明白：温度光纤传感器设计与分析

liukai · 发表于 2023-8-23 18:18:17

　　【摘　要】光纤传感技术的应用推动通信技术的飞速发展，在众多产业有重要的地位。本文将对光纤温度传感器的原理及优势进行分析，并综述其发展和运用情况，最后具体分析分布式光纤温度传感器的设计，望能够优化传感器，使光纤温度传感器在不同领域发挥更加突出的作用。监测及预警平台- 南京嘉兆仪器设备的相关问题可以到网站了解下，我们是业内领域专业的平台，您如果有需要可以咨询，相信可以帮到您，值得您的信赖！

　　【关键词】光纤温度传感器设计应用

　　上世纪七十年代以来，光纤技术逐渐被运用于温度测量，由于其具备抗电磁干扰能力强、灵敏度高、耐腐蚀能力强等优点，相关研究工作进展十分迅猛。目前光纤温度传感器在国内外大型工业产业中得到广泛的应用，下文将从解释光纤温度传感器的原理及优势着手，对光纤温度传感器进行详细的分析。

　　光纤温度传感器主要可以分为功能型和传导型两类。前者是以温度检测作为基础，光纤根据温度的改变而变化的传感器；后者检测到温度后，光仅起到信号指示的作用，借助于光信号可以避免在复杂环境下进行温度检测，这种传感器系统对机械振动等干扰敏感度高，结构相对复杂，传导型传感器又称传输型传感器。下面对几种常见的光纤温度传感器进行原理分析。

　　1.1　分布式光纤温度传感器

　　分布式光纤温度传感器系统可以对空间温度场的分布实现实时测量，从上世纪八十年代被提出以来，得到了很大的发展。通常将分布式光纤温度传感器根据散射方式不同分为瑞利、布里渊和喇曼三类，在发展过程中测温精度不断提高。其中基于光时域散射和光频域散射使分布式温度光纤传感器的潜力得到进一步的挖掘，目前分布式温度光纤传感器依然是研究的热点。

　　1.2　光纤光栅温度传感器

　　此类光纤温度传感器主要使用了光纤光纤温度传感技术，反射波长随着温度而变化，采用的是“波长移位”原理。最早的光纤光栅是通过光敏效应发现的。

　　1.3　光纤荧光温度传感器

　　光纤荧光温度传感器也是近年来研究相对较多的温度传感器，这种传感器的工作原理是基于光致发光的物理现象的。光致发光是一种常见的光发散现象，通常是材料在紫外线、可见光和红外区光的激发作用下发生的发光现象。由于出射荧光参数和温度有很强的对应关系，所以可以根据荧光寿命或者荧光强度达到预测温度的目的。其中荧光强度光纤温度传感器会受到光纤散射等影响，产生较大的扰动，影响温度的控制精度。为了克服这一缺点，用荧光寿命预测温度使用更加广泛。

　　1.4　三种主要温度光纤传感器的比较

　　分布式、光纤光栅、光纤荧光温度传感器工作原理相差很大，因此具备不同的特点和属性，拥有各自独特的优点，相关的研究方向也存在较大区别。

　　分布式温度光纤传感器在处理连续测量环境时有明显的优势，测量距离最长可以达到几千米。分布式温度光纤传感器在空间测量上的精度十分高，进行不间断测量时的稳定性强，适用于大空间范围内的多点测量。当前分布式温度光纤传感器的相关研究主要是提高光纤测量的效率，即在同一根光纤上实现多个物理参数的测量；提高信号传递稳定性，加强信息处理精确度；进一步扩大测量范围，节省时间和人力。

　　光纤光栅温度传感器相比其他光纤温度传感器有更强大的波长调试能力。这种温度光纤传感器所依据的工作原理可以实现诸多优点：测量信号受光源起伏影响小；有效避免相位测量精确度不够的缺点，对固有参考点无明确要求，适应能力强；有利于波分复用技术的使用；测量材料内部温度十分方便，并且可以实现高分辨率测量。但是光纤光栅温度传感器也存在一些亟需解决的问题：微小位移的检测；消除交叉敏感、提高传感器工作可靠性和耐久性。

　　光纤荧光温度传感器的优点主要体现在对于光强度的独立性上，这是因为荧光寿命和温度之间的关系是内在的，测量准确性很高。光纤荧光温度传感器的测量范围极广，并且可以适应高温使用环境。当前关于光纤荧光温度传感器的研究主要是进行荧光源的选择。

　　分布式温度光纤传感器中光纤不仅用于传输，而且是传感戒指，抵抗各种电磁影响的能力突出，受温度场影响可以忽略不计，相关研究工作较多，已经成为一种比较成熟的温度光纤传感器。笔者将以分布式温度光纤传感器为例，浅析温度光纤传感器的设计过程。

　　2.1　分布式光纤温度传感系统作用过程

　　整个温度传感系统是由光学部分和信号采集及处理部分两个部分组成。其中光学部分是由传感光纤和光学分光器件等构成，信号处理部分是光电检测、信号放大等组成的。计算机给出周期性的脉冲电信号，驱动光学部分的脉冲驱动电源，LD将会发出脉冲光功率，通过定向耦合器耦合至传感光纤。传感光纤里的光脉冲在传播时产生散射光，进入接收通道与光学滤波之后，能量更强的瑞利后向散射光，分光产生斯托克斯光和反斯托克斯光，经过光电转换过程传递至双高速A/D，最终再传递至计算机显示在屏幕上。

　　为了确保上述工作过程的稳定性和正确性，必须对光学部分和信号采集处理部分各元器件作出明确的要求。设计时，要分析所有可能影响温敏信号大小的因素，综合考虑各项因素，选择出使得温敏信号足够强的最佳工作波长。

　　2.2　分布式温度传感系统的重要参数与指标

　　2.2.1　温度分辨率

　　温度分辨率的含义是信噪比等于一时相应的温度变化量，该指标是影响分布式温度光纤传感器的因素。温度分辨率的好坏将决定传感器系统测量准确度和精确度，而且会影响信噪比、拉曼后向散射系数等。

　　2.2.2　空间分辨率

　　空间分辨率是用于表示光纤上距离最小的两点Raman散射信号的能力。空间分辨率的大小受光纤色散、放大电路频带宽度等因素影响。

　　2.2.3　测量精度

　　测量精度应当分两个层面理解：一方面指的是系统测量终端在空间上的位置确定精度，另一方面则表征背向Raman散射信号的测量精确度。分布式光纤温度传感器中空间位置确定通常是借助于光探测脉冲的传输时间，因此可以理解传感系统精度由光脉冲上升时间确定。大部分测量精度指的是后者，Ranman散射信号数值十分小，因此对探测系统的能力提出较高的考验。通常为提高测量精度，需要对测量终端进行合理的设计，尽量提高信噪比可以有效提高测量精度，但是也必须满足空间分辨率的要求。

　　2.2.4　测量时间

　　测量时间是传感系统在确定的测量精度和空间分辨率的情况下，实现一次完整测量所用的最短时间。测量时间的主要影响因素是信号积累平均时间。

　　2.3　分布式温度光纤传感系统稳定性分析

　　由于测量环境温度等发生变化，会对系统稳定性产生一定影响。例如温度变化会改变放大器增益，使信号电平不稳定；雪崩管探测器温度效应使信号电平与温度变化呈反向变化；环境温度的改变使输出电压变化，造成激光器输出功率不稳定，功率发生严重漂移现象。

　　为了增强系统稳定性，可以安装恒温装置。将传感系统放置在恒温箱里，可以减小温度改变产生不不良影响，能够有效提高系统稳定性。通常恒温箱箱体材料由三层构成，从内到外分别是铜层、绝热层和不锈钢板。恒温箱不仅能够维持温度在很小的范围内变化，而且能够提高系统抗电磁干扰的能力。

　　2.4　激光器工作波长的选择

　　工作波长的选择需要考虑多个因素，其中温度灵敏度是与工作波长关系最紧密的因素之一。温度灵敏度表征温度变化引起的强度值改变，一般而言，中心波长和温度灵敏度是呈正相关的。实际设计的传感系统中，温度灵敏度略低于理论计算值。随着系统中心波长变长，Raman散射信号和激发信号空间间隔大，可以有效提高温度灵敏度。工作波长的选取对系统稳定性也有一定影响，通常短波长对于提高系统稳定性更加有利。工作波长的变大会削弱Raman散射信号的强度，因此必须综合考虑多因素选择工作波长，才能有利于提高强度和最高信噪比。根据以往经验，最佳工作选取的原则为：确保尾端传回的反斯托克斯信号最强。

　　工作波长受光纤中的损耗分布影响，光纤损耗主要有吸收、附加和散射三方面组成，其中吸收损耗主要来源于材料本征吸收、杂质吸收以及原子缺陷吸收三方面。系统最佳中心波长的选取还依赖于测量点强度与波长关系的分析，实际选取过程中经常遇到的一个问题是测量点能够得到最大强度的反斯托克斯信号，但是测量点周围其他点的信号强度不能保证是最大的，为此还必须研究不同测量点之间的关系。最后阶段是分析不同测量点最大强度直接的关联，通过上述分析过程，可以得到不同测量点的最佳工作波长。

　　2.5　APD最佳雪崩增益

　　雪崩增益是APD中十分关键的特征，增益大小由APD上偏压大小决定。APD中噪声源主要来源于四个方面：热噪声、散弹噪声、FET噪声和暗电流噪声。最佳雪崩增益主要受热噪声、环境温度等因素影响。当热噪声发生变大时，最佳雪崩增益也增加，但增加的幅度随着热噪声的变大而减小。增加雪崩增益可以优化信噪比。最佳雪崩增益随着一次光电流的增加而减小，因此适当减小雪崩增益对于实现最佳SNR十分有利。体暗电流与温度之间呈指数变化规律，即体暗电流随着温度的增加而快速增加，体暗电流与最佳雪崩增益之间的变化关系与一次光电流和最佳雪崩增益的变化关系类似。因此当体暗电流变大，为了获取最佳信噪比，应当尽量减小雪崩增益。

　　2.6　光纤耦合

　　由于分布式光纤温度传感器是通过OTDR技术对温度场空间进行实时测量，为了得到分辨率指标的提升，广泛采用大功率、高频率的激光光源。提高光纤耦合效率，可以同时提高脉冲功率和改善Raman散射信号。根据理论知识可知提高光脉冲的峰值功率能直接提高耦合到光纤的功率，但是实际运用中尽量避免任意增加脉冲峰值功率。

　　传感光源多采用芯径和孔径都较大的光纤，能够有效提升温度分辨率，然而这种光纤成本较高，而且损耗很大，从经济性和稳定性方面考虑，应采用多模光纤，不仅可以控制成本，而且适用性更强，信号处理难度低。

　　通过对几种常见的温度光纤传感器的原理的分析，明确了不同传感器的各自的优势以及发展前景和难题，并以分布式光纤温度传感器为例，浅析温度光纤传感器的设计。首先对若干重要指标进行深入研究，并给出优化指标的措施。分布式温度光纤传感器由于理论技术都相对成熟，得到广泛的应用。但是作为一维传感器，测量效率和探测范围受到限制，加强二维传感系统的研究是后续的工作重点。