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光纤温度传感器的特点和应用

光纤温度传感器的特点和应用

光纤温度传感器测温系统以其具有抗电磁干扰、防燃、防爆、本征安全,尺寸小、对被测温度场影响小等优点,在军工装备、电力工业、机械工业、汽车工业、钢铁工业、石油化工、食品饲料等领域有着巨大的应用潜力。目前的光纤温度传感器种类很多,主要有光纤光栅温度传感器、光纤FabryPerot干涉式温度传感器、光纤荧光温度传感器分布式光纤温度传感器等。以上这些光纤温度传感器因其良好的传感性能取得了较广泛的应用光纤温度传感器,其中福州华光天锐的荧光光纤温度传感器具有结构简单,灵敏度高,灵敏度与测量范围可定制等优点。

荧光光纤温度传感器

温度传感器的分类

温度这一物理量与科学研究、生产生活以及各项生理过程密切相关。目前用于温度测量的手段和仪器有很多,根据测量原理的不同,测量温度的传感器(测温仪)主要可分为以下三类:
(1)传统的封装液体型温度传感器,其原理是液体热胀冷缩的性质;
(2)利用塞贝克效应的热电偶型温度传感器;
(3)光学温度传感器。

而液体型温度传感器、热电偶测温传感器存在一些缺点,如在一些苛刻或腐蚀性的环境中很难应用。在真空或是无氧等苛刻环境中,一方面是因为人为难以在这些环境中操作,另一方面是因为传统的温度传感器难以和在这些苛刻环境中的被测样品发生充分的接触和热量交换,因此难以得到应用。而在强酸或强碱的腐蚀性环境中,由于常用的热电偶温度传感器会在相关环境中被腐蚀,导致损坏,使其读数不够准确。
此外,这类接触式的温度计需要样品和传感器之间具有较高的热交换速率,从而能够快速达到平衡,但在一些微小样品测试中特别是当被测样品的体积小于热电偶的探头时,温度测量结果的准确性就会受到影响。

由于光可以在多种介质中自由传播,因此利用光学信号的荧光温度传感器具有传统温度传感器所不具备的特点,包括响应快速,空间分辨率高等,这使其在对活细胞及活体的生物分析、空气动力学研究、光电功能体系研究及食品货物的包装涂层的温度监测等领域得到了越来越广泛的应用,尤其是当体系的空间分辨率位于毫米甚至微米级别时,例如微流体或细胞等,此时传统温度传感器将很难进行测量,而基于荧光技术的荧光温度传感器正是突破这一瓶颈的有效手段。

事实上 ,几乎所有荧光分子和材料都具有温度响应的发光性质,这是由于Boltzmann分布和材料的能级结构是温度的函数决定的。荧光分子周围环境温度的改变会影响荧光分子的荧光强度、荧光寿命以及荧光光谱特征峰的形状和位置。这些性质使得荧光材料能够成为潜在的光学温度传感器的敏感材料。荧光传感器的设计通常就是基于荧光材料明显的温度敏感性质。另一方面,大部分荧光温度传感器利用的是紫外-可见光波段的光激发样品,所采用的材料在激发后发出的光大部分位于可见光波长波段,但紫外光对生物组织的损伤较大及紫外-可见光对于生物组织的穿透性较差,这都极大地限制了这类传感器在生物体系分析中的应用。因此,发展一种近红外波段发光的荧光温度传感器及材料就显得尤为重要。

光纤传感技术测温原理

基于稀土荧光物质的材料特性,某些稀土荧光物质受紫外线照射并激发后,在可见光谱中发射线状光谱,即荧及其余辉( 余辉为激励停止后的发光)。荧光余辉的衰变时间常数是温度的单值函数,通常温度越高,时间常数越小。只要测得时间常数的值,就可以计算出温度。应用这种方法测温的最大优点,就是被测温度只取决于荧光材料的时间常数,而与系统的其他变量无关,例如光源强度的变化、传输效率、耦合程度的变化等都不影响测量结果,较光强测温法和波长解调法原理上有明显优势。

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