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1、光纤温度计【摘 要】 本文首先大体介绍下温度计的产生与开展，以与各种温度计的根本 原理，重点介绍光纤温度计的原理与应用，最后预测温度计开展的 总趋势。【关键词】 温度计 光纤温度计 光纤传感器 开展趋势一、温度计概述温度计是测温仪器的总称，可以准确的判断和测量温度。利用固体、液体、 气体受温度的影响而热胀冷缩等的现象为设计的依据。在物理学开展早期的17、18 世纪，物理学家对温度这一物理量的认识尚很 浅薄。意大利物理学家伽利略在1593 年根据理想气体的热膨胀原理设计出温度 计的雏形。伽利略的朋友圣托里奥首次引入温度的数值刻度，为后世真正温度计 的诞生奠定了根底。英国的费迪南德大公爵（Ferd
2、inand, Grand Duke of Tuscany 于 1642 年开场使用密封在玻璃管中的酒精来指示温度的变化。以上几种温度计 仅能够用来观测温度的涨落，都还没有科学的绝对温度标定。英国科学家牛顿在1701年定义了冰水混合物的温度为零度。荷兰物理学家 华伦海特于1709年和1714年分别创造了利用酒精和水银作为测量介质的更准确 的温度计。时至今日，华伦海特创造的玻璃制的酒精、水银温度计仍然被广泛的 使用。在华氏温标制建立之后10多年，瑞典天文学家聂耳修斯改良了华伦海特温 度计的刻度，他把标准大气压下水的沸点定为零度，水的冰点定为 100 度。后来 他的同事把这两个温度点的数值又倒过来，
3、就成为了现在的百分温度，即用。C表 示的摄氏温度。继摄氏、华氏温标建立之后，另一位英国物理学家开尔文根据热力学定律于 1836 年建立了绝对温标。开氏温标的出现是现代温度计量的开端。二、温度计开展历程根据使用目的的不同，已经设计出了多种温度计。分别有：1、气体热膨胀温度计：由伽利略创造的基于气体热膨胀效应的温度计至今仍在工业中应用。(A)(&12-1 （A）衆釣的气库筋as遍醛擂示装；（砂s优的气体膨胀靛匾指示装赳由于需要测量气体的热膨胀所造成的气体压强的改变，这类温度传感器可以 看做是压强传感器在温度传感器中的应用。如上图A所示，温度敏感介质是封装 在玻璃球的气体，受热之后气体的压强变化造成
4、了管液面的上升和下降，指示温 度的上下。这种原始装置中由于液体和空气是联通的，因而管液面的高度也会受 到大气压强涨落的影响。上图B中所示的现代气体热膨胀式温度计那么防止了这一问题。2、玻璃液体温度计：玻璃液体温度计底端的盛装温度敏感液体的玻璃泡与毛细管相连。玻璃泡中 的液体由于热膨胀而产生的体积改变由毛细管上的刻度测量。古老的玻璃温度计 简单可靠、价格低廉、使用方便，因而能保持生命力至今。但是玻璃温度计共同 的缺点是热惯性大、响应速度慢、温度围有限、测量结果不易数字化，因而在现 代工业技术中应用很有限。玻璃液体温度计的最低和最高工作温度分别由敏感液体的凝固点和沸腾点 所决定。常见的液体温度计的
5、性能指标:玻璃管中的液体最低工作温度最髙工作温度典型温度误差水银-35r+300C0.1C甲醇-100C+80C0.5C甲苯-80C+100C0.5C有机油-100C+300C0.5C3、双金属片温度计：金属材料的热膨胀也可以作为温度测量的根底。双金属片温度计利用两种热 膨胀系数不同的金属材料结合在一起来对热膨胀效应加以放大，从而使得利用固 体的热膨胀测量温度的灵敏度大为提高。图12-4双金属片当温度改斐时产生的弯曲结构图如上图所示，它的温度敏感元件由粘结在一起的一对热膨胀系数差异 较大的双金属片组成。在环境温度改变时，双金属片由于热膨胀系数的差异会发 生弯曲，使自由端发生弯曲形变。从而检测温
6、度的变化。双金属片温度计虽然逐步被各种更加灵敏，并能将温度直接转化为电信号的 电子式温敏元件所替代，但由于双金属片的适用温度围广、结构简单、性能可靠、 价格低廉，目前仍然有着广泛的应用。4、热电阻温度计：基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的特性， 将电阻值的变化转化为电信号，从而到达测温的目的。热电阻测温优点是信号灵敏度高、易于连续测量。但是，它需要电源鼓励、 有自热现象以与测量温度不能太高。常用热电阻主要有铂电阻、铜电阻和半导体 热敏电阻。由于热电阻温度计较为熟悉，在此不再赘述。5、热电偶测温计：热电偶是工业和武器设备试验中温度测量应用最多的器件。它的特点是测温 围广
7、、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应好，输出直接为电信号，可以远传，便于集中测量和自动控制。热点偶的测温原理在于热电效应。将两种不同导体A和B连成闭合回路，当 两个节点处的温度不同时，回路中将产生热电势，由于这种热电效应现象是1821 年塞贝克首先发现提出，故又称为塞贝克效应。图9弋塞贝克效应示意图人们把上图所示的两种不同材料构成的热电转换元件称为热电偶，导体A 和导体B称为热电极，通常把两热电极一个端点固定焊接，作为测量端；另一端 点保持为某一恒定温度或室温，俗称为冷端。热电偶闭合回路中产生的热电势由温差电势和接触电势组成。温差电势是指 同一热电极两端因温度不同而产生的电势。而接触电
8、势是由于两热电极材料不同 而具有不同的自由电子密度，其数值取决于电极材料和接触点的温度。由此可见，当热电偶两热电极材料确定后，其总电势仅与两端点温度有关。 据此可以得到温度值。剧沪门匸业热电偶基本结构刃&出线密菊船 A出繼孔螺馭弓-链紀盏1 5接线柱；6 郵醐1按线囂山 摄线曲9保护牟 绝缘U: II内引线；12热电偶歟热电偶通常由热电极、绝缘管、保护管和接线盒组成。上图所示，为工业热 电偶根本结构。三、光纤温度计传统的温度测量技术在各个领域的应用已经成熟，如热电偶、热敏电阻等。 它们的敏感机理是以电信号为工作根底的，即温度信号被电信号调制。而在特殊 的环境下，如易燃易爆、高电压、强电场，具有
9、腐蚀性气体、液体以与需要快速 响应等，光纤温度计具有独到的优越性。光纤温度计可分为两大类，第一类为非功能型，光纤在温度计中仅起传输光 信号的作用，又称传光型或结构型光纤温度计。第二类为功能型，光纤不仅起光 信号的传导作用，它还作为测温的敏感元件，利用多种光学效应如偏振干预、相 位干预等，当光纤在受到温度的影响光纤温度计的特点是耐腐蚀，抗电磁干扰， 这是其他传感器所不能相比的。在测量端可实现不带电的全光路系统，因而具有 完全的防爆性能。下面介绍两种典型的光纤温度计。（1）半导体吸收式光纤温度计一一非功能型根本原理：光纤只起到光信号传输的作用。它是利用半导体材料的光吸收 响应随温度而变化的特性，根
10、据透过半导体的光强变化检测温度。例如单波长式 半导体光纤温度传感器，半导体的透光率与温度的变化曲线如下列图所示：图王40半导体材料透光率与温度的轄性温度变化时，半导体的透光率曲线发生变化。当温度升高时，曲线将向长波 方向移动，在光源的光谱处于入g附近的特定入射波长围，其透过光强将衰减， 测出光强变化，就可知对应的温度变化。这类温度计测温围为-30*3001。 半导体光纤传感器的装置简图与探头结构如下图：(a)装雄简斛(b)探头m 3.4i半导体光纤淋度传感器的装咒简图及探头结构1-光源；2光纤；3探:头；4-光探测黠；，一不锈丽套；缶一牟导休吸收冗件(2)干预型光纤温度计一功能型根本原理：温度
11、的变化会引起相位的变化，即采用相位调制的方法。通过光纤干 预仪来检测相位大小的变化即可测得温度值。光纤即为温度敏感元件。马赫一曾德尔干预光纤应变传感器：马赫一曾德尔 干预仪fiber-op tic Mach-Zehnder int erferome trie sensor， MZI是奥地利物理学家Ernst Mach和Ludwig Zehnder于19世纪末创 造的。它的根本原理是将相干光分成两束，在其中一束引入一定的光程差，再使 两束光聚合在一起，通过对相位不同的两束光的干预效应的分析可以测量他们之 间的位相差。图7-2J号赫-豐德你光纤应变(专感器的基不结枢由激光源发射的相干光经由入射光纤
12、到达第一个光纤耦合器，被分为强度相 等的两束，分别进入两根完全一样的光纤。两根光纤，一根用作参考，另一根那 么为测量光纤，它的一段与被测物体粘结在一起，被测物体的应变会引起测量光 纤长度的微小改变，从而改变在其中传播的光线的光程。当两束光重聚在一起时， 会发生干预效应。输出光强度的改变取决于相位差的大小。干预型光纤温度计：光纤中光波的相位由光纤波导的物理长度、折射率与其分布、波导横向几何 尺寸所决定。一般来说，压力、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数, 产生相位变化，即实现光纤的相位调制，这样就可以实现对外界物理量的测量。 但目前各类光纤传感器都不能感知光波的相位变化，因此必须采用光波
13、的干预技 术，将相位变化转化为光强的变化，这样才能使用光强探测实现外界物理量的测 量。或者直接采用光纤干预仪，根据干预条纹即可得到温度值。.单横光纤干涉条纹圏巧3干涉型光笄溫度计原渥團上图为马赫一曾德尔干预仪的光纤温度计的原理图。干预仪中的信号臂和参 考臂由单模光纤组成，参考臂置于恒温环境中，由此它在测温过程中光程始终不 会变化。而信号臂在温度的作用下，长度和折射率会发生变化。信号臂的相位为2 口申= n*L九式中入为光源波长，n为纤芯折射率，L为光纤长度。对上式微分，可求出 单位长度上的相位变化，即：如 2口 / dn ndL.= (+ )LOT九 ST LOT以氦-氖激光器为例，对n=1.
14、456的单模光纤有吟LST =5*10-71/1，%T = 10*10-81/C，将这些值带入得，=107 rad/(C m)LOT上式说明，在1m长的光纤上，温度每变化1C那么有17根条纹移动，通过 条纹计数就能获得相应的温度值。光纤温度计的实际应用一光纤辐射温度测量仪：任何物体只要本身与其周围的温度不是绝对零度，那么物体本身就会向周围 辐射热量。物体的辐射出射度与辐射的温度T和发射率e有关，只要测出物体的 辐射出射度，又物体的发射率，即可求出温度T。根据光纤测温仪应用的波长特性将其分类，可分为光纤红外测温仪、光纤亮 度测温仪和光纤比色测温仪等。下面具体介绍下黑体空腔式光纤测温仪。黑体空腔式
15、光纤测温仪是由黑体空 腔与被测介质到达温度平衡，通过光纤将黑体腔的辐射能量传输给光电探测器 件，从而实现温度测量。美国Accufiber公司研制的蓝宝石光纤高温计，采用在蓝宝石前端喷镀一层黑体空腔置于待测点上，当热传感头深入到热源时光纤感温腔与周围环境迅 速到达热平衡，感温腔辐射的光信号经蓝宝石光纤传输。温度测量光电放大器由耦合器和探测器组成。图3耦合模块结构示意图为了提高耦合效率，减少衰减，使光信号最大限度的远距离传输，设计了耦 合模块。辐射光信号由透镜变成平行光后经窄带滤光片通过另一透镜会聚到传导 光纤中，再传至光电探测器件。如上图所示。窄带干预滤光片虽然降低了信噪比，但提高了测温精度，按照要求选择窄带 截止型干预滤光片。光电探测器选用硅PIN光电二极管与一个以FET为前端的宽带低噪声放 大器混合集成的光电接收组件。这种器件是一个包含小面积，小电容的光电二极 管与高输入阻抗的场效应管前置放大器的组合体其中所有引线长度与杂散电 容都做得非常小，由于电容小，输入阻抗高，可以大大降低热噪声，这种组件还 具有供电电压低，工作十分稳定、使用方便的特点。光电探测器将光信号转变为电信号，由数据
