光纖溫度傳感器的特點和應用

光纖溫度傳感器的特點和應用

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)、機械工業(yè)、汽車工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、石油化工、食品飼料等領域有著巨大的應用潛力。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構簡單，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研究、生產生活以及各項生理過程密切相關。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；
(2)利用塞貝克效應的熱電偶型溫度傳感器；
(3)光學溫度傳感器。

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，因此難以得到應用。而在強酸或強堿的腐蝕性環(huán)境中，由于常用的熱電偶溫度傳感器會在相關環(huán)境中被腐蝕，導致?lián)p壞，使其讀數(shù)不夠準確。
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，從而能夠快速達到平衡，但在一些微小樣品測試中特別是當被測樣品的體積小于熱電偶的探頭時，溫度測量結果的準確性就會受到影響。

由于光可以在多種介質中自由傳播，因此利用光學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，包括響應快速，空間分辨率高等，這使其在對活細胞及活體的生物分析、空氣動力學研究、光電功能體系研究及食品貨物的包裝涂層的溫度監(jiān)測等領域得到了越來越廣泛的應用，尤其是當體系的空間分辨率位于毫米甚至微米級別時，例如微流體或細胞等，此時傳統(tǒng)溫度傳感器將很難進行測量，而基于熒光技術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的發(fā)光性質，這是由于Boltzmann分布和材料的能級結構是溫度的函數(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度、熒光壽命以及熒光光譜特征峰的形狀和位置。這些性質使得熒光材料能夠成為潛在的光學溫度傳感器的敏感材料。熒光傳感器的設計通常就是基于熒光材料明顯的溫度敏感性質。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。

光纖傳感技術測溫原理

基于稀土熒光物質的材料特性，某些稀土熒光物質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，例如光源強度的變化、傳輸效率、耦合程度的變化等都不影響測量結果，較光強測溫法和波長解調法原理上有明顯優(yōu)勢。