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光纖溫度傳感器工作原理

光纖溫度傳感器具有動態(tài)范圍大、靈敏度高、響應(yīng)快、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),非常適用于等離子體沉積、高頻電加熱爐及高溫?zé)釟饬鞯阮I(lǐng)域的溫度測量。

在各種光纖溫度傳感器中, 有兩類具有特別重要的應(yīng)用價值:根據(jù)普朗克輻射定律,利用物體高溫?zé)彷椛溥M(jìn)行檢測的輻射型光纖溫度傳感器［1］和利用物體熒光壽命與溫度對應(yīng)關(guān)系的熒光壽命檢測型光纖溫度傳感器［2］。由于物體的熱輻射隨溫度的升高呈近指數(shù)型增長,輻射型光纖溫度傳感器在高溫下具有很高的靈敏度, 但無法應(yīng)用于低溫區(qū)域。相反,由于物體的熒光僅在低溫區(qū)具有可檢測的熒光溫度特性,而在高溫區(qū)則由于熒光淬滅以及輻射背景的增加而無法適用,因此熒光測溫型光纖溫度傳感器適用于低溫區(qū)的溫度測量。上述兩種光纖溫度傳感器如能有機(jī)地結(jié)合在一起,將能實現(xiàn)從低溫到高溫的大范圍溫度測量。利用單一光纖探頭實現(xiàn)大范圍測溫具有重要的應(yīng)用價值。

藍(lán)寶石單晶光纖由于其極好的高溫物理化學(xué)性能, 非常適用于高溫下光纖測溫應(yīng)用,現(xiàn)已成功地用作輻射型光纖溫度傳感器的光纖傳感頭［1,3］。利用激光加熱基座法（LHPG）單晶光纖生長技術(shù),通過在藍(lán)寶石單晶光纖的端部摻入Cr3+離子［4］,可以實現(xiàn)光激發(fā)下的熒光發(fā)射。通過熒光壽命的檢測, 可以測量所對應(yīng)的溫度。因此,這種溫度傳感器將實現(xiàn)從低溫到高溫的全程測溫。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

從室溫到1800℃全程測溫的藍(lán)寶石單晶光纖溫度傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,系統(tǒng)主要包括端部摻雜的藍(lán)寶石單晶光纖傳感頭、Y型石英光纖傳導(dǎo)束、超高亮發(fā)光二極管（LED）及驅(qū)動電路、光電探測器、熒光信號處理系統(tǒng)［4］和輻射信號處理系統(tǒng)［3］。

系統(tǒng)的工作原理為: 在低溫區(qū)（400℃以下）, 輻射信號較弱,系統(tǒng)開啟發(fā)光二極管(LED)使熒光測溫系統(tǒng)工作。發(fā)光二極管發(fā)射調(diào)制的激勵光, 經(jīng)聚光鏡耦合到Y(jié)型光纖的分支端,由Y型光纖并通過光纖耦合器耦合到藍(lán)寶石光纖溫度傳感頭。光纖傳感頭端部受激勵光激發(fā)而發(fā)射熒光, 熒光信號由藍(lán)寶石光纖導(dǎo)出,并通過光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出, 由光電探測器接收。光電探測器輸出的光信號經(jīng)放大后由熒光信號處理系統(tǒng)處理,計算熒光壽命并由此得到所測溫度值。而在高溫區(qū)（400℃以上）,輻射信號足夠強(qiáng), 輻射測溫系統(tǒng)工作, 發(fā)光二極管關(guān)閉。輻射信號通過藍(lán)寶石光纖并通過Y型光纖輸出, 由探測器轉(zhuǎn)換成電信號,系統(tǒng)通過檢測輻射信號強(qiáng)度計算得到所測溫度。

圖1中所示的光纖傳感頭端部由Cr3+離子摻雜, 實現(xiàn)光激勵時的熒光發(fā)射。摻雜部分光纖長度為8～10mm。端部光纖的外表面同時鍍覆黑體腔,用于輻射測溫。(這時,光纖黑體腔長度與直徑之比大于10,可以滿足黑體腔表觀輻射率恒定的要求)［3］。值得注意的是,避免或減少熒光發(fā)射部分與熱輻射部分的相互干擾, 對保證整個系統(tǒng)的性能十分重要。經(jīng)過分析, 可以發(fā)現(xiàn)這種干擾主要表現(xiàn)為:1)熒光信號中輻射背景信號對熒光壽命檢測精度的影響, 2) 光纖表面鍍覆對熒光強(qiáng)度的影響,3)光纖內(nèi)Cr3+離子摻雜對黑體腔熱輻射信號的影響。以下分別加以說明。

首先考慮輻射背景對熒光壽命檢測精度的影響。由于熱輻射信號強(qiáng)度遵守普朗克定律呈近指數(shù)變化, 在熒光測溫工作的低溫區(qū)內(nèi),輻射背景很小,而且為未加調(diào)制的直流信號, 相對于周期調(diào)制的熒光信號, 很容易用濾波電路加以消除。因此其影響可以忽略。

其次, 考慮光纖端部表面鍍覆對熒光信號強(qiáng)度的影響。光纖內(nèi)的摻雜離子在受激發(fā)時,向空間各方向發(fā)出熒光,但只有立體角滿足光纖數(shù)值孔徑的那部分熒光, 才能通過光纖表面的全反射由光纖導(dǎo)出。經(jīng)過分析,可以發(fā)現(xiàn)確有部分熒光由于端部表面的鍍覆而被吸收, 且影響較大（強(qiáng)度降低約60%）。為保證盡可能大的信噪比,應(yīng)特意加長端部摻雜光纖長度, 使超過鍍覆長度2～3 mm, 才能有效地消除表面鍍覆對熒光強(qiáng)度的影響。

再次, 考慮離子摻雜對輻射信號的影響。實際上, 由于高溫下能帶的交疊, 離子吸收的影響越來越小,可以忽略離子摻雜對熱輻射光譜的影響,這點(diǎn)也已由實驗證明。圖2分別為端部有Cr3+離子摻雜和沒有離子摻雜的光纖在鍍覆黑體腔后在1000℃時的熱輻射譜（OMA采入）,顯然圖中沒有明顯的吸收譜段。（由于兩光纖測試時的位置略有不同, 使譜高度等也略有不同）。

來源:互聯(lián)網(wǎng)

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