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光纤温度传感器的原理及应用研究

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孟瑜　于兰　王亚杰　黄丫　李胜男

摘? 要：光纤温度传感器具有灵敏度高、体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、电绝缘等优点。为促进光纤温度传感器在更多领域的发展，本文对光纤温度传感器的原理及应用前景进行了综述。首先概述了光纤传感器的原理，并分别介绍了几种常见光纤温度传感器的原理，各自特点，最后对光纤温度传感器的应用和发展进行了总结和展望。

关键词：光纤;光纤传感器;温度;应用;发展

一、引言

近年来，传感器朝着精确、灵敏、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这一新兴产业倍受关注。光纤传感器是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的，它是把外界被测量（温度、压力、位移、电磁场等）转换为光纤传输光波的特征参量（振幅、相位、波长、偏振态）的传感器。

在科研和生产实践中，精确的温度检测与控制十分重要，而光纤温度传感器是光纤传感器家族中非常重要的一员。传统的温度检测包括热电偶温或PN结型的温度传感器。光纤温度传感器与它们相比具有很多优点：抗电磁干扰能力强、可以实现非接触测量、灵敏度高、尺寸小、低损耗、易控制、低成本，特别适合易燃、易爆等特殊环境下使用。

光纤温度传感器始于20世纪 70年代，当前的主流产品主要有分布式光纤温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器以及光纤光栅温度传感器等。在国外一些发达国家，很多领域已经采用光纤温度传感器代替传统温度传感器而成为商品。我国的光纤传感器研究开始的也较早，但与国外发达水平相比，研究水平还有一定的差距，很多传感器仍处于试验阶段不能大批量生产，不能满足市场需求。

本文主要介绍了几种常用的光纤温度传感器，包括它们的结构、工作原理以及应用领域，最后对光纤温度传感器发展前景进行了展望。

二、光纤温度传感器原理简介

在光学行业，早期的光纤用于传光和传像，在20世纪70年代初产生低损光纤后，光纤开始用于长距离信息传输。但是光纤在作为光波的传输介质时，由于外界环境因素的影响（温度、位移、压力、电磁场）会导致光纤中传输的光波特征参量（振幅、相位、波长、偏振态）发生变化，如图1所示。因而可以通过测量光波参量的变化来探测外界因素的变化，由此产生了光纤传感技术。

三、光纤温度传感器的分类

光纤温度传感器的机理和结构形式多种多样，但基本上可以分为功能型（传感型）和传输型（传光型）两大类。

功能型光纤温度传感器是基于光纤传输的光波参量（振幅、相位、波长）随环境温度的变化而变化的特性，光纤既是传感元件又是传光介质。而传输型光纤温度传感器是使用外加敏感元件实现传感功能，光纤只作为传光介质。下面针对这两种类型的传感器，介绍几种典型的应用实例。

（一）功能型光纤温度传感器

1、分布式光纤温度传感器

光纤中返回的散射光有线性散射和非线性散射。其中瑞利散射是由于光纤的折射率随机变化引起的，其散射光频率与入射光相同，属于线性散射，散射光强度较高。非线性散射包含受激拉曼散射和受激布里渊散射，散射光相对于入射光有一定的非线性频移，其散射光强度要弱于瑞利散射。因为光纤中散射光特性和散射介质温度有关，通过测量光纤中返回的散射光强度或频率可以测量温度值，通过OTDR技术或光干涉技术对测量点进行定位，可以实现在光纤传输方向上连续传感温度。图2是一个分布式光纤温度传感器结构图，其测温原理基于对光纤中拉曼散射光的测量。

分布式光纤温度传感器的特点是能够在大空间范围实现连续、实时的测量温度，传感长度从几千米到几百千米的范围。和传统的点式传感器相比，它具有测量空间范围大、结构简单、性价比高等优点，因此有广泛的市场需求。

（二）干涉型光纤温度传感器

当环境温度变化时，可以引起光纤传输光的相位发生变化，从而形成相位调制型（干涉型）光纤温度传感器。通常测量相位时采用两束光的干涉，根据干涉光强度变化得到温度值。常见用于测温的光纤干涉仪有马赫泽德尔（M-Z）干涉仪、迈克尔逊（Michelson）干涉仪和法布里-珀罗（F-P）干涉仪。下面主要介绍基于M-Z干涉原理和F-P干涉原理的光纤温度传感器。这种传感器具有灵敏度高、灵活多样、测量对象广泛等优点。

图3为M-Z光纤温度传感器的原理图，激光器发出的相干光，经光纤耦合器分光后，分别进入两根长度相等的单模光纤。其中一根光纤处于温度变化的探测场，温度改變光纤折射率和长度都发生变化，光波相位随之改变，称为传感臂;另一根光纤处于恒定的温度场，光程保持不变，称为参考臂。从两根光纤输出的光经将发生干涉，温度改变时由于两束光的相位差变化，干涉条纹就会发生移动。因此检测干涉光强即探测温度值。

图4为F-P光纤温度传感器的装置图，它由激光器、隔离器、分束器、传输光纤和光纤F-P传感头、接收器等元件构成。从图中可以看出，光纤F-P腔两端镀高反射膜，构成多光束干涉腔。当环境温度变化时，光纤F-P腔的腔长L和折射率n随之改变，引起输出的多光束干涉光强度变化，根据检测的反射或透射光强测得温度值。

（三）光纤光栅温度传感器

光纤Bragg光栅（FBG）是基于光纤的光敏性，例如应用紫外光照射使纤芯产生周期性的折射率变化。外界温度变化时，Bragg光栅周期和折射率都会发生变化，从而导致光栅布拉格波长[λB]漂移，通过测量Bragg光栅布拉格反射波长即可测量温度，这种传感器属于波长调制型。

光纤光栅传感器具有抗干扰能力强、结构简单、重复性好、可实现绝对测量、便于成网等特点，并且光栅的写入工艺已较成熟，便于形成规模生产。

（四）传输型光纤温度传感器

传输型光纤温度传感器的典型应用实例是光纤荧光温度传感器，荧光材料在受外界光（红外光、紫外光或可见光）激发时，会向外辐射光，称为荧光。荧光材料的激发区光谱是材料的固有属性，由材料的吸收谱决定。光纤荧光温度传感器是利用荧光材料的温度特性测温的，有基于荧光强度比和荧光寿命两种测温方式。

荧光强度比测温主要是测量两个不同高能级跃迁到同一低态能级之间的荧光强度比，它是与温度有关的参量。图6为基于荧光强度比测温的光纤传感器。

荧光材料向外辐射荧光的寿命也是与温度相关的参量，选用脉冲调制的光源作为荧光材料的激发光，在激发光停止后，由探测器接收辐射的荧光，和信号处理单元根据荧光衰减时间（荧光寿命）即可得到温度信息。在这种测温系统中光纤只起到传输光的作用。它的优点是抗干扰能力强，光源的光强不稳定对测温结果的影响较小，经济耐用。

光纤温度传感器的种类很多，除了上述介绍的种类外，还有半导体吸收型、弯曲损耗型光纤温度传感器等等，由于其种类很多，应用发展也很广泛。

四、光纤传温度感器的应用

在光纤传感器领域，温度传感器的研究和应用比较多，约占总数的20%左右。它具有光纤传感器的固有优势，除了应用于一些传统领域的测温，还能应用在某些特殊领域，例如高温高压、易燃易爆、强电磁干扰和化学腐蚀性强的场所，因此具有很大的市场需求。目前光纤温度传感器的研究和应用领域包含医疗、建筑、电力、化工和航空航天等，本文只介绍几种领域内的典型应用。

（一）医学领域的应用

医用光纤温度传感器的主要特点是它的尺寸普遍偏小，设计很坚固，整体系统的精度，可重复使用。例如光纤光栅传感器是迄今为止能做到的最小的传感器，可以以很小的伤害进入人体内部，精确探测局部的压力、温度和声波场信息;又例如我们所熟知的医用磁共振成像系统，是在强电磁场干扰的环境下工作的，它的温控系统也是用的光纤温度传感器来测量的，可靠性得到保证。

（二）航天航空领域的应用

在航天航空领域，使用传感器的数量非常多。例如一架飞行器需要传感的信息包括温度、压力、燃料液位、振动、方向舵和机翼的位置等，内部传感器数量可多达上百个，因此需要传感器的尺寸和重量都要非常小。尤其在对环境控制系统和飞行发动机系统测控时，需要温度进行实时监控，而传统的温度传感器采用热电偶或热敏电阻的元器件，不能满足航空航天装备的传感需要。光纤传感器尺寸小、重量轻、抗干扰能力强、测量准确度高，具有其他传感器无法比拟的优势，在航空航天系统有十分广泛的应用前景。

（三）电力行业的应用

由于光纤温度传感器具有体积小、抗电磁干扰能力强、电绝缘性能好，耐腐蚀和本质安全等优势，因此被广泛应用于电力系统的在线温度检测。例如各类大中型发电机、电动机和变压器的温度检测，电力电缆密集区的温度检测，电力系统的热动保护或故障诊断等。

（四）建筑行业的应用

光纤或者光纤光栅能够很容易的埋入一些建筑或桥梁的材料中，这样利用光纤传感器就能够对建筑内部的温度实现大范围和高精度的测量。国外许多国家和地区很早就将光纤传感器应用于桥梁或建筑中，通过传感桥梁的温度、应力应变、位移等重要参数，对建筑实现安全检测和预警。在国内，这方面的应用也有很广泛的空间。

五、光纤温度传感器发展趋势

在过去的几十年时间，许多光纤温度传感器进入了实用化和商品化阶段。光纤温度传感器的独特優势使它具有巨大的发展潜力。未来的发展，除了要进一步提高产品性能和降低成本外，还应致力于开拓新的应用领域。技术研究可大力发展集成化的光纤温度传感器，分布式光纤温度传感系统，研制大型传感器阵列，实现多功能全光纤控制等。总之，这种传感器的市场应用前景还是十分广阔的。

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