光纤温度传感器的研究与应用
光纤温度传感器的研究与应用
宋晓斌2011094141
摘要: 分析了光纤温度传感器在温度探测中的优势, 综述了光纤温度传感器的发展现状和应用。分别介绍了分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器的工作原理和研究现状, 详细介绍了各种传感器的特点及各自的研究方向。
关键词：光纤传感器温度研究现状应用
Development and application of optical fiber temperature sensor
SongXiao-bin
Abstract: The specific advantage of optical fiber temperature sensors in detecting temperature is analyzed.De-velopment status and application of optical fiber temperature sensors are broadly discussed.The operating principle and Development status of several typical optical fiber temperature sensors based on distributed,Bragg grating,interference,fluorescence and bending loss,respectively,are introduced.The characteristic andthe future of the typical optical fiber temperature sensors are analyzed detailedly.
Key words: optical fiber sensor; temperature; development; application
1 引言
在科研和生产中，有很多温度测量问题。传统的温度传感器有热电偶，热电阻温度传感器，热敏电阻温度传感器，半导体温度传感器等等。光纤温度传感器
是 20 世界 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，不产生电磁干扰，不受电磁干扰，抗腐蚀性好等优点，特别适用于易燃，易爆，空间狭窄和具有腐蚀性强的气体，液体以及射线污染等苛刻环境下的温度检测。
1 几种光纤温度传感器的原理和研究现状
光纤温度传感器按其工作原理可分为功能型和传输型两种。功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性(相位、偏振、强度等)随温度变换的特点, 进行温度测定。这类传感器尽管具有"传"、"感"合一的特点, 但也增加了增敏和去敏的困难。传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用, 以避开测温区域复杂的环境, 对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的。这类传感器由于存在而产生"波长移位"的原理制成光纤光栅温度传感器。1978 年, 加拿大渥太华通信研究中心的 K.O.Hill 等人首先发现掺锗石英光纤的光敏效应, 采用注入法制成世界上第一只光纤光栅(FBG) , 1989 年, Morey 首次报导将其用于传感。
英国 T. Allsop 利用椭圆纤芯突变型光纤研制出温度分辨率为 0.9℃、曲率分辨率为 0.05 的长周期光纤光栅曲率温度传感器。意大利 A. Iadicicco 利用非均匀的稀疏布拉格光纤光栅(ThFBGs)同时测量折射率和温度, 该传感器的温度分辨率为 0.1℃, 在折射率 1.45、1.33 附近的折射率分辨率分别为10-5、10-4。中科院海光机所利用光纤光栅的金属槽封装技术将光纤光栅温度传感器的灵敏度提高到 0.02℃ ; 哈尔滨工业大学把光纤光栅粘贴在金属半管上, 使其分辨率达到 0.04℃ ; 黑龙江大学光纤技术研究了一种光纤光栅(FBG)的Ti 合金片封装工艺, 使温度灵敏度达到 0.05℃。
1.1 光纤荧光温度传感器
光纤荧光温度传感器是目前研究比较活跃的新型温度传感器。荧光测温的工作机理是建立在光致发光这一基本物理现象上。所谓致发光是一种光发射现象, 就是当材料由于受紫外、可见光或红外区的光激发, 所产生的发光现象。出射的
荧光参数与温度有一一对应关系, 通过检测其荧光强度或荧光寿命来得到所需的温度的。强度型荧光光纤传感器受光纤的微弯曲、耦合、散射、背反射影响, 造成强度扰动, 很难达到高精度; 荧光寿命型传感器可以避免上述缺点, 因此是采用的主要模式, 荧光寿命的测量是测温系统的关键。美国密西西比州立大学用一种商用的环氧胶做温度指示(含有多环芳烃化合物: PAHs), PAHs 在用紫外光激发时发荧光, 荧光的强度随环氧胶周围温度的升高而减小, 该传感器可监测20℃～100℃范围内的温度。日本东洋大学根据 Tb:SiO2和 Tb:YAG 的光致发光(PL) 谱与温度有关, 将其制成光纤温度传感器。在300～1200K 的温度下, Tb:SiO2的 PL 峰值在 540nm 时的光强随温度的升高单调减小, Tb:YAG 晶体的PL 谱的形状随温度变化。韩国汉城大学发现 10cm 长的Yb3+、Er3+双掺杂光纤在 915nm 处, 两荧光强度的比值在 20℃～300℃间与温度成指数关系。这种双掺杂系统对于测量苛刻环境的温度非常有用。清华大学电子工程系利用半导体 GaAs 材料对光的吸收随温度变化的原理, 研制出测温范围: 0℃～150℃; 分辨率: 0.5℃的光。
2 几种光纤温度传感器的特点及各自的研究方向
分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器分别具有独特的优点和一定的不足, 因此它们的研究方向不同。
(1) 分布式光纤温传感器具有其他温度传感器不可比拟的优点。它能够连续测量光纤沿线所在处的温度, 测量距离在几千米范围, 空间定位精度达到米的数量级, 能够进行不间断的自动测量, 特别适用于需要大范围多点测量的直用场合。目前对分布式光纤温度传感器研究的重点: 实现单根光纤上多个物理参数或化学参数的同时测量; 提高信号接收和处理系统的检测能力, 提高系统的空间分辨率和测量不确定度; 提高测量系统的测量范围,减少测量时间; 基于二维或多维的分布式光纤温度传感器网络。
(2) 光纤光栅温度传感器除了具有普通光纤温度传感器的许多优点外, 还有一些明显优于其它光纤温度传感器的方面。其中最重要的就是它的传感信号为波
长调制。这一传感机制的好处在于: 测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响; 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要; 能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式测量; 很容易埋入材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量。尽管光纤光栅温度传感器有很多优点, 但在应用中还需考虑很多因素: 波长微小位移的检测; 宽光谱、高功率光源的获得; 光检测器波长分辨率的提高; 交叉敏感的消除; 光纤光栅的封装; 光纤光栅的可靠性;光纤光栅的寿命。
3 光纤温度传感器的应用
光纤温度传感自问世以来, 主要应用于电力系统、建筑、化工、航空航天、医疗以至海洋开发等领域,并已取得了大量可靠的应用实绩。
(1) 光纤温度传感器在电力系统有着重要的应用。
电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控; 高压配电装置内易发热部位的监测; 发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统; 各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断; 火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管道的温度和故障点检测; 地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。
(2) 光纤温度传感特别是光纤光栅温度传感器很容易埋入材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量, 因而被广泛的应用于建筑、桥梁上。美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家早就开展了桥梁安全监测的研究, 并在主要大桥上都安装了桥梁安全监测预警系统, 用来监测桥梁的应变、温度加速度、位移等关键安全指标。1999 年夏, 美国新墨西哥 Las Cruces 10 号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了 120 个光纤光栅温度传感器,创造了单座桥梁上使用该类传感器最多的记录。
(3) 航空航天业是一个使用传感器密集的地方,一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等, 所需要使用的传感
器超过 100 个, 因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤传感器从尺寸小和重量轻的优点来讲, 几乎没有其他传感器可以与之相比。
(4) 传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的, 光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量, 提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的技术相当丰富。对于光纤温度传感器的研究占到将近所有光纤传感器研究的 20%。光纤温度传感器的研究, 除对现有器件进行外场
验证、完善和提高外, 目前有以下几个发展动向: 大力发展测量温度分布的测量技术, 即由对单个点的温度测量到对光纤沿线上温度分布, 以及大面积表面温度分布的测量; 开发包括测量温度在内的多功能的传感器; 研制大型传感器阵列, 实现全光学遥测。
5 结束语
光纤温度传感器是一种新型的温度传感器, 它具有抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点, 其中几种主要的光纤温度传感器: 分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。
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开题报告-光纤温度传感器的研制
毕业设计(论文)开题报告题目：光纤温度传感器的研制 系别 专业 班级 姓名 学号 导师 ****年** 月*** 日
一、毕业设计（论文）综述（课题背景、研究意义及国内外相关研究情况） 本毕业设计研制的光纤温度传感器是指在光纤温度传感系统中，光纤作为光波的传输通路，设计一种光纤传感系统，测量待测物体的温度并与标准温度计的测量值、比较、定标以实现实用化的光纤温度测量系统。 光纤和光纤通信的问世和发展，引起了各界人士的关注，他们试图将这一新技术成果用到各自的领域。光纤传感器的出现正是这样。 目前，从大量文献资料中可看到光纤传感器的研究有如下动向: 1.继续深入研究传感器的理论和技术，解决实用化问题，发展新原理的光纤传感器。 光纤传感器基本原理的研究日益深入，强度、相位调制的传感器更加完善，而对波长调制和时间分辨信息的传感器亦有深入的研究。传感器用于实际测量的主要问题是长时间的漂移效应，漂移效应主要来自光纤传输线的衰减、祸合器和分束器特性不完整、光源输出不稳定及探测器的响应等。人们对此进行了深入研究，提出了许多解决办法，无论采用何种方法，在传感头上使用“比较”技术，使光纤传感器获得长时间的稳定，这样就可以使光纤传感器实用化。 2.从单一传感器进入到传感器系统的研究，并与微处理机相结合形成光纤遥测系统。 单一光纤传感器的研究一进入到实用化阶段，但它无法适用于多参数，多变量的测量。光纤传感器系统的一种形式是采用多路传输的光无源传感器系统，其核心问题是如何节省光路，寻求更有效利用的信息通道，使其能不畸变的更多的传输由各个光纤传感器取得的信号。利用光纤之间、几个无源传感器之间、数据遥测通道之间的多路传输达到此目的。 70年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。 1977年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。 从70年代中期到80年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它
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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=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是角频率；■为初相角。 该式包含五个参数，即强度错误!未找到引用源。、频率w、波长错误！未找到引用源。、相位（wt+ J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。 （一）强度调制 1.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，即受到了外场的调制,
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光纤温度传感器在电力电缆监测中的应用研究 发表时间：2018-01-10T10:12:31.343Z 来源：《电力设备》2017年第27期作者：郑瑜 [导读] 摘要：针对电力电缆运行特征的监测与控制始终是电力技术研究的重要内容，准确高效的线路故障定位能够提升线路运行管理与故障预警及处理的实际效率，为电网的稳定运行提供有效支持。 （国网上海浦东供电公司 200122） 摘要：针对电力电缆运行特征的监测与控制始终是电力技术研究的重要内容，准确高效的线路故障定位能够提升线路运行管理与故障预警及处理的实际效率，为电网的稳定运行提供有效支持。光纤温度传感器作为一种更为高效精确的测温装置，在当前的电力电缆监控中得到了有效的应用。本文在阐述光纤温度传感器工作原理的基础上，分析了相应系统的整体功能，并提出了实际情况下的具体的应用，旨在提供一定的参考与借鉴。 关键词：电力电缆；监测；光纤温度传感器 1光纤温度传感器工作原理 电传导是以电流作为传导媒介，同理光纤传感器是以光作为媒介进行的传导的，只不过它的传导过程比电传导更加复杂。它是将变化的能量转化成变化的光信号，光是一种相干性特别好的物质，这便让它更具特点，比传统的传感器都稳定，而又因为光的抗电磁干扰能力强，这也使光纤传感器受外界影响更小。同时具备以上特点的光纤传感器还特别轻小、柔韧，所以也便可以到处可用，解决了传统传感器无法再高压、强电流无法使用的窘境。 在目前的光纤传感器中大多应用了光纤光栅和拉曼散射等原理，光纤光栅是利用布拉格波长的温度依赖性进行监控温度的变化。每当有光线通过光栅时，电脑就会记录下一系列的波长、温度等数据，然后根据事先编写好的程序计算出光纤传感器附近的温度。而对于其他原理也可以计算出温度，如拉曼传感器的原理就和光纤光栅传感器不同，但并不意味着就无法保证了数据的准确性，拉曼传感器测出的温度同样准确，它使用了光时域反射的原理。同样在传感器中也有用到了光纤的后向拉曼散射原理，这种原理是基于光在不同种介质中会产生非弹性漫射，而这传感器主要就是利用产生了不同的非弹性漫射波进行对温度计算，最终得到精确的温度数据。 2电力电缆温度在线监测系统功能分析 根据电缆接头数量多、集中性差的特点，系统采用“分散-集中-再集中”结构，系统硬件结构如图1所示，系统由温度传感器、测控单元、数据传输设备及上位PC机组成。 图1电力电缆温度在线监测系统结构 温度传感器安装在电缆中间接头处，测控单元从各温度传感器读出电缆接头的实际温度，处理后存入外部存储器SRAM中，上位PC机定时向各测控单元发出读取电缆接头温度数据的命令，各测控单元收到命令后，将存在SRAM中的数据上传给PC机。当SRAM中的数据被PC机读取后，各测控单元会重新读取各温度传感器当前数据，进行温度数据更新。 PC机收到各测控单元温度数据后，即对数据进行分析处理、判断、显示、保存及打印等，并在温度越限时报警，提示相应电缆接头位置，以便运行人员及时排除故障。 2.1温度传感器的选择 温度传感器选用单总线数字温度传感器。每个传感器有唯一的系列号，多个传感器可在同一条总线上。具有独特的单线接口方式，支持多节点。传感器测温时无需任何外部元件，使分布式测温系统电路结构和硬件大为简化，具有通过数据线供电、超低功耗工作方式的特点。 2.2测控单元 测控单元是整个系统最重要的部分，根据实际需求，系统可以包括1个或多个测控单元。系统的测控单元采用单片机构成，用来完成传感器输出数据的采集、序列号的注册及与上位PC机的通信等。 由于1个测控单元要与多个温度传感器连接，且距离较远，为提高测控单元的抗干扰能力和可靠性，测控单元与传感器之间的连接由光电隔离和驱动电路组成。 每个测控单元还设计了1个登记注册端口并接至单片机，每个传感器在投入使用前必须事先进行注册，并将其惟一的序列号存入SRAM 中，以便使用。这是当发生温度越限报警后快速定位的重要依据。该系统内部每条总线连接不同单片机单片机分别进行单总线温度采集，采集到的数据和传感器的序列号通过GPRS网络传送到上位PC机中。 2.3数据传输 各测控单元与上位PC机之间的通信采用GPRS。GPRS是在现有GSM网络基础上通过软件升级实现的，GPRS网络的出现克服了GSM 网络在数据应用方面的缺点。采用分组交换技术，并增加2个服务节点。提供无线系统上的数据业务，可以无缝接入Internet，具有永远在线、按流量计费、覆盖范围广及无需铺线等优点。 3光纤温度传感器在电力电缆监测中的具体应用 3. 1实时监控电力电缆表面温度 通过光纤温度传感器对电力电缆表面温度实时检测，可以实现对工作电缆的问题及时处理，防止在电厂站工作时出现重大的电力电缆由于温度过高出现的重大事故。可以对电力电缆工作中出现的电力电缆事故进行定位，从而及时告诉工作人员事故位置可以更好的修护，
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国内外光纤传感器的发展现状 2011-6-29 8:25:44 讯石光通讯咨询网作者：iccsz 摘要:本文将分析光纤传感器国内外发展的现状。主要介绍了两方面的情况：光纤传感器原理性研究的发展现状和光纤传感器产品的应用与开发的现状。 本文将分析光纤传感器国内外发展的现状。主要介绍了两方面的情况：光纤传感器原理性研究的发展现状和光纤传感器产品的应用与开发的现状。前者报道了光纤光栅、分布式光纤传感技术以及光纤传感网的发展，这些是目前的研究热点；后者介绍了光层析成像技术、智能材料、光纤陀螺及惯性导航系统、工业工程类传感器（其中包括电力工业用高电压、大电流传感器，利用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器等）。最后介绍了新型光纤材料与器件、氟化物玻璃光纤，碳涂覆光纤、以及正在研究中的蜂窝型波导光纤、液晶光纤等。 一、引言 随着密集波分复用DWDM技术、掺铒光纤放大器EDFA技术和光时分复用OTDR技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会(OSA)主办的光纤传感国际会议（OFS）及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨。 当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。 FBG型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的FBG制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。另一方面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。 对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：光（纤）层析成像技术（OCT，OPT）、智能材料（SMART MATERIALS）、光纤陀螺与惯导系统（IFOG，IMIU ）和常规工业工程传感器。另外，由于光纤通信市场需求的带动以及传感技术的特殊要求，新型器件和特种光纤的研究成果也层出不穷。 目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。其中，比较成熟的技术包括：清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，已经安装运行数年；北京航空航天大学与总装合作研制的光纤陀螺系统，目前指标为0.2°/hr ；中国计量学院研制的分布式光纤传感系统，已有产品报道；华中理工大学与广东某公司联合研制的强电压、大电流传感系统。此外，在广东、深圳等地，还建立了许多光纤无源器件生产厂
光纤温度传感器
光纤温度传感器 电子092班 张洪亮 2009131041
光纤温度传感器 摘要 本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外 主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较了不同方法的温度测量范围和性能指标以及各自的优缺点。通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点，详细介绍了光纤温度传感器的原理，种类和各自的特点和优缺点。可以根据这些传感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域，本文也简要分析了各种光纤温度传感器的运用范围和领域。本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构，工作电气原理和基本的热力学过程。本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。 关键词：光纤传感器，光纤温度传感器，运用领域，空调器，空调器原理 1 引言： 光纤温度传感器是一种新型的温度传感器．它具有抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点，其中几种主要的光纤温度传感器：分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理，特点和应用范围。70 年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。1977 年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。从70 年代中期到 80 年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。从目前的情况看，己有一些形成产品投入市场，但大量的是处在实验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工作开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是: 光纤传感系统;现代数字光 纤控制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控; 民用研究计划。以上计划仅在 1983 年就投资 12-14 亿美元。美国从事光纤传感器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等 28 个主要单位。美国光纤
光纤光栅温度传感器 报告
光纤光栅温度传感器报告 ( 波长调制型光纤温度传感器 《 《光纤传感测试技术》 课 课程作业报告 提交时间: 2011年10月 27 日 1 研究背景 (执笔人: ) 被测场或参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化来确定北侧参量的传感方法即为波长调制型光纤传感器。 光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。基于光纤光栅的传感过程是通过 ,B外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息，其数学表达式为: ,,,2nBeff neff,式中:为纤芯的有效折射率;是光栅周期。 这是一种波长调制型光纤温度传感器，它具有一下明显优势: (1)抗干扰能力强。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感，具有很高的可靠性和稳定性。
(2)传感探头结构简单，体积小，重量轻，外形可变，适合埋入大型结构中测量结构内部的应力、应变及结构损伤，稳定性、重复性好，适用于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。 (3)测量结果具有良好的重复性。 (4)便于构成各种形式的光纤传感网络。 (5)可用于外界参量的绝对测量。 (6)光栅的写入技术已经较为成熟，便于形成规模生产。 (7)轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感。 由于以上优点，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康检测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。但是它也存在一些不足之处。因为光纤光栅传感的关键技术在于对波长漂移的检测，而目前对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其检测的分辨率和动态范围也受到一定的限制等。 光纤布拉格光栅无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为检测材 料的结构和载荷，探测其损伤的传感器。 2.传感设计与可行性论证(执笔人:) 根据耦合模理论，光纤布拉格光栅的中心反射波长可以表示为: ,,,2nBeff n,effB,式中为导模的有效折射率，为光栅的周期。由(1)式可以看出，中心反射波长
光纤传感器的应用研究
光纤传感器的应用研究 孙义才 2011301510103 电科三班 摘要：光纤传感技术是一门新的科学技术，也是信息社会的一个重要技术基础，在当代高科技中占有十分重要的位置。该技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。本课题主要了解光纤导光的基本原理及其在传感技术上应用的物理基础，重点研究光纤传感器敏感的物理量、光纤传感器的基本类型及其相关应用。 关键词：传感器；光纤通信；禁带宽度；光纤传感温度计；光纤传感压强计。 1.序言 光纤传感技术是二十世纪七十年代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起来的，通过以光波这一载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 现阶段，光纤传感领域在世界中的发展大致分为两大方面：应用开发与相关原理性研究。 2.1光纤传感器的结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(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由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。 可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。
光纤传感器的制作工艺及工程应用研究
光纤传感器的制作工艺及工程应用研究 陈涛 深圳太辰光通信股份有限公司广东深圳518040 摘要：光纤传感器是以光纤为基础制作的新型传感器设备，具有抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、耐腐蚀、测量范围广、体积小以及传输容量大等优点，常用于检测位移、温度、偏振、压力等，现代光纤传感器能在高压环境下代替人工完成作业，因此被广泛用于医疗、交通、电力、机械、航空航天等各个领域。如今光纤传感技术的应用推动通信技术的飞速发展，在众多产业有重要的地位。基于此，本文将着重分析探讨光纤传感器的制作工艺及其应用要点。 关键词：光纤传感器；制作；应用 1、光纤传感器基本原理概述 光纤传感器主要分为传感型和传光型等两类，其中传感型的传感器主要是利用被测对象的物理和化学的状态变化来引起光纤传输特性的变化，并通过传光特性来检测光纤中所传输光波的强度、相位等的变化，最终确定被测对象的状态。而传光型的传感器主要是利用被测对象的状态变化，引起光变换器件工作状态的变化，通过利用传光特性来检测光变换器中光纤所传输光波参数的变化，最终确定被测对象的状态。 1）典型的光纤传感器光源有发光二极管和半导体激光器；白炽灯也可用于某些化学传感器。2）光纤包括石英光纤、玻璃光纤和塑料光纤，其中石英光纤和玻璃光纤主要用于红外波段，塑料光纤则主要用于可见光波段；在某些传感器中还需要用专门研制的特殊光纤。3）光纤器件是为了使信号被限制在纤芯范围内传输，或是为了改变光的某些参数使其更适合于测量的部件，典型的光纤器件有光纤耦合器、滤波器、衰减器等，在一些简单的光纤传感器中有时没有光纤器件。4）传感元件是根据被测信号来调制光纤传输光参数的部件，它有时候是光纤本身，如拉曼散射式光纤温度传感器。5）探测器是用来对光信号进行检测的器件，一般包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电雪崩二极管、光电倍增管等。6）信号处理单元接收光电探测器输出的电信号，将其还原为被测信号，
详细剖析光纤温度传感器的工作原理和应用场景
详细剖析光纤温度传感器的工作原理和应用场景 温度是度量物体冷热程度的物理量，许多物理现象和化学过程都是在一定温度下进行，人们的日常生活也和温度密切相关。随着科学技术的迅猛发展，对温度的测量也提出了更多更高的要求。以电信号为工作基础的传统的光纤温度传感器特点光纤测温传感器测量温度的方法光纤传感器的基本原理几种光纤温度传感器的原理基于布里渊散射的分布式光纤传感技术基于布里渊光频域分析（BOFDA）技术的分布式光纤传感器光纤温度传感器的应用 光纤温度传感自问世以来, 主要应用于电力系统、建筑、化工、航空航天、医疗以至海洋开发等领域,并已取得了大量可靠的应用实绩。 1、光纤温度传感器在电力系统有着重要的应用，电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控; 高压配电装置内易发热部位的监测; 发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统; 各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断; 火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管道的温度和故障点检测; 地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。 2、光纤温度传感特别是光纤光栅温度传感器很容易埋入材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量, 因而被广泛的应用于建筑、桥梁上。美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家早就开展了桥梁安全监测的研究, 并在主要大桥上都安装了桥梁安全监测预警系统, 用来监测桥梁的应变、温度加速度、位移等关键安全指标。1999 年夏, 美国新墨西哥Las Cruces 10 号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了120 个光纤光栅温度传感器,创造了单座桥梁上使用该类传感器最多的记录。 3、航空航天业是一个使用传感器密集的地方,一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等, 所需要使用的传感器超过100 个, 因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤传感器从尺寸小和重量轻的优点来讲, 几乎没有其他传感器可以与之相比。 4、传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的, 光纤光栅传感器是现今能够做到最小的
光纤传感器的应用及发展
文章编号:10044736(2004)02006304 光纤传感器的应用及发展 杨春曦,胡中功3,戴克中 (武汉化工学院电气信息工程学院,湖北武汉430073) 摘 要:简要介绍了光纤传感器的特点,综述了光纤传感器的发展以及近期国际上光纤传感器的研究和应用情况,最后描述了其前景和主要研究方向. 关键词:光纤传感器;应用;光纤布拉格光栅;温度测量中图分类号:TQ 174.75+9 文献标识码:A 收稿日期:20031013 作者简介:杨春曦(1976),男,贵州铜仁人,硕士研究生.3通讯联系人. 0 引 言 光纤传感器的历史可追溯到上世纪70年代, 那时,人们开始意识到光纤不仅具有传光特性,且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础,无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来.1977年,美国海军研究所(N RL )开始执行由查尔斯?M ?戴维斯(Charles M .D avis )博士主持的Fo ss (光纤传感器系统)计划[1],这被认为是光纤传感器问世的日子.从这以后,光纤传感器在世界的许多实验室里出现.由于其具有常规传感器所无法比拟的优点和广阔的发展前景,很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度,也涌现出许多成果[2].但它仍存在诸如价格昂贵、技术不够成熟等瓶颈,这使得它在工程上的应用较少.最近涌现的很多成果无论是在价位上还是技术上都有了新的突破.随着新方法、新工艺不断被引入,大量低价位高性能光纤传感器面世,而光纤与其他学科理论相结合,不仅使光纤传感器在信号检测精度、传输减损、信号处理方面有了很大的提高,而且其应用领域也越加广阔.本文简要地介绍了光纤传感器的特点,并对光纤传感器近期的发展动态进行简要地概述. 1 光纤传感器的特点 光纤传感器由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成.众所周知,描述光波特征的参量很多(如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等),这些参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变.如当温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时,均会使这 些参量发生相应变化.光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小.一般光纤传感器按其作用不同可分为两种类型:传光型和敏感型.而按其检测方法不同主要又可分为两种类型:强度型和相位型.图1是光纤传感器的结构框图 . 图1 光纤传感器的结构框图 F ig .1 Structu ral diagram of fiber op tic sen so r 与传统的传感器相比,光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀、本质安全及测量对象广泛等特点,而且在一定条件下可任意弯曲,可根据被测对象的情况选择不同的检测方法,再加上它对被测介质影响小,非常有利于在医药卫生等具有复杂环境的领域中应用. 2 光纤传感器在研究和工程中的应 用近况 2.1 光纤传感器的工程应用 光纤的优点和具体学科理论相结合,产生一大批应用范围更广、性能更好、价格相对低廉的各具特色的光纤传感器,在传统领域和新兴领域都得到很好的应用. 2.1.1 光纤传感器在化学和生物学中的应用 当前,在国外研究得比较多的化学和生物光纤传感器主要有光吸收型传感器,荧光型传感器和衰减波形光纤传感器三种. a .光吸收型传感器的工作原理是根据测定被测物对特定波长的光产生吸收以及吸收的强度来确 第26卷第2期 武 汉 化 工 学 院 学 报 V o l .26 N o.22004年6月 J. W uhan In st . Chem. T ech . Jun. 2004
光纤式温度传感器的设计
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 学院名称： 专业班级： 学生姓名： 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
光纤温度传感器简介
光纤温度传感器 摘要：本文分析了光纤温度传感器在温度探测中的优势，分别介绍了分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器的工作原理，最后综述了光纤温度感器在现代工业及生活的应用。 关键字：光纤传感温度应用 1引言 在科研和生产中，有很多温度测量问题，传统的温度传感器有热电偶，热电阻温度传感器，热敏电阻温度传感器，半导体温度传感器等等。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，不产生电磁干扰，不受电磁干扰，抗腐蚀性好等等优点，特别适用于易燃，易爆，空间狭窄和具有腐蚀性强的气体，液体以及射线污染等苛刻环境下的温度检测。 2光纤温度传感器分类 光纤温度传感器按照调制机理可分为相位调制，振幅调制，偏振态调制；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。传光型与传感型相比，虽然灵敏度稍差，但可靠性高，实用的传感器大多是这种类型。 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。 2.1光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感器是利用光纤材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，具有传统传感器不可比拟的优势，近年来光纤光栅成为发展最为迅速，最具代表性的光纤无源器件之一，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光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg光栅，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg 光栅效应，其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，满足如下光学方程： =2nA 式中：为Bragg波长，A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殊的光纤光栅，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。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的重视，是一种新型的宽带带阻滤波器。 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，如图1所示：
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