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使用光纤进行温度测量第2部分原理

发布时间:2021年07月29日    点击:[8]人次

使用光纤进行温度测量,第2部分:原理

在多种感测温度的方法中,与光纤一起使用的先进光学原理的组合提供了非常不同的方法,不仅具有应用优势,而且具有实施局限性。

本文的第一部分讨论了感测物理参数(尤其是温度)和光纤中的全内反射的一般问题。本节将介绍两种将光纤和相关组件用于温度测量的方法中国机械网okmao.com。

基于光纤布拉格光栅的点传感

在这种FBG方法中,工作原理是以下事实的结果:温度会通过一个复杂但精确的公式影响布拉格波长(即峰值反射率的波长)。在该点传感器中,来自激光的光源耦合到光纤中,并撞击在GaAs等晶体上。该晶体充当温度敏感型截止滤光片(布拉格光栅),从而使晶体吸收某些光波长,同时透射其他波长。光谱的反射和透射部分之间的特征“边缘”称为过渡波长,与带隙能量直接相关,因此与绝对温度直接相关。等式将该能量定义为温度变化ΔT和应变ε的相关变化。

在一个完整的系统中,需要测量足以将电子从价态激发到半导体晶体的导带的光子能量。在反射模式下测量放置在未知温度介质中的GaAs传感器(或其他晶体)的光谱。该特征边缘的波长由光学“询问器”(光谱分析仪)分析以确定温度(图1)。

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图1:在FBG方法中,入射晶体充当温度敏感型截止滤波器,并且可以测量该截止跃迁波长。图片:Micronor LLC)

精心制作的基于FBG的传感器的温度分辨率在很大程度上取决于波长测量的精度,并且非常高,约为0.1 K或更高。注意,0.1 K分辨率需要约0.001纳米的波长分辨率。

使用基于FBG的传感器技术,还可以制造温度传感器,该传感器可以使用长光纤中的多个光栅提供分布式读数。单个询问器与光复用一起使用,以寻址所有不同的光栅。这种多路复用可以通过按时间顺序排列的信号或通过使用各自具有不同布拉格波长的光栅来实现。在后一种情况下,通过以波分复用(WDM)的形式将询问激光调谐到该光栅的唯一波长来“寻址”每个光栅。

还有另一种实现FBG的方法,而不是使用分立的GaAs晶体。反射和透射特定波长的光的一小段光纤可用于所谓的分布式光纤布拉格光栅。为了构造这种分布式光栅,需要在光纤纤芯的折射率上产生周期性变化(图2)(确切地说,如何在光纤内创建光纤折射率是一个非常复杂的故事)。反过来,这种结构产生特定波长的介电镜,以充当可以阻挡或反射特定波长的滤光器。光纤温度的变化会引起尺寸的变化,进而导致滤光片通过或反射的波长发生变化。

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图2:可以制造出具有光纤纤芯折射率周期性变化的分布式光栅,以产生特定波长的介电镜,用作光学滤波器。图片:维基百科)

马赫曾德尔干涉仪(MZI)

这种传感方法使用了众所周知的,经过时间考验的干涉测量原理,但规模较小。在干涉仪中,单个光束(可以是光学的也可以是无线电的)被分束器(半镀银镜)分成两个相等的部分。一部分被称为传感光束,它通过传感器或某个因某种外力而减慢其速度(导致相移)的元件发送,而另一部分是参考光束,并且不受阻碍地传播。

然后将这两个波形重新组合,并且间接路径中的任何变化都可以看作是干涉条纹,这是由于相消或相长干涉(因此称为“干涉仪”)引起的。这些条纹的位置和间距表征了沿非直接路径相对于直接路径的变化,并且条纹的运动是变化发生时的动态指示。同样,与惠斯登电桥一样,两条路径所经历的任何变化都会相互抵消,并且不会在观察到的测量结果中引起误差。

在1880年代的经典Michaelson-Morley实验中,在直径为几米的平台上使用了干涉测量法,这证明了不存在发光醚(“发光醚”是一种具有矛盾性质的神秘介质,假定该介质会渗透到所有其他介质中)。光波穿过的空白空间)。证明尽管存在广泛的猜想,但以太不存在,这是导致爱因斯坦信奉狭义相对论和激进假设的原因之一,即无论运动如何,光速都是恒定的,尽管人们普遍猜测必须存在这样一种介质其来源。

长达数千英里的长基线干涉测量法在光学和射电天文学中得到了广泛使用,并且是激光干涉仪引力波天文台(LIGO)实验的关键,该实验证明了早已存在的引力波的存在,该实验于2016年宣布。适用于RF和光波,因为它们都表示电磁能,并受Maxwell方程控制。)

但是,干涉测量法不限于这些较大的尺寸。它也正在“微型”规模上实现,以使用各种光纤及其组合进行温度感测。根据设计的不同,分束光束可以穿过两条不同的光纤(图3),也可以沿着同一多模光纤中的两条路径传播。

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图3:马赫曾德尔干涉仪将入射光束分成参考路径和传感路径,然后将它们重新组合并查看干涉条纹效应。图片:RF Wireless World)

在后一种方法的一个实验实现中,MZI使用阶跃折射率多模光纤(MMF),并且传感头被包装在填充有甘油水溶液的毛细管中(图4)。MZI是通过将一小段MMF融合拼接在另外两个横向偏移较大的MMF之间而构建的。

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图4:可以使用单模和阶跃折射率多模光纤构建MZI,并在对温度敏感的非参考光路中使用较小的感应区。图片:Research Gate)

在操作中,来自宽带光源(BBS)的光在引入的单模光纤(SMF)中发射,然后由引入的多模光纤(MMF)分成两束。一束光束沿传感MMF的包层传播,另一束光束沿传感MMF周围的介质传播。然后,这两个光束通过引出MMF耦合到引出SMF中,从而形成马赫曾德尔干涉仪。

干涉仪的透射光谱由光谱分析仪(OSA)收集。如果在传感头上施加温度变化,则光纤的二氧化硅和空腔的折射率都会由于热光效应而发生变化,从而导致沿路径的相移以及光程差(OPD)两个干涉光束之间的相位差主要是由于MMF部分的偏移。

使用MZI方法进行传感似乎很复杂,而且确实如此。然而,光纤,光纤类型,这些光纤的拼接,宽带光源,甚至是光谱分析仪(其中一些现在可以在铌酸锂基板上制造)的进步正在提高其生存能力。

本文的最后一部分介绍了使用高级光学原理和光纤的其他温度传感方法,以及基于光学的温度传感的优缺点。