（信号与信息处理专业论文）光纤温度传感器用于电力高压开关在线监测的研究.pdf

摘要 由于高压开关的触点和母线处于高电位，每相对地和不同相之问都存在很高的电压，所以直接 检测高压开关触点和母线的温度一直是电力系统检测中的难题。本文针对当前电力系统的实际情况 及需要提出了一种简单可行的测温新方法：位移光强度调制型光纤温度传感器，并对传感头的结构 进行了设计。实验结果表明，该方案是可行的。该测量系统具有良好的电绝缘性和抗电磁干扰的能 力，而且测温元件尺寸小，整个系统结构简单，成本低，安装方便。 论文的第一章分析了课题的研究背景，提出了光纤温度传感器用于高压开关在线监测的方案。 第二章对光纤温度传感器的基本原理作了介绍，重点讨论和分析了光纤、光源和光电探测器的 原理及性能，以及强度调制型光纤温度传感器的原理。它们是光纤传感器的重要组成部分，对测温 系统的稳定性和测量精度具有重要的作用。 第三章通过分析、比较并结合实际条件，提出了遮光式光纤温度传感探头的具体设计方案，同 时，介绍了系统采用的光路补偿技术的原理。 第四章详细描述了整个监测系统的设计与实现。硬件方面，较详细地介绍了所用元件的性能和 原理：软件方面，给出了系统实现的程序流程图。 第五章对系统进行了测温实验，验证了本系统理论的正确性和工程的可行性。 晟后，进行了全文的总结和展望。 关键词：光纤温度传感器强度调制双光路补偿单片机 i a b s t r c t a b s t r c t t h ev e r yh i g hv o l t a g eb e t w e e nt h ec o n t a c t so fh i g h - v o l t a g es w i t c ho rb e t w e e nh i 曲一v o l t a g eb u s e s m a k e st h ed i r e c tm e a s u r e m e n to fi t st e m p e r a t u r eav e r yd i f f i c u l tp r o b l e mw h i c hh a sn o tb e e ns o l v e di n p r a c t i c es of a r b a s e do nt h ef a c to fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sao e ws i m p l em e t h o d ： d i s p l a c e i n t e n s i t ym o d u l a t e df i b e r o p t i ct e m p e r a t u r es e n s o li t sf e a s i b i l i t yi sp r o v e dv i ae x p e r h n e n t s t h e s e n s o ri sa ni n s u l a t o ri t s e l fa n di ss m a l l ，s oi th a st h ea d v a n t a g e so fl o w p r i c e ，s i m p l e - s t r u c t u r e ，a n d w i t h o u te l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e a tl h eb e g i n n i n g ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h eb a c k g r o u n da b o u tt h er e s e a r c ho ft h ep r o b l e m a n d g i v e sap r o j e c tt os o l v ei t t h ep r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c eo ft h ef i b e r , l a m p - h o u s e ，p h o t o e l e c t r i cd e t e c t o ri sd i s c u s s e di nd e t a i l s i nc h a p t e r2 a n dt h ep r i n c i p l eo ft h ei n t e n s i t ym o d u l a t e df i b e r - o p t i cs e n s o ri sg i v e n ，t h e ya r ei m p o r t a n t p a r t so f t h ef i b e r - o p t i cs e n s o r ，a n da f f e c tt h es t a b i l i t ya n dp r e c i s i o no f t h es y s t e m i nc h a p t e r3 ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r da ni d i o g r a p h i c p r o j e c tt h r o u g ha n a l y s i s ，c o m p a r e ，a n d c o m b i n e dw i t hp r a c t i c e a tt h es a m et i m e ，t h ek n o w l e d g ea b o u td o u b l eo p t i c a l p a t hc o m p e n s a t i o ni s d i s c u s s e dt o o i nc h a p t e r4 ，t h ep a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o n so ft h es y s t e m ，i n c l u d e dt h ep r i n c i p l ea n d p e r f o r m a n c eo f t h ep a r t sw h i c hn e e d e d ，a n ds o f t w a r er i o wc h a r t i nc h a p t e r5 ，t h ed i s s e r t a t i o nv a l i d a t e sa c a d e m i c v a l i d i t ya n dp r o j e c tf e a s i b i l i t yt h r o u g he x p e r i m e n t s f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e ss u m m a r i z a t i o na n de x p e c t a t i o n k e y w o r d s ：f i b e r o p t i ct e m p e r a t u r es e n s o r d o u b l eo p t i c a lp a t hc o m p e n s a t i o n i i i n t e n s i t ym o d u l a t e d s i n g l e c h i p 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：逸趟日期：塑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 一虢纽翮虢糊 日期：川 兰二童堕堡 一 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 安全、稳定的运行是电力系统控制的根本目标，它关系到整个国民经济的发展和人民生活的稳 定。随着现代电力向着高电压、大机组、大容量的迅速发展，对电力系统供电可靠性的要求越来越 高。影响电力系统安全运行的因素很多，其中一个重要的方面是电气设备自身的安全运行问题。由 于绝大多数电气设备采用封闭式结构，散热效果差，热积累大，并长期处于高电压、大电流和满负 荷运行，其结果造成热量集结加剧，温升直接威胁电气设备的电气绝缘。 高压开关柜作为发电厂、变电站中的重要设备，起着关合及开断电力线的作用，用来实现输送 及倒换电力负荷、以及从电力系统退出故障设备和线段，从而保证电力系统安全运行1 1 j 。在高压开 关柜的长期运行过程中，开关柜中的触点和母线排连接处等部位因老化和接触电阻过大而发热，而 这些发热部位的温度无法监测，由此最终导致火灾事故。近年来，在电厂和变电站已经发生多起开 关柜过热事故，造成火灾和大面积的停电。因而对全封闭的高压开关电器，检测和监视高压开关触 点、母线排连接处的工作温度，提前发现和排除热故障隐患，对电力系统的安全可靠运行具有非常 重要的意义。电气设各温度的实时监；受1 l 己成为电力系统中电气设备安全运行所急需解决的实际问题， 是提高电气设各可靠性和节约能源的迫切需要，也是电力生产科技进步的必然要求。 本课题主要对高压开关触头温度的在线监测问题进行研究，对于保障高压开关电器的安全运行 具有重要的实际工程意义，为高压电器设备实现智能测温提供了一条有效途径。 1 2 光纤温度传感器的研究现状刚 温度测量是测控技术中的一个主要分支，在国民经济各领域中占有重要的地位。人们的日常生 活、工农业生产和科学实验等许多方面都与温度测量有着十分重要和密切的关系。温度测量在工业 生产中约占需要检测量的3 0 ，如何对各种不同场合下的温度量进行准确可靠的测量，一直是人们 关注的重点。随着科学技术的进步和生产力的发展，对温度的精确测量提出了更高的要求。人们在 不断完善热电偶等传统测温技术的同时，也在探索研制新的温度测量方法和仪器。虽然采用传统技 术生产的各种温度测量仪已经成功地应用于各个领域，然而，在特殊场合和环境下，又暴露出不同 的缺点，甚至存在不可克服的技术难题，而不能适用。为此，需要研制新型的温度测量仪表。 温度的光纤传感与测量技术是仪器仪表领域新的发展方向。国际上早在1 9 7 0 年就开始了光纤传 感器的研究，至今已有百余种光纤传感器问世。据统计，有关光纤传感器的出版物在欧美就超过5 0 0 种。从1 9 8 6 年起，欧美各国在该课题上的投资都保持着l o o p a 上的年增长率。在光纤温度传感器 的研究方面，国外光纤高温传感器已可探测2 0 0 0 y ：的温度，灵敏度可达至性l 。普通光纤温度传感 器在- 1 0 c 3 0 0 c 测温范围内精度可达1 c - - 3 。c ，响应时间为2 s 。用于低温范围的光纤温度传感 东南大学硕士论文 器可测0 1 的变化。利用半导体材料的吸收光谱随温度改变的特性而制成的光纤温度传感器已达到 j - 0 5 的测量精度，日本己成功使用g a a s 光纤温度传感器实现了电机车车载变压器绕组温度的测 量，美国和加拿大等国也有同类产品推向市场。日本松下电气公司已经成功研制出光纤温度计、高 精度光纤测温仪( 测量范围1 0 4 0 * c ，测量精度士o 0 5o c ) ；日本l e x 公司研制的红外光纤温度计 等早己成功打入市场；英国l a n d 公司成功研制了红外辐射温度传感器，并配有l a n p a e k 信息处 理器；美国试用中的单晶蓝宝石光纤温度计可测量2 0 0 0 c 的高温，精度比热电耦高1 0 倍；加拿大 北方电讯公司生产的以测量转折频率为原理的系列光纤测温仪，也于近年进入市场。与国内同类光 纤传感器相比，国外光纤温度传感器的性能较好，己形成了系列产品，但价格相对较高。 我国光纤传感器技术的研究相对晚一些，但发展也很迅速。很多科研单位相继展开了这方面的 研究，有关译文、论文的数量逐年最多，研究的深度逐渐加大，出版物逐渐丰富，相关的产品也早 己成功投放市场。近年来在国内兴起的光纤温度传感器，更是因其优异的抗干扰和安全性能而在高 压领域独树一帜。北京钥铁学院研制成功的h t - y 3 多模光纤温度测量仪有便携式、台式共2 2 种系 列产品投放市场，其温度测量范围为8 0 0 1 8 0 0 。c ，精度可达土1 ，经2 0 多个钢铁厂在恶劣环境中 使用，反映性能可靠稳定：上海市光纤通信工程公司研制的光纤测温报警仪已可小批量生产；清华 大学和西安光机所也己研制出高温型光纤测温仪；西安交通大学检测技术及自动化教研室也早在 1 9 9 7 年就已经开始了光纤温度传感器的研究工作，取得了可喜的成果。 纵观我国光纤温度传感器的开发现状，光纤温度传感器的研究在理论上已很成熟，但从总体水 平而论尚处于产品化阶段，研究主要集中在大专院校和科研院所。由于国内缺少光纤传感用器件， 传感器加工条件也十分有限，很多传感器都是研究机构自主开发的，加工精度不高，影响了稳定性 和测量精度，限制了光纤传感器的发展。目前国内光纤温度传感器普遍存在工作不稳定的问题，本 课题所研究的遮光式光纤温度传感器也是如此，这种强度调制型光纤传感器使用光纤作为传光媒介， 很容易受到其他环境因素的干扰，例如光纤的弯曲。光源的不稳定性是影响强度调制型光纤传感器 测量结果最主要的因素，除此之外还有探测器的噪声和温度漂移，以及温度传感头在温度场中的形 变因素对光信号的影响。围绕这些不稳定因素，国内外都开展了深入的研究，除了不断研究新的更 具稳定性的光纤温度传感器，目前已出现多种补偿方法，对提高大多数光纤传感器的稳定性有很大 帮助。其中针对光路信号补偿的方法研究的最多，这种补偿方法对消除光路的不稳定因素最为有效， 己成为解决光纤传感器稳定性的一条新的出路。 1 3 光纤温度传感器在高压开关在线监测中的应用 目前电力系统所用的测温方法主要有热电阻测温、热电耦测温和红外测温f 6 4 】。由于高压开关触 头和母线排连接处处于高电压、高温度、高磁场以及极强的电磁干扰环境中，而热电阻、热电偶都 需要金属导线传输信号，这就会产生严重的问题。首先，电导线会对环境产生电磁扰动引起高 压短路，扰乱磁场的均匀性或使入射微波反射：其次，在高频交变场中，导线会拾取噪声并被感生 涡流加热。电导线的热导还会导致被测温度的扰动，从而无法在高压开关柜内的触点上使用。红外 测温虽然为非接触式测温，但它只能测量设各的表面温度，并且易受环境温度及周围磁场的干扰， 2 第一章绪论 需要人工操作，无法实现在线测量，而且开关柜内的空问非常狭小，无法安装红外测温探头( 因为 探头必须与被测物体保持一定的安全距离，并需要正对被测物体的表面) 。这就使我们不能准确地了 解高压开关柜运行时的实际温度，使用部门只好凭经验处理，使得有些状态完好的设备不能满负荷 运行，造成浪费，而有些设备内部发生局部过热却仍在“带病”运行，长期使用会对设各造成严重的 损坏。 光纤传感技术是近十年来在世界上兴起的一门新型检测技术，它是以光电子学器件为基础，以 光纤通信和集成光学技术为前提发展起来的，已经成为近代检测技术的发展方向之一，具有巨大的 开发潜力和应用前景。它的出现为解决电力系统中电气设备的温度检测提供了一条新的途径，与传 统的各类温度传感器相比，光纤温度传感器具有一系列独特的优点，使用光纤作为传输和传感信号 的载体，有效克服了电力系统环境中存在的强电磁干扰。光纤本身是很好的绝缘材料，可以避免引 起高电压的危险和电磁干扰。另一方面，被测电气设备的温度采用在线检测，检测装置应能快速反 应，光纤温度传感器就具有很高的反应速度，完全能够满足电力设备检测的需要。再一个就是光纤 具有很好的挠曲性，直径小、重量轻，可以深入到常规传感器所不能达到的部位进行检测。这些特 点决定了光纤温度传感器在电力系统温度测量方面的突出优势，是高压电器设备温度测量的主要技 术方向。本课题研究的就是光纤温度传感技术在高压开关柜触点和母线排连接处的温度实时在线监 测的应用。 1 4 课题的意义f 1 】【7 i 由于光纤温度传感器的优秀特点，使得它不仅能够在恶劣环境中使用，而且还能做到真正的接 触测量，从而使得测量结果能真正反应被测设备的真实工作状况，对该设备能否继续安全稳定地运 行具有直接的判断价值。如果有问题、异常也能及时发现，从而得到及时的处理，使事故被消灭在 发生之前，使缺陷被消除在萌芽状态，真正落实预防为主的方针。 由于被测设备不必退出运行就能接受测试，显然增加了设备的可用时间，再加上能及时消除缺 陷，不至于积小成大，甚至积重难返，减少了检修工作量，延长了设备使用寿命，大大提高了设备 的可用时间，提高了设各的可靠性和供电可靠率。 在线监测技术的开发，推动了电力设备运行维护水平的提高，减少了维护人员的劳动强度，对 部分设各采用根据监测结果确定停电检修周期的方法，为从预防性试验向状态检修方向过渡积累了 经验。另一方面，由于引进了先进的电子技术、信息处理技术，使得在线监测更具有先进性、实用 性，推进了电力设备的绝缘监督方法的革新。 将现代网络的设计思想融入测控系统中，既能实现信息的集中统一管理，又能节约大量的人力 物力，这是现代测控技术发展的方向，也是最近几年来测控技术的研究热点之一。 在线监测技术的开发和应用，提高t i g _ 9 管理的智能化程度，加快了设备运行状态的信息反馈， 缩短了故障判断和处理的时间，提高了工作效率，减少了因停电造成的经济损失，并为实现无人值 守变电站创造了条件。 东南大学硕士论文 1 5 课题的目的和任务 本文深入研究了光强度调制的基本原理，针对当前电力系统的实际情况及需要提出了一种简单 可行的测温新方法基于位移光强度调制的遮光式光纤温度传感器。由于此方法所使用的测温元 件是全绝缘、小尺寸的光纤温度传感探头，可以用在高压电气设备上直接测出高压电气设备的内部 温度。而且，它还具有结构简单、成本低、安装方便等优点，通过传感阵列还可必把测量数据送到 监控中心进行集中管理，节省了大量的人力物力，提高了效率。同时在系统设计中采取了一种双光 纤参考基准通道法的光路补偿技术，来解决传感器光路的扰动问题。在此基础上搭建了光路系统， 设计和制作了传感探头，完成了系统电源、光源驱动电路、光电转换电路和单片机数据采集与处理 系统等硬件电路的设计与调试工作，开发了数据处理系统的应用软件，进行了系统实验。实验证明， 本课题研究的光纤温度传感器可以实行在线监测，有利于及时发现险情，防止重大事故的发生。 本课题研究的主要工作包括： 1 、传感探头的材料选择、结构设计与制作。要求能输出稳定的信号，对机械、光学、电路等方 面的干扰不敏感；工作寿命长，调试方便；在满足精度要求的前提下，尽可能使结构简单，制作容 易。 2 、元器件的选择。包括光源的选择、光探测器的选择、光纤的选择。 3 、消除光源强度的波动、光纤的损耗、耦合损耗对系统测量精度的影响。通过引入参考光纤， 利用光源及环境对参考光纤和测量光纤产生同样影响的机理，将测量信号与参考信号相比较，即可 消除一定程度的外界干扰，提高测量精度。 4 第二章光纤温度传感器的基本原理 第二章光纤温度传感器的基本原理 2 1 光纤传感器及其特点1 光纤( o p t i c a lf i b e r ) 是2 0 世纪后半叶人类的重要发明之一。它与激光器、半导体光电探测器 一起构成了新的光学技术，即光电子学新领域。光纤的最初研究是为了通信。 在光通信系统中，光纤是用作远距离传输光波信号的媒质。但是在实际传输过程中，光纤易受 到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环境条件的变化将引起光波量( 如光强度、 相位、频率、偏振态等) 的变化。因此人们发现，如果能测出光波量的变化，就可以知道导致这些 光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小，于是出现了光纤传感技术。本文研究的是温度对 光纤中传播的光波量的影响，即温度传感技术。 光纤传感，包括对外界信号( 被测量) 的感知和传输两种功能。所谓感知，是指外界信号按其 变化规律使光纤中传输的光波物理特征参量发生变化，测量光参量的变化就是“感知”外界信号变化 的过程。这种“感知”实际是外界信号对光纤中传播的光波实施了调制。所谓传输，是指光纤将受外 界信号调制的光波传输到探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理， 也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号( 被泓量) 如何调制 光纤中的光波参量的调制技术和如何从己被调制的光波中提取外界信号( 被测量) 的解调技术。 光纤传感器是光纤成功地应用于通信之后发展起来的一项高科技技术。是光纤和光通信技术迅 速发展的产物，它与以电为基础的传感器相比有本质的区别。光纤传感器用光而不用电来作为敏感 信息的载体；用光纤而不用导线来作为传递敏感信息的媒质，因此，它同时具有光纤及光学测量的 一些极其宝贵的特点： 1 、抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息，比一般 的电磁辐射频率要高得多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响，光纤与光纤之间串干 扰也非常小；光纤本身是用高绝缘的介质制成的，而且光纤传感器中的敏感元件也一般用绝缘材料 傲成，因此是完全电绝缘的：制作光纤的石英材料有着很高的化学稳定性，应用这些稳定的光纤构 成的传感器化学稳定性能极其稳定，耐腐蚀、安全。所以光纤传感器可以方便有效地用于各种大型 机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。 2 、灵敏度高，动态范围大。这是光纤传感器的显著特点之一。其中有的已由理论证明，有的 已经实验验证，如测量水声、加速度、磁场等物理量的光纤传感器，测量各种气体浓度的光纤化学 传感器和测量各种生物量的光纤生物传感器。 3 、重量轻、体积小、可挠曲。光纤除具有重量轻、体积小的特点外还有可挠曲能优点，因此 可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器，有利于航空航天以及狭窄空间的应用。 4 、测量对象广泛。目前已有性能不同的测量各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用， 5 、对被测介质影响小，具有非侵入性。它不仅对电磁场是非侵入式的，而且对速度场也是非 侵入式的，故它对被测场不会产生干扰。这对于弱电磁场及小管道内流速、流量等的监测特别具有 5 东南大学硕士论文 实用价值，有利于在生物、医药卫生等具有复杂环境的领域中厦_ h j 。 6 易于实现对测量的远距离监控，便于复用成网，有利于与现有的光通信设各组成遥测网和 光纤传感网络。这对于工业生产过程的自动控制以0 羔二二警：北彝_ 被删对象 及对核辐射、易燃易爆气体和大气污染等进行监测 j 生垄：i 堡妒专等暑_ 鼍曩j f i 焉l _ 尤为重要。帝；萄舀i 箨；! j j 薹。二。三 。三曩重 7 成本低，有些种类的光纤传感器的成本将 j 翁嘉童i i i 街； ：l ij 薯_ ；_ ：_：_ | 大大低于现有同类传感器。 。 j 鼻| _ 。： i 正是由于光纤传感器具有许多独特的优势，可誊凳蒌基誉；翟霉羔量鎏i i ；! ! ：蒌 以解决许多传统传感器无法解决的问题，故自问世 = = 。= ；：= = 蒿誓 _ ；_ _ = _ _ 1 。；。l l ! ! ! ! 翻_ 以来，就被广泛地应用到医疗、交通、电力、机械、i 娄肆垂掣薯l _ _ i _ _ 曩i _ _ 孽 一l 石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。 一远谴毒意j ；。 动。薯一二i _ = ：； 2 2 光纤传感器的组成 j 被测对象 麟攀攀豢镧l _ ， i 互：譬山。l 通常情况下，光纤传感器由光纤、光源积光探 测器3 部分组成，如图2 1 所示。图2 ，1 光纤传感器的组成 2 2 1 光纤f 9 4 2 1 1 光纤的结构 光纤是一种由高透明的石英( 或其它材料) 经 复杂工艺拉制而成的光波导材料。光纤的典型结 纤芯 包层 涂敷层 护套：二 构为多层同轴圆柱体，一般是由折射率较高的纤芯、 图2 - 2 光纤的剖面结构 折射率较低的包层以及涂敖层和护套构成，图2 - 2 是它的剖面结构示意图。纤芯和包层作为光纤结 构的主体，对光波的传播起着决定性作用。纤芯的折射率略高于包层的折射率，纤芯的直径一般为 5 1 5 0 ”m 。豫敷层与护套的作用是隔离杂散光、提高光纤强度、保护光纤等。在某些特殊应用场合 下不加涂敷层和护套的光纤称为裸光纤。通常人们又把较长的光纤称为光缆。 2 、光纤的分类 光纤的分类有多种方式，可以按光纤横截面上的折射率分布、光纤的传输模式、构成光纤的材 料成分、光纤的制造方法以及工作波长进行分类。 1 ) 按光纤横截面上折射率的分布分 根据纤芯到包层的折射率的变化规律，可将光纤分为阶跃型( 突变型) 和梯度型( 渐变型) 两种， 如图2 - 3 。设1 1 、1 1 2 分别是纤芯和包层的折射率，且n 1 略大于i 1 2 。阶跃型光纤在纤芯和包层交界处 的折射率呈阶梯型突变，折射率n l 、1 1 2 为均匀常数；渐变型光纤纤芯的折射率n l 随着半径的增加安 一定的规律逐渐减少，到纤芯和包层的交界处变为和包层折射率i 1 2 相同，纤芯的折射率不是均匀常 6 第二章光纤温度传感器的基本原理 数，而包层的折射率为均匀常数。无论阶跃型还是渐变型，我们都定义为光纤的相对折射率差 即 咒? 一岳 2 矿 其大小决定了光纤对光场的约束能力和光纤端面的受光能力。 霉翁 一邂糸 瞄l 曲 ( a ) 阶跃型( b ) 梯度型 ( 2 ，1 ) 图2 - 3 阶跃型光纤和梯度型光纤的横截面和折射率分布 按光纤的传输模式分 光波在光纤中传播存在模式问题。所谓模式是指传输线横向截面和纵向截面的电磁场分布形式。 模式不同。其分布也不同。根据光纤中传输的模式，可将其分为单模光纤和多模光纤两类。单模光 纤只能传输一种模式，其纤芯直径很小，通常在4 u m 1 0 u m 范围内，适合于大容量、长距离的光 纤通信。多模光纤可传输多种模式，其纤芯直径较粗，典型尺寸为5 0 u r n 左右。关于模式理论的详 细内容，可参阅有关文献资料。 3 ) 按构成光纤的材料分 按构成光纤的材料成分不同，可分为石英光纤、塑料包层石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光 纤等。 4 ) 按光纤的制造方法分 光纤的制造方法包括改进的化学汽相沉积法( m c v d ) 、等离子体激活化学汽相沉积法( p c v d ) 、 管外化学汽相沉积法、多组分玻璃制造法等。 5 1 按工作波长分 按工作波长不同可将光纤分为短波长光纤和长波长光纤两类。 3 光纤的导光原理 光是一种电磁波，般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而光学理论指出：在尺寸远大 于波长而折射率变化缓浸的空间，可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象，这对于 光纤中的多模光纤是完全适用的。为此，我们采用几何光学的方法来分析光纤的导光原理。 7 东南大学硕士论文 光纤是一种传输光的细丝，它能够将进入光纤一端的光线传到光纤的另一端。其原理是基于光 射线在纤芯和包层界面上的全反射现象。光纤中有两种光线，即子午光线和斜光线。子午光线是位 于子午面( 过光纤轴线的平面) 上的光线，而斜光线是不经过光纤轴线传输的光线。为简单直观起 见，以阶跃型光纤子午光线为例来说明光纤波导原理。 当光从一种介质射入另一种介质时，一般同时发生反射和折射现象。如果光从光疏介质( 折射 率较小) 射入光密介质( 折射率较大) 时，折射角小于入射角；如果光从光密介质射入光疏介质， 折射角将大于入射角，并且当光的入射角达到某个值时( 此时称为临界角，用0 。表示) ，光将不发 生折射，而是按反射定律被完全反射回来，这就是全反射现象。由于光纤纤芯的折射率n ，大于包层 的折射率n 2 ，因此光在光纤中传输时，在一定条件下会发生全反射现象，如图2 4 所示。根据斯乃 尔( s n e l l ) 定律可推出： 包= a r c s 访( ) 矮蓊囊霉篓。霉”一蘩紧 髅熬巍誊二娄淤燃攀 ； 图2 - 4 光纤的传光原理 与之相对应，光纤入射光的入射角e 也有最大值吃。所以有 n os i n o m “= 啊s i n o = n l c o s 由式( 2 2 ) 可得 s i n o 。= 2 1 = c o s o = o - s i n 2 p 结合式( 2 3 ) 可得 s i n 氏。= 音s i n 0 7 一- - 百1 ( 胛；一砖) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) n o s i n o r n “定义为光纤的数值孔径，用n a ( n u m e r i c a l a p e r t u r e ) 表示。它的平方是光纤端面集光 能力的量度。在空气中n o = l ，因此，对于一根光纤，我们有数值孔径 n a = ( 砰一聆；) ( 2 5 ) n a 是表示光纤波导特性的重要参数，它反映了光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率 8 第二章光纤温度传感器的基本原理 砌越大，集光能力就越大。但无论光源发射功率有多大，只有2 0 c 端角之内的光能被接收传输。 可以证明，当n a i 时，集光能力与n a 的平方成正比；当n a i l 时，集光能力达到最大。从式( 2 。4 ) 可以看出，纤芯与包层的折射率差越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力就越强。显然，n a 大 有利于耦合，但也不能太大，否则光信号畸变严重。 应当注意，光纤的数值孔径仅决定于光纤的折射率，而与光纤的几何尺寸无关。对于大多数光 纤传感器应用来说，由于不存在信息容量问题，所以要求光纤以具有最大数值孔径为宜，一般要求 是0 2 n a 0 4 。 4 、光纤的传输特性 光波在光纤中的传输，随着传输距离的增加光功率将逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。它直 接影响到光纤通信系统传输距离的长短，是光纤最重要的传输特性之一，在光纤传感器中尤为重要， 只有降低了光纤损耗才能有效地传输光功率，保证传感器的正常工作。最初提出光纤用于通信传输 时( 1 9 6 6 年) 光纤的损耗还高达1 0 0 0 r i b k i n ，随着光纤制造工艺的提高，光纤损耗逐渐降低，1 9 7 0 年康宁玻璃公司制造出衰减为2 0 d b k m 的光纤，而今天已经有人研制出损耗接近极限值( 约 o 2 d b k m ) 的高质量光纤。商品化的石英光纤的损耗一般达到了5 d b k m 以下，为长距离的信号传 输创造了条件。 光纤的衰减( 或损耗) 和色散( 或带宽) 是描述光纤传输特性的两个重要参量。衰减是描述光 纤使光能在传播过程中沿着波导逐渐减小或消失的特性。在给定信号和工作条件，即给定发射机输 出功率和检测器灵敏度时，光纤的衰减决定信号无失真传输通路的最大距离。色散限制了光纤传输 频响的上限，色散引起的脉冲展宽限制了脉冲调制或数据传输系统中给定长度光纤的最高脉冲或数 据传输速度。 1 1 光纤的衰减特性 光波在光纤中传输时，由于光纤材料对光波的吸收和散射、光纤结构的缺陷和弯曲以及光纤间 的耦合不完善等原因，导致光功率随传输距离按指数规律衰减，这种现象称为光纤的传输损耗。光 纤的损耗是光纤最重要的传输特性之一。光纤的损耗可归结为吸收损耗、散射损耗两种。 物质的吸收作用将一部分光功率转换为热量造成吸收损耗。吸收损耗包括本征吸收损耗、杂质 吸收损耗两种。本征吸收是物质本身固有的，主要是由紫外和红外波段电子跃迁与振动跃迁引起的 吸收。对于石英( s i 0 2 ) 材料，固有吸收区在红外和紫外区域，其中红外区的中心波长在8 u m 1 2 u m 范围内，紫外区的中心波长在o 1 6 u r n 附近，当吸收很强时，尾端可延伸到o 7 u m 1 1 u m 的光纤通 信波段。本征吸收引起的损耗一般很小，约为o 0 1 d b k m 0 0 5 d b k m 。杂质吸收主要是由光纤材 料所含有的正过渡金属离子( f e 3 + 、c u + 等) 的电子跃迁和氢氧根负离子( o r ) 的分子振动跃迁引 起的吸收。金属离子含量越多，造成的损耗就越大，若使过渡金属离子的含量降到1 0 9 数量级以下， 就可以基本消除金属离子引起的杂质吸收，目前这样高纯度的石英材料生长技术已经得以实现。但 光纤中含有的氢氧根杂质则很难根除，其分子振动跃迁在一些波段( 0 7 2 u r n 、o 9 5 u r n 、1 2 4 u r n 、1 3 9 u m 等) 形成吸收峰，而在另一些波段( o 8 5 u r n 、1 3 l u r e 、1 5 5 u r n 等) 吸收很少，尤其在1 5 5 u m 波段 吸收最小，形成良好的通信窗口。图2 - 5 给出了某一多模光纤的损耗谱曲线，其上的3 个吸收峰就 9 查塑查兰堡主兰苎 一 是由氢氧根离子引起的。 善 积 巅 雉 餐 黼 图3 5 某多模光纤的损耗谱 光纤中的散射损耗主要有两类：一类是瑞利( r a y l e i g h ) 散射，如自发喇曼( r a r n a n ) 散射，其 中包括斯托克斯( s t o k e s ) 散射和反斯托克斯( a n t i s t o k e s ) 散射，这类散射发生于小功率信号传输 时：另一类是非线性散射，如受激喇曼( r a m m 3 ) 散射和受激布里渊( b r i l l o u i n ) 散射，这类散射发 生于大功率信号传输时。 当光纤传输小功率信号时，由于光纤材料密度的微观变化及各成分浓度的不均匀，使得光纤中 出现折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射。将一部分光功率散射到光纤外部，由此引 起的损耗称为本征散射损耗。本征散射损耗可以认为是光纤损耗的基本限度，又称瑞利( r a y e i g h ) 教射，其特征是散射损耗正比于矿，与传输光波长相同的即为瑞利散射，相对传输光频移的为斯托 克斯散射( 向长波长方向偏移) 和反斯托克斯散射( 向短波长方向偏移) 。由图2 5 可以可见：瑞利 散射损耗随波长x 的增加急剧减小，所以在短波长工作时，瑞利散射的影响比较大：当光波长加大 时，散射损耗迅速减小。因此选择长波长的光作为信号光源是抑制这类散射损耗的重要措施。 物质在强大电场的作用下会呈现出非线性。即出现新的频率或输入的频率得i u 改变。这种由非 线性激发的散射包括受激喇曼( r a m a n ) 散射和受激布利渊( b r i l l o u i n ) 散射。这两种散射的主要区 别在于受激喇曼散射的剩余能量转变为分子振动，而布里渊散射转变为声子。这两种散射都使得入 射光能量降低，并在光纤中形成一种损耗机制，在功率门限制以下，对传输不产生影响，而当光纤 传输的光功率超过一定阈值后，它们的散射光强度都随入射光功率成指数增加，导致较大的光损耗。 因此通过适当选取光纤直径和发射光功率，可以避免非线性散射损耗。 2 1 光纤的色散特性 光纤色散是指输入光脉冲在光纤中传输时由于不同频率成分或不同模式的群速度不同而引起的 光脉冲展宽现象。光纤色散是光纤最主要的传输特性之一。光纤色散的存在将直接导致光信号在光 纤传输过程中的畸变，从而限制了光纤的传输带宽，限制了光信号在光纤中的传输距离。它主要包 括材料色敖、波导色散和模间色散三种。 1 0 第二章光纤温度传感器的基本原理 材料色散是指材料本身的折射率随频率而变化，造成信号的各频率群速度不同而引起的色散。 其机理要用量子力学的观点来分析，可参阅有关资料，这里不再赘述。 波导色散是指由于波导结构的不同，某一波导模式的传播常数随着信号角频率变化而引起的色 散。其机理是光纤的传输常数对光波氏呈现非线性而造成的，故也称为结构色散。波导色散的大小 与光纤的纤芯直径，纤芯与包层之间的相对折射率差，归一化频率等因素有关。一般波导色散随波 长的增加而有增大的倾向。 模间色散是指在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产 生的色散，是限制光纤传输带宽的主要因素。在阶跃光纤中，沿光纤轴心线传播的模式( 基模) 的 传播途径最短，而其他入射角越大的光线，到达终端所经过反射的次数就越多，所走的路径就越长， 因而所需的时间就越长。在临界角上传输的光路最长。于是本来同时进入光纤端面的一束光波，由 于光波中各光线的入射角不同，到达终端就出现了先、后时间差，造成光信号中各个模式光波之间 在时间上的延时。光纤越长，则延时越长。 采用单色光源( 如激光器) ，可以有效地减小材料色散的影响。模问色散是阶跃型多模光纤中脉 冲展宽的主要根源。模间色散在梯度型光纤中大为减少，因为在这种光纤中不同模式的传播时间几 乎彼此相等。在单模光纤中起主要作用的是材料色散和波导色散。 2 2 2 光源 1 1 , 1 3 - 1 4 i 在光纤传输系统中，用光波作为载体，在输入端电信号转换为光信号，即用电信号调制光源， 输出端再用光电检测器件将光信号转变成电信号。因此，光源是光纤传感器中非常重要的组成都分， 光源的性能将直接影响到传感器的测量结果。由于光纤传感器的工作环境特殊，因此要求光源的体 积小，便于和光纤耦合；光源发出的光波长应合适，以减少在光纤中传输的能量损耗；光源耍有足 够的亮度；稳定性要好，在室温下能连续长期工作。 光纤传感器使用的光源有很多种，按照光的相干性可分为相干光源和非相干光源两种。非相于 光源包括各种白炽光源和发光二极管( l e d ，l i g h te m i t t i n gd i o d e ) ；相干光源包括各种激光器，如 半导体激光器( l d ，l a s e r d i o d e ) 、氦氖( h e n e ) 激光器等。下面仅就本课题使用的l e d 光源加以 介绍。 发光二极管是光纤系统中最常应用也是最重要的光源。其主要优点是体积小、重量轻、可靠性 高、使用寿命长、供电电源简单等。发光二极管都是采用晶体材料制作，使用最广泛的是砷化镓 铝镓砷材料系。 1 发光二极管的原理 在电激励下发光的效应叫做电致发光。半导体发光二极管是一种电致发光器件，它由以空穴为 多数载流子的p 型半导体和以电子为多数载流子的n 型半导体组合而成，在交界处由于电势差形成 了p n 结。在无外加偏压时，p n 结界面处存在有内建电场，阻止p 区的空穴和n 区的电子向相反 方向迁移。但当外加正向偏置电压时，将会削弱内建电场，使得p 区的空穴和n 区的电子向相反的 东南大学硕士论文 区域迁移。这种迁移必须越过p n 结，从而在p n 结内电子和空穴复合而释放能量。如果是以光子 的形式释放能量，这就是发光。另外，还有一部分电子通过杂质能级进行复合雨笈出光子，这转发 光形式称为间接复合发光。不同的半导体材料具有不同的复合发光形式。以a i g a a s 和i n g a a s p 材 料为例，a i g a a s 材料是由直接复合型材料g a a s 和间接复合型材料a l a s 以一定比例组台而戏的； 而i n g a a s p 材料则是由i n g a a s 和h l p a s 以一定的比例组合而成的。 发光二极管的基本结构分为两类：面发光二极管和边发光二极管，分别表示从平行于结平面的 表面和从结区的边缘发光。前者通常将光发射到一个很宽的接近兰伯特空间锥的范围内，且般具 有超过5 0 u m 的发光直径，因此它只能有效地与多模光纤耦台；而后者由于垂直于结平面传播，因 而边发光二极营的发散光束不同于面发光二极管，它在垂直于结平面方向的发散角仅为3 0 。由于 减少了发散角并消除了发射侧面的辐射，所以边发光二极管的输出耦台效率比面发光二极管高，可 以作为单模光纤的非相干光源。 2 、发光二极管的特性 发光强度一电流特性 l e d 的输出光功率p 与电流i 的关系即p - i 特性如图2 - 6 所示。它是非阚僮器 牛，发光功率随 着驱动电流的增大而增大，并在大电流时逐渐饱和。l e d 的工作电流通常为5 0 1 0 0 m a ，偏置电压 为1 2 - 2 v ，输出功率约几m w 。 当工作温度升丽时，同样工作条件下l e d 的输出功率要下降。例如，温度从2 5 0 升到7 04 c ， 输出功率下降一半。 鼗a 电瓤建峨) 圆2 6 l e d 的p 特槛曲线 发光光谱 发光二极管发射光谱是指发光的相对强度( 或能量) 随波长 变化钓分布曲线它直 接决定着发光二极管的发光颜色。发光二极管的光谱峰值波长由材料的禁带宽度决定。发光二极管 的光谱有两个特点，一是峰值波长直接决定着发光二极管的发光颜色，二是半宽度决定了辐射的纯 度，半宽度越窄，发光越纯，即单色性越好。 响应特性与温度特性 发光二极管的响应时间是指发光和熄灭时对输入脉冲电流的延迟时间，取决于注入载流子非发 光复合的寿命和发光能级上跃迁的几率。它反映了发光对引起发光电流信号响应快慢的能力。发光 1 2 譬墓瓣露豸壤 第二章光纤温度传感器的基本原理 二极管的上升时间随电流的增加而近似指数变化，它的响应时间一般很短，约在几r l s 一几百n s 。 当材料的温度改变时发光二极管的光谱特性、发光强度、正向电压以及工作电流均发生变化， 输出功率随着温度升高稍微减小。但l e d 的温度特性相对较好，在使用中一般可以不加温度控制。 最大工作电流 在低工作电流下，发光二极管的发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增加到一定值时， 发光效率反而随工作电流的继续增加而减小。因为电流增加，p n 结温度升高，将导致热分解，使 发光效率降低。因此l e d 的最大工作电流应低于最大发射效率的电流密度值。 3 、发光二极管与光纤的耦合 把光源发出的光尽可能多地送入传输光纤，这就是光源与光纤的耦合问题，通常用耦合效率来 衡量耦合的好坏，它定义为 2 7 = p f | p s ( 2 ，6 ) 式中，b 光纤的接收功率：只光源的发射功率。 信号光源对光纤耦合效率的大小决定了输出信号的质量。 常用的耦合方式有： 1 ) 直接耦合 可用于光纤与光纤之间的连接以及半导体光源与光纤之