光纖溫度傳感器的特點和應(yīng)用

光纖溫度傳感器的特點和應(yīng)用

光纖溫度傳感器測溫系統(tǒng)以其具有抗電磁干擾、防燃、防爆、本征安全，尺寸小、對被測溫度場影響小等優(yōu)點，在軍工裝備、電力工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、汽車工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、石油化工、食品飼料等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。目前的光纖溫度傳感器種類很多，主要有光纖光柵溫度傳感器、光纖FabryPerot干涉式溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、分布式光纖溫度傳感器等。以上這些光纖溫度傳感器因其良好的傳感性能取得了較廣泛的應(yīng)用光纖溫度傳感器，其中福州華光天銳的熒光光纖溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，靈敏度與測量范圍可定制等優(yōu)點。

溫度傳感器的分類

溫度這一物理量與科學(xué)研究、生產(chǎn)生活以及各項生理過程密切相關(guān)。目前用于溫度測量的手段和儀器有很多，根據(jù)測量原理的不同，測量溫度的傳感器(測溫儀)主要可分為以下三類：
(1)傳統(tǒng)的封裝液體型溫度傳感器，其原理是液體熱脹冷縮的性質(zhì)；
(2)利用塞貝克效應(yīng)的熱電偶型溫度傳感器；
(3)光學(xué)溫度傳感器。

而液體型溫度傳感器、熱電偶測溫傳感器存在一些缺點，如在一些苛刻或腐蝕性的環(huán)境中很難應(yīng)用。在真空或是無氧等苛刻環(huán)境中，一方面是因為人為難以在這些環(huán)境中操作，另一方面是因為傳統(tǒng)的溫度傳感器難以和在這些苛刻環(huán)境中的被測樣品發(fā)生充分的接觸和熱量交換，因此難以得到應(yīng)用。而在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的腐蝕性環(huán)境中，由于常用的熱電偶溫度傳感器會在相關(guān)環(huán)境中被腐蝕，導(dǎo)致?lián)p壞，使其讀數(shù)不夠準(zhǔn)確。
此外，這類接觸式的溫度計需要樣品和傳感器之間具有較高的熱交換速率，從而能夠快速達(dá)到平衡，但在一些微小樣品測試中特別是當(dāng)被測樣品的體積小于熱電偶的探頭時，溫度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性就會受到影響。

由于光可以在多種介質(zhì)中自由傳播，因此利用光學(xué)信號的熒光溫度傳感器具有傳統(tǒng)溫度傳感器所不具備的特點，包括響應(yīng)快速，空間分辨率高等，這使其在對活細(xì)胞及活體的生物分析、空氣動力學(xué)研究、光電功能體系研究及食品貨物的包裝涂層的溫度監(jiān)測等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是當(dāng)體系的空間分辨率位于毫米甚至微米級別時，例如微流體或細(xì)胞等，此時傳統(tǒng)溫度傳感器將很難進(jìn)行測量，而基于熒光技術(shù)的熒光溫度傳感器正是突破這一瓶頸的有效手段。

事實上 ，幾乎所有熒光分子和材料都具有溫度響應(yīng)的發(fā)光性質(zhì)，這是由于Boltzmann分布和材料的能級結(jié)構(gòu)是溫度的函數(shù)決定的。熒光分子周圍環(huán)境溫度的改變會影響熒光分子的熒光強(qiáng)度、熒光壽命以及熒光光譜特征峰的形狀和位置。這些性質(zhì)使得熒光材料能夠成為潛在的光學(xué)溫度傳感器的敏感材料。熒光傳感器的設(shè)計通常就是基于熒光材料明顯的溫度敏感性質(zhì)。另一方面，大部分熒光溫度傳感器利用的是紫外-可見光波段的光激發(fā)樣品，所采用的材料在激發(fā)后發(fā)出的光大部分位于可見光波長波段，但紫外光對生物組織的損傷較大及紫外-可見光對于生物組織的穿透性較差，這都極大地限制了這類傳感器在生物體系分析中的應(yīng)用。因此，發(fā)展一種近紅外波段發(fā)光的熒光溫度傳感器及材料就顯得尤為重要。

光纖傳感技術(shù)測溫原理

基于稀土熒光物質(zhì)的材料特性，某些稀土熒光物質(zhì)受紫外線照射并激發(fā)后，在可見光譜中發(fā)射線狀光譜，即熒及其余輝( 余輝為激勵停止后的發(fā)光)。熒光余輝的衰變時間常數(shù)是溫度的單值函數(shù)，通常溫度越高，時間常數(shù)越小。只要測得時間常數(shù)的值，就可以計算出溫度。應(yīng)用這種方法測溫的最大優(yōu)點，就是被測溫度只取決于熒光材料的時間常數(shù)，而與系統(tǒng)的其他變量無關(guān)，例如光源強(qiáng)度的變化、傳輸效率、耦合程度的變化等都不影響測量結(jié)果，較光強(qiáng)測溫法和波長解調(diào)法原理上有明顯優(yōu)勢。