基于膨胀法的新型光纤测温仪设计

　　1　引　言

　　光纤传感测温的方法很多,如采用半导体材料GaAs,随温度变化,输出光波长漂移,利用光纤测量接收光强发生的变化,从而进行温度测量,但这种 方法测量温度范围较小,大约在180℃以下。又如利用光纤光栅测温,造价十分昂贵。其他方法或是较繁,或是设备体积较大,或是造价太高。

　　在大型电力设备中,由于开关多次会导致损耗,从而引起结点温度过高,甚至会由此导致设备故障,所以要采用体积小、不带电、不受电磁干扰的测温仪 测开关结点的温度,但至今还没有适用的方法。而我们这种测温方法能较好的对开关结点温度进行测量,大大延长设备可靠工作时间。这种方法目前在国内外文献中 尚未见报导。

　　2　原　理

　　(1)工作物质在温度变化时长度随之发生微小变化,长度变化和温度变化关系为

　　式中K为工作物质的膨胀系数;L为工作物质的长度;ΔT为环境温度的变化;ΔL为工作物质的长度变化。

　　由上式可以看出:工作物质的长度变化与温度变化、膨胀系数及长度成正比关系。可知,第一,当温度变化时,工作物质长度发生相应变化,因此我们有 可能通过测量位移来获取温度;第二,由于工作物质长度有一定限制,不可能取得过长,然而ΔL与工作物质长度成正比,故这个长度变化非常微小,因此我们应选 取膨胀系数较大的材料,使得在相同温度变化下微位移尽可能大。

　　尝试采用聚四氟乙烯及铝作为工作材料,于是对比金属铝(Al)和聚四氟乙烯随温度变化产生的长度微变化,如表1所示,膨胀系数Al:K=0.000024,聚四氟乙烯:K=0.001;取L=15mm。

　　可以看出,聚四氟乙烯的热膨胀系数比较大,温度变化较小时其长度发生较大变化,从而探测器接受到的电流变化也将比较大。而且和铝相比,它是一种非金属材料,更适用于一些有特殊要求的场合。

　　所以,我们选取的聚四氟乙烯是这样一种材料:膨胀系数大,耐高温性能好,高达300℃以上,不导电且呈固态。

　　(2)光纤探头

　　如图1所示光纤测微位移探头原理图,两束传光光纤束组成Y型结构,即两束光纤束的合并端作为光纤探头,两束光纤束分别作为发射光纤束和接收光纤 束。光源发出的光通过发射光纤束照明被测工作物质表面,接收光纤束将反射光传到光电探测器上。被测物体表面距光纤探头的距离决定了输出光强的强弱。因此, 通过对输出光强的检测可以获得目标的位移量,这就建立了温度和输出的联系。

　　如上所述,温度变化引起工作物质长度变化,从而引起探头与工作物质表面间距离微变化,最终使得探测电流发生变化。于是我们进行了探测电流(I)随光纤探头与工作物质表面之间距离变化(Δd)的试验来寻找它们之间的关系。