谈光纤光栅、超声技术测温原理.pdfVIP

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一般工业技术

3晓春等:谈竞纤光栅、超声技术 温原理 谈光纤光栅、超声技术测温原理 TalkaboutFiberGrating,UltrasonicTechnology TemperatureM easuringPrinciple 马晓春 梁 芳 (新疆计量测试研究院,新疆 乌鲁木齐 830011) 摘 要:介绍了光纤光栅和超声波温度传感器的工作原理和研究现状,综述了光纤光栅和超声波温度传感器的发展状况和应用,并举例说明其测量方 法的优势。 关键词 :温度 ;测量 ;光纤光栅 ;超声 1 光纤光栅温度传感器 2另外,光纤光栅很容易埋人材料中对其 内部的应变和 光纤光栅是利用掺杂光纤(如掺锗、掺磷等)的光敏 温度进行高分辨率和大范围地测量,光纤光栅传感器被 特性,使光纤折射率沿轴向周期或非周期变化。光纤光 认为是实现 光“纤灵巧结构”的理想器件。 栅的作用可等效为纤芯内形成一个窄带的(透射或反射) 耦合器 FBGIFBG2…… FB 滤光器或发射镜 。光纤光栅种类很多,折射率沿轴 向周 期均匀变化的光栅称为光纤布拉格光栅(FBG)。图 1表 示 FBG传感器原理 。 图2 分布式 FBG温度传感器原理 2 超声温度传感器 牛顿在 300年前就从理论上推导出了声速和温度之 间的关系,120年以前,当时著名的声学专家 Mayer就测 量出了1000K以上高温气体中的声速,并发现了声速与 介质温度的平方根成正比。现在要求越来越多的测量材 入射光谱 反射光谱 出射光谱 料制造在高温过程的温度,例如,在铸件或成型工艺对金 图 1 FBG原理示意圈 属和聚合物内部温度分布的监控有着强烈的要求,实际 反射光波波长与栅距 以的关系式如下: 上某一位置内部温度可以在生产过程中有效地进行质量 :2n 控制。超声波,能灵敏的探测到材料 内部的温度,现在有 式中:。为光栅的等效折射率。当温度被测量作用 很多的工作需要测量材料内部的温度,超声波的优势在 于光栅时,则引起 A或neff变化,从而调制反射光波波 于可以为大家提供一种非侵入性的测量方法,一种温度 长。同时,由于热膨胀也引起栅距的变化,不考虑波导效 测量速度比热电偶更快的技术。 应,光纤光栅具有以下温度响应特性如下式。 如果声波发射装置和接收装置之间的距离是 己知 的,又通过某种测量方法,测量出声波由发射端到接收端 : (。+ ).△ ^ 的飞行时间,则利用声波的传播速度与气体介质温度之 其 中:口一光 纤 的热 膨胀 系数 ,一 般 为 0.55× 间的关系,可以将声波飞行路径上的平均温度表示为声 10 /℃;一光纤光栅 的热光系数,常温下约 6.3× 波飞行时间的函数,声波的传播速度与绝对温度之间有 10 /℃,△卜温度变化 .所以,光纤光栅波长的变化与 如下关系: 环境温度的变化呈线性变化关系。

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