光纤式温度传感器的设计
光纤传感器系统的设计与应用实践

光纤传感器系统的设计与应用实践光纤传感器系统是一种基于光纤技术的传感器系统,通过光纤作为传输介质,利用光的性质来实现对物理量的测量和检测。
光纤传感器系统具有高灵敏度、远程传输、抗干扰等优点,在工业、医疗、环境监测等领域有着广泛的应用。
本文将重点介绍光纤传感器系统的设计原理和应用实践。
光纤传感器系统的设计基本原理是利用光纤的传输和散射特性来感知环境中的物理量变化。
光纤传感器系统通常由光源、光纤、光纤传输模块和检测模块组成。
光源产生光信号,光纤作为传输介质将光信号传输到检测模块进行处理和分析。
根据测量的物理量不同,光纤传感器系统可以分为光纤温度传感器、光纤应力传感器、光纤压力传感器等多个类型。
在光纤传感器系统的设计中,关键是光纤的选择和光纤的布局。
光纤的选择要根据不同应用场景的需求来确定。
一般情况下,我们可以选择具有低损耗和高灵敏度的光纤。
光纤的布局则需要根据实际测量要求和环境条件进行合理设计。
例如,对于温度传感器,我们可以将光纤固定在待测物体上,通过测量光纤长度的变化来推算温度的变化。
光纤传感器系统的应用实践非常广泛。
在工业领域,光纤传感器系统常用于温度、应力、压力等物理量的测量与监控。
例如,在汽车制造过程中,可以使用光纤传感器来监测发动机的温度和应力情况,以确保发动机的正常运行。
在医疗领域,光纤传感器系统可以用于体温、心率等生命体征的监测。
通过将光纤传感器嵌入到医疗设备中,可以实现对患者的实时监测,提高诊断和治疗的效果。
此外,光纤传感器系统还可用于环境监测和安全防护等领域。
例如,在地质勘探中,可以使用光纤传感器来监测地壳的位移和变形情况,预测地震的发生。
在建筑物安全方面,光纤传感器系统可以用于监测建筑结构的变形和破损情况,提前发现并修复潜在的风险。
光纤传感器系统的设计与应用实践还面临一些挑战和改进的空间。
首先,我们需要进一步提高光纤传感器系统的灵敏度和分辨率,以满足更高精度的测量需求。
其次,光纤传感器系统的成本较高,需要寻找更经济实用的生产方法和材料。
光纤温度传感器实验

光纤温度传感器实验通常按光纤在传感器中所起的作用不同,将光纤传感器分成功能型(或称为传感型)和非功能型(传光型、结构型)两大类。
功能型光纤传感器使采用单模光纤,不仅在传感器中起到导光作用,而且是传感器的敏感元件。
然而,这种传感器的制造技术难度大,结构复杂,调试困难。
在非功能性光纤传感器中,光纤本身只起到光传输的作用,而不是传感器的敏感元件。
它使用光学材料、机械或光学敏感元件放置在光纤端面上或两条光纤之间,以感受被测物理量的变化,从而使透射光或反射光的强度发生相应的变化。
因此,这种传感器也称为传输环光纤传感器。
其工作原理是:光纤将被测物体辐射的光信号或被测物体反射散射的光信号直接传输到光电元件,实现对被测物理量的检测。
为了获得大量的光接收和传输功率,本传感器中使用的光纤主要是大口径阶梯多模光纤。
光纤传感器结构简单可靠,技术上易于实现,易于推广应用,但灵敏度低,测量精度低。
本实验仪所用到的光纤温度传感器属于非功能型光纤传感器。
本实验仪主要研究导电光纤温度传感器的工作原理和应用电路设计。
在导电光纤压力传感器中,光纤本身作为信号传输线,通过压力、电、光、电的转换实现压力测量。
主要用于恶劣环境。
用光纤代替普通电缆传输信号,可以大大提高压力测量系统的抗干扰能力和测量精度。
相关参数:1、光源高亮度白色LED,直径5mm2,探测器高灵敏度光敏三极管‘3、光纤:光纤芯直径φ14.温度源压力范围:10-80°C第二章实验指南I.实验目的1、了解并掌握传导型光纤温度传感器工作原理及其应用二、实验内容1.导电光纤温度传感光学系统组装调试实验2。
LED驱动和探测器接收实验3。
导电光纤温度传感器压力测量原理实验3。
实验仪器1、光纤温度传感器实验仪1台2、集成温度传感器1个3、光纤1根4、2#迭插头对若干5、电源线1根四、实验原理图1是光纤温度传感器装置系统框图’光纤温度传感器有两种类型:功能型和传输型。
功能性光纤温度传感器利用光纤本身的特性,直接将光纤作为敏感元件,不仅感知信息,而且传输信息,从而实现光纤温度传感。
FBG温度传感器(简单设计)

FBG温度传感器——波长调制
1、基本原理
短周期光纤光栅又称为光纤布拉格光栅(FBG)是一种典型的波长调制型光纤传感器这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。
其结构如图所示
基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长λB的调制来获取传感
信号,其数学表达式为错误!未找到引用源。
=2n eff A
错误!未找到引用源。
为Bragg波长,A为光栅周期,n为光纤模式的有效折射率。
引起光栅布拉格波长飘移的外界因素如温度、应力等会引起光栅周期A 和纤芯有效折射率的改变。
其中光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的变化可以近似地用方程
其中Δλ是反射波长的变化而λo 为初始的反射波长。
2、传感器结构设计
FBG温度传感器的基本构造如下图所示
光纤温度监测系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调器组成。
光纤光栅解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理,以获得测量结果,传输光纤用于传输光信号,光纤光栅传感器则主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光,光纤光栅反射波长的移动与温度的变化成线性关系,通过解调器测量光纤光栅反射波长的移动,便可确定环境温度T。
由于光纤布拉格光栅周期和纤芯的有效折射率会同时受到应变和温度变化的影响。
当进行温度测量的时候,光纤布拉格光栅必须保持在完全不受应变影响的条件下。
即需要对光纤光栅传感部分进行封装,保证传感部分不受到外界应力的影响。
光纤式温度传感器的设计

光纤式温度传感器的设计光纤式温度传感器又被称为光纤温度计,是一种利用光纤技术来测量温度的传感器。
相比传统的热电偶和热敏电阻等温度传感器,光纤式温度传感器具有响应速度快、抗干扰能力强、耐高温性能好等优点,因此在工业自动化、电力系统、航空航天等领域得到广泛应用。
本文将详细介绍光纤式温度传感器的设计原理和实现方法。
光纤式温度传感器的设计原理主要基于光纤的热致发光效应和光纤光衰减的温度依赖特性。
当光纤受热时,光纤的折射率会发生变化,进而引起光纤信号的衰减。
利用这一原理,可以通过测量光纤信号的强度变化来确定环境的温度。
具体而言,光纤式温度传感器的设计包括传输光源、光纤传输介质、光纤传感部分和信号接收部分等几个关键组成部分。
传输光源通常采用光电二极管、激光二极管或LED等,经过滤波装置过滤出特定波长的光信号。
光纤传输介质一般选用具有低光损耗和高耐温性能的光纤。
光纤传感部分是光纤式温度传感器的核心部分,通常采用光纤光栅、光纤圈漂移或光纤布里渊散射等结构。
这些传感部分中,光纤光栅是目前应用最广泛的一种,其主要原理是通过光纤中周期性的折射率调制来实现传感。
在信号接收部分,光纤传感信号经过光电二极管、光电探测器等转换为电信号,并经过滤波、放大等处理得到温度信号。
同时,为了降低传输过程中的噪声干扰,还可以采用差分放大电路和滤波电路等技术手段。
实现光纤式温度传感器的设计需要考虑以下几个关键问题:首先是光纤的选择。
由于光纤是传输光信号的介质,其光损耗和耐温性能对传感器的性能有很大影响。
因此,在选择光纤时需要综合考虑其损耗特性、折射率温度依赖性、耐温性能等因素。
其次是光纤传感部分的设计。
光纤光栅、光纤圈漂移和光纤布里渊散射等传感结构都有自己的特点和适用范围,需要根据具体的应用场景进行选择。
另外,为了提高传感器的精度和稳定性,还需要考虑温度校准和补偿技术。
通过在不同温度下对传感器进行标定,可以建立温度与光信号强度之间的关系,并利用补偿算法对测量结果进行修正。
光纤温度传感器的设计与实现

摘
要 :本 文设计 了一种基于马赫一 曾德尔干涉仪原理 的相位调制型光纤温度传感器 。介 绍 了实 现方法和 实验现象 。
说 明了通过 热敏电阻标定温度与干涉条纹数之 间关 系的方法 。着 重分析讨 论 了利用 C D进 行干涉 条纹采 集及利用 C
MATL AB软件对条纹 图像进行 滤波、 边缘提取等处理 的一种新方法 。给出 了条纹 移动数判 别的程序 编写方 案 , 实验
t a h t o s a e mo e f a i l c e s h tt e me h d r r e sb e s h me . Ke wo d : a h Z h d r i t re e c o t a i e e e a u e s n o ;CCD; i g c u s t n a d p o e sn y r s M c - e n e n e f r n e p i lf rt mp r t r e s r c b ma e a q ii o n r c s i g i
中得到 了较好 的温度 测量结果 。结果表 明用此方法实现光纤 温度 传感是一个较为可行的方案 。
关键词 :马赫一 泽德干涉 ;光 纤温度传感器 ;C D;图像 采集与处理 C
中 图分 类 号 :T 2 2 P 1 文 献 标 识 码 :A
De i n a m pl m e a i n o ptc lfb r t m pe a u e s n o s g nd i e nt to fo i a i e e r t r e s r
Ab ta t I h s p p r h p ia i e e p r t r e s r h sa g o p l d p o p c Th p ia i e e e a u e sr c :n t i a e ,t e o tc l b r tm e a u e s n o a o d a p i r s e L f e e o t lf r t mp r t r c b s n o a e n t e t e r fM a h Z h d ri t re o t ri e e r h d a d d sg e . Th t o sa d p e o n f e s r b s d o h h o y o c - e n e e f r me e Sr s a c e n e i n d n eme h d n h n me a o m e s r me ta e i to u e Th e a in h p e we n mo i g n m b r f fi g sa d t mp r t r a e n t e m a a u e n r n r d c d . e r l t s i s b t e v n u e s o r e n e e a u e b s d o h r l o n
光纤比色测温传感器的原理及设计

[4 ]
。
当采用单色光纤传感器测量时 , 被测物体不 同 ,ε不同 ; 测温现场环境不同 ,ε也不同 。因此 , E 不仅与 T 有关 , 还与ε有关 ,ε的变化将影响到发 射能量 。 采用比色光纤传感器测温可以克服单色测温 的不足
[6 ]
- 16
- 2
2. 2 传输光纤
2 光纤比色测温传感器的设计
光纤挠性好 、 透光谱段宽 、 传输损耗低 , 无论 是就地使用或远传均十分方便 , 而且光纤直径小 , 可以单根 、 成束 、 Y 型或阵列方式使用 , 结构布置 简单且体积小
[6 ]
。因此 , 作为温度计适用的检测
对象几乎无所不包 , 可用于其他温度计难以应用 的特殊场合 , 如密封 、 高电压 、 强磁场 、 核辐射 、 严 格防爆 、 防水 、 防腐 、 特小空间或特小工件等 光纤温度传感器可分为 2 类 :
, 因为就某一温度而言 , 辐射能量的衰减
在 2 个波长下几乎相同 , 因而不会影响它们之间 的比值 。 λ 设物体在波长λ 1 、 2 下的光谱辐射能量的比 值为 R , 即测量到的信号比为 ε (λ E (λ 2 / T) 2 T) λ 2 R ( T) = = ε (λ E (λ 1 T) 1 T) λ 1
Principle and design of the f iber2optic gas temperature sensor based on colorimetry
ZHU Da2ro ng1 , SU N Bing2 ,3 , ZHAN G Li3
(1. Depart ment of Research & Develop ment , Anhui Instit ute of Architect ure & Indust ry , Hefei 230022 , China ; 2. School of Computer and Information , Hefei Universit y of Technology , Hefei 230009 , China ; 3. No . 8 Research Instit ute , China Elect ronics Technology Group Corporation , Huainan 232001 , China)
光纤测温系统方案

光纤测温系统方案光纤测温系统是一种利用光纤传感技术进行温度测量与监控的先进技术手段。
该系统通过将光纤作为传感器,利用光纤的光学特性来实现温度的测量与监控,具有高精度、远距离传输和多点监测等优点,广泛应用于各个领域。
一、系统原理光纤测温系统主要由三部分组成:光源单元、光纤传感单元和信号处理单元。
其中,光源单元主要用于提供激光光源,光纤传感单元负责将光信号传播到被测温区域并反射回来,信号处理单元则用于对反射光信号进行处理和测量。
系统的原理基于光纤的光学特性,即光纤在温度变化下会发生微弱的相位偏移和光强变化。
通过测量这些变化,可以准确计算出被测区域的温度。
具体而言,光源单元通过调制光源的频率和波长,将光信号发送到待测温区域的光纤中。
被测温区域的温度变化会导致光纤长度和折射率的变化,进而改变光信号的相位和光强。
光纤传感单元将经过温度变化后的光信号反射回来,信号处理单元通过分析反射光信号的相位和光强的变化,最终得出被测温区域的温度。
二、应用领域光纤测温系统具有广泛的应用领域,以下介绍其中的几个典型应用。
1. 电力系统监测在电力系统中,高温可能导致电气设备的故障和整个系统的不稳定。
光纤测温系统可以通过监测关键部位的温度变化,实时评估设备的工作状态,预测潜在故障,并采取相应措施,以确保电力系统的安全稳定运行。
2. 工业生产过程监控在工业生产过程中,温度是一个重要的参数。
光纤测温系统可以实时监测生产过程中关键区域的温度变化,及时发现异常情况,避免由于温度波动导致的生产事故和产品质量问题。
3. 环境监测光纤测温系统可以用于环境温度监测,如地下水位监测、土壤温度监测、海洋温度监测等。
通过对这些环境因素的实时监测,可以更好地了解自然环境的变化趋势,并采取相应的措施进行保护和管理。
4. 石油、化工等危险环境监测在石油、化工等危险环境中,温度的监测对保证生产安全至关重要。
光纤测温系统可以避免在危险环境中使用传统温度传感器可能导致的隐患,如腐蚀、易燃等。
基于光纤传感技术的温度传感器设计与制作

基于光纤传感技术的温度传感器设计与制作随着科技的发展,光纤传感技术在各行各业中被广泛应用。
光纤传感技术的优势在于对环境的侵扰小、可靠性高,同时具有灵敏度高、线性好等特点,可以实现对各种参数的高精度测量。
其中之一的应用就是温度传感技术。
基于光纤传感技术的温度传感器不仅可以实现高精度测量,还具有抗干扰能力强等优势,成为工业领域中常用的一种传感技术。
一、基本原理及光纤温度传感技术的特点基于光纤传感技术的温度传感器原理是利用光纤的光学特性,将传感器与被测物体相连,当被测温度发生变化时,通过光纤的传输,产生不同的光学信号,通过分析这些信号的变化,即可得到被测物体的温度值。
与传统温度测量技术相比,基于光纤传感技术的温度传感器具有以下特点:1. 高精度:光纤传感技术可以实现高精度的温度测量,达到0.1℃的测量精度。
2. 可靠性高:光纤传感器不易受到电磁波等外部干扰,具有较高的抗干扰能力,并且可以在高温和高压的环境下正常工作。
3. 多路传感:光纤传感技术可以实现多路温度传感,一个系统中可以同时测量不同位置的温度。
4. 线性优良:基于光纤传感技术的温度传感器具有线性好的特点,可以实现稳定的测量结果。
5. 远程监控:基于光纤传感技术的温度传感器可以实现远程监控,可以将多个传感器的数据通过网络传输到控制中心,方便管理和处理。
二、基于光纤传感技术的温度传感器设计方案1. 光纤传感层设计传感层是光纤传感器的关键结构,主要包括光纤、保护层、镀金层和高温隔离层。
在选用光纤时,需要选择具有高纯度、高抗拉强度、低吸水率的光纤。
保护层主要是为了保护光纤免受外部损伤,一般采用耐腐蚀性能较好的镀铝层或氧化锌保护膜。
高温隔离层主要用于隔离光纤传感层和被测物体之间的温度,同时也起到保护光纤不受高温侵袭的作用。
2. 光纤耦合器设计光纤耦合器主要用于将光纤传感层中的光信号转换成电信号,以方便后续的数据处理。
光纤耦合器包括探头、光耦合引线、探头基座和分光器。
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J I A N G S U U N I V E R S I T Y
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学生学号:
2011 年
6 月
光纤式温度传感器的设计
一、设计的目的
通过利用水银的遮光性,以及水银的热胀冷缩性能,当水银达到一定的液位时,从而遮住光纤的传输路线。
这达到光纤传输跳跃,通过信号的终断输出到到外输接口的,以达到预期目的。
二、光纤导光的原理
光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。
然而根据光学理论中指出的:在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,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。
由图2-1可以看出:入射光线AB 与纤维轴线OO 相交为θi 入射后折射(折射角为θj ) 至纤芯与包层界面C 点,与C 点界面法线DE 成θk 角,并由界面折射至包层,CK 与DE 夹角为θr 。
图2-1 光纤导光示意图
由图2-1可得出
j i n n θθsin sin 10= (2-1)
r k n n θθs i n s i n
21= (2-2) 由(2-1)式可推出
j i n n θθs i n )(s i n 01= 因k j θθ-=090
所以
k
k k i n n n n n n θθθθ2
1010
01sin 1cos )90sin()(sin -==-= (2-3)
由(2-2)式可推出
r k n n θθs i n )(s i n 12=并代入(2-3)式得
21
201)s i n (1s i n r i n n
n n θθ-=
k n n n θ2
22210
s i n 1-=
(2-4) (2-4)式中n 0为入射光线AB 所在空间的折射率,一般皆为空气,故10≈n ;n 1为纤芯折射率,n 2为包层折射率。
当叫n 0=1,由(2-4)式得
=
i θs i n r
n n θ2
2221s i n - (2-5)
当090=r θ的临界状态时,0i i θθ=
2
2210s i n n n i -=θ (2-6)
纤维光学中把(2-6)式中0sin i θ定义为“数值孔径”NA(Numerical Aperture )。
由于n 1与n 2相差较小,即n 1+n 2≈2n 1,故(2-6)式又可因式分解为
∆≈2s i n 10n i θ (2-7)
式中121)(n n n -=∆称为相对折射率差。
由(2-5)式及图2-1可以看出:
090=r θ时,
NA
i =0sin θ或NA i arcsin 0=θ,聚光能力的容量。
090>r θ时,光线发生全反射,由图2-1夹角关系可以看出NA i i arcsin 0
=<θθ。
090<r θ时,
(2-5)式成立,可以看出,NA i >θsin ,NA i arcsin >θ,光线消失。
这说明NA arcsin 是一个临界角,凡入射角i θ>NA arcsin 的那些光线进人光纤后都不能传播而在包层消失;相反,只有入射角i θ<NA arcsin 的那些线才可以进入光纤被全反射传播。
三、光纤传感器的结构原理
我们知道,以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可侧的电信号的装置。
电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及传输信息均用金属导线组成,见图3-1(a)。
光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。
由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成,见困3-1(b)。
由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。
在这里,光的某一性质受到被测量的调制,己调光经接收光纤锅合到光接收器,使光信号变为电信号,最后经信号处理系统处理得到我们所期待的被测量。
由图3-1可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较,在测旦原理上有本质的差别。
传统传感器是以机—电测旦为基础,而光纤传感器则以光学测量力基础。
下面,简单地分析光纤传感器光学测量的基本原理。
从本质上分析,光就是一种电磁波.其波长范围从极远红外的1nm到极远紫外线的10nm。
电磁波的物理作用和生物化学作用主要围其中的电场而引起。
因此,在讨论光的敏感测量时必须考虑光的电矢量E的振动。
通常用下式表示
ω+t)(2-8)
E=Asin(ϕ
式中A——电场E的振幅矢量;
ω——光波的振动频率;
ϕ——光相位;
t——光的传播时间。
由(2-8)式可见,只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化面变化,或者说受被测量调制,那么,我们就有可能通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调,获得我们所需要的被测量的信息。
图3-1 传统传感器与光纤传感器示意固
(a)传统传感器(b)光纤传感器
四、传感器工作原理及示意图
图4-1示为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。
当温度升高时,水银柱上升,到某一设定温度时,水银柱将两根光纤间的光路遮断,从而使输出光强产生一个跳变。
这种光纤开关温度计可用于对设定温度的控制,温度设定值灵活可变。
图4-1 水银柱式光纤温度开关
1——浸液2——自聚焦透镜
3——光纤4——水银
五、提高测试精度减少测量误差
将盛装水银的容器变成一种透光率较好的容器,这样可以提高响应时间,减少壳体震动也同样可以稍微提高误差,外接单片机,同时按不同需要可以提高单片机的质量与精度。