光纤温度传感器 毕业论文（共7篇）
光纤温度传感器 毕业论文 篇1
摘 要
本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较了不同方法的温度测量范围和性能指标以及各自的优缺点。通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点，详细介绍了光纤温度传感器的原理，种类和各自的特点和优缺点。可以根据这些传感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域，本文也简要分析了各种光纤温度传感器的运用范围和领域。
本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构，工作电气原理和基本的热力学过程。
本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。
关键词：光纤，光纤传感器，光纤温度传感器，运用领域，空调器，空调器原理
Abstract 引言：
光纤温度传感器是一种新型的温度传感器．它具有抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点，其中几种主要的光纤温度传感器：分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。
在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理，特点和应用范围。论文要求：
（1）详细分析国内外主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较不同方法的温度测量范围和性能指标。
（2）掌握空调器的工作电气原理和基本的热力学过程。毕业论文综述：
70年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。1977年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。从70年代中期到80年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。从目前的情况看，己有一些形成产品投入市场，但大量的是处在实验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境 下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤 遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。
目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工作开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是:光纤传感系统;现代数字光纤控制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控;民用研究计划。以上计划仅在1983年就投资12-14亿美元。美国从事光纤传感器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等28个主要单位。美国光纤传感器开始研制最早，投资最大，己有许多成果申请了专利。
英国政府特别是贸易工业部十分重视光纤传感器技术，早在1982年有该部为首成立了英国光纤传感器合作协会，到1985年为止，共有26个成员，其中包括中央电器研究所、Delta控制公司、帝国化学工业公司、英国煤气公司、1 Taylor仪器公司、标准电信研究所及几所主要大学。
德国的光纤陀螺的研究规模和水平仅次与美国居世界第二位，西门子公司在1980年就制成了高压光纤电流互感器的实验样机。
日本制定了1979-1986年“光应用计划控制系统”的七年规划，投资达70亿美金。有松下、三菱、东京大学等24家著名的公司和大学从事光纤传感器研究。从1980年7月到1983年6月，申请光纤传感器的专利464件，涉及11个领域。主要应用于大型工厂，以解决强电磁千扰和易燃、易爆等恶劣环境中信息测量、传输和生产全过程的控制问题。
我国光纤传感器的研究工作于80年代初开始，在“七五”规划中提出15 项光纤传感器项目，其中有光纤放射线探测仪、光纤温度传感器及温度测量系统、光纤陀螺、光纤磁场传感器、光纤电流、电压传感器、医用光纤传感器、分析用 传感器、集成光学传感器等。预计“七五”期间的研制成果可达到美、日等国 80年代初、中期水平。
半导体吸收型光纤温度传感器基本上是80年代兴起的，其中以日本的研究最为广泛。在1981年，Kazuo Kyuma等四人在日本三菱电机中心实验室，首次研制成功采用GaA、和Care半导体材料的吸收型光纤温度传感器。由于人们对半导体材料认识的不断深入，以及半导体制造和加工工艺水平的不断提高，使人们对采用半导体材料来制作各种传感器的前景十分看好。在90年代前后，出现了研究以硅材料作为温度敏感材料的光纤温度传感器。在1988年，Roorkee 大学R.P.Agarwal等人，采用CIrD(化学气象淀积)技术，在光纤端面上淀积多 晶硅薄膜，试制了硅吸收型光纤温度传感器。同年，Isko Kajanto等人采用SOI结构，以光纤反射的方式，制作了单晶硅吸收型温度传感器。目前，以GaAs 和CdTe直接带隙半导体材料的吸收型光纤温度传感器，已接近实用化。
国内对半导体吸收型光纤温度传感器的研究起步较晚，兴起于90年代后期。主要集中在清华大学，华中理工大学，东南大学等高校。他们对该种类型的传感 器结构，特性和系统结构进行了详细的分析和实践。但大量的研究只集中在GaAs半导体作为感温材料的传感器上，与国外在该领域的研究水平仍有较大差别。光纤温度传感器的特点：
光纤温度传感器与传统的温度传感器相比具有很多优点：光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器件接收．可方便地进行光电或电光转换．易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配．光纤工作频率宽．动态范围大，是一种低损耗传输线，光纤本身不带电．体积小质量轻，易弯曲，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。国外一些发达国家对光纤温度传感技术的应用研究已取得丰富成果．不少光纤温度传感器系统已实用化．成为替代传统温度传感器的商品。所有与温度相关的光学现象或特性．本质上都可以用于温度测量．基于此．用于温度测量的现有光学 技术相当丰富。对于光纤温度传感器的研究占到将近所有光纤传感器研究的20％。光纤温度传感器的研究．除对现有器件进行外场验证、完善和提高外，目前有以下几个发展动向：大力发展测量温度分布的测量技术．即由对单个点的温度测量到对光纤沿线上温度分布．以及大面积表面温度分布的测量：开发包括测量温度在内的多功能的传感器：研制大型传感器阵列．实现全光学遥测。光纤测温传感器是用光纤来测量温度的。有两种方法可实现。一是利用被测表面辐射能随温度的变化而变化的特点；利用光纤将辐射能量传输到热敏元件上，经
过转换再变成可供纪录和显示的电信号。这种方法独特之处就是可以远距离测量；另外一种方法是利用光在光导纤维内传输的相位随温度参数的改变而改变的特点，光信号的相位随温度的变化是由于光纤材料的尺寸和折射率都随温度改变而引起的。光纤传感器的基本原理
在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示E=
式中，、频是光波的振幅：w是角频率；为初相角。该式包含五个参数，即强度率w、波长、相位（wt+）和偏振态。光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已知调制的光信号进行检测，从而得到被测量。当被测物理量作用于光纤传感头内传输的光波时，使的强度发生变化，就称为强度调制光纤传感器；当作用的结果使传输光的波长、相位或偏振态发生变化时，就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传感器。
5.1强度调制
5.1.1 发光强度调制传感器的调制原理
光纤传感器中发光强度的调制的基本原理可简述为，以被测量所引起的发光强度变化，来实现对被测对象的检测和控制。其基本原理如图所示。光源S发出的发光强度为的光柱入传感头，在传感头内，光在被测物理量的作用下强度发生变化，即受到了外场的调制，使得输出发光强度产生与被测量有确定对应关系的变化。由光电探测器检测出发光强度的信号，经信号处理解调就得到了被测信号。
5.1.2 发光强度调制的方式 利用光纤微弯效应；
利用被测量改变光纤或者传感头对光波的吸收特性来实现发光强度调制； 通过与光纤接触的介质折射率的改变来实现发光强度调制； 在两根光纤间通过倏逝波的耦合实现发光强度调制；
利用发送光纤和接收光纤作相对横向或纵向运动实现发光强度调制，这是当被测物理量引起接收光纤位移时，改变接收发光强度，从而达到发光强度调制的目的。这种位移式发光强度调制的光纤传感器是一种结构简单，技术较为成熟的光纤传感器。
5.1.3 发光强度调制型传感器分类
根据其调制环节在光纤内部还是在光纤外部可以分为功能型和非功能型两种。强度调制式光纤传感器的特点 解调方法简单、响应快、运行可靠、造价低。缺点是测量精度较低，容易产生偏移，需要采取一些自补偿措施。
5.2相位调制 光纤传感器的基本原理
通过被测量的作用，使光纤内传播的光相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。如图5-40其中图a、b、c分别为迈克尔逊、马赫-泽得和法布里-珀罗式的全光纤干涉仪结构。
5.3 波长调制光纤传感器的基本原理
波长调制传感器的基本结构如图5-41。光纤温度传感器
6.1几种光纤温度传感器的原理和研究现状
光纤温度传感器按其工作原理可分为功能型和传输型两种。功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性f相位、偏振、强度等)随温度变换的特点，进行温度测定。这类传感器尽管具有”传”、”感”合一的特点．但也增加了增敏和去敏的困难。传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用．以避开测温区域复杂的环境．对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的。这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题．增加了系统的复杂性，且对机械振动之类的干扰较敏感．下面介绍几种主要的光纤温度传感器的原理和研究现状。
6.1.1分布式光纤温度传感器
分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统。分布光纤传感器系统最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的．1983年英国的Hartog用液体光纤的拉曼光谱效应进行了分布式光纤温度传感器原理性实验．1985年英国的Dakin在实验
室用氩离子激光器作为光源进行了用石英光纤的拉曼光谱效应的分布光纤温度传感器测温实验．同年Hartog和Dakin分别独立地用半导体激光器作为光源，研制了分布光纤温度传感器实验装置：此后。分布光纤温度传感器得到了很大的发展．研究出了多种传感机理．有的还使用了特种光纤。分布式光纤温度传感器是基于瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射三种分布式温度传感器。分布式光纤传感器从最初提出的基于光时域散射fOTDRl的瑞利散射系统开始．经历了基于0TDR的喇曼散射系统和基于0TDR的布里渊散射系统．使得测温精度和范围大幅提高。光频域散射fOFDR)的提出也很早，但只有到了近期．伴随着喇曼散射和布里渊散射研究的深入．使OFDR和它们结合才显示出了它的优越性。基于0TDR和OFDR的分布式温度光纤传感器已经显示出了很大的优越性．所以基于OTDR0FDR的分布式温度光纤传感器仍将是研究的热点．尤其是基于OFDR的新的分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。土耳其Gunes Yilmaz研制出10km、温度分辨率为1℃、空间分辨率为1．22m的分布式光纤温度传感器。在国内，中国计量学院、重庆大学、浙江大学等单位根据应用的需要．先后开展了分布式光纤温度传感器的研究。中国计量学院1997年研制了一种用于煤矿、隧道温度自动报警的分布式光纤温度传感器系统，该系统光纤长为2km．测温范围为一50℃～150℃．测温精度为2℃．温度分辨率为O．1℃：2005年设计制造出31km远程分布式光纤温度传感器．测温范围0℃～100℃，温度测量不确定度为2℃．温度分辨率为0．1℃，测量时间为432s．空间分辨率为4m。6.1.2 光纤光栅温度传感器
光纤光栅温度传感技术主要研究Bmgg光纤传感技术。根据Bragg光纤光栅反射波长会随温度的变化而产生”波长移位”的原理制成光纤光栅温度传感器。1978年．加拿大渥太华通信研究中心的K．O．HiU等人首先发现掺锗石英光纤的光敏效应．采用注入法制成世界上第一只光纤光栅(FBG)，1989年，Morev首次报导将其用于传感。英国T．A1lsoD利用椭圆纤芯突变型光纤研制出温度分辨率为O．9℃、曲率分辨率为0．05的长周期光纤光栅曲率温度传感器。意大利A．Iadicicco利用非均匀的稀疏布拉格光纤光栅fThFBGsl同时测量折射率和温度．该传感器的温度分辨率为0．1℃．在折射率1．
45、1．33附近的折射率分辨率分别为10-s、104。中科院上海光机所利用光纤光栅的金属槽封装技术将光纤光栅温度传感器的灵敏度提高到O．02℃：哈尔滨工业大学把光纤光栅粘贴在金属半管上．使其分辨率达到0．04℃：黑龙江大学光纤技术研究所提出了一种光纤光栅fFBGl的Ti合金片封装工艺，使温度灵敏度达到0．05℃。6.1.3 光纤荧光温度传感器
光纤荧光温度传感器是目前研究比较活跃的新型温度传感器。荧光测温的工作机理是建立在光致发光这一基本物理现象上。所谓光致发光是一种光发射现象．就是当材料由于受紫外、可见光或红外区的光激发．所产生的发光现象。出射的荧光参数与温度有一一对应关系．通过检测其荧光强度或荧光寿命来得到所需的温度的。强度型荧光光纤传感器受光纤的微弯曲、耦合、散射、背反射影响，造成强度扰动，很难达到高精度：荧光寿命型传感器可以避免上述缺点，因此是采用的主要模式．荧光寿命的测量是测温系统的关键。美国密西西比州立大学用一种商用的环氧胶做温度指示f含有多环芳烃化合物：PAHs)。PAHs在用紫外光激发时发荧光．荧光的强度随环氧胶周围温度的升高而减小．该传感器可监测20℃～100℃范围内的温度。日本东洋大学根据Tb：Si0，和Tb：YAG的光致发光(PL)谱与温度有关．将其制成光纤温度传感器。在300～1200K的温度下．Tb：Si0，5 的PL峰值在540nm时的光强随温度的升高单调减小．Tb：YAG晶体的PL谱的形状随温度变化。韩国汉城大学发现lOcm长的Ybn、E一双掺杂光纤在915nm处．两荧光强度的比值在20℃～300℃间与温度成指数关系．这种双掺杂系统对于测量苛刻环境的温度非常有用。清华大学电子工程系利用半导体GaAs材料对光的吸收随温度变化的原理。研制出测温范围：O℃～150℃；分辨率：0．5℃的光纤温度传感器。燕山大学设计了一种利用荧光波分和时分多路传输技术．通过检测红宝石晶体的荧光强度实现温度测量的系统．该系统的测温范围：30℃～160℃：分辨率：0．5℃。海南大学用激光加热基座法生长出端部掺Cr的蓝宝石荧光光纤传感头．该传感器的测温范围：20℃～450℃：分辨率：1℃。中北大学用一种镀有陶瓷薄膜的蓝宝石光纤作为传感器的瞬态高温测试系统．该系统的测温范围：1200℃～2000℃。分辨率：1℃。6.1.4 干涉型光纤温度传感器
干涉型光纤温度传感器是一种相位调制型光纤传感器。它是利用温度改变Mach—Zehnder干涉仪、Fabry—Perot干涉仪、Sagnac干涉仪等一些干涉仪的干涉条纹来外界测量温度。英国的Samer K．Abi Kaed Bev用长周期光纤光栅做成Mach—Zehnder干涉型光纤温度传感器．其温度分辨率为O．7℃。燕山大学研制出基于白光干涉的Fabrv—Perot光纤温度传感器．其测温范围为一40℃～100℃．分辨率为0．01℃。哈尔滨工程大学研制出数字式Mach—Zehnder干涉型光纤传感器．其测温范围为35cC～80℃，压力、温度、位移分辨率分别为0．03kPa、0．07℃、2．5斗m。
干涉式光纤温度传感器工作示意图
6.1.5 基于弯曲损耗的光纤温度传感器
基于弯曲损耗的光纤温度传感器利用硅纤芯和塑料包层折射率差随温度变化引起光纤孔径的变化、光纤的突然弯曲引起的局部孔径的变化的原理测量温度。乌克兰采用EBOC伍ngIish—Bickford Optics Com—pany)生产的多模阶跃塑料包层硅纤芯光纤HCN～H，已做出基于弯曲损耗的光纤温度传感器．其测温范围一30℃～70℃．灵敏度达到O．5℃。法国研究出测温范围一20℃～60℃。灵敏度为0。2℃的基于弯曲损耗的光纤温度传感器。国内主要是对光纤的弯曲损耗与入射波长、弯曲半径、弯曲角度、弯曲长度、光纤参量和温度等的关系做了一些研究。实验装置图如图1所示。
6.2 几种光纤温度传感器的特点及各自的研究方向
分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器分别具有独特的优点和一定的不足，因此它们的研究方向不同。6.2.1 分布式光纤温传感器
分布式光纤温传感器具有其他温度传感器不可比拟的优点。它能够连续测量光纤沿线所在处的温度．测量距离在几千米范围．空间定位精度达到米的数量级。能够进行不问断的自动测量．特别适用于需要大范围多点测量的直用场合。目前对分布式光纤温度传感器研究的重点：实现单根光纤上多个物理参数或化学参数的同时测量：提高信号接收和处理系统的检测能力．提高系统的空间分辨率和测量不确定度：提高测量系统的测量范围．减少测量时间：基于二维或多维的分布式光纤温度传感器网络。6.2.2 光纤光栅温度传感器
光纤光栅温度传感器除了具有普通光纤温度传感器的许多优点外．还有一些明显优于其它光纤温度传感器的方面。其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于：测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响：避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要：能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式测量：很容易埋人材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量。尽管光纤光栅温度传感器有很多优点．但在应用中还需考虑很多因素：波长微小位移的检测；宽光谱、高功率光源的获得；光检测器波长分辨率的提高；交叉敏感的消除；光纤光栅的封装；光纤光栅的可靠性；光纤光栅的寿命。6.2.3 光纤荧光温度传感器
光纤荧光温度传感器于其它光纤温度传感器相比有自己独特的优点：由于荧光寿命与温度的关系从本质上讲是内在的．与光的强度无关．这样就可以制成自较准的光纤温度传感器．而一般的基于光强度检测的光纤温度传感器f如辐射型1则因为系统的光传输特性往往与传输光纤和光纤耦合器等相关而需经常校准：测量范围广，特别在高温情况下多用光纤荧光温度传感器。目前国外的研究主要围绕着荧光源的选择．主要为下面几个方面：蓝宝石和红宝石发光、稀土发光及半导体吸收。
6.2.4 干涉型光纤温度传感器
干涉型光纤温度传感器的温度分辨率高：动态响应宽：结构灵巧。研究干涉型光纤温度传感器的主要工作放在减小噪声干扰和信号解调上。6.2.5 基于弯曲损耗的光纤温度传感器
基于弯曲损耗的光纤温度传感器具有结构简单、体积小、成本低、测量方便不需要解调等优点。但是它还存在着很多的不足：测量精度低；由于它是强度调制型光纤传感器，光源的稳定性对其影响很大；使用寿命短等缺点。在今后的研究中主要从光纤的选择、测量条件的提高等方面开展工作。光纤温度传感器的应用
光纤温度传感自问世以来．主要应用于电力系统、建筑、化工、航空航天、医疗以至海洋开发等领域，并已取得了大量可靠的应用实绩。7.1.1 光纤温度传感器在电力系统有着重要的应用 电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控；高压配电装置内易发热部位的监测；发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统；各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断；火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管
道的温度和故障点检测：地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。7.1.2 光纤温度传感应用于建筑、桥梁上
光纤光栅温度传感器很容易埋人材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量．因而被广泛的应用于建筑、桥梁上。美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家早就开展了桥梁安全监测的研究．并在主要大桥上都安装了桥梁安全监测预警系统。用来监测桥梁的应变、温度、加速度、位移等关键安全指标。1999年夏，美国新墨西哥Las Cmces lO号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了120个光纤光栅温度传感器．创造了单座桥梁上使用该类传感器最多的记录。
7.1.3 光纤温度传感在航空航天业的应用
航空航天业是一个使用传感器密集的地方．一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使用的传感器超过100个．因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤传感器从尺寸小和重量轻的优点来讲．几乎没有其他传感器可以与之相比。7.1.4 传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的 光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量。提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的岗厂阴，等：光纤温度传感器的研究和应州损害非常小．足以避免对正常医疗过程的干扰。7.1.5 光纤光栅传感器永久井下测量的应用
因其抗电磁干扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感．挪威的Optoplan正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。空调器的工作电气原理和基本的热力学过程
8.1 空调器基本结构
是由制冷（热)、空气循环、电气控制三大系统组成。制冷系统: 用于制冷剂循环及气/ 液态变换。制冷剂系统的工作与否受控于电气系统。空气循环系统: 用于驱动空气进行循环，过滤室内空气，以及对制冷系统中蒸发器、冷凝器提供空气热交换条件，调节室内的温度等。电气控制系统: 用于控制冷系统与空气循环系统的工作与否。
8.1.1 制冷系统的结构和工作过程制冷系统的结构
由压缩机、冷凝器、过滤器、毛细管、蒸发器等首尾连接组成。其中，制冷剂的循环流通由压缩机负责，制冷剂气态转换由蒸发器负责，制冷剂液态转换由冷凝器负责，制冷剂压力变换由压缩机和毛细管负责，过滤器负责滤除制冷剂中微量脏物。对于制冷而言，其工
作过程以图1 所示窗式空调器为例说明如下：当接通电源后，压缩机及风扇开始运转，蒸发器内的低压气态制冷剂，通过管路被压缩机吸入，并压缩为高压、高温气态，再经过排气管排入冷凝器对室外空气放热自身降温变成液态。液态制冷剂经过滤器、毛细管节流后进入蒸发器，由蒸发器蒸发为气态，并在蒸发过程中自身吸热对室内空气降温，冷却后的空气由离心风扇吹向室内，室内的空气又由风扇的吸气端吸回。这样，空气不断循环，周而复始，室内的空气就得到了降温并维持在一定温度内，实现制冷目的。
8.1.2 制热系统的结构和工作过程制热系统的结构
对于制热而言，其工作过程可用图2 所示的冷暖空调制冷（热）系统来说明。它是
在单冷空调制冷系统的基础上增加了单换阀和辅助毛细管。制热时除制冷剂走向（箭头）与制冷时相反外，且室外侧热交换器作蒸发器用于吸热，室内侧热交换器作为冷凝器用于放热。
8.1.3 制冷（热）系统各器件的功能与作用 现说明如下：
(1)压缩机: 压缩机运转后，产生吸排气功能，并由低压管口（粗）吸气、高压管口（细）排气，推动制冷剂在制冷管路中循环流通。同时对低压管吸入的制冷剂进行压缩变为高压高温后由高压管口排出。
(2)冷凝器: 对压缩机排出的高压、高温气态进行制冷，在流经冷凝器的过程中，逐步散热降温而冷凝为液态／中温／高压制冷剂，实现制冷剂从气态到 液态的转换，以把制冷剂携带的热量散发到空气中，实现热量的转移。
(3)毛细管;是一根直径4 mm、长l m左右的细铜管，接于过滤器（或冷暖机单向阀）与蒸发器之间，对冷凝器流出的中温高压液态制冷剂进行节流降压，使蒸发器中形成低压环境。
(4)过滤器: 滤除制冷剂中微量脏物，保证制冷剂在制冷管路中的循环流通。(5)蒸发器: 经毛细管降压节流输出的制冷剂，在流经经蒸发器管路过程中逐步沸腾蒸发为气体，并在蒸发过程吸收外界空气的热量，使周围空气降温。
8.2 空气循环系统的结构和工作过程
图3 是窗机空气循环系统示意图。它由室内侧、室外侧空气循环两部位组成。两者的核心器件均是多绕组风扇电机。风扇电机的转速受控于功能开关（又称主令开关），风速设置不同，功能开关对风扇电机调速绕组抽头供电不同，调速绕组线圈匝数不同，它与运转绕组串联后的匝数不同，从而使风扇转速不同。
8.3 电气控制系统的结构和工作过程
电气控制系统的核心器件是压缩机和风扇电机，如图4 所示。这两个器件的CR 运行绕组在得到交流220 V 电源后，CS 启动绕组瞬间有启动电流流过就开始运转，把电能变换为机械能。压缩机运转产生的机械能带动制冷系统工作以实施制冷（热）；风扇电机运转产生的机械能，带动扇叶旋转以实现空气循环。
(1)压缩机工作控制
这里，以图4(a)所示的窗机置于高冷状态为例说明。由图可见，这时功能开关1 端
分别与4 端、8 端接通，对压缩机、风扇电机提供供电回路。其中压缩机供电回路如下：交流220 V 电源插头L 端→功能开关1端、8 端→温控器开关的C 端、L 端→F1 过载保护器的1 端、2 端→压缩机的C 端。此时分为两路：一路经R 端→C 启动电容的1 端（运转电流）；另一路径S 端子→C 启动电容2 端、1 端（启
动电流），最后至电源插头的N 端。这样，在压缩机接通电源后，就启动运转，空调开始制冷。当制冷达到设置温度时，温控器断开压缩机供电电路，压缩机停止运转，终止制冷。当室内温度上升到高于设置温度时，温控器再次自动接通压缩机供给回路，压缩机再次运转制冷，以后重复上述过程。至于过载保护器，它紧贴在压缩机外壳上以感知压缩机温度。在压缩机启动或运转中，电流过大或压缩机过热时过载保护器会呈现高阻（相当于断开），从而切断压缩机供电回路，达到保护压缩机的目的。毕业设计主要内容和拟采用的研究方案
9.1 光纤温度传感器的设计
根据光纤弯曲损耗的理论分析，光纤温度传感器结构由三大部分组成：温度敏感头、传输与信号处理部分，具体结构示意图如图3 所示。9.1.1 温度敏感头
温度敏感头是温度传感器中最主要的部件，是将所测量温度转换成直接能够测量的参数，在这里，是转换成光纤的损耗大小，同等状态下，损耗大，探测器接收到的光功率小，反之，接收到功率就大。传感头主要由多模光纤与金属构件组成，如图3 所示，将光纤施加一定的张力后直接加载在多边形金属构件上，固定好后将光纤两端头引出，在引出光纤的两端制作连接器，外加光纤保护措施，传感头主要工序就已经完成了。金属零件随温度高低不同产生形变也不一样，加载在 13 零件上光纤弯曲损耗大小随之改变金属件受到温度越高，形变越大，在光源输出光功率稳定情况下，光纤弯曲损耗增加时，探测器接收到的光功率就会减小，反之，接收到的光功率增大。当传感头处的温度场发生变化时，通过探测器将接收到的不同光信号转换成电信号，进一步处理、计算，输出外界的温度值大小。金属零件在热变形时，其变形量不仅与零件尺寸、组成该形体的材料线膨胀系数α、环境温度t 有关，而且与形体结构因子(取决于几何参数)有关，计算比较复杂，在这里采用传统的公式模拟来计算：
Lt=L[1+α(t-20°C)](5)式中，Lt—温度t 时的尺寸；L—20℃时的尺寸；α—线膨胀系数，其数学表达式比较复杂，可选用平均线膨胀系数，经过查表可知。为了提高传感器的灵敏度，温度敏感头金属材料需选用膨胀系数较大的，且膨胀系数在整个温度测量区间要较稳定，有较好重复性；温度敏感头的结构形状也是要考虑的另一个因素，不同的形状，对灵敏度影响很大。要提高传感头对温度的响应时间，需要选用导热系数较高的材料，比热越小越好，在温度突变时，能快速响应。经过课题组反复计算与试验，选用成本较低、加工容易、导热较快，并且满足使用范围的金属材料铝。通过试验，传感器在-40°C～＋80°C温度范围内均可精确工作。9.1.2 传输部分
光纤在这里不仅要作为转换器件使用，同时也作为光信号传输载体，选用对弯曲损耗更敏感的多模光纤，一般地采用62.5/125μm 标准的多模光纤。由于加载光纤时要施加一定的张力控制，使得光纤缠绕在金属零件上，光纤本身就比较容易损坏，敏感头处光纤长时间受到一定内应力作用，必须对光纤的涂层进行加固耐磨处理，增加传感器使用的可靠性。9.1.3 信号处理部分信号处理部分
主要由发光管、探测器的驱动电路与数字电路处理两部分组成，发光管、探测器的驱动电路技术已经非常成熟。数字电路处理主要使用价廉物美的单片机，CPU使用美国ATMEL 公司生产的AT89C52 单片机，是一块具有低电压、高性能CMOS 8 位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes 的随机存取数据存储器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS－51 指令系统及8052 产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。A/D 转换采用AD 公司生产的12 位D574A 芯片，转换时间位25μs，数字位数可设定为12 位，也可设为8 位，内部集成有转换时钟、参考电压和三态输出锁存，可以与微机直接接口。为了方便在现场使用，光纤温度传感器扩展了LCD 显示接口，同时还扩展了一个RS-232 通信口，用于同上位机进行通信，将现场采集的数据传送到上位机，进一步分析处理。整个监控程序采用模块化设计，主要的功能模块有：系统初始化，A/D 采样周期设定，数字滤波，数据处理，串行通信，中断保护与处理，显示与键盘扫描程序等。程序采用单片机汇编语言来编写，使用广泛、运算的速度快等特点，有效的利用单片机上有限的RAM 空间，其中，由于温度的变化引起光强的变化不是线性的，因此我们采用查表法对其测量值进行线性补偿。
9.2 试验检验与数据处理
已经制作好的温度敏感头通过试验测试。第一步，在温度敏感头的一端光纤连接器上加载稳定的短波长的光源，另一端接
相匹配的光功率计，将温度敏感头置入恒温槽中； 第二步，设置恒温槽温度，观察光功率计值的变化情况，要满足在测量的整个工作区间光功率都有变化；
第三步，定点测量，设定几个或更多温度点，记录下，温度与光功率对应值，反复多次试验，观察温度敏感头的重复性。光纤温度传感头通过试验测试，将温度与光功率相对应数据制成表格，具体见表1 所示，曲线图见图4。
通过上述试验表明，传感头满足使用要求，重复性非常好，加载发光管与探测器驱动电路以及信号处理电路，整体调试传感器，观察温度与传感器输出的电压值关系，重复操作上述试验第二、第三步，具体的温度与电压相对应值见表2，曲线图见图5。
通过观察上述两个曲线，形状基本一致，重复性较好，表明传感器整体性能满足要求。将几个特殊点电压值送到单片机进行处理，采用直线插值拟合或者最小二乘法曲线拟合，输出温度值。通过实测检验，与标准温度值误差最大值为±1°C，基于金属热膨胀式的光纤温度传感器设计是成功的，传感器整体测试精度较高。
9.3 设计方案
系统原理如图1 所示,采用可见光将光束直接射入2根经端面处理且并排放置的光纤中,同时为使2 根光纤输出的光强近似相等且最大,采用2 个不同焦距的透镜来增强光的耦合程度。根据马赫2曾德干涉原理,在出口处2 路光纤并排紧密放置,发生干涉。随后由CCD 传感器接收,并 在监视器上观测温度变化时条纹的变化规律。一方面通过温度标定得到温度与条纹数的对应关系, 另一方面使用MATLAB 对采集到的干涉图像进行处理,通过程序自动判别条纹数。从而得到温度的变化值,实现光纤温度传感测量。
马赫2泽德干涉型光纤温度传感器装置
9.3.1 实现方法与现象(1)平台的搭建
为了得到较好的效果,实现中应注意以下问题: ①耦合问题:在光纤传感系统中,各部件采用耦合效率较高的凸透镜耦合,如图2 所示。将激光器放在凸透镜的焦点上,使其为平行光,然后再用另一个凸透镜将平行光聚集到光纤端面上。整个耦合系统调整组装较容易,使用方便。
图2 光路耦合示意图
②光路准直:搭建实验平台时要注意使整个光路平行于平台,这就需要利用光屏十字法来校准光路。首先确定激光束与实验平台平行;其次在光路上分别加上透镜,调整光具座使透镜前后的光斑落在十字的中心位置。并且依据透镜焦距,使光纤的端面尽量位于透镜的焦点上。如 图3 所示。
图3 光路准直示意图
(2)产生的现象
根据前面论述的方案,通过光路调整等一系列过程,得到干涉图像如图4 所示。通过使光纤的感温部分受热,可以在监视器上观察到条纹的变化。当温度升高时,条纹几近匀速地向右移动;当温度降低时,条纹向相反的方向移动。这样的变化较为规律,但是对于温度检测电路来说,要求温度变化可测,从而得到定量的关系;对于图像检测而言,条纹要尽量清晰,明暗对比强烈,才能在图像处理时减少不必
要的误差。
图4 干涉条纹图像
9.3.2 信号检测及处理 1 温度标定
(1)方案: 为使感温部分的光纤均匀受热,选择2 个5 cm的薄铜片将光纤夹入其中。使用电烙铁为其加热,使其温度变化范围加大,条纹移动明显。对于其他不感温光纤,将其固定在绝热平台上,减小热源的影响。
(2)电路设计:本文使用热敏电阻标定温度与干涉条纹数之间关系,由于热敏电阻随温度变化呈指数规律,即其非线性是十分严重的。当进行温度测量时,应考虑将其进行线性化处理。测温电路如图5 所示。
图5 测温电路
本系统中所用的热敏电阻为负温度系数。其特性可
以表示为:Rt = Rt0 exp B1T-1T0(1)式中: Rt、Rt0分别为温度T 和T0 时的电阻值。根据式(1)以及压阻变换关系可以得到下面这个最终的根据电压的变化从而测得温度变化的表达式:1T=1BlnUtUt0+1T0(2)(3)数据处理
在测量过程中,为找到合适的电压测量点,选择时间为参考因素,以60 s 为一个阶段,测量一次热敏电阻两端电压,记录电压值,并根据公式得对应的温度,求得Δt。同时记录在这些点间的条纹移动数量,记为Δn。根据Δt 和Δn 可得到温度与条纹之间的函数关系。(4)结果分析
设条纹变化数为Δy ,温度变化数为Δx ,则根据实验数据可以得到这样一个近似线性的函数关系式:Δy = 8.30Δx。即温度升高1 ℃,条纹移动8.30 个。如果标定起始温度,根据这一关系,即可得到变化后的温度值。9.3.3 干涉条纹图像采集与处理
采用MVPCI 专业图像采集卡采集干涉条纹图像,采集程序如图6 所示。并对图像做如下处理(见图7): 对CCD 采集下来的图像(见7(a))需调用imfilter 函数进行图像滤波(滤波结果见图7(b))。并使用阈值操作将图像转换为二值图像(见图7(c)),从而很好地将对象从背景中分离出来。通常温度的判断基于处理后的条纹图像,因此需采用边缘检测来提取图像的特征。在MATLAB 中使用专门的边缘检测edge 函数,调用Sobel 算子进行检测。结果如图7(d)所示。
采集流程图
图7 干涉条纹图像采集与处理
9.3.4 条纹记数程序设计
(1)设计思路:根据边缘检测后条纹的图像质量,提取图像质量较好的横坐标为80 的一行元素的像素值,对其进行扫描,得到像素值为1 的位置,即条纹边缘的位置;由于边缘提取得到的条纹是原来条纹的轮廓,所以2 个边缘构成一个亮或暗条纹。因此需要将提取出来的边缘位置与原图像进行对比,从而对条纹精确定位;判定离标定位置最近的亮条纹的分布情况,找到条纹移动规律;计算条纹移动周期,借鉴光学测量中的相位展开原理,将图像变换为近似线性的曲线,从而得到条纹移动过总的像素值,除以周期,即得条纹移动个数。程序模块流程图如图8 所示。
(2)结果分析：通过上面的程序计算,得到距离标志位32 最近的亮条纹位置R 的变化情况(见图9)。可看出, R 的值是有规律地在变化,表明R 存在周期性。通过程序中得到的r(条纹边缘像素)计算周期,即T = 22。根据相位展开的相关原
图8 条纹记数程序流程图
理,把像素值小于32 ,且与其前相邻一个像素的差大于某一值时,将其加上一个周期,转换为类似线性的函数,如图10 所示。由图(10)可以得到移动条纹总的像素值M = 820 ,除以展开周期T = 22 , 即可以判别移动条纹个数N =M/ T = 37。由于确定的判别像素间距,程序在条纹小范围左右徘徊的状态时难以判别,会产生误差。因此,程序计算得到的数据与前面测温时数出来的条纹个数41～46(120 s)近似,说明此程序的处理较为正确。此时,根据前面温度检测得到的结果,即条纹数与温度变化的关系Δy = 8.30Δx ,得到温度变化值Δx =Δy/ 8.30 = N/ 8.30 = 4.46 ℃,对照前面热敏电阻计算的温度变化值5.27 ℃,结果较为一致。说明此程序可以用来判定条纹个数,对应温度变化与条纹数的关系,就可以得到温度变化值,从而实现光纤温度传感测量。
图9 距标定位最近的亮条纹分布图
图10 展开后的图像 结束语 毕业设计（论文）参考文献
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光纤温度传感器 毕业论文 篇2
分布式光纤测温技术是接触式测温法的一种。光纤内传送的是光信号, 有良好的抗射频干扰和抗电磁干扰的特点, 耐高电压和强电磁场, 耐电离辐射, 并且光缆还具有阻燃、防爆、耐腐蚀等优点, 即使在比较恶劣的有害环境中也能对被测对象的温度进行实时检测, 监测其变化。对于温度异常的位置能及时发现, 并给出准确的报警。
1 光纤温度传感系统工作原理
分布式光纤温度传感是一种用于实时测量空间温度场分布的新技术, 对光纤沿线地点的温度进行分布连续检测, 以光纤作为温度传感器, 依据光纤的光时域反射 (OTDR:Optical Time Domain Reflectometry) 原理以及光纤的背向拉曼散射 (Raman Scattering) 温度效应。在光纤中, 光信号传输到光纤内的任意位置, 都会产生拉曼散射光。拉曼散射光在光纤内的整个空间角内是均匀分布的, 其中一部分拉曼散射光会沿光纤传送路径向光源处传播, 称为背向拉曼散射光。光探测单元接收并分别滤出Anti-Stokes光和Stokes光, 只要计算出这两种光的强度比, 就可以计算出反射点的温度。
分布式光纤温度传感系统由脉冲激光器、滤波器件、多通道切换设备、高速数据处理单元、高速数据采集系统和光电转换电路等组成, 如图1所示。激光脉冲信号经由耦合器射入用作传感回路的光纤通道, 采集由光纤通道传送回的背向散射光波, 并对光波用波长进行区别, 将光波分为分成斯托克斯通道和反斯托克斯通道。对于由高灵敏、低噪声硅雪崩二极管组件组成的光电检测装置放置于低温恒温槽, 以使雪崩二极管组件能稳定工作。温度信号的解调和信号处理、显示主要计算机进行处理。
2 系统结构
分布式光纤测温系统主要由DTS测温主机、网络交换机、CSM状态监测主机、测温光缆、客户终端等设备组成, 如图2所示。
测温光缆将监测信号传送至DTS测温主机, DTS测温主机对测温光缆传回的温度信号及火灾信息进行滤波、光电转换、放大、模数转换后, 通过以太网交换机送至CSM主机。CSM主机通过采集温度数据, 绘制显示温度图表, 并将相应数据通过以太网送至客户终端。
1) 测温光缆
测温光缆固定在待监测电缆回路上, 在电缆中间接头采取加强敷设来实现对电缆接头的重点监控。
测温光缆根据安装方式的不同, 可分为外置式光纤测温系统和内置式光纤测温系统。外置式光纤测温系统在进行光缆敷设时, 将光缆敷设在电力电缆外护套之外。内置式光纤测温系统在进行探测光缆敷时, 将光缆敷设在电力电缆内部的金属护套和绝缘屏蔽层之间。探测光缆的外置式敷设和内置式敷设各有特点, 应根据实际需要进行选择。
2) DST测温主机
DTS测温主机具有监测距离远, 监测通道多, 定位准确, 温度分辨率高, 测量时间短等特点。DTS测温主机通常安装在监控室内, 与测温光缆相连, 实现对电力电缆表面温度信息的采集、处理, 输出温度报警信息等功能, 如图3所示。
3) CSM主机
CSM主机通常安装在中央控制室或者监控室内, 其与DTS测温主机之间的通讯, 可以通过以太网或modbus总线等, 并通过以太网与外部网络进行通信。CSM主机主要功能是实现对DTS测温主机参数设置, 如通道选择、监测区域划分、报警参数设置、通信参数设置等;采集和显示电缆表面的温度数据和温度曲线;计算电缆导体温度数据, 并显示温度数据和温度曲线;实现对被测电缆布局的组态;输出多级报警等。
3 结束语
由于测温光纤具有无电磁干扰、抗干扰能力强、阻燃、防爆、耐腐蚀、能在有害环境中安全运行、具有本征安全、测量距离远、测量精度高、定位快速准确等特点, 能够对温度进行实时监测, 并将测量结果快速准确传送到监控端, 对发现温度异常点, 预防故障发生, 准确定位故障发生位置, 保障系统安全正常运行有着重要作用。
参考文献
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[2]周琦, 乐坚浩, 刘佳诞.分布式光纤测温技术的发展现状及其在电力领域中的应用[J].科协论坛, 2012, 11:20-22.
基于光斑旋转的光纤温度传感器 篇3
关键词： 光纤传感； 宏弯损耗； 温度变化； 光斑旋转； 光斑角度
中图分类号： TP 212.1； TN 253文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.007
引言传统温度传感器因易受电磁干扰影响，体积大，使用寿命短和灵活性差等原因，已逐渐被光纤温度传感器替代。当光在光纤中传输时，由于环境温度变化，光的强度、相位等参量也会发生相应变化，这就形成了光纤温度传感。一般光纤温度传感器可分为：分布式光纤温度传感器[1]、光纤光栅温度传感器[2]、光纤荧光温度传感器[3]和干涉型光纤温度传感器[4]。它们利用对光谱或光强的检测，虽然达到了一定的灵敏度与分辨率，但其温度传感结构都较复杂。本文介绍了一种基于光斑旋转角度调制的新型光纤传感系统。光纤环所在环境的温度变化导致光斑旋转，改变出射端光斑的角度。所以通过一个简单的CCD获得光斑图像的角度，可以达到间接测量的图1弯曲波导辐射示意图
Fig.1Radiant diagram of the curved waveguide目的。与其他光纤温度传感器相比，不仅传感结构简单，而且测量灵敏度可调。1基本原理及系统结构光纤的宏弯损耗主要来源于光纤弯曲产生的空间滤波、模式泄漏及模式耦合，其中以空间滤波效应造成的损耗为主。光纤不同程度的弯曲将伴随着不同程度的空间滤波[5]。受到光纤弯曲的影响，光纤中全反射的条件受到破坏，高阶模将折射到包层中，较高阶模式进入截止状态，导致纤芯传导模式减少。光纤的宏弯损耗主要包括辐射损耗（如图1所示）和过度损耗
2.1光斑数变化两个级联的光纤环：光纤环1直径为25 mm；光纤环2紧密绕制5圈，直径为24 mm。通过减小光纤环1的直径，获得图3所示光斑数变化的光斑图。初始光斑4个，减小光纤环1的直径到18 mm后，光斑减少为3个。继续减小光纤环1的直径，通过CCD发现在一定的范围内，光斑数仍然为3。
2.2光斑旋转两个级联的光纤环：光纤环1直径为18 mm；光纤环2紧密绕制6圈，直径为20 mm。逐渐增加水温控制箱的温度获得图4所示光斑旋转的光斑图。图中表现了三光斑绕中心点按特定的方向发生的旋转。通过MATLAB处理分别获得三个光斑的特征点质心，再通过坐标处理可以方便快捷地测出光斑的角度，从而获得光斑旋转角度与传感光纤环所处环境温度的关系。图4中给出了不同温度时各个出射光斑对应的角度。
3.1线性度逐渐增加水温控制箱的温度，当光纤环1直径为18 mm；光纤环2为紧密绕制3圈，直径为20 mm，获得三光斑旋转角度随传感光纤环所处环境温度的变化关系如图5所示（光斑角度经过归零处理）。实验获得的数据经过MATLAB最小二乘法处理获得图5所示的直线：θ=1.149 7T，线性度-0.045 5。综上分析可知三光斑旋转角度跟传感光纤环所处的环境温度有很好的线性关系。
3.2灵敏度图6（a）所示为光纤环2直径均为20 mm，紧密绕制的光圈数分别为3、4、5、6，光纤环1直径均为18 mm的4条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。图6（b）所示为光纤环2紧密绕制的光圈数都为5，直径分别为16 mm、20 mm、24 mm，光纤环1直径均为18 mm的3条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。图6（a）中的数据经过MATLAB处理获得表1中的传感光纤参数（灵敏度、线性度），图6（b）中的数据经过MATLAB处理获得表2中的传感光纤参数（灵敏度、线性度）。
通过表1、表2中的具体参数可知图6（a）、图6（b）的关系曲线都有很好的线性度。表1中看出6圈传感光纤环对应的灵敏度最大，5圈传感光纤环对应的灵敏度次之，其次是圈数为4的传感光纤环对应的灵敏度，对应灵敏度最小的是圈数为3的传感光纤环。说明传感光纤环的圈数直接影响系统测量的灵敏度。表2中看出直径24 mm传感光纤环对应的灵敏度最大，直径20 mm传感光纤环对应的灵敏度次之，对应灵敏度最小的是直径为16 mm的传感光纤环。说明在传感光纤环的圈数一定的情况下，传感光纤环的直径越大，测量的灵敏度越高。实验数据很好地说明了传感器的灵敏度随传感光纤环圈数的增加逐渐变大，传感器的灵敏度也随传感光纤环直径的增加逐渐变大。为此在设计传感光纤环时，为获得比较好的测量效果，需要对传感光纤环选择合适的圈数、合适的直径。4结论本文提出了一种新的光纤温度传感器，分别研究了传感光纤环的圈数、传感光纤环的直径对系统的线性度、灵敏度的影响，得知系统具有比较好的线性度的同时系统灵敏度随传感光纤环参数的变化具有一定的规律。为减小系统体积、质量，增加系统使用的便利性，光源可以更换为半导体激光器。此传感系统结构简单，使用方便，适合温度测量精度要求不高的场合使用。
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机载光纤角位移传感器 篇4
介绍了一种新型光纤角位移传感器的基本工作原理,对研制的样机进行了性能测试,试验数据验证了传感器的`设计方案是可行的.初步探讨了影响传感器性能的多种因素.
作 者：吴忠 宋雪玲 作者单位：吴忠(西安飞行自动控制研究所)
宋雪玲(西北工业大学)
光纤传感(教案)（范文模版） 篇5
1.1 概论
1.1.1 光纤传感器技术的形成及其特点
（1）来源
上世纪70年代发展起来的一门崭新的技术，是传感器技术的新成就。
最早用于光通信技术中。在实际光通信过程中发现，光纤受到外界环境因素的影响，如：压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。
（2）特点
灵敏度高、结构简单、体积小、耗电量少、耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲，以及便于实现遥测等。
1.1.1 光纤传感器的组成与分类
（1）组成
光纤、光源、探测器
（2）分类：一般分为两大类
功能型传感器：利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器。
只能用单模光纤构成。
传光型传感器：光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端面或中间加装其它敏感元件才能构成传感器。主要由多模光纤构成。
（a）功能型
（b）传光型
图1-1 光纤类型
根据对光调制的手段不同，光纤传感器分为：强度调制型、相位调制型、频率调制型、偏振调制型和波长调制型等。
根据被测参量的不同，光纤传感器又可分为位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物量等各种光纤传感器。
举例：
功能型：测温等
传光型：光纤血流计 1.2 光导纤维以及光在其中的传输
1.2.1 光导纤维及其传光原理
(1)芯子：直径只有几十个微米；芯子的外面有一圈包层，其外径约为：100－200m(2)数值孔径：NAsinmaxn12n22
(3)光纤（或激光）的模：包括横模和纵模
激光的横模：光束在谐振腔的两个反射镜之间来回反射将形成各种光程差的光波存在，这些光波的相互干涉可能使振动加强或减弱。但是只有那些加强的光波才有可能产生振荡。显而易见，这些光波的位相差必须是2的整数倍，即
2N
—光波在谐振腔中经过一个来回时的位相差。同时又知道：
2nL
L—谐振腔的长度； n—腔内介质的折射率；
—激光波长。
根据上面两个式子得出符合谐振条件的光波波长为
N
或谐振频率为
NNc2nL2nLN
激光的纵模：原则上谐振腔内可以有无限多个谐振频率，每一种谐振频率代表一种振荡方式，成为一个模式。对轴向稳定的光场分布模式通常称为轴模或纵模。
光纤的纵模：沿着芯子传输的光，可以分解为沿轴向与沿界面传输的两种平面波成分。因为沿截面传输的平面波是在芯子与包层的界面处全反射的，所以，每一往复传输的相位变化是2整数倍时，就可以在界面内形成驻波。像这样的驻波光线组又称为“模”。“模”只能离散地存在。就是说，光导纤维内只能存在特定数目的“模”传输光波。如果用归一化频率表达这些传输模的总数，其值一般在22—24之间。归一化频率
2aNA
能够传输较大值的光纤成为多模光纤；仅能传输小于2.41的光纤称为单模光纤。二者都称为普通光纤。越小，越容易实现单模。1.3 光纤传感器对光源的要求
1.3.1 对光源的要求
（1）由于光纤传感器结构有限，要求光源的体积小，便于与光纤耦合；
（2）光源要有足够的亮度；
（3）光波长适合，以减少传输损耗；
（4）光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作；
（5）便于维修，使用方便。
1.3.2 光源的种类
光纤传感器使用的光源分为相干光源和非相干光源两大类。
常用的相干光源有：半导体激光器、氦氖激光器和固体激光器等。
常用的非相干光源有：白炽光源、发光二极管。
1.4 光纤传感器用光探测器
1.4.1 光纤传感器对光探测器的要求
一般要求如下：
（1）线性好，按比例地将光信号转换为电信号；
（2）灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号；（3）响应频带宽、响应速度快，动态特性好；（4）性能稳定，噪声小等。
1.4.2 光纤传感器常用的光探测器
在光纤传感器中常用的光探测器大多是光电式传感器（也称光电器件）。光电式传感器所应用的效应分为内光电效应与外光电效应。内光电效应又分为光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应。
光纤传感器常用的光探测器有：（1）光敏二极管、光电倍增管。
它们的特点是响应速度较快，一般只需要几个纳秒。
一般只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。（2）光敏电阻
它是利用光电导效应：即当光照射在某些半导体材料表面上时，透入内部的光子能量足够大，半导体材料中一些电子吸收了光子的能量，从原来束缚状态变成为能导电的自由状态，这时半导体的电导率增加，也就是电阻值下降。
（3）光电池
利用光生伏特效应，直接将光能转换为电能的光电器件，它是一个大面积的pn结。
1.5 光调制技术
光纤传感器也利用光调制技术。按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等。所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到光在波上。而能完成这一过程的器件称为调制器。1.5.1 相位调制与干涉测量
相位调制常与干涉测量技术并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。
其基本原理是通过被测物理量的作用，使某段单模光纤内传播的光波发生相位变化。
实现干涉测量的常用干涉仪主要有四种：迈克耳逊干涉仪、马赫—泽德干涉仪、赛格纳克干涉仪和法布里—珀罗干涉仪。
光学干涉仪的共同特点是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射扰动及声波干扰。这种影响就会导致空气光程的变化，从而引起测量工作不稳定，以致准确度降低。利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除上述影响，并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光路长度的干涉仪。
图1-2 3db耦合器
当一真空中波长为0的光入射到长度为L的光纤时，若以其入射端面为基准，则出射光的相位为
2L/0K0nL
式中，K0为光在真空中的传播常数；n为纤芯折射率。
由此可见，纤芯折射率的变化和光纤长度L的变化都会导致光相位的变化，即
K0(nLLn)
3dB耦合器：
如图所示，圆圈内的两股光纤是融合到一起的，所以输入为1，输出就为0.5，故称为3dB耦合器。
10lgP1P010lg0.5P0P03.01
1.5.2 频率调制
光纤传感中的相位调制（或强度调制、偏振调制）是通过改变光纤本身的内部性能来达到调制的目的，通常称为内调制。而频率（或波长调制），基本上不是以改变光纤的特性来实现调制。因此，在这种调制中光纤往往只起着传输光信号的作用，而不是作为敏感元件。
一、光学多普勒频移原理
（1）相对论多普勒频移基本公式
光学中的多普勒现象是指由于观察者和目标的相对运动，使观察者接受的光波频率产生变化的现象。
f1f1v/c2121v/ccosf1v/ccos
式中，c为真空中的光速；为物体至光源方向与物体运动方向的夹角。
上述公式是相对论多普勒频移的基本公式。但是，一般最关心的还是物体所散射的光的频移，而光源与观察者是相对静止的。对于这种情况，可以作为双重多普勒来 考虑。
图1-3 多普勒频移
当物体相对于光源以速度v运动时，在P点所观察到的光频率为上面公式：
f1f1v/c2121v/ccosf1v/ccos1
在Q处观察到的光频率f2为
f2f11v/c由于v＜＜c，所以上式写成
f2f2121v/ccosf1v/ccos2
1(v/c)cos1cos2
二、光纤多普勒技术
利用光纤多普勒频移原理，利用光纤传光功能组成测量系统，可用于普通光学多普勒测量装置不能安装的一些特殊场合，如密封容器中流速的测量和生物体中液体的测量。
1.6 光纤位移传感器
一、简单的光纤开关、定位装置
最简单的位移测量时采用各种光开光装置进行的，即利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置，如定位、技术，或者是判断某种情况。测量精度最低，它只反映极限位置的变化，其输出是跳变的信号。
图1-4 简单的光纤开关、定位装置
（a）计数装置；（b）编码器装置；（3）定位装置；（4）液位控制装置
二、移动球镜光学开关传感器
图1-5所示为一种移动球镜位移传感器原理图，这是一种高灵敏度面位移检测装置。当球透镜在平衡位置时，从两个接收光纤得到的光强I1和I2是相同的。如果球透镜在垂直于光路方向上产生微小的位移，两光强将发生变化。光强比值I1I2的对比数值与球透镜位移量x呈线性关系，而光强的比值I1I2与初始光强无关。即：
lgI1I2kx
图1-5 移动球镜位移传感器原理图
三、光纤自动测位装置
温度传感器课程设计 篇6
当选择一个温度传感器的时候，将不再限制在模拟输出或数字输出装置。与你系统需要相匹配的传感器类型现在又很大的选择空间。市场上供应的所有温度感应器都是模拟输出。热电阻，RTDs和热电偶是另一种输出装置，矽温度感应器。在多数的应用中，这些模拟输出装置在有效输出时需要一个比较器，ADC，或一个扩音器。因此，当更高技术的集成变成可能的时候，有数字接口的温度传感器变成现实。这些集成电路被以多种形式出售，从超过特定的温度时才有信号简单装置，到那些报告远的局部温度提供警告的装置。现在不只是在模拟输出和数字输出传感器之间选择，还有那些应该与你的系统需要相匹配的更广阔的感应器类型的选择，温度传感器的类型：
图一：传感器和集成电路制造商提供的四中温度传感器
在图一中举例说明四种温度感应器类型。一个理想模拟传感器提供一个完全线性的功能输出电压（A）。在传感器（B）的数字I/O类中，温度数据通常通过一个串行总线传给微控制器。沿着相同的总线，数据由温度传感器传到微控制器，通常设定温度界限在引脚得数字输出将下降的时候。当超过温度界限的时候，报警中断微控制器。这个类型的装置也提供风扇控制。
模拟输出温度传感器：
图2 热阻和矽温度传感器这两个模拟输出温度探测器的比较。
热电阻和矽温度传感器被广泛地使用在模拟输出温度感应器上。图2清楚地显示当电压和温度之间为线性关系时，矽温度传感器比热阻体好的多。在狭窄的温度范围之内，热电阻能提供合理的线性和好的敏感特性。许多构成原始电路的热电阻已经被矽温度感应器代替。
矽温度传感器有不同的输出刻度和组合。例如，与绝对温度成比例的输出转换功能，还有其他与摄氏温度和华氏温度成比例。摄氏温度部份提供一种组合以便温度能被单端补给得传感器检测。
在最大多数的应用中，这些装置的输出被装入一个比较器或A/D转换器，把温度数据转换成一个数字格式。这些附加的装置，热电阻和矽温度传感器继续被利用是由于在许多情况下它的成本低和使用方便。数字I/O温度传感器： 大约在五年前，一种新类型温度传感器出现了。这种装置包括一个允许与微控制器通信的数字接口。接口通常是12C或SMBus序列总线，但是其他的串行接口例如SPI是共用的。阅读微控制器的温度报告，接口也接受来自温控制器的指令。那些指令通常是温度极限，如果超过，将中断微控制器的温度传感器集成电路上的数字信号。微控制器然后能够调整风扇速度或减慢微处理器的速度，例如，保持温度在控制之下。
图3：设计的温度传感器可遥测处理器芯片上的p-n结温度
图4。温度传感器可检测它自己的温度和遥测四个p-n结温度。
图5。风扇控制器/温度传感器集成电路也可使用PWM或一个线性模式的控制方案。
在图4中画是一个类似的装置：而不是检测一个p-n结温度，它检测四个结和它的自己内部的温度。因此内部温度接近周围温度。周围温度的测量给出关于系统风扇是否正在适当地工作的指示。
在图5中显示，控制风扇是在遥测温度时集成电路的主要功能。这个部分的使用能在风扇控制的二个不同的模式之间选择。在PWM模式中，微处理控制风扇速度是通过改变送给风扇的信号周期者测量温度一种功能。它允许电力消耗远少于这个部分的线性模式控制所提供的。因为某些风扇在PWM信号控制它的频率下发出一种听得见的声音，这种线性模式可能是有利的，但是需要较高功率的消耗和附加的电路。额外的功耗是整个系统功耗的一小部分。
当温度超出指定界限的时候，这个集成电路提供中断微控制器的警告信号。这个被叫做过热温度的信号形式里，安全特征也被提供。如果温度升到一个危险级别的时候温控制器或软件锁上，警告信号就不再有用。然而，温度经由SMBus升高到一个水平，过热在没有微控制器被使用去控制电路。因此，在这个非逻辑控制器高温中，过热能被直接用去关闭这个系统电源，没有为控制器和阻力潜在的灾难性故障。
装置的这个数字I/O普遍使用在服务器，电池组和硬盘磁碟机上。为了增加服务器的可靠性温度在很多的位置中被检测：在主板（本质上是在底盘内部的周围温度），在处理器钢模之内，和在其它发热元件例如图形加速器和硬盘驱动器。出于安全原因电池组结合温度传感器和使其最优化已达到电池最大寿命。
检测依靠中心马达的速度和周围温度的硬盘驱动器的温度有两个号的理由：在驱动器中读取错误增加温度极限。而且硬盘的MTBF大大改善温度控制。通过测量系统里面温度，就能控制马达速度将可靠性和性能最佳化。驱动器也能被关闭。在高端系统中，警告能为系统管理员指出温度极限或数据可能丢失的状况。
图6。温度超过某一界限的时候，集成电路信号能报警和进行简单的ON/OFF风扇控制。
图7.热控制电路部分在绝对温标形式下，频率与被测温度成比例的产生方波的温度传感器
图8。这个温度传感器传送它的周期与被测温度成比例的方波，因为只发送温度数据需要一条单一线，就需要单一光绝缘体隔离信道。
模拟正温度感应器
“模拟正量”传感器通常匹配比较简单的测量应用软件。这些集成电路产生逻辑输出量来自被测温度，而且区别于数字输入/输出传感器。因为他们在一条单线上输出数据，与串行总线相对。
在一个模拟正量传感器的最简单例子中，当特定的温度被超过的时候，逻辑输出出错：其它，是当温度降到一个温度极限的时候。当其它传感器有确定的极限的时候，这些传感器中的一些允许使用电阻去校正温度极限。
在图6中，装置显示购买一个特定的内在温度极限。这三个电路举例说明这个类型装置的使用：提供警告，关闭仪器，或打开风扇。
当需要读实际温度时，微控制器是可以利用的，在单线上传送数据的传感器可能是有用的。用微处理器的内部计数器，来自于这个类型温度感应器的信号很容易地被转换成温度的测量。图7传感器输出频率与周围温度成比例的方波。在图8中的装置是相似的，但是方波周期是与周围温度成比例的。
图9。用一条公共线与8个温度传感器连接的微控制器，而且从同一条线上接收每个传感器传送的温度数据。
图9，在这条公共线上允许连接达到八个温度传感器。当微控制器的I/O端口同时关闭这根线上的所有传感器的时候，开始提取来自这些传感器的温度数据。微控制器很快地重新装载接收来的每个传感器的数据，在传感器关闭期间，数据被编码。在特定时间内每个传感器对闸口脉冲之后的时间编码。分配给每个感应器自己允许的时间范围，这样就避免冲突。
通过这个方法达到的准确性令人惊讶：0.8 是典型的室温，正好与被传送方波频率的电路相匹配，同样适用于方波周期的装置。
这些装置在有线电线应用中同样显著。举例来说，当一个温度传感器被微控制器隔离的时候，成本被保持在一个最小量，因为只需要一个光绝缘体。这些传感器在汽车制造HVAC应用中也是很有效，因为他们减少铜的损耗数量。温度传感器的发展：
集成电路温度传感器提供各式各样的功能和接口。同样地这些装置继续发展，系统设计师将会看见更多特殊应用就像传感器与系统接口连接的新方式一样。最后，在相同的钢模区域内集成更多的电子元件，芯片设计师的能力将确保温度传感器很快将会包括新的功能和特殊接口。
总结
通过这些天的查找资料，我了解了很多关于温度传感器方面的知识。我的大家都知道温度的一些基本知识，温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。利用温度所创造出来的传感器即温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。并且从资料中显示温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，在本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
这些天,我通过许多的资料了解到两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称它为“热电偶”。我查找的资料显示数据:不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏／℃之间。
热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。
温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。
非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可以用来测量运动物体、小目标还有热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可以用于测量温度场的温度分布。资料显示，最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法、辐射法和比色法。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体所测温度才是真实温度。如果想测定物体的真实温度，就必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取绝于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关连，因此很难精确测量。在自动化生产中我发现往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，这样才能提高有效发射系数。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即是介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。现在，我通过这些天的努力，了解了很多温度传感器及其相关的一些传感器的知识。他们在我们生活中的应用及其广泛，我们只有加紧的学习加紧的完成自己所学专业的知识，了解相关的最新信息，我们才能跟上科技前进的步伐。
参考文献：
光纤温度传感器 毕业论文 篇7
分布式光纤传感器在实际应用中存在温度和压力的交叉敏感问题,如何实现两者的同时解调已经成为当前研究的热点。
由于后向布里渊散射信号的光功率、频移分别与温度、应变呈线性关系[1],因此基于布里渊散射的分布式光纤温度、应变同时传感主要利用测量反斯托克斯光功率和频移的方式。已报道的采用这种方式进行解调的方法主要有如下3种:(1) 基于可调光纤马赫-曾德干涉仪(MZI)的直接检测法[1];(2) 采用频谱分析仪对外差检测进行分析的方法[1,2];(3) 利用可调本地参考光进行相干外差检测的方法[1]。直接检测法难以在复杂的环境下得到稳定的输出;外差检测法一般采用频谱分析仪进行数据处理,不利于实际应用;相干外差检测法需要调节本地参考光,使得系统较为复杂。
在以上方法的基础上,本文分析了一种基于微波电光调制(EOM)进行外差检测的方法。该方法与上述第2种方法的主要区别是加入了一个电光调制器,使得接收到的微波信号可以通过高速采样获得;与第3种方法的主要区别是通过对接收信号进行数值拟合来分析出布里渊散射光功率和频移,而不用可调本地参考光进行相干接收。
1 基本原理
基于微波EOM的外差检测式光纤传感系统如图1所示。激光器输出频率为f0的连续光,一路由EOM1调制为脉冲光耦合到传感光纤中;另一路由EOM2调制,输出光频率为f0+fe,其中fe为微波驱动频率。反射回来的散射光通过耦合器进入带宽为2 GHz的光电探测器进行外差检测。布里渊散射光频率为f0+fb,其中fb(fb>fe)为布里渊频移。在此系统中,通过微波EOM使探测到的光频率fb-fe为几十兆赫兹,所以可由高速采样及数值拟合获得微波信号的电场振幅和频率,从而计算出后向布里渊散射光功率及频移。在温度、应变改变时拟合出光功率、频移的改变量所对应的变化系数,用来解调温度和应变。
1.1 自发布里渊散射
在光纤传感系统中,影响自发布里渊散射的主要因素包括入射光功率P0、布里渊后向散射因子S、布里渊散射损耗系数αb和光纤中的纵模声速Va。散射光功率Pb和频移fb[2]分别为
式中,α0为输入脉冲光在光纤内的损耗系数;L为散射光反射点距入射端的距离;W为光脉冲宽度;V为光在光纤中的传输速度;n为光纤纤芯折射率;λ0为光脉冲波长。
光纤沿线温度或应变改变时,引起纤芯折射率n、光纤材料密度ρ、泊松比k和杨氏模量E改变,而这些参数与S、ab、Va息息相关,具体如下[2]:
式中,Aeff为光纤的有效面积;K为玻耳兹曼常数;Tf为绝对温度;P12为弹光系数;E、n、ρ和k随温度和应变变化的函数分别如下:
式中各参数分别如表1、2、3所示。
由式(1)、(2)和(6)可以看出,温度和应变的变化将引起自发布里渊后向散射光功率和频移线性变化,即与Pb和fb的关系呈线性,可表示为以下矩阵形式:
式中,CPT、CfT、CPε和Cfε分别为光功率和频移改变量所对应的变化系数。因此,如果得到光纤沿线的自发布里渊后向散射光功率和频移的变化,通过式(7)即可解调出温度和应变信息。
1.2 外差检测
利用自发布里渊散射光和微波EOM输出光进行外差接收,设两束光的光场分别为
式中,Eb、Ee分别为散射光和EOM输入光光场振幅;Φb、Φe为初始相位。则通过耦合器后的光功率为[4]
由于式(9)中含有f0的项均为几百太赫兹,而fb-fe项为几十兆赫兹,所以采用2 GHz的EOM,只能接收到直流部分和fb-fe频率部分。分析中假设两束光的初始相位均为零,则检测到光功率为
令
对式(10)所表达的接收信号进行分析,提取直流项和交流项,得到布里渊散射光频移,通过式(11)计算出布里渊散射光功率,代入式(7)即可解调出温度和应变。
2 数值分析
在系统模型中,参考相关理论与实验[3,5],假设波长λ0=1 550 nm、峰值功率P0=10 mW、输入光脉宽W=100 ns,传感光纤长度为L=10 km,散射光功率中加入24 dB高斯白噪声。由于布里渊频移为11.2 GHz,为满足空间分辨率10 m范围内数据拟合所需信号周期数,微波驱动频率设为fe=11.15 GHz,此时外差接收到的微波信号最小频率为50 MHz,通过估计最大频移量,选择600 MHz高速采样。对返回的布里渊散射光进行外差检测,将所得微波信号累加5 000次去噪,拟合计算出式(7)中系数矩阵;并在距光纤始端500～510 m处施加2 500 με的应变(温度为50℃)进行解调。
在温度为0℃时,由应变变化导致的布里渊散射光频移和功率改变如图2所示,图中三角形是依据经验公式(1)、(2)计算得到的布里渊散射光频移和功率的理论值,圆点是对外差检测所得离散信号通过数字信号处理分析得到的散射光频移和功率,直线是对圆点拟合所得。由图可以看出,在应变>4 000 με时,所得散射光频移和功率出现了误差,因为此时接收到的微波信号频率接近300 MHz,所以采样频率不足而影响了解调的准确性。而在应变<4 000 με的8个数据点,解调结果与理论值吻合,通过对这8点拟合得到式(7)中系数矩阵的第2列系数分别为Cfε=0.053 59 MHz/με、 CPε=9.82×10-4%/με,与文献已报道的实验结果Cfε=0.048 3 MHz/με、CPε=(7.7±1.4)×10-4%/με[5]基本相符。
在应变为0 με时,由温度变化导致的布里渊散射光频移和功率改变如图3所示。从图中可以看出所得频移、功率都与理论值相符,因为温度在0～100℃范围内变化对频移的影响不大,接收到的微波信号频率没达到300 MHz,采样频率足够,所以能准确解调。通过拟合得到式(7)中系数矩阵的第1列系数分别为CfT=1.301 3 MHz/℃、CPT=0.34%/℃,与文献已报道的实验结果CfT=1.1 MHz/℃、CPT=0.36%/℃[5]基本相符。
在以上对系统模型进行数值分析所得的系数矩阵的基础上,利用其对温度和应变解调,分别做如下两种误差分析:
(1) 当温度恒定为50℃、应变在0～4 500 με范围内变化时,解调所得温度如图4所示。由图4(a)可看出,600 MHz采样频率下,应变在0～3 500 με范围内时,对温度的解调精度为1℃,而应变>3 500 με时,对温度解调出现较大误差。由图4(b)可以看出,1 GHz采样频率下,应变变化在0～4 500 με范围内时,对温度的解调精度均为1℃。
(2) 当应变恒定为2 500 με、温度在0～100℃范围内变化时,解调所得应变如图5所示。由图5(a)可以看出,采样频率为600 MHz时,0～90℃范围内对应变的解调精度为100 με,而100℃点处出现较大误差,原因是2 500 με和100℃共同作用产生的微波信号频率已经接近300 MHz,所以采样频率不够。由图5(b)可以看出,采样频率为1 GHz时,对应变的解调精度均为100 με,且随温度增高误差变大。
误差分析表明,随着温度的升高或应变的增大,接收端微波信号频率增高,要实现稳定的解调精度,对采样频率的要求进一步提高。
3 结束语
本文研究了应用于自发布里渊散射光纤传感系统中的一种利用外差检测进行温度和应变同时解调的方法,通过高速采样获得外差检测的信号。分析了温度、应变对布里渊散射光功率、频移的影响程度,并计算了解调精度。当温度、应变改变太大时,对采样频率的要求随之提高,这在一定程度上限制了两者的最大解调范围。
参考文献
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