光纤温度传感器的研究

光纤温度传感器的研究

毕业生：夏正娜

指导老师：王兆民孟瑜

摘要：光纤温度传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器，与传统的温度传感器相比，它具有灵敏度高、体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰等优点；特别适用于易爆、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迅速发展。

本文根据双光束干涉原理，自行构成了一个干涉型光纤温度传感器，观察干涉图样，对其进行了实验研究，阐述了它的原理，实验步骤，将得到的数据进行了分析处理，验证了本实验测量温度的可行性，并对实验装置进行了改造。

关键词：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 ：Optical fiber temperature sensor is a new developed type of sensor in the 70s of the Twentieth Century. Compared with the traditional temperature sensors，it owns a lot of advantages，such as higher sensitivity，smaller volume，slighter mess ，easier to bend and stronger capacity of Shielding the electro-magnetic interference. Particularly，it can be applied to detect the temperature of the explosive，flammable and corrosive matters in harsh environment. Therefore, optical fiber sensor developed rapidly in recent years.

This paper bases on the interference principle, it construct a interference optical fiber temperature sensor. Observing the interference fringe, analyzing the experiment result, detailing its principle and experiment steps, then I can get some data to deal with the data. The data copes the theory perfectly. At last, I propose some advices to improve this experiment.

Key word ：Optical fiber Optical fiber temperature sensor

Interference principle interference optical fiber temperature sensor.

1. 引言

温度是度量物理冷热程度的物理量，许多物理现象和化学现象都是在一定的温度下进行的。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，温度信息的获得，可以使人们能够更好地掌握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高的要求，特别是工业、医学、电力等领域，在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下，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年代中期发展起来的一种新型的传感器，是光纤和光纤通信技术发展的产物。由于光纤具有体积小、重量轻、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、灵敏度高等特点，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）随温度的特点进行温度测定，它具有传感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中，属于功能型光纤温度传感器。

2．使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，来避开测温区域的复杂环境，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十分重要的地位。

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下3个因素决定[1]：①光纤波导的物理长度；②光纤折射率及其分布；③光纤波导的横向几何尺寸。温度能直接改变上述三个因素的参数，产生相位变化。光纤长L ，对波长λ的光波以光纤入口平面为基准测得的相位为

L n k L

n L

100122===λπλπφ (3.1)

式中λ0为真空中的光波长；L 为光纤的长度；n 1为光纤芯的折射率；k 0为光在真空中的波长；

假设折射率分布随温度变化保持恒定，那么光纤中的相位随温度变化则表示为： d n L φφφφ?+?+?=? （3.2）式中，L φ?为光纤长度变化产生的相位变化，称为应变效应；n φ?为光纤折射率变化产生的相位变化，称为光弹效应；d φ?为光纤波导横向几何尺寸变化产生的相位变化，称为泊松效应[2]。

长度变化L ?时光相位变化量为：

L L ?=?λπ

φ2 （3.3）

折射率变化n ?时光相位变化量为：

n L n ?=?λ

πφ2 （3.4） 光纤波导横向几何尺寸变化d ?时光相位变化量为：

d d

L d ????=?λλπφ22 （3.5）

泊松效应引起的光纤直径变化所产生波导传播常数的变化很小，所以可以忽略不计[3]。因此相位变化为：

T T n L ???? ????+=

?αλπφ2 (3.6) 式中，α为光纤线膨胀系数；T

n ??为光纤折射率随温度变化的系数；由（3.6）式看出，温度的变化引起相位的变化，通过仪器测出相位的变化就可以测出温度。

2.2 马赫-泽德尔光纤温度传感器

下图即为马赫-泽德尔光纤温度传感器的装置图，它由氦氖激光器、扩束器、分束器、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器，分成两束光，一根为参考光，一根为测量光，一般参考臂放在恒温箱中，光程保持不变，而测量臂在温度的作用下，折射率和长度都发生变化，产生相位差，形成干涉。变化两者的相位差，条纹就会发生移动。相位变化一个π2，条纹就会移动一条。通过干涉条纹移动的数目就可以算出温度的变化。

图3-1 M-Z 光纤温度传感器结构图

M-Z 光纤温度传感器有优点也有缺点，其优点是抗干扰能力强，灵敏度高，电绝缘性好，不产生火花等；其缺点是：安装比较繁琐，光纤用的比较多，参考臂和测量臂很难安装在一起，环境的影响也比较大[4]。

3. 光纤温度传感器的实验

3.1 实验结构图

本实验所用的仪器有：GY-10型He-Ne 激光器1套（波长为632.8nm ）、聚焦透镜、五维微调架、632.8nm 单模光纤、分束器等。

它们各自的作用是：He-Ne 激光器提供相干光源；聚焦透镜对激光输出的光进行聚焦，以提高光纤的耦合效率；五维微调架用于调节激光与光纤的耦合；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，感受温度的变化；观察屏置于两束光的干涉场内，接收干涉条纹。

3.2 实验原理

本实验中传感量是温度，温度改变了光波的位相，通过对位相的测量来实现对温度的测量。实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，由He-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，把参考光纤和测量臂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。当测量臂光纤受到温度场的作用后，长度和折射率发生变化，其相位变化公式为：

T T n L ???? ????+=

?αλπφ2 (4.1) 可知，温度的变化主要取决于T

n ??项，干涉条纹的移动数量反映出被测温度的变化。 3.3实验步骤与现象

3.3.1 实验步骤

（1）开启激光器电源，在屏上应观测到干涉条纹，这表明实验装置已经能正常工作了。

（2）打开温度控制开关，表盘上显示的是当前温度，由室温开始，每上升1℃，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。

3.3.2 注意事项

学校实验室的仪器中，放置干涉仪的铁盒子已经打开，并且使用了一段时间，所以在做实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实验，否则很难形成干涉条纹。

图4-2 实验所用的仪器

3.3.3 实验现象

调节五维微调架，使激光较好的耦合进光纤，直至观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，发现观察屏上的条纹发生移动。当温度升高时，条纹向外冒出；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，明暗鲜明，才能较为清楚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

在本次实验中我们以室温为基准，每隔1℃记录一次条纹的移动次数。测了三组实验数据分别如下表4-1所示：

表4-1（a）温度变化与条纹移动数目

温度（℃）18.6 19.6 20.6 21.6 22.6 23.6 24.7 25.6 26.7 27.7 28.6

条纹移动数0 13 20 28 36 43 50 56 63 69 73

表4-2（b）温度变化与条纹移动数目

温度（℃）17.4 18.4 19.5 20.4 21.4 22.6 23.5 24.4 25.4 26.4 27.5

条纹移动数0 14 23 30 37 45 51 57 63 69 75

表4-3（c）温度变化与条纹移动数目

温度（℃）17.9 18.9 19.9 20.9 21.9 22.9 23.9 24.8 25.8 26.9 27.9

条纹移动数0 14 22 30 37 44 51 57 63 70 75

运用绘图软件Origin8,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4-4所示：

（a）（b）

（c）

图4-4 温度-条纹移动个数曲线图

3.5 实验分析及改进

3.5.1 实验分析

由图4-4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准确的计算出温度的变化量，再根据初始温度，就能算出要测的温度了。

3.5.2 对实验的改进

在这次实验中印象最深的就是最后数条纹阶段，测了三组数据，看移动的条纹很是费劲，很疲劳，很容易产生错误。因此为了克服这个缺点，我们可以在干涉场中放置一个光电探测器，每移过一个亮纹，光电探测器就产生一个电脉冲，用该电脉冲进行自动计数，这样既方便又准确。

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，最后阐述了在实验室所做的光纤温度传感器的实验。

本实验所用的光纤温度传感器是在M-Z干涉的原理上设计成，在此基础上进行实验研究，测出了温度--条纹移动个数曲线图，实验采用的是透镜耦合的方法，通过调节五维微调架来调节光线的位置和角度，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，可以避免外界干扰，提高测量的准确度。但当盒子被打开，长时间使用后，我们需将输出端的光纤端面进行处理，不是很方便，这也是它的缺点之一。

实验中，并对实验进行了分析，改进，拟合完后可以看出温度变化与条纹移动个数基本成线性关系，验证了本实验测量温度的可行性。

参考文献

[1] 刘晨，费业泰，卢荣胜.干涉型光纤温度传感器[J].传感器与微系统，2007,26（4）

[2] 罗先和，张广军.光电检测技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1995,151～155

[3] [英]卡尔肖B.光纤传感与信号处理[M].高希才，王志玉，刘文达，译.成都：成都电讯工程学院出版社，1986，110～115

[4] 奥诚喜，金克新，李潭，等.Mach-Zehnder光纤温度传感器的研究[J].陕西科技大学学报，2004,22（6）:104～107

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