波分补偿型光纤温度传感器

　　温度的测量和控制在许多过程中至关重要[1].但在强电磁场和高压系统中,传统的电测技术如热电偶等由于具有电磁噪声和产生短路引起爆炸等危险而无法使用;国内外公认的在微波治疗肿瘤时,肿瘤区的温度在42.5~43℃之间的疗效最好[2,3],因此要严格控温.而一般金属和半导体测控温度达不到要求,另外用金属和半导体材料制成的温度传感器的传感元件和所必须的金属丝在微波场中会破坏电磁场的功率分布,可能会造成错误的测量结果以及非均匀的温度分布,导致组织中的热灶.

　　光纤传感器具有径细、柔软、无毒性、无化学和生物污染、与生物体兼容,不会干扰生物机体正常活动,及工作时无电流、电绝缘性能好、抗电磁干扰、体积小、重量轻,特别适用于生物医学中对生物体的直接检测以及强电磁场、高电压和有毒有害、易燃易爆等恶劣环境下使用.本文提出一种基于二向性波分原理的信号处理技术[4],研究用无机材料(钴盐的醇溶液)作为传感器探头的温度传感系统,波分技术分别得到信号光和参考光,从原理上消除了光源功率的波动、光纤传输损耗的变化、光纤耦合器耦合比的变化以及光电转换效率的漂移等因素对于测量结果的不利影响.用无机材料作为传感探头,消除了电磁场等外界因素造成的干扰,使传感器系统具有较好的测量精度和稳定性.该传感器系统特别适用于生物医学和电力工业等方面.

　　1　CoCl₂·6H₂O的热致变色效应

　　研究了一些无机盐的温度特性,与其它无机盐相比,CoCl₂·6H₂O的光吸收作用和温度变色效应最为明显,而且完全可逆,符合作为温度传感器的条件.实验发现,CoCl₂·6H₂O的水溶液呈红色,在醇溶液中为蓝色,如果溶剂是水和乙醇的混合物,则CoCl₂·6H₂O溶液的颜色视水和乙醇的比例而定,在红色与蓝色之间变化,而水和乙醇的比例对这种溶液的温度特性影响很大,图1为不同配比、不同温度下的CoCl₂·6H₂O溶液的吸收谱线.

　　从吸收谱线可知,适当配比下的

　　从吸收谱线可知,适当配比下的CoCl2·6H2O溶液在667 nm有附近形成一个强带,而在500 nm附近有一个弱带,第一带的位置与四面包围Co(II)离子的晶体相同,第二带的位置与八面包围Co(II)离子的晶体的频谱一致,因此可以理解为溶液中的Co(II)离子主要产生四面类和八面类两种不同的溶解层,而溶液的温度特性是因为存在如下的平衡:

　　[Co(OHR)n(H2O)6-n]2++ROH [Co(OHR)n+1(H2O)5-n]2++H2O其中ROH表示乙醇,n取0,1,2,3,4,5,6,随温度不同n取不同的值,溶液呈现不同的颜色.温度升高时,平衡向右移动,最后成为蓝色的[Co(OHR)6]2+络合离子;温度降低时,平衡向左移动,最后成为红色的[Co(H2O)6]2+络合离子.