【正文】 天、遠(yuǎn)程控制、化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)療、安全保險(xiǎn)、電力工業(yè)等特殊環(huán)境下測溫有著廣闊的應(yīng)用前景。在本論文中將詳細(xì)分析當(dāng)前光纖溫度傳感器的主要種類和各自的原理，特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。論文要求：（1）詳細(xì)分析國內(nèi)外主要光纖溫度測溫方法的原理及特點(diǎn)，比較不同方法的溫度測量范圍和性能指標(biāo)。（2）掌握空調(diào)器的工作電氣原理和基本的熱力學(xué)過程。畢業(yè)論文綜述：70年代中期，人們開始意識(shí)到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構(gòu)成一種新的直接交換信息的基礎(chǔ)，無需任何中間級(jí)就能把待測的量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來。1977年，美國海軍研究所開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計(jì)劃，這被認(rèn)為是光纖傳感器問世的日子。從這以后，光纖傳感器在全世界的許多實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)。從70年代中期到80年代中期近十年的時(shí)間，光纖傳感器己達(dá)近百種，它在國防軍事部門、科研部門以及制造工業(yè)、能源工業(yè)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和日常消費(fèi)部門都得到實(shí)際應(yīng)用。從目前的情況看，己有一些形成產(chǎn)品投入市場，但大量的是處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比具有一下優(yōu)點(diǎn):靈敏度高。是無源器件，對(duì)被測對(duì)象不產(chǎn)生影響。光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環(huán)境 下安全可靠。頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大。幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性?？梢耘c光纖 遙測技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和控制。體積小，重量輕等。目前，世界各國都對(duì)光纖傳感器展開了廣泛，深入的研究，幾個(gè)研究工作開展早的國家情況如下:美國對(duì)光纖傳感器研究共有六個(gè)方面:這些項(xiàng)目分別是:光纖傳感系統(tǒng)?，F(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng)。光纖陀螺。核輻射監(jiān)控。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控。民用研究計(jì)劃。以上計(jì)劃僅在1983年就投資1214億美元。美國從事光纖傳感器研究的有美國海軍研究所、美國宇航局、西屋電器公司、斯坦福大學(xué)等28個(gè)主要單位。美國光纖傳感器開始研制最早，投資最大，己有許多成果申請(qǐng)了專利。英國政府特別是貿(mào)易工業(yè)部十分重視光纖傳感器技術(shù)，早在1982年有該部為首成立了英國光纖傳感器合作協(xié)會(huì)，到1985年為止，共有26個(gè)成員，其中包括中央電器研究所、Delta控制公司、帝國化學(xué)工業(yè)公司、英國煤氣公司、1 Taylor儀器公司、標(biāo)準(zhǔn)電信研究所及幾所主要大學(xué)。德國的光纖陀螺的研究規(guī)模和水平僅次與美國居世界第二位，西門子公司在1980年就制成了高壓光纖電流互感器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。日本制定了19791986年“光應(yīng)用計(jì)劃控制系統(tǒng)”的七年規(guī)劃，投資達(dá)70億美金。有松下、三菱、東京大學(xué)等24家著名的公司和大學(xué)從事光纖傳感器研究。從1980年7月到1983年6月，申請(qǐng)光纖傳感器的專利464件，涉及11個(gè)領(lǐng)域。主要應(yīng)用于大型工廠，以解決強(qiáng)電磁千擾和易燃、易爆等惡劣環(huán)境中信息測量、傳輸和生產(chǎn)全過程的控制問題。我國光纖傳感器的研究工作于80年代初開始，在“七五”規(guī)劃中提出15 項(xiàng)光纖傳感器項(xiàng)目，其中有光纖放射線探測儀、光纖溫度傳感器及溫度測量系統(tǒng)、光纖陀螺、光纖磁場傳感器、光纖電流、電壓傳感器、醫(yī)用光纖傳感器、分析用 傳感器、集成光學(xué)傳感器等。預(yù)計(jì)“七五”期間的研制成果可達(dá)到美、日等國 80年代初、中期水平。半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器基本上是80年代興起的，其中以日本的研究最為廣泛。在1981年，Kazuo Kyuma等四人在日本三菱電機(jī)中心實(shí)驗(yàn)室，首次研制成功采用GaA、和Care半導(dǎo)體材料的吸收型光纖溫度傳感器。由于人們對(duì)半導(dǎo)體材料認(rèn)識(shí)的不斷深入，以及半導(dǎo)體制造和加工工藝水平的不斷提高，使人們對(duì)采用半導(dǎo)體材料來制作各種傳感器的前景十分看好。在90年代前后，出現(xiàn)了研究以硅材料作為溫度敏感材料的光纖溫度傳感器。在1988年，Roorkee ，采用CIrD(化學(xué)氣象淀積)技術(shù)，在光纖端面上淀積多 晶硅薄膜，試制了硅吸收型光纖溫度傳感器。同年，Isko Kajanto等人采用SOI結(jié)構(gòu)，以光纖反射的方式，制作了單晶硅吸收型溫度傳感器。目前，以GaAs 和CdTe直接帶隙半導(dǎo)體材料的吸收型光纖溫度傳感器，已接近實(shí)用化。國內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器的研究起步較晚，興起于90年代后期。主要集中在清華大學(xué)，華中理工大學(xué)，東南大學(xué)等高校。他們對(duì)該種類型的傳感 器結(jié)構(gòu)，特性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和實(shí)踐。但大量的研究只集中在GaAs半導(dǎo)體作為感溫材料的傳感器上，與國外在該領(lǐng)域的研究水平仍有較大差別。光纖溫度傳感器的特點(diǎn)：光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：光波不產(chǎn)生電磁干擾，也不怕電磁干擾，易被各種光探測器件接收．可方便地進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換．易與高度發(fā)展的現(xiàn)代電子裝置和計(jì)算機(jī)相匹配．光纖工作頻率寬．動(dòng)態(tài)范圍大，是一種低損耗傳輸線，光纖本身不帶電．體積小質(zhì)量輕，易彎曲，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。國外一些發(fā)達(dá)國家對(duì)光纖溫度傳感技術(shù)的應(yīng)用研究已取得豐富成果．不少光纖溫度傳感器系統(tǒng)已實(shí)用化．成為替代傳統(tǒng)溫度傳感器的商品。所有與溫度相關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象或特性．本質(zhì)上都可以用于溫度測量．基于此．用于溫度測量的現(xiàn)有光學(xué) 技術(shù)相當(dāng)豐富。對(duì)于光纖溫度傳感器的研究占到將近所有光纖傳感器研究的20％。光纖溫度傳感器的研究．除對(duì)現(xiàn)有器件進(jìn)行外場驗(yàn)證、完善和提高外，目前有以下幾個(gè)發(fā)展動(dòng)向：大力發(fā)展測量溫度分布的測量技術(shù)．即由對(duì)單個(gè)點(diǎn)的溫度測量到對(duì)光纖沿線上溫度分布．以及大面積表面溫度分布的測量：開發(fā)包括測量溫度在內(nèi)的多功能的傳感器：研制大型傳感器陣列．實(shí)現(xiàn)全光學(xué)遙測。光纖測溫傳感器是用光纖來測量溫度的。有兩種方法可實(shí)現(xiàn)。一是利用被測表面輻射能隨溫度的變化而變化的特點(diǎn)；利用光纖將輻射能量傳輸?shù)綗崦粼?，?jīng)過轉(zhuǎn)換再變成可供紀(jì)錄和顯示的電信號(hào)。這種方法獨(dú)特之處就是可以遠(yuǎn)距離測量；另外一種方法是利用光在光導(dǎo)纖維內(nèi)傳輸?shù)南辔浑S溫度參數(shù)的改變而改變的特點(diǎn)，光信號(hào)的相位隨溫度的變化是由于光纖材料的尺寸和折射率都隨溫度改變而引起的。光纖傳感器的基本原理在光纖中傳輸?shù)膯紊獠捎萌缦滦问降姆匠瘫硎綞=式中，、頻是光波的振幅：w是角頻率；為初相角。該式包含五個(gè)參數(shù)，即強(qiáng)度率w、波長、相位（wt+）和偏振態(tài)。光纖傳感器的工作原理就是用被測量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對(duì)已知調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測，從而得到被測量。當(dāng)被測物理量作用于光纖傳感頭內(nèi)傳輸?shù)墓獠〞r(shí)，使的強(qiáng)度發(fā)生變化，就稱為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器；當(dāng)作用的結(jié)果使傳輸光的波長、相位或偏振態(tài)發(fā)生變化時(shí)，就相應(yīng)的稱為波長、相位或偏振調(diào)制型光纖傳感器。 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制傳感器的調(diào)制原理光纖傳感器中發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)制的基本原理可簡述為，以被測量所引起的發(fā)光強(qiáng)度變化，來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測對(duì)象的檢測和控制。其基本原理如圖所示。光源S發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度為的光柱入傳感頭，在傳感頭內(nèi)，光在被測物理量的作用下強(qiáng)度發(fā)生變化，即受到了外場的調(diào)制，使得輸出發(fā)光強(qiáng)度產(chǎn)生與被測量有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的變化。由光電探測器檢測出發(fā)光強(qiáng)度的信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理解調(diào)就得到了被測信號(hào)。 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的方式 利用光纖微彎效應(yīng)；利用被測量改變光纖或者傳感頭對(duì)光波的吸收特性來實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制； 通過與光纖接觸的介質(zhì)折射率的改變來實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制； 在兩根光纖間通過倏逝波的耦合實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；利用發(fā)送光纖和接收光纖作相對(duì)橫向或縱向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制，這是當(dāng)被測物理量引起接收光纖位移時(shí)，改變接收發(fā)光強(qiáng)度，從而達(dá)到發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的目的。這種位移式發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的光纖傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)較為成熟的光纖傳感器。 發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制型傳感器分類根據(jù)其調(diào)制環(huán)節(jié)在光纖內(nèi)部還是在光纖外部可以分為功能型和非功能型兩種。強(qiáng)度調(diào)制式光纖傳感器的特點(diǎn) 解調(diào)方法簡單、響應(yīng)快、運(yùn)行可靠、造價(jià)低。缺點(diǎn)是測量精度較低，容易產(chǎn)生偏移，需要采取一些自補(bǔ)償措施。 光纖傳感器的基本原理通過被測量的作用，使光纖內(nèi)傳播的光相位發(fā)生變化，再利用干涉測量技術(shù)把相位轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測出待測的物理量。如圖540其中圖a、b、c分別為邁克爾遜、馬赫澤得和法布里珀羅式的全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)。 波長調(diào)制光纖傳感器的基本原理波長調(diào)制傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖541。光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器按其工作原理可分為功能型和傳輸型兩種。功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性f相位、偏振、強(qiáng)度等)隨溫度變換的特點(diǎn)，進(jìn)行溫度測定。這類傳感器盡管具有”傳”、”感”合一的特點(diǎn)．但也增加了增敏和去敏的困難。傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號(hào)傳輸?shù)淖饔茫员荛_測溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境．對(duì)待測對(duì)象的調(diào)制功能是靠其他物理性質(zhì)的敏感元件來實(shí)現(xiàn)的。這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題．增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且對(duì)機(jī)械振動(dòng)之類的干擾較敏感．下面介紹幾種主要的光纖溫度傳感器的原理和研究現(xiàn)狀。分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種用于實(shí)時(shí)測量空間溫度場分布的傳感器系統(tǒng)。分布光纖傳感器系統(tǒng)最早是在1981年由英國南安普敦大學(xué)提出的．1983年英國的Hartog用液體光纖的拉曼光譜效應(yīng)進(jìn)行了分布式光纖溫度傳感器原理性實(shí)驗(yàn)．1985年英國的Dakin在實(shí)驗(yàn)室用氬離子激光器作為光源進(jìn)行了用石英光纖的拉曼光譜效應(yīng)的分布光纖溫度傳感器測溫實(shí)驗(yàn)．同年Hartog和Dakin分別獨(dú)立地用半導(dǎo)體激光器作為光源，研制了分布光纖溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置：此后。分布光纖溫度傳感器得到了很大的發(fā)展．研究出了多種傳感機(jī)理．有的還使用了特種光纖。分布式光纖溫度傳感器是基于瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射三種分布式溫度傳感器。分布式光纖傳感器從最初提出的基于光時(shí)域散射fOTDRl的瑞利散射系統(tǒng)開始．經(jīng)歷了基于0TDR的喇曼散射系統(tǒng)和基于0TDR的布里淵散射系統(tǒng)．使得測溫精度和范圍大幅提高。光頻域散射fOFDR)的提出也很早，但只有到了近期．伴隨著喇曼散射和布里淵散射研究的深入．使OFDR和它們結(jié)合才顯示出了它的優(yōu)越性?；?TDR和OFDR的分布式溫度光纖傳感器已經(jīng)顯示出了很大的優(yōu)越性．所以基于OTDR0FDR的分布式溫度光纖傳感器仍將是研究的熱點(diǎn)．尤其是基于OFDR的新的分布式光纖傳感器將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。土耳其Gunes Yilmaz研制出10km、溫度分辨率為1℃、空間分辨率為1．22m的分布式光纖溫度傳感器。在國內(nèi)，中國計(jì)量學(xué)院、重慶大學(xué)、浙江大學(xué)等單位根據(jù)應(yīng)用的需要．先后開展了分布式光纖溫度傳感器的研究。中國計(jì)量學(xué)院1997年研制了一種用于煤礦、隧道溫度自動(dòng)報(bào)警的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)光纖長為2km．測溫范圍為一50℃～150℃．測溫精度為2℃．溫度分辨率為O．1℃：2005年設(shè)計(jì)制造出31km遠(yuǎn)程分布式光纖溫度傳感器．測溫范圍0℃～100℃，溫度測量不確定度為2℃．溫度分辨率為0．1℃，測量時(shí)間為432s．空間分辨率為4m。 光纖光柵溫度傳感器光纖光柵溫度傳感技術(shù)主要研究Bmgg光纖傳感技術(shù)。根據(jù)Bragg光纖光柵反射波長會(huì)隨溫度的變化而產(chǎn)生”波長移位”的原理制成光纖光柵溫度傳感器。1978年．加拿大渥太華通信研究中心的K．O．HiU等人首先發(fā)現(xiàn)摻鍺石英光纖的光敏效應(yīng)．采用注入法制成世界上第一只光纖光柵(FBG)，1989年，Morev首次報(bào)導(dǎo)將其用于傳感。英國T．A1lsoD利用橢圓纖芯突變型光纖研制出溫度分辨率為O．9℃、曲率分辨率為0．05的長周期光纖光柵曲率溫度傳感器。意大利A．Iadicicco利用非均勻的稀疏布拉格光纖光柵fThFBGsl同時(shí)測量折射率和溫度．該傳感器的溫度分辨率為0．1℃．在折射率1．41．33附近的折射率分辨率分別為10s、104。中科院上海光機(jī)所利用光纖光柵的金屬槽封裝技術(shù)將光纖光柵溫度傳感器的靈敏度提高到O．02℃：哈爾濱工業(yè)大學(xué)把光纖光柵粘貼在金屬半管上．使其分辨率達(dá)到0．04℃：黑龍江大學(xué)光纖技術(shù)研究所提出了一種光纖光柵fFBGl的Ti合金片封裝工藝，使溫度靈敏度達(dá)到0．05℃。 光纖熒光溫度傳感器光纖熒光溫度傳感器是目前研究比較活躍的新型溫度傳感器。熒光測溫的工作機(jī)理是建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上。所謂光致發(fā)光是一種光發(fā)射現(xiàn)象．就是當(dāng)材料由于受紫外、可見光或紅外區(qū)的光激發(fā)．所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。出射的熒光參數(shù)與溫度有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系．通過檢測其熒光強(qiáng)度或熒光壽命來得到所需的溫度的。強(qiáng)度型熒光光纖傳感器受光纖的微彎曲、耦合、散射、背反射影響，造成強(qiáng)度擾動(dòng)，很難達(dá)到高精度：熒光壽命型傳感器可以避免上述缺點(diǎn)，因此是采用的主要模式．熒光壽命的測量是測溫系統(tǒng)的關(guān)鍵。美國密西西比州立大學(xué)用一種商用的環(huán)氧膠做溫度指示f含有多環(huán)芳烴化合物：PAHs)。PAHs在用紫外光激發(fā)時(shí)發(fā)熒光．熒光的強(qiáng)度隨環(huán)氧膠周圍溫度的升高而減?。搨鞲衅骺杀O(jiān)測20℃～100℃范圍內(nèi)的溫度。日本東洋大學(xué)根據(jù)Tb：Si0，和Tb：YAG的光致發(fā)光(PL)譜與溫度有關(guān)．將其制成光纖溫度傳感器。在300～1200K的溫度下．Tb：Si0，5 的PL峰值在540nm時(shí)的光強(qiáng)隨溫度的升高單調(diào)減?。甌b：YAG晶體的PL譜的形狀隨溫度變化。韓國漢城大學(xué)發(fā)現(xiàn)lOcm長的Ybn、E一雙摻雜光纖在915nm處．兩熒光強(qiáng)度的比值在20℃～300℃間與溫度成指數(shù)關(guān)系．這種雙摻雜系統(tǒng)對(duì)于測量苛刻環(huán)境的溫度非常有用。清華大學(xué)電子工程系利用半導(dǎo)體GaAs材料對(duì)光的吸收隨溫度變化的原理。研制出測溫范圍：O℃～150℃；分辨率：0．5℃的光纖溫度傳感器。燕山大學(xué)設(shè)計(jì)了一種利用熒光波分和時(shí)分多路傳輸技術(shù)．通過檢測紅寶石晶體的熒光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)溫度測量的系統(tǒng)．該系統(tǒng)的測溫范圍：30℃～160℃：分辨率：0．5℃。海南大學(xué)用激光加熱基座法生長出端部摻Cr的藍(lán)寶石熒光光纖傳感頭．該傳感器的測溫范圍：20℃～450℃：分辨率：1℃。中北大學(xué)用一種鍍有陶瓷薄膜的藍(lán)寶石光纖作為傳感器的瞬態(tài)高溫測試系統(tǒng)．該系統(tǒng)的測溫范圍：1200℃～2000℃。分辨率：1℃。 干涉型光纖溫度傳感器干涉型光纖溫度傳感器是一種相位調(diào)制型光纖傳感器。它是利用溫度改變Mach—Zehnder干涉儀、Fabry—Perot干涉儀、Sagnac干涉儀等一些干涉儀的干涉條紋來外界測量溫度。英國的Samer K．Abi Kaed Bev用長周期光纖光柵做成Mach—Zehnder干涉型光纖溫度傳感器．其溫度分辨率為O．7℃。燕山大學(xué)研制出基于白光干涉的Fabrv—Perot光纖溫度傳感器．其測溫范圍為一40℃～100℃．分辨率為0．01℃。哈爾濱工程大學(xué)研制出數(shù)字式Mach—Zehnder干涉型光纖傳感器．其測溫范圍為35cC～80℃，壓力、溫度、位移分辨率分別為0．03