光纤温度传感器设计

1、_设计性实验报告实验课程：医用传感器设计实验学生姓名：程胜雄学号：080921037专业班级：08医工医疗器材方向_2010年12月8日光纤温度传感器的设计纲要：介绍了金属热膨胀式光纤温度传感器的设计，利用金属件的热膨胀的原理，经过绕制在金属件上的光纤消耗产生变化，当光源输出光功率稳固的状况下，探测器接收光功率受温度调制，经过光电变换，信号办理，达成温度的换算。传感器以光纤为传输手段，以光作为信号载体，抗扰乱能力强，丈量结果稳固、靠谱，敏捷度高。重点词：光纤，传感器，光纤传感器，光纤温度传感器在光通讯系统中，光纤是用作远距离传输光波信号的媒质。在实质光传输过程中，光纤易受外界环境要素的影响；如

2、温度、压力和机械扰动等环境条件的变化惹起光波量，如发光强度、相位、频次、偏振态等变化。所以，人们发现假如能测出光波量的变化，就能够知道致使这些光波量变化的物理量的大小，于是出_现了光纤传感技术。一：光纤传感器的基来源理在光纤中传输的单色光波可用以下形式的方程表示E=错误!未找到引用源。式中，错误!未找到引用源。是光波的振幅：w是角频次；为初相角。该式包含五个参数，即强度错误!未找到引用源。、频次w、波长错误!未找到引用源。、相位（wt+）和偏振态。光纤传感器的工作原理就是用被丈量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，而后对已知调制的光信号进行检测，进而获得被丈量。当被测物理量作用于光纤

3、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；看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。（一）强度调制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来源理可简述为，以被丈量所惹起的发光强度变化，来实现对被测对象的检测和控制。其基来源理如图5-39所示。光源S发出的发光强度为错误!未找到引用源。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，即遇到了外场的调制，_使得输出发光强度错误!未找到引用源。产生与被丈量有确立对应关系的变化。由光电探测器检测出发光强度的信号，经信号办理解调就获得了被测信

4、号。发光强度调制的方式1）利用光纤微弯效应；2）利用被丈量改变光纤或许传感头对光波的汲取特征来实现发光强度调制；3）经过与光纤接触的介质折射率的改变来实现发光强度调制；4）在两根光纤间经过倏逝波的耦合实现发光强度调制；5）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，这是当被测物理量惹起接收光纤位移时，改变接收发光强度，进而达到发光强度调制的目的。这类位移式发光强度调制的光纤传感器是一种构造简单，技术较为成熟的光纤传感器。发光强度调制型传感器依据其调制环节在光纤内部仍是在光纤外面能够分为功能型和非功能型两种。强度调制式光纤传感器的特色解调方法简单、响应快、运转靠谱、造价低。弊端是

5、丈量精度较低，简单产生偏移，需要采纳一些自赔偿举措。（二）相位调制相位调制光纤传感器的基来源理经过被丈量的作用，使光纤内流传的光相位发生变化，再利用干预丈量技术把_相位变换为光强变化，进而检测出待测的物理量。如图5-40此中图a、b、c分别为迈克尔逊、马赫-泽得和法布里-珀罗式的全光纤干预仪构造。（三）波长调制波长调制光纤传感器的基来源理波长调制传感器的基本构造如图5-41。.光纤传感器的特色与传统的传感器对比，光纤传感器的主要特色是：（1）抗电磁扰乱，电绝缘；实质安全（2）敏捷度高_（3）重量轻，体积小，外形可变（4）丈量对象宽泛（5）对被测介质影响小（6）能够进行连续散布丈量，便于复用，便

6、于成网光纤温度传感器光纤温度传感器是上世纪70年月发展起来的一门新式的测温技术。它鉴于光信号传递信息，拥有绝缘、抗电磁扰乱、耐高电压等优势特色。在外国，光纤温度传感器发展很快，形成了多种型号的产品，并已应用到多个领域，获得了很好的成效。国内在这方面的研究也热火朝天，多个大学、研究所与企业睁开合作，研发了多种光纤测温系统投入到了现场应用。按工作原理分，光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体，而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。目前主要的光纤温度传感器包含散布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干预型光纤温度传感器等

7、。此中应用最多当属散布式光纤温度传感器与光纤光栅温度传感器。1）散布式光纤温度传感器散布式光纤传感器最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的。激光在光纤传递中的反射光主要有瑞利散射（Rayleighscatter）、拉曼散（Ramanscatter）、和布里渊散射（Brillouinscatter）三部分，如图1所_示。散布式光纤传感器经历从最先的鉴于后向瑞利散射的液芯光纤散布式温度监控系统，到电力系统保护与控制鉴于光时域（OTDR）拉曼散射的光纤测温系统，以及鉴于光频域拉曼散射光纤测温系（ROFDA）等等。目前其丈量距离最长可达30km，丈量精度最高可达0.5，空间定位精度最高可达0.25

8、m，温度分辨率最高可达到0.01左右。目前，散布式光纤温度传感器主要鉴于拉曼散射效应及光时域反射计(OTDR)技术实现连续散布式丈量，如YorkSensa、Sensornet等企业产品。鉴于布里渊散射光时域及光频域系统也是目前光纤传感器领域研究的热门，LIOS、MICRIONOPTICS等企业已有相应的产品。2）光纤光栅点式温度传感器光纤光栅温度传感器是利用光纤资料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。光纤光栅以波长为编码，拥有传统传感器不行比较的优势，已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等。光纤光栅温度传感器主要有Bragg光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg

9、光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照耀成栅技术而形成的崭新光纤型Bragg光栅，成栅后的光纤纤芯折射率体现周期性散布条纹并产生Bragg光栅效应，其基本光学特征就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，知足以下光学方程：b=2n（1）式中：b为Bragg波长；为光栅周期；n为光纤模式的有效折射率。长周期光纤光栅是一种特别的光纤光栅，其传光原理是将前向传输的基模耦合到前向传输的包层模中。因为其宽带滤波、极低的背景发射等特色惹起人们的重视，是一种新式的宽带带阻滤波器。_光纤温度传感器的设计依据光纤曲折消耗的理论剖析，光纤温度传感器构造由三大多数构成：温度敏感头、传输与信号办理部分，详细结构表示图如图3所

10、示。1、温度敏感头温度敏感头是温度传感器中最主要的零件，是将所丈量温度变换成直接能够丈量的参数，在这里，是变换成光纤的消耗大小，同样状态下，消耗大，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构成，如图3所示，将光纤施加必定的张力后直接加载在多边形金属构件上，固定好后将光纤两头头引出，在引出光纤的两头制作连结器，外加光纤保护举措，传感头主要工序就已经达成了。金属零件随温度高低不同产生形变也不同样，加载在零件上光纤曲折消耗大小随之改变金属件遇到温度越高，形变越大，在光源输出光功率稳固状况下，光纤曲折消耗增添时，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

11、。当传感头处的温度场发生变化时，经过探测器将接收到的不同光信号变换成电信号，进一步办理、计算，输出外界的温度值大小。金属零件在热变形时，其变形量不单与零件尺寸、构成该形体的资料线膨胀系数、环境温度t相关，并且与形体构造因子(取决于几何参数)相关，计算比较复杂，在这里采纳传统的公式模拟来计算：Lt=L1+(t-20C)(5)式中，Lt温度t时的尺寸；L20时的尺寸；线膨胀系数，其数_学表达式比较复杂，可采纳均匀线膨胀系数，经过查表可知。为了提升传感器的敏捷度，温度敏感头金属资料需采纳膨胀系数较大的，且膨胀系数在整个温度测量区间要较稳固，有较好重复性；温度敏感头的构造形状也是要考虑的另一个因素，不

12、同的形状，对敏捷度影响很大。要提升传感头对温度的响应时间，需要采纳导热系数较高的资料，比热越小越好，在温度突变时，能快速响应。经过课题组频频计算与试验，采纳成本较低、加工简单、导热较快，并且知足使用范围的金属资料铝。经过试验，传感器在-40C80C温度范围内均可精准工作。2、传输部分光纤在这里不单要作为变换器件使用，同时也作为光信号传输载体，采纳对曲折消耗更敏感的多模光纤，一般地采纳62.5/125m标准的多模光纤。因为加载光纤时要施加必定的张力控制，使得光纤环绕在金属零件上，光纤自己就比较简单破坏，敏感头处光纤长时间遇到必定内应力作用，一定对光纤的涂层进行加固耐磨办理，增添传感器使用的靠谱性

13、。3、信号办理部分信号办理部分主要由发光管、探测器的驱动电路与数字电路办理两部分构成，发光管、探测器的驱动电路技术已经特别成熟。数字电路办理主要使用价廉物美的单片机，CPU使用美国ATMEL企业生产的AT89C52单片机，是一块拥有低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可频频擦写的只读程序储存器（PEROM）和256bytes的随机存取数据储存器（RAM），所有采纳ATMEL企业的高密度、非易失性储存技术生产，与标准MCS51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央办理器（CPU）和Flash存储单元，功能强盛。A/D变换采纳AD企业生产的12位D574A芯片，变换

14、时间位25s，数字位数可设定为12位，也可设为8位，内部集成有变换时钟、参_考电压和三态输出锁存，能够与微机直接接口。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通讯口，用于同上位机进行通讯，将现场收集的数据传递到上位机，进一步剖析办理。整个监控程序采纳模块化设计，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，数据办理，串行通讯，中止保护与办理，显示与键盘扫描程序等。程序采用单片机汇编语言来编写，使用宽泛、运算的速度快等特色，有效的利用单片机上有限的RAM空间，此中，因为温度的变化惹起光强的变化不是线性的，所以我们采纳查表法对其丈量值进行线

15、性赔偿。试验查验与数据办理已经制作好的温度敏感头经过试验测试。第一步，在温度敏感头的一端光纤连结器上加载稳固的短波长的光源，另一端接相般配的光功率计，将温度敏感头置入恒温槽中；第二步，设置恒温槽温度，察看光功率计值的变化状况，要知足在丈量的整个工作区间光功率都有变化；第三步，定点丈量，设定几个或更多温度点，记录下，温度与光功率对应值，频频多次试验，观察温度敏感头的重复性。光纤温度传感头经过试验测试，将温度与光功率相对应数据制成表格，详细见表1所示，曲线图见图4。_经过上述试验表示，传感头知足使用要求，重复性特别好，加载发光管与探测器驱动电路以及信号办理电路，整体调试传感器，观察温度与传感器输出

16、的电压值关系，重复操作上述试验第二、第三步，详细的温度与电压相对应值见表2，曲线图见图5。经过察看上述两个曲线，形状基本一致，重复性较好，表示传感器整体性能知足要求。将几个特别点电压值送到单片机进行办理，采纳直线插值拟合或许最小二乘法曲线拟合，输出温度值。经过实测查验，与标准温度值偏差最大值为1C，鉴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。小结：最近几年来，传感器在朝着敏捷、精准、适应性强、小巧和智能化的方向发展。本期学习了检测技术与仪表，此学科不论在理论基础、系统设计仍是在设计程序、实验方法等方面都向着数字化、网络化和智能化方面发展。在这一_过程中，光纤传感器这个

17、传感器家族的新成员倍受喜爱。光纤拥有好多优秀的性能，比如：抗电磁扰乱和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感觉的电气性能；耐水、耐高温、耐腐化的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或许对人有害的地域（如核辐射区），起到人的耳目的作用，并且还可以超越人的生理界线，接收人的感官所感觉不到的外界信息。在本文中大概介绍了金属热膨胀式光纤温度传感器的设计，利用金属件的热膨胀的原理，经过绕制在金属件上的光纤消耗产生变化。因为自己所学的是电气工程及其自动化专业，在平常的学习中我们比许多的接触到电动机、发电机和变压器等电磁设施。为了保证这些电磁设施工作在正常状态，我们一定对它们进

18、行及时监测，而此中温度监测是此中之一。就于光纤的抗扰乱能力优秀于其余的传感器，自己特别介绍了光纤温度传感器。光纤温度传感器特别合适在电力行业中使用，可是在网上找了好多资料，大多数都是说可行性研究和论证，真实在实践顶用到了传感器实物特别的少，和网络上销售状况也做了翻认识。光纤温度传感器作为一种新式的测温技术发展十分快速，应用也越来越宽泛。在电力系统中应用也获得了较好的发展，但存在以下几个方面的问题：光纤温度传感器在价钱上的劣势限制了其在电力系统中的推行应用，价钱太高使得在某些应用处合监测的实质意义不大。光纤在某些电气设施上的敷设较为困难，最好能在敷设方式和敷设工艺等方面形成业内认同的施工指导与标准规范。目前生产光纤温度传感器的厂