[科普中国]-光纤温度传感器

光纤温度传感器是一种传感装置，利用部分物质吸收的光谱随温度变化而变化的原理，分析光纤传输的光谱了解实时温度，主要材料有光纤、光谱分析仪、透明晶体等，分为分布式、光纤荧光温度传感器。

主要材料光纤、光谱分析仪、透明晶体（如砷化镓）

光纤温度传感器采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纤外面，使光能由一根光纤输入该反射面从另一根光纤输出，由于这种新型温敏材料受温度影响，折射率发生变化，因此输出的光功率与温度呈函数关系。其物理本质是利用光纤中传输的光波的特征参量，如振幅、相位、偏振态、波长和模式等，对外界环境因素，如温度，压力，辐射等具有敏感特性。它属于非接触式测温。

系统结构及工作原理从室温到1800℃全程测温的光纤温度传感器的系统主要包括端部掺杂的光纤传感头、 Y型石英光纤传导束、 超高亮发光二极管（LED）及驱动电路、 光电探测器、荧光信号处理系统和辐射信号处理系统。

系统的工作原理为: 在低温区（400℃以下）， 辐射信号较弱， 系统开启发光二极管(LED)使荧光测

温系统工作。 发光二极管发射调制的激励光， 经聚光镜耦合到Y型光纤的分支端， 由Y型光纤并通过光纤耦合器耦合到光纤温度传感头。

光纤传感头端部受激励光激发而发射荧光，荧光信号由光纤导出， 并通过光纤耦合器从Y型光纤的另一分支端射出， 由光电探测器接收。

光电探测器输出的光信号经放大后由荧光信号处理系统处理， 计算荧光寿命并由此得到所测温度值。 而在高温区（400℃以上）， 辐射信号足够强， 辐射测温系统工作， 发光二极管关闭。

辐射信号通过蓝宝石光纤并通过Y型光纤输出， 由探测器转换成电信号， 系统通过检测辐射信号强度计算得到所测温度。

光纤传感头端部由Cr3+离子掺杂， 实现光激励时的荧光发射。 掺杂部分光纤长度为8～10 mm。 端部光纤的外表面同时镀覆黑体腔， 用于辐射测温。 (这时，光纤黑体腔长度与直径之比大于10，可以满足黑体腔表观辐射率恒定的要求)。 值得注意的是， 避免或减少荧光发射部分与热辐射部分的相互干扰， 对保证整个系统的性能十分重要。

经过分析， 可以发现这种干扰主要表现为:

1) 荧光信号中辐射背景信号对荧光寿命检测精度的影响，

2) 光纤表面镀覆对荧光强度的影响，

3) 光纤内Cr3+离子掺杂对黑体腔热辐射信号的影响。

类别分布式光纤温度传感器
分布式光纤温度传感器，通常用在检测空间温度分布的系统，其原理最早于1981年提出，后随着科学家的实验研究，最终研制出了此项技术。这种传感器原理发展是基于三种传感器的研究，分别是瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射。在瑞利散射（OTDR）和布里渊散射（OTDR）的研究已取得了很大的进展，因此未来的传感器研究热点，将放在对基于喇曼散射（OTDR）的新分布式光纤传感器的研究上。

最近，土耳其Gunes Yilmaz开发出了一种分布式光纤温度传感器，此传感器的温度分辨率是1℃，空间分辨率是1。23m。在我国也有很多大学展开了对分布式光纤温度传感器的研究，例如，中国计量大学1997年发明出煤矿温度检测的传感器系统，其检测温度为-49℃～150℃，温度分辨率为0。1℃。
光纤荧光温度传感器
当前最热门的研究，就是针对光纤荧光温度传感器，其是利用荧光的材料会发光的特性，来检测发光区域的温度。这种荧光的材料通常在受到紫外线或红外线的刺激时，就会出现发光的情况，发射出的光参数和温度是有着必然联系的，因此可以通过检测荧光强度来测试温度。

世界各国的高校都设计过此类传感器，例如，韩国汉城大学发现10cm的双掺杂光纤，在其915nm的地方所反射出的荧光强度所对应的温度指数是20℃～290℃；我国清华大学借用半导体GaAs原料来吸收光，进而以光随温度改变的原理，研发出了温度范围是0℃～160℃的光纤荧光温度传感器1。

发展前景光纤温度传感器的种类很多，除了以上所介绍的荧光和分布式光纤温度传感器外，还有光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器以及基于弯曲损耗的光纤温度传感器等等，由于其种类很多，应用发展也很广泛，例如，应用于电力系统、建筑业、航空航天业以及海洋开发领域等等。

在电力系统行业的发展光纤温度传感器在电力系统的应用中得到发展，由于电力电缆温度、高压配电设备内部温度、发电厂环境的温度等，都需要使用光纤传感器进行测量，因此就促进了光纤传感器的不断完善和发展。尤其是分布式光纤温度传感器得到了改善，经过在电力系统行业的应用，从而使其接收信号和处理检测系统的能力都得到了提升。

在建筑业的发展光纤光栅温度传感器由于其较高的分辨率和测量范围广泛等优点，被广泛应用于建筑业温度测量工作中。西方很多发达国家都已普遍采用此系统，进行建筑物的温度、位移等安全指标的测试工作，例如，美国墨西哥使用光栅温度传感器，对高速公路上桥梁的温度进行检测。通过广泛使用，光栅温度传感器所存在的问题，如：交叉敏感的消除、光纤光栅的封装等都得到了解决，因而此系统得到了完善。

航空航天业中的应用发展航空航天业使用传感器的频率较高，包括对飞行器的压力、温度、燃料等各方面的检测，都需要使用光纤温度传感器进行检测，并且所使用到的传感器数量多达百个，所以对传感器的大小和重量要求很严格。因此，基于航空航天业对传感器的要求，光纤温度传感器的体积、重量规格方面都经过了调整2。

光纤温度传感器的优点光纤传感器采用的原理、结构、式样最多，其潜在的优点是测量精度高、抗电磁干扰、安全防爆、可绕性好。而现有的温度传感器不宜用于易燃易爆场合3。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所