光纤温度传感器的研究.docx

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1、光纤温度传感器的探讨毕业生：现正娜指导老师：王兆民孟瑜摘要：光纤温度传感器是20世纪70年头发展起来的一种新型传感蹲，与传统的温度传感器相比，它具有灵敏度高、体积小、版量:轻、易弯曲、抗电磁干扰等优点：特殊适用手易爆、易燃、腐蚀性强等苛刻环境下的温度检测,，因此，光纤温度传感器得到快速发展。本文依据双光束干涉原理,自行构成了个干涉型光纤温度传感器,视察干涉图样，对其进行忒验探讨，阐述了它的原理，成验步骤，将得到的数据进行r分析处理，验证了本试验测量温度的可行性，并对试验装置进行了改造。关健词：光导纤维光纤温度传感器干涉原理干涉型光纤温度传感器Abstract：Optica1.fibertemp

2、eraturesensorisanewdeve1.opedtypeofsensorinthe70softheTwentiethCcnturj,.ComparedWiIh1.hcIniditiona1.temperaturesensors,itownsa1.otofadvantages,SUChashighersensitivity,sma1.1.ervo1.ume,s1.ightermess，easiertobendandstrongercapacityofShie1.dingthee1.ectro-magneticinterference.Particu1.ar1.y,itcanbeapp1

3、.iedtodetecthetemperatureoftheexp1.osive?t1.annab1.eandcorrosivemattersinharshenvironment.Therefore,optica1.fibersensordeve1.opedrapid1.yinrecentyears.Thispaperbasesontheinterferenceprincip1.e,itconstructainterferenceoptica1.fibertemperaturesensor.Observingtheinterferencefringe,ana1.yzingtheexperime

4、ntresu1.t,detai1.ingitsprincip1.eandexperimentsteps,thenICange1.somedata1.odea1.withtheda1.a.hedatacopesthetheoryPerfeeUy.t1.ast,1proposesomeadvicestoimprovethisexperinen.Keyword：Optica1.fiberOptica1.fibertemperaturesensorInterferenceprincip1.einterferenceoptica1.fibertemperaturesensor.1.引言温度是度量物理冷热

5、程度的物理量，很多物理现缭和化学现象都是在肯定的温度卜进行的，温度是作为衡量客观物质世界运动及其存在状态的一个重要物理量，温度信息的费得，可以使人们能够更好地驾驭客观世界的内在规律.随着科学技术的发展，各个领域对测温元件的性能和效率提出了越来越商的要求，特殊是工业、医学、电力等领域，在有强电磁干扰或易燃易爆的场合卜.，传统温度传感器便受到很大的限制。光纤传感器是上世纪70年头中期发展起来的种新型的传感胧，是光纤和光纤通信技术发槌的产物。由于光纤具有体枳小、量轻、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、灵坡度高等特点，能完成传统的传感器很难完成或者不能完成的任务。光纤传感技术用于温度测量，除了具有以上特点

6、外，与传统的温度测量仪器相比，还具有响应快、频带宽、防爆、抗电磁干扰等优点，因此，光纤温度传感器是光纤传感器发展的一个重要分支。光纤温度传感器按被测信号转换机理的不同分为两类：1 .利用利用光纤的各种特性（位相、波长、强度等）陆温度的特点进行温度测定.它具有传感合一的特点，信息的获得和传输都在光纤之中，属于功能型光纤温度传感器。2 .运用其他物理性质的敏感元件来对待待测对象的调制功能，光纤只作为信号的传输通道，来避开测温区域的困难环境，属于传输型光纤温度传感器。干涉型光纤温度传感器属于相位调制式功能型光纤温度传感器,它是利用两束光产生相位差并导致干涉现象来测量温度，主要应用于精密测温的领域“而

7、干涉型光纤温度传感器以全光纤、灵敏度高、能实现多路传感以及传感量大等优点，在光纤温度传感器中占有非常重要的地位。2.干涉型光纤温度传感器2.1 干涉型光纤温度传感器的基本原理在光纤中传播的光的相位由以卜3个因素确定：光纤波导的物理长度；光纤折射率及其分布：光纤波导的横向几何尺寸。温度能干脆变更上述三个因素的参数,产生相位变更。光纤长1.,对波长入的光波以光纤入口平面为基准测得的相位为(3.1),2111.2m,1.,=丁=J-=K/1.1)式中Xo为我空中的光波长：1.为光纤的长度：n为光纤芯的折射率；k”为光在真空中的波长：假设折射率分布随温度变更保持恒定，那么光纤中的相位随温度变更则表示为

8、：(3.2)式中，A4为光纤长度变更产生的相位变更，称为应变效应：A认为光纤折射率变更产生的相位变更,称为光弹效应：A机为光纤波导横向几何尺寸变更产生的相位变更,称为泊松效应。长度变更M时间相位变更量为：(3.3)(3.4)(3.5).=y1.折射率变更AH时间相位变更量为：a,211,aA痣=-1.ji光纤波导横向几何尺寸变更M时间相位变更盘为:2冠.j=-；泊松效应引起的光纤直径变更所产生波导传播常数的变更很小，所以可以忽视不计。因此相位变更为：式中，为光纤线膨胀系数：段为光纤折射率随温度变更的系数：由（3.6）式看出，温度的变更引起相位的变更，通过仪耦测出相位的变更就可以测出温度。2.2

9、马赫-泽德尔光纤温度传感器下图即为马赫-泽想尔光纤温度传感器的装置图，它由氢玩激光器、扩束器、分束裾、显微物镜、两根长度相同的单模光纤、光电探测器等组成,由激光器发出的光经过扩束器后再经过分束涔，分成两束光，一根为参考光，一根为测量光，一般参考博放在恒温箱中，光程保持不变，而测量将在温度的作用下，折射率和长度都发生变更,产生相位差，形成干涉。变更两者的相位差，条纹就会发生移动。相位变更一个2乃，条线就会移动一条。通过干涉条纹移动的数目就可以算出温度的变更。分束器图3-1M-Z光纤海度传感器结构图M-Z光纤温度传感器有优点也有缺点，其优点是抗干扰实力强，灵敏度商，电绝缘性好，不产生.火花等：其缺

10、点是：安装比较繁琐，光纤用的比较多，参考臂和测量将很难安装在起，环境的影响也比较大网。3.光纤温度传感器的试验3.1 试酷结构图本试验所用的仪器有:GY-Io型He-Ne激光器1套（波长为632.8nm）、聚焦透镜、五维微调架、6328nm单模光纤、分束器等。它们各自的作用是：He-Ne激光器供应相干光源：聚集透镜对激光输出的光进行聚焦，以提高光纤的耦介效率：五维微调架用于调整激光与光纤的耦合：单模光纤用来传输光的；分束器把激光分为两束，一束为参考光，另一束为测量光，测量光经过温控箱，感受温度的变更：视察屏巴于两束光的干涉场内，接收干涉条纹。试验原理图如图4T：温控箱光纤梏合架光纤部合端面参考

11、胃图象显示D图41温度传感试验原理图3.2 试鞋原理本试验中传感量是温度，温度变更了光波的位相，通过对位相的测量来实现对温度的测量。试验中用到的干涉仪为马赫-泽德尔干涉仪(M-Z)。如图4.1所示，两个光纤中一根为参考臂，干涉仪工作时，住IHe-Ne激光器发出的激光经过分束器分别输入两根长度基本相同的单模光纤，参考光纤置于温控箱中，它在测温过程中的光程始终保持不变，把参考光纤和测量管光纤输出端合在一起，两束光就会产生干涉，从而出现干涉条纹,当测量将光纤受到温度场的作用后，长度和折射率发生变更，其相位变更公式为：可知，温度的变更主要取决于寡项，干涉条蚊的移动数量反映出被测温度的变更。3.3 试验

12、步充与现象3.3.1 试验步胰(1)开启激光器电源，在屏上应观测到干涉条纹，这表明试验装置已经能正常工作了。(2)打开温度限制开关,表盘上显示的是当前温度，由室温起先，每上升IC,测量一次干涉条纹的移动数。(3)将测量值绘制出温度-干涉条纹移动数曲线。留意事项学校试验室的仪潘中，放置干涉仪的铁盒子己经打开，并且运用了一段时间，所以在做试验之前将铁盒子里的光纤输出端以及光纤输入端处理一下再做试验，否则很难形成干涉条纹。图42试验所用的仪器试舱现象谢整五维微调架，使激光较好的耦合进光纤，直至视察到较清晰的干涉条纹。干涉条纹如图4.3所示，打开温控箱开关，过一会儿，发觉视察屏上的条纹发生移动.当温度

13、上升时，条纹向外目出：当温度降低时，条纹向相反的方向移动。我们可以通过温度显示面板看到光纤受热处的温度，对于干涉条纹,要尽量的清晰.明暗显明，才能较为清晰的观测到条纹的移动个数.图4-3干涉条纹3.4 实现数据及处理在本次试睑中我们以室温为基准，每隔记录一次条纹的移动次数。测了三组成验数据分别如下表44所示：4-1a)温度变更与条蚊移动与目阻度()18.619.620.621.622.623.624.725.626.727.728.6条纹移动*O13202836435056636973表4-2(b)温度变更与条纹移动数目湖Itr)17.418.419.520.421.422.623.524.4

14、25.426.427.5条仪格动数014233037455157636975表4317.918.919.920.921.922.923.924.825.826.927.9条条移动效014223037445157637075运用绘图软件Origin&画出它们的曲线图.拟合完后的温度-条纹移动个数曲线图如下图44所示：C)图4,温度-条纹移动个数曲线图3.5 试验分析及改进3.5.1 试验分析由图44可知，温度-条纹移动个数曲线基本成线性关系。在测量温度的时候只要测出干涉条纹移动的个数就能精确的计算出温度的变更培，再依据初始温度，就能算出要测的温度了。3.5.2 对试验的改进在这次试验中印象最深的

15、就是最终数条纹阶段,测/三组数据，看移动的条纹很是费劲,很疲惫,很简单产生错误。因此为了克服这个缺点，我们可以在干涉场中放置个光电探测器，每移过个亮纹，光电探测器就产生一个电脉冲,用该电脉冲进行白动计数，这样既便利又精确.4.结论本文首先介绍了光纤温度传感器与传统的温度传感器相比，它的优点和分类，其次介绍了干涉型光纤温度传感器的原理及其中最典型的M-Z光纤温度传感器的原理，最终阐述了在试验室所做的光纤温度传感落的试验。本试验所用的光纤温度传感器是在M-Z干涉的原理上设计成，在此基咄上进行试5佥探讨，测出/湿度-条纹移动个数曲线图，试验采纳的是透镜耦合的方法，通过调整五维微调架来谢整光线的位置和加度，可以提高激光的耦合效率。对于这套仪器来说,它的干涉装置是放在固定的铁盒子里的，可以避开外界干扰，提高测量的精确度。但当盒子被打开，长时间运用后，我们需将