使用光纤进行温度测量，第2部分：原则

在识别温度的许多方法中，光纤使用的先进光学原理的组合提供了非常不同的方法，具有应用优势，但也是实现限制。

这本文的第一部分讨论了物理参数，尤其温度和光纤中全内反射的传感的一般问题。本节将透视两种方式，其中光纤和相关部件可用于温度测量。

基于光纤布拉格光栅的点传感

在这种FBG方法中，操作原理是温度影响布拉格波长的事实的结果 - 通过复杂但精确的等式的峰值反射率的波长。在该点传感器中，来自激光的光源耦合到光纤中并撞击诸如GaAs的晶体上。该晶体充当温度敏感的截止滤光器（布拉格光栅），由此晶体在透射其他波长时吸收一些光波长。光谱的反射和透射部分之间的该特征“边缘”称为过渡波长，并且与带隙能量直接相关，从而直接相关。等式将这种能量定义为相关变化温度变化δT.和菌株ε。

在完整的系统中，需要足以激发电子从贵的光子的光子能量到半导体晶体的传导的测量。在反射模式下测量放置在未知温度的介质中的GaAs传感器（或其他晶体）的光谱。通过光学“询问者”（光谱分析仪）分析该特征边缘的波长以确定温度（图1）。

图1：在FBG方法中，入射晶体用作温度敏感的截止滤波器，并且可以测量该切断过渡波长。（图像：micronor llc.）

仔细制造的基于FBG的传感器的温度分辨率在很大程度上是波长测量精度的函数，并且大约为0.1k或更好的量级。注意，0.1K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，还可以制备温度传感器，该温度传感器可以在长光纤中使用多个光栅提供分布式读数。单个询问器与光学多路复用一起使用以解决所有不同的光栅。可以使用时间顺序信号或通过使用具有不同布拉格波长的每个光栅来完成该多路复用。在后一种情况下，通过将询问激光调谐到光栅的独特波长（WDM）的形式，通过将询问激光调谐到独特的波长的唯一波长“寻址”。

有另一种方法来实现FBG而不是使用离散的GaAs晶体。可以使用反射和传输特定波长光的光纤的短段可以在所谓的分布式光纤布拉格光栅中使用。为了构建该分布式光栅，创建了纤维核的折射率的周期性变化（数字2）（究竟是如何在光纤中创建的是一个非常复杂的故事）。该结构又产生波长特定的电介质镜以充当可阻挡或反射特定波长的光学滤波器。然后纤维温度的变化，然后引起尺寸的变化，从而引起滤波器通过或反射的波长。

图2：可以用纤维芯的折射率的周期性变化来制造分布式光栅，以产生充当光学过滤器的波长特有的介电镜。（图像：维基百科）

Mach-Zehnder干涉仪（MZI）

这种感测方法使用了众所周知的干涉测量法的众所周知的时间测试原理，但是在小规模上。在干涉仪中，通过分束器（半银镜子）将单个波形（可以是光学或无线电）分成两个相等的部分。一种部件，称为感测光束，通过传感器或一些元件发送，该元件使其减速（导致相移）由于一些外力，而另一个是参考光束并且行程畅通无阻。

然后重新组合两个波形，并且间接路径的任何变化都可以作为干扰条纹可见，这是由于破坏性或建设性的干扰 - 因此术语“干涉仪”。这些边缘的位置和间隔表征沿着非直接路径的变化与直接路径相比，并且流量的移动动态指示器发生在它们发生时。同样，与惠斯通电桥一样，两个路径都会互相取消的任何变化，并且不会导致观察到的测量中的错误。

干涉测量在1880年代的经典Michaelson-Morley实验中使用的平台上使用了几米，证明了发光乙醚的不存在（“发光乙醚”是一种矛盾的介质，否则否则被推测渗透空的空间通过它的光波旅行）。展示这种以太特不存在，尽管必须存在这样的媒介，但必须具有这样的媒介，是引领爱因斯坦与他特殊相对论的理论的因素之一，以及他的激进假设，无论运动如何，光速都是恒定的。它的来源。

超过数千英里的长基线干涉测量广泛用于光学和射频天文学，是激光干涉仪重力波观测所（Ligo）实验的关键，这表明2016年宣布的长寻求重力波的存在。（干涉测量applies to RF and optical waves as both represent electromagnetic energy and are governed by Maxwell’s equations.)

但干涉测量不限于这些较大的尺寸;它还在使用各种光纤和组合的温度感测的“微”规模上实现。根据设计，分体梁可以穿过两个不同的纤维（图3）或沿同一多模光纤中的两个路径。

图3：Mach-Zehnder干涉仪将入射光束分成参考路径和传感路径，然后重新组合它们并查看干扰铰接效果。（图像：射频无线世界）

在后一种方法的一个实验实施中，MZI使用步进指数多模纤维（MMF），并且传感头部封装在毛细管中，该毛细管填充有甘油 - 水溶液（图4）。通过融合 - 在具有大横向偏移的两块MMF之间的短片MMF的熔接来构建MZI。

图4：可以使用单模和阶梯式索引多模纤维构建MZI，具有用于温度敏感的非参考光路的小传感区域。（图像：研究门）

在操作中，来自宽带光源（BBS）的光在引线单模光纤（SMF）中发射，然后通过引线多模光纤（MMF）分成两个光束。一个光束沿着感测MMF的包层行进，另一个梁通过围绕感测MMF传播通过介质。然后通过引线MMF将两个光束循环进入引出SMF，形成Mach-Zehnder干涉仪。

通过光谱分析仪（OSA）收集干涉仪的透射谱。If a temperature variation is applied on the sensing head, the indices of refraction of both of the fiber’s silica and the cavity will change due to the thermo-optic effect, causing a phase shift along the path, with the optical path difference (OPD) between the two interference beams mainly due to the shift in the MMF part.

使用MZI方法感应可能看起来很复杂，而且它是。然而，光纤，光纤类型，这些光纤的类型，这些纤维的剪接，宽带光源和甚至光谱分析仪（现在可以在锂铌酸锂基质上制造）的进程正在增加其活力。

本文的最后一部分地看出使用先进的光学原理和光纤的其他温度传感方法，以及光学温度传感的优点和缺点。

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