低相干光源都具有一定的光譜寬度， 因此可看成是多個(gè)波長(zhǎng)， 1， 2， ?， n， 的迭加。 光入射到F- P 腔后， 不斷地在F- P 腔的2個(gè)端面之間進(jìn)行反射和透射， 形成多光束干涉。 在文中所研究的端面反射率很低， 反射光的干涉可看成雙光束干涉， 當(dāng)F- P 腔的腔長(zhǎng)是傳輸光半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)， 反射光強(qiáng)最大。 通過(guò)對(duì)峰值波長(zhǎng)移動(dòng)量的測(cè)量即可得到待測(cè)溫度的變化情況， 該傳感器具有靈敏度與傳感器的標(biāo)距成正比的特性， 可以通過(guò)改變標(biāo)距的方法方便地調(diào)整傳感器的靈敏度。 同時(shí)， 該傳感器制作工藝簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、具有很高的實(shí)用價(jià)值， 但是此傳感器所適用的溫度并不高。

　　柯濤等人通過(guò)在單模光纖SMF28e 后有軸心偏移地熔接一段特種光子晶體光纖( MM- HNA-5) 制作了一種全光纖微型法- 珀( F- P) 干涉儀， 原理如圖2 所示。

圖2 微型光纖F- P 干涉儀原理圖。