光纤温度传感器设计.doc

光纤温度传感器的设计摘要: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,通过绕制在金属件上的光纤损耗产生变化,当光源输出光功率稳定的情况下,探测器接收光功率受温度调制,通过光电转换,信号处理,完成温度的换算。传感器以光纤为传输手段,以光作为信号载体,抗干扰能力强,测量结果稳定、可靠,灵敏度高。关键词:光纤,传感器,光纤传感器,光纤温度传感器在光通信系统中,光纤是用作远距离传输光波信号的媒质。在实际光传输过程中,光纤易受外界环境因素的影响;如温度、压力和机械扰动等环境条件的变化引起光波量,如发光强度、相位、频率、偏振态等变化。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=E0cos(wt+φ)式中,E0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E02、频率w、波长γ=2πc/nw、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。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5-39所示。光源S发出的发光强度为Ii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I0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。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。发光强度调制型传感器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。相位调制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。波长调制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。,光纤传感器的主要特点是:抗电磁干扰,电绝缘;本质安全灵敏度高重量轻,体积小,外形可变测量对象广泛对被测介质影响小可以进行连续分布测量,便于复用,便于成网光纤温度传感器光纤温度传感器是上世纪70年代发展起来的一门新型的测温技术。它基于光信号传送信息,具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压等优势特征。在国外,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,取得了很好的效果。国内在这方面的研究也如火如荼,多个大学、研究所与公司展开合作,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括分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、干涉型光纤温度传感器等。其中应用最多当属分布式光纤温度传感器与光纤光栅温度传感器。1)分布式光纤温度传感器分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。激光在光纤传送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。分布式光纤传感器经历从最初的基于后向瑞利散射的液芯光纤分布式温度监控系统,到电力系统保护与控制基于光时域(OTDR)拉曼散射的光纤测温系统,以及基于光频域拉曼散射光纤测温系(ROFDA)等等。目前其测量距离最长可达30km,℃,,℃左右。目前,分布式光纤温度传感器主要基于拉曼散