金属管封装光纤光栅温度传感器特性的实验研究
实验三温度传感器特性的研究
实验三 温度传感器特性的研究温度传感器是检测温度的器件，被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，其种类多，发展快．温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类．所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触进行温度测量，这是温度测量的基本形式．而非接触式是测量物体热辐射而发出的红外线从而测量物体的温度，可进行遥测，这是接触方式所做不到的． 接触式温度传感器有热电偶、热敏电阻以及铂电阻等，利用其产生的热电动势或电阻随温度变化的特性来测量物体的温度，被广泛用于家用电器、汽车、船舶、控制设备、工业测量、通信设备等．另外，还有一些新开发研制的传感器，例如，有利用半导体PN 结电流/电压特性随温度变化的半导体集成传感器；有利用光纤传播特性随温度变化或半导体透光随温度变化的光纤传感器；有利用弹性表面波及振子的振荡频率随温度变化的传感器；有利用核四重共振的振荡频率随温度变化的NQR 传感器；有利用在居里温度附近磁性急剧变化的磁性温度传感器以及利用液晶或涂料颜色随温度变化的传感器等． 非接触方式是通过检测光传感器中红外线来测量物体的温度，有利用半导体吸收光而使电子迁移的量子型与吸收光而引起温度变化的热型传感器．非接触传感器广泛用于接触温度传感器、辐射温度计、报警装置、来客告知器、火灾报警器、自动门、气体分析仪、分光光度计、资源探测等．本实验将通过测量几种常用的接触式温度传感器的特征物理量随温度的变化，来了解这些温度传感器的工作原理．【实验目的】1．了解几种常用的接触式温度传感器的原理及其应用范围； 2．测量这些温度传感器的特征物理量随温度的变化曲线．【实验原理】1．铂电阻导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器．能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下特性：（1）电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；（2）电阻率高，热容量小，反应速度快；（3）材料的复现性和工艺性好，价格低；（4）在测量范围内物理和化学性质稳定.目前，在工业中应用最广的材料是铂和铜.铂电阻与温度之间的关系，在0～630.74 ℃范围内可用下式表示(201T B AT R R T ++=)（1）在－200～0 o C 的温度范围内为()[]320℃1001T T C BT AT R R T −+++=（2）- 16 -式中，R 0和R T 分别为在0 o C 和温度T 时铂电阻的电阻值，A 、B 、C 为温度系数，由实验确定，A = 3.90802×10－３o C －１，B = －5.80195×10－７o C －２，C = －4.27350×10－１２oC －４．由式（1）和式（2）可见，要确定电阻R T 与温度T 的关系，首先要确定R 0的数值，R 0值不同时，R T 与T 的关系不同．目前国内统一设计的一般工业用标准铂电阻R 0值有100Ω和500Ω两种，并将电阻值R T 与温度T 的相应关系统一列成表格，称其为铂电阻的分度表，分度号分别用Pt100和Pt500表示． 铂电阻在常用的热电阻中准确度最高，国际温标ITS －90中还规定，将具有特殊构造的铂电阻作为13.5033 K ～961.78 o C 标准温度计来使用．铂电阻广泛用于－200～850 o C 范围内的温度测量，工业中通常在600 o C 以下．2．半导体热敏电阻热敏电阻是其电阻值随温度显著变化的一种热敏元件．热敏电阻按其电阻随温度变化的典型特性可分为三类，即负温度系数（NTC ）热敏电阻，正温度系数（PTC ）热敏电阻和临界温度电阻器（CTR ）．PTC 和CTR 型热敏电阻在某些温度范围内，其电阻值会产生急剧变化，适用于某些狭窄温度范围内一些特殊应用，而NTC 热敏电阻可用于较宽温度范围的测量．热敏电阻的电阻－温度特性曲线如图1所示．NTC 半导体热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴、锰、镍、铜等过渡金属的氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状．与金属导体热电阻比较，半导体热敏电阻具有以下特点：（1）有很大的负电阻温度系数，因此其温度测量的灵敏度也比较高；（2）体积小，目前最小的珠状热敏电阻的尺寸可达φ 0.2 mm ，故热容量很小，可作为点温或表面温度以及快速变化温度的测量；（3）具有很大的电阻值（102～105 Ω），因此可以忽略线路导线电阻和接触电阻等的影响，特别适用于远距离的温度测量和控制；（4）制造工艺比较简单，价格便宜．半导体热敏电阻的缺点是温度测量范围较窄． 1 热敏电阻的电阻－温度特性曲线半导体热敏电阻具有负电阻温度系数，其电阻值随温度升高而减小，电阻与温度的关系可以用下面的经验公式表示⎟⎠⎞⎜⎝⎛=T B A R T exp（3）式中，R T 为在温度为T 时的电阻值，T 为绝对温度（以K 为单位），A 和B 分别为具有电阻量纲和温度量纲，并且与热敏电阻的材料和结构有关的常数．由式（3）可得到当温度为T 0时的电阻值R 0，即- 17 -⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=00exp TBA R （4）比较式（3）和式（4），可得⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=0011exp T T B R R T（5）从式（5）可以看出，只要知道常数B 和在温度为T 0时的电阻值R 0，就可以利用式（5）计算在任意温度T 时的R T 值．常数B 可以通过实验来确定．将式（5）两边取对数，则有⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+=0011ln ln T T B R R T（6）从式（6）可以看出，ln R T 与1/T 成线性关系，直线的斜率就是常数B ．热敏电阻的材料常数B 一般在2000～6000 K 范围内． 热敏电阻的温度系数α T 定义如下2T d d 1TBT R R T T −=⋅=α（7）由式（7）以看出，αT 是随温度降低而迅速增大．αT 决定热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度．热敏电阻的测温灵敏度比金属热电阻的高很多．例如，B 值为4000 K ，当T = 293.15 K （20 o C ）时，热敏电阻的αT = 4.7%/ o C ，约为铂电阻的12倍．3．PN 结温度传感器PN 的检测、控制和补偿等功能．实验表明，在一定的电流模式下，PN 结的正向电压与温度之间具有很好的线性关系．）和硅（正向电压随温度的变化根据PN 结理论，对于理想二极管，只要正向电压U F 大于几个 k B T /e （k B 为波尔兹曼常数，e 为电子电荷）．其正向电流I F 与正向电压U F 和温度T 之间的关系可表示为T T r B I qk U U ⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−+=ln 23ln F B g F （8） 式中，U g = E g /e ，E g 为材料在T = 0 K 时的禁带宽度（以eV 为单位），B 和r 为常数．由半导体理论可知，对于实际二极管，只要- 18 -它们工作的PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略，而又未发生大注入效应的电压和温度范围内，其特性与上述理想二极管是相符合的．实验表明，对于砷化镓、锗和硅二极管，在一个相当宽的温度范围内，其正向电压与温度之间的关系与式（8）是一致的，如图2所示．实验发现晶体管发射结上的正向电压随温度的上升而近似线性下降，这种特性与二极管十分相似，但晶体管表现出比二极管更好的线性和互换性．二极管的温度特性只对扩散电流成立，但实际二极管的正向电流除扩散电流成分外，还包括空间电荷区中的复合电流和表面漏电流成分．这两种电流与温度的关系不同于扩散电流与温度的关系，因此，实际二极管的电压－温度特性是偏离理想情况的．由于三极管在发射结正向偏置条件下，虽然发射结也包括上述三种电流成分，但是只有其中的扩散电流成分能够到达集电极形成集电极电流，而另外两种电流成分则作为基极电流漏掉，并不到达集电极．因此，晶体管的I C－U BE关系比二极管的I F －U F关系更符合理想情况，所以表现出更好的电压－温度线性关系．根据晶体管的有关理论可以证明，NPN晶体管的基极－发射极电压U BE与温度T和集电极电流I C的函数关系与二极管的U F与T和I F函数关系式（8）相同．因此，在集电极电流I C恒定条件下，晶体管的基极－发射极电压U BE与温度T呈线性关系．但严格地说，这种线性关系是不完全的，因为关系式中存在非线性项．4．集成温度传感器集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器．这种传感器最大的优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出．目前，集成温度传感器已广泛用于－50～＋150℃温度范围内的温度检测、控制和补偿等．集成温度传感器按输出形式可分为电压型和电流型两种．三端电压输出型集成温度传感器是一种精密的、易于定标的温度传感器，如LM135，LM235，LM335系列等．其主要性能指标如下：（1）工作温度范围：－50～＋150℃，－40～＋125℃，－10～＋100℃；（2）灵敏度：10 mV/K；（3）测量误差：工作电流在0.4～5 mA范围内变化时，如果在25℃下定标，在100 ℃的温度范围内误差小于1℃．图3（a）示出这类温度传感器的基本测温电路．把传感器作为一个两端器件与一个电阻串联，加上适当电压就可以得到灵敏度为10 mV/K，直接正比于10 k- 19 -绝对温度的输出电压U O．实际上，这时可以看成是温度为10 mV/K的电压源．传感器的工作电流由电阻R和电源电压U CC决定：()R/（9）=UI−UOCC由此式可见，工作电流随温度变化，但是对于LM135等系列传感器作为电压源时，其内阻极小，故电流变化并不影响输出电压．如果这些系列的传感器作为三端器件使用时，可通过外接电位器的调节完成温度定标，以减小工艺偏差而产生的误差，其连接如图3（b）所示．例如，在25 o C（298.15 K）下，调节电位器使输出电压为2.982 V，经如此定标后，传感器的灵敏度达到设计值10 mV/K的要求，从而提高了测温精度．电流型集成温度传感器，在一定温度下，它相当于一个恒流源，输出电流与绝对温度成正比．因此，它具有不易受接触电阻和引线电阻的影响以及电压噪声的干扰．例如，美Array国AD公司的产品AD590电流型集成温度传感器，只需要单电源（＋4～＋30 V），即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻即可实现电流到电压的转换，使用十分方便．而且，电流型比电压型的测量精度更高．AD590的主要性能指标如下：（1）电源电压：＋4～＋30 V；（2）工作温度范围：－50～＋150℃；（3）标称输出电流（在25℃）：298.2 μA；（4）标称温度系数：1 μA/K；（5）测量误差：校准时为±1.0 ℃，不校准时为±1.7℃．图4是AD590构成的简单温度测量电路．每1 K温度时，输出电流为1μA，因此，每1 K温度时负载R两端电压为1 mV．【实验仪器】1．温度传感器：铂电阻(薄膜型Pt100)，AD590集成温度传感器，半导体热敏电阻，晶体管PN结温度传感器．2．温度控制系统：不锈钢保温杯、加热电阻和硅油，交流低压加热电源，数字铂电阻温度计．3．测量仪表及电源：数字万用表，直流稳压电源（5 V），直流恒流电源（1 mA，100 μA）．【实验内容】1．铂电阻测量室温～150℃温度范围内薄膜型铂电阻温度传感器的电阻随温度的变化曲线，并确定其温度系数．2．AD590集成温度传感器测量室温～150℃温度范围内AD590集成温度传感器的输出电流随温度的变化曲线，并确定其温度系数．3．半导体热敏电阻- 20 -测量室温～120℃温度范围内半导体热敏电阻随温度的变化曲线，并确定热敏电阻的B 值．4．晶体管PN结温度传感器测量室温～150℃温度范围内晶体管基极－发射极电压U BE随温度的变化曲线，集电极电流I C取100 μA，并确定其温度系数．【注意事项】1．待测温度传感器与温度测量用铂电阻要紧贴放在加热油浴内．2．升温测量过程中，温度传感器在加热油浴内的位置不要移动．3．晶体管PN结和AD590集成温度传感器与电源连接时，正负极不可接错．4．实验过程中，要避免将油滴到桌面和地面上，并且要小心热油烫伤．【参考资料】[1]黄贤武，郑筱霞编著．传感器原理与应用．成都：电子科技大学出版社，1999[2]何希才编著．传感器及其应用．北京：国防工业出版社，2001[3]游伯坤，阚家钜，江兆章编著．温度测量与仪表—热电偶和热电阻．北京：科学技术文献出版社，1990[4]阎守胜，陆果编著．低温物理实验的原理与方法．北京：科学出版社，1985【附录】铂电阻Pt100分度表，R（0℃）= 100.00Ω，T = T1＋T2（℃）- 21 -。
温度传感器特性研究实验报告
物理实验报告
实验题目
温度传感器特性研究
姓名
学号
专业班级
实验室号
实验成绩
指导教师
实验时间
年月日
物理实验室制
实验目的
1、学习用恒电流法和直流电桥法测量热电阻；
2、测量铂电阻和热敏电阻温度传感器的温度特性；
3、测量电压型、电流型和PN结温度传感器的温度特性(选作)；
实验仪器
名称
型号
温度传感器温度特性实验仪
三、电压集成性LM35温度传感器温度特性的测试
将控温传感器Pt100铂电阻插入干井炉中心井，电压集成性LM35温度传感器插入干井炉一个井内。按要求插好连线。开启加热器，从30℃开始每隔5℃记录LM35传感器电阻值，直至90℃为止。
实验数据记录（注意：单位、有效数字、列表）
温度（℃）
直流电桥法测量Pt100铂电阻的温度特性/电阻（Ω）
用恒电流法测量NTC热敏电阻的温度特性/电阻（Ω）
电压集成性LM35温度传感器温度特性的测试/电压（mV）
30
112.3
818.4
4671
35
114.2
676.5
4610
40
116.2
561.9
4552
45
118.1
470.2
4500Biblioteka 50120.2394.8
4449
55
122.1
332.6
4399
60
124.1
281.9
4349
65
126.1
239.7
4298
70
127.9
204.5
4247
75
129.9
实验-光纤光栅温度传感
实验名称 光纤光栅温度传感实验一 实验目的1、了解在光纤的纤芯中制作光栅的基本方法（光纤光栅的制作）；2、掌握光纤光栅信号传输的原理；3、掌握光纤光栅温度传感的原理；4、进一步掌握新的光纤光栅布喇格波长的检测方法（长周期光纤光栅线性滤波解调方法）；5、掌握普通光纤光栅温度传感的优点及其适用范围。
二 实验仪器ASE 自发辐射宽带光源，光纤跳线，法兰盘，光谱仪（单模通信光纤接口），光纤耦合器（测反射谱峰值时用，测透射谱峰值不需要），温度控制仪（模拟实际测量温度场），光纤熔接机（代价大，仅限备用）三 实验原理1. 光纤布喇格光栅原理光纤布喇格光栅的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式祸合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，图1表示了其折射率分布模型。
整个光纤曝光区域的折射率分布可表示为：1121232[1(,,)] r (,,) r rn F r z a n r z n a a n a ϕϕ⎧+≤⎪=≤≤⎨⎪≥⎩ （1）式中 F(r,φ,z ）为光致折射率变化函数，具有如下特性：1(,,)(,,)n r z F r z n ϕϕ∆=maxmax 1(,,) (0)n F r z z L n ϕ∆=<< (,,)0 ()F r z z L ϕ=>式中 a 1 为光纤纤芯半径；a 2为光纤包层半径，相应的n 1为纤芯初始折射率；n 2为包层折射率；△n(r,φ,z ）为光致折射率变化；△n max 为折射率最大变化量。
因为制作光纤光栅时需要去掉包层，所以这里的n 3一般指空气折射率。
之所以式中出现r 和φ坐标项，是为了描述折射率分布在横截面上的精细结构。
图1 光纤光栅折射率分布示意图为了给出F(r,φ,z ）的一般形式，必须对引起这种折射率变化的光波场进行详尽分析。
目前采用的各类写入方法中，紫外光波在光纤芯区沿径向的光场能量分布大致可分为如下几类：均匀正弦型、非均匀正弦型、均匀方波型和非均匀方波型。
光纤Bragg光栅温度和应变传感特性的试验研究
，
安 姜德 生 ，
４０ ７ ） ３０ ０
０ １ ４２ 武 湖 （ ． 京 工 业大 学机 械 工 程 与 应 用 电 子 技 术 学 院 ， 京 １０ ２ ；． 汉 理 工 大 学 光 纤 传 感 技 术 中 心 ， 北 武 汉 １北 北
摘要 ： 在光 纤 Ｂａｇ光栅传感原理的理论分析基础 上 ， ｒｇ 采用保 温装置 和等 强梁结构 对其 温度 和应 变传感 特性进行 了 试验研究 ， 并做 了试验 结果的误 差分析 。其 结果表 明光纤光栅 的 Ｂａｇ波长随温度和 轴向应 变的变化呈现 出良好 的线性 ｒｇ
Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌＳ ｕ ｙ ０ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｔ ａｎ Ｓ ｎ ｉ ｇ ｐ ｒｍ ｎ ａ ｔ ｄ ｎ Ｔｅ ｅ ａ ｕ ｅ ａ ｄ Ｓ ｒ ｉ ｅ ｓｎ Ｃｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｆＦｉ ｅ ａ ｇ Ｇｒ ｔ ｇ ａ ａ ｔ ｒｓｉｓｏ ｂ ｒＢｒ ｇ ａ ｉ ｎ
２０ ０ ８正
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ Ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎ ｔｕ ｎ ｅ ｈ ｉ ｕ ｎ ｅ ｓ ｒ
２０ ０８
Ｎｏ ．１１
第 １ １期
光 纤 Ｂ ａ ｇ光 栅 温 度 和 应 变 传 感 特 性 的 试 验 研 究 ｒｇ
２ ｐｉａ ＦｂｒＳｎｉｇＴ ｃｎ ｌｇ ｅｅｒｈＣ ｎｅ ， ｈｎＵ ｉｅｓ ｙｏ ｅｈ ｏ ｇ ， ｈ ｎ４０７ ， ｈｎ ） ．Ｏ ｔ ｌ ｉｅ ｅｓ ｅｈ ｏｏｙＲ ｓａｃ ｅｔｒ Ｗｕ ａ ｎｖｒ ｔ ｆ ｃｎ ｌ ｙ Ｗｕ ａ ３００ Ｃ ｉａ ｃ ｎ ｉ Ｔ ｏ Ａ ｓ ａｔ Ｏ ｅｂｓ ｆｈ ｅｒｔａ ａａ ｓ ｆ ｂｒＢａｇｇ ｔ ｇ（ Ｂ ｂｔ ｃ： ｎｔ ａｉ ｏ ｔ ｔ ｏｅｃｌ ｎ ｙｉ ｏ ｆ ｅ ｒｇ ｒ ｉ Ｆ Ｇ）ｓｎｉｇｐｉ ｉ ｅ ｔ ｐｒｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ｓｎｉｇ ｒ ｈ ｓ ｅ ｈ ｉ ｌ ｓ ｉ ａｎ ｅｓ ｒ ｃ ｌ，ｅ ｅａ ｒ ｄｓａ ｅｓ ｎ ｎｐ ｍ ｕ ａ ｒｎ ｎ
光纤光栅传感器技术的研究与应用
光纤光栅传感器技术的研究与应用光纤光栅传感技术简介光纤光栅传感技术是一种新兴的传感技术，它是利用光纤光栅传输和接收光信号，实现对物理量和环境参数的检测和测量。
这种传感技术因其高温度稳定性、高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰等优点，具有在多个领域有应用前景。
光纤光栅传感技术的研究光纤光栅传感技术是光纤传感技术中的一种，它是将光纤和光栅相结合，形成一种特殊结构的传感器。
光栅具有折射率周期性的结构，能够产生对光波的反射，形成光反射信号，而借助于这个特殊结构，就可以实现对物理量和环境参数的检测。
光纤光栅传感技术的研究主要包括传感器的结构设计、光纤材料的选择、传感器的应变灵敏度和温度稳定性等方面的研究。
光纤光栅传感技术的应用光纤光栅传感技术具有多种应用场景，主要可以分为结构健康监测和环境检测两类。
1. 结构健康监测随着结构健康监测技术的发展，光纤光栅传感技术在工业和民用领域的应用越来越广泛。
例如，在航空航天领域，光纤光栅传感技术可以用于飞机结构的应力和应变检测，从而保证飞机的安全。
在铁路交通领域，光纤光栅传感技术可以用于铁路桥梁和隧道的健康监测。
在海洋工程领域，光纤光栅传感技术可以用于海底输油管道的监测，从而保证海底油气的开发和生产安全。
2. 环境检测光纤光栅传感技术可以应用于多种环境参数检测，包括温度、压力、电场等参数。
例如，在石化工业领域，光纤光栅传感技术可以用于液化天然气储罐的温度监测；在电气工程领域，光纤光栅传感技术可以用于高压电缆的测量和保护。
总之，光纤光栅传感技术以其独特的物理特性和多样的应用优势，在现代传感领域得到广泛的应用。
未来，随着技术的发展和普及，光纤光栅传感技术将会在更多的领域、更广泛的应用中发挥作用，为人类提供更多的安全和保障。
温度传感器特性的研究
温度传感器特性的研究实验报告一实验目的1．学习用恒电流法和直流电桥法测量热电阻；2．测量铂电阻和热敏电阻温度传感器的温度特性。
二实验仪器FD-TTT-A温度传感器特性实验仪一台，电阻箱R3三实验原理温度是一个重要的热学物理量，温度的变化对实验和生产结果至关重要，所以温度传感器应用广泛。
温度传感器是利用一些金属，半导体等材料与温度相关的特性制备的。
本实验通过测量几种常用的温度传感器的特性物理量随温度的变化来了解这些温度传感器的工作原理。
一般把金属热电阻称为热电阻，把半导体热电阻称为热敏电阻。
常用温度传感器的类型和作用直流平衡点桥（惠斯通电桥）的电路如图所示。
把四个电阻R1，R2，R3，Rt连接成一个四边形回路ABCD，每条边称作电桥一个“桥臂”在边形的一组对角接点A，C之间连入直流电源E，在另一组对角接点B，D之间连入平衡指示仪表，B，D之间对角线形成一条“桥路”，它的作用是将桥路的两个端点电位进行比较，当B，D两点电位相等时，桥路中无电流通过，指示仪示数为零，电桥达到平衡。
此时有U AB=U AD，U BC=U DC，电桥平衡，电流Ig=0，流过电阻R1，R3电流相等，I1=I3，同理I2=I Rt，因此R1/R2=R3/Rt如果R1=R2，则有Rt=R3 (1)2．恒流法测量热电阻恒流法测量热电阻，电路如图所示电源采用恒流源，R1为已知数值的固定电阻，Rt为热电阻。
U R1为R1上的电压，U Rt 为Rt上的电压，U R1用于监测电路的电流，当电路电流恒定时只要测出热电阻两端电压U Rt，即可知道被测热电阻的阻值。
当电路电流为I0，温度为t时，热电阻Rt为Rt=U Rt/I0=R1U Rt/U R1 (2)3．Pt100铂电阻温度传感器Pt100铂电阻是一种利用铂金属导体电阻随温度变化的特性制成的温度传感器。
铂的物理化学性能极稳定，抗氧化能力强，易复制性好，易工业化生产，电阻率较高。
按IEC标准，铂电阻的测温范围为-200— 650℃。
光纤布拉格光栅温度传感特性与实验研究_张磊 (1) (1)
现代测量与实验室管理2006年第4期 文章编号:1005-3387(2006)04-0003-04光纤布拉格光栅温度传感特性与实验研究张 磊1 莫德举1 林伟国1 韩杏子2(1.北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029 2.北京理工大学,北京 100081)摘 要:从光纤布拉格光栅温度传感模型出发,对光纤布拉格光栅温度传感的理论进行了分析,并通过实验对裸光栅的温度特性进行了研究,推导出了光纤布拉格光栅温度传感的一阶有效线性灵敏度系数的解析式。
实验结果表明,光纤光栅在所测温度范围内具有良好的线性特性,与理论结果基本一致。
表明光纤光栅温度传感的理论模型具有良好的实验基础。
关键词:光纤布拉格光栅;温度传感;光纤传感器中图分类号:TB96 文献标识码:A0 引言自1989年M orey报道将光纤光栅用于传感以来[1],光纤光栅在传感领域的理论和应用研究引起了人们的极大兴趣。
光纤光栅是波长编码传感器,与传统的“光强型”和“干涉型”光纤传感器相比,具有以下优点[2,3]:与光源强度、光源起伏、光纤弯曲损耗、光纤连接损耗、光波偏振态无关,因此它具有很强的抗干扰能力,并且易于采用波分复用、时分复用和空间复用技术构成光纤光栅智能传感网络,实现分布式多点实时在线传感,广泛用于温度、应力、应变等物理量的测量。
随着光纤光栅各项技术的发展,其成本也将更加富有市场竞争力,因此具有广阔的前景。
1 光纤布拉格光栅传感机理由耦合模理论可知,光纤布拉格光栅的中心反射波长应满足[4]λB=2n effΛ(1)式中,n eff为纤芯的有效折射率;Λ为栅格周期。
由式(1)可以看出,光纤布拉格光栅的反射波长随n eff和Λ的改变而改变。
因此,当外界条件变化引起这两个参数变化,通过测得反射波长的变化就可以测量外界物理量。
2 光纤布拉格光栅温度传感模型2.1 光纤光栅温度传感模型分析的前提假设外界温度改变会引起光纤光栅Bra gg波长的移位。
光纤温度传感特性测试及分析
光纤温度传感特性测试及分析随着科技不断发展，人们对物理环境的监测与控制的需求逐渐增加。
其中，温度是最为常见的物理参数之一。
光纤温度传感技术实现了高分辨率、快速响应和远距离传输等特性，为物理参数监测与控制提供了全新的解决方案。
本文将对光纤温度传感器的特性及测试方法进行探讨。
一、光纤温度传感器的工作原理光纤传感器的基本原理是光纤内部的传输特性随外界物理参数的变化而发生改变，从而使光束的特性产生变化，由此实现物理参数的监测。
光纤温度传感器的工作原理是通过将测量点处的光纤暴露在待测物中，借助光纤内部介质折射率与温度的变化关系，实现对温度的监测。
目前，光纤温度传感器最为常见的结构是光纤布拉格反射型传感器（FBG）。
FBG传感器使用光纤布拉格光栅作为光纤内部的温度响应元件，通过光栅和光纤的联合作用，测量出光在布拉格光栅上的反射波长的变化，从而实现对温度的监测。
二、光纤温度传感器的特性1. 高分辨率光纤布拉格反射型传感器具有高分辨率的特点，可以进行微小温度变化的探测。
由于FBG传感器是一种光学传感器，其分辨率主要取决于波长的变化量，当波长变化很小时，就可以获得较高的分辨率。
2. 快速响应光纤温度传感器具有快速响应的特点，可以在几毫秒内对温度变化进行响应。
相比传统的温度传感器，光纤温度传感器响应时间更短，监测效率更高。
3. 远距离传输光纤温度传感器可以实现远距离传输，可以在无需设立防爆措施的情况下，进行远程监测和控制。
这一特点在高温、高压、危险环境下的温度监测中尤为重要。
三、光纤温度传感器的测试方法光纤温度传感器测试方法可以分为点测法和连续测法两种。
1. 点测法点测法是指在被测温度区域内，安装一个FBG传感器以测量该区域一个固定点的温度。
点测法的优点是简单易用，适用于温度相对稳定的监测场合。
其缺点是不能全面反映物理环境变化的整体情况。
2. 连续测法连续测法是指在被测温度区域内，安装多个FBG传感器以实现对整个温度变化的监测。
光纤布拉格光栅温度传感特性与实验研究
弹光效应 。为 了能得到光纤布拉格光栅温度传感更详细
３ 一
维普资讯
则式 （ ） ４ 可表示 为 ：
＝Leabharlann 【 仅 ・ 考 ＋ ＋ １
＋ ・ ・ 】
（） ５
Ａ 叼 Ｔ＝ △
式 ＝＋＋ ・ ｏ １ ｒ
，
＋・ ・ 等 １
Ａ ＝ （ ｎ Ａ ＋ ｅ Ａ） Ａ ２ Ａｅ ｆ ｎｆ △ （） ２
１ 光 纤布 拉 格 光栅 传 感 机 理
由耦 合模 理 论 可 知 ， 纤布 拉 格 光栅 的 中心反 光 射 波 长应满 足 Ｊ
Ａ ２ｅ ＝ ｎ Ａ ｆ （） １
对式 （ ） 开 ， ２展 可得 温度 变化 △ 导 致光 纤 布拉 格光 栅 的相对 波 长移位 为 ：
４ 仅研究温度均匀分 布情况 ， ） 忽略光纤光栅不 同位 置 之间 的温 差效应 。 ２ ２ 光 纤布 拉格 光栅 温度 传感 模型 分析 ． 从光栅 Ｂａｇ方程 （ ） ｒｇ １ 出发 ， 当外 界温 度 改变 时 ， 若不考虑应力作 用 ， 可得 Ｂａｇ方程 的变分形式为 ： ｒ ｇ ］
抗 干扰能力 ， 且易 于 采用 波分 复 用 、 并 时分 复用 和 空 间复用 技术构成光 纤光栅智 能传感 网络 ， 现分 布式 实 多点 实时在线传感 ， 广泛用 于温度 、 力 、 变等物 理 应 应 量的测量 。随着 光纤光栅各项 技术 的发展 ， 其成本 也
将更 加富有市场竞 争力 ， 因此具 有广 阔的前 景 。
摘
要： 从光纤布拉格光栅温度传感模 型出发 ， 对光 纤布拉 格光栅 温度传 感 的理论进行 了分析 ， 通过实 验对裸 光栅 的 并
温度特性进行 了研究 ， 推导 出了光纤 布拉 格光栅温度传感 的一阶有效线性灵 敏度 系数 的解析式 。实 验结果 表明 ， 纤光栅在 光 所 测温 度范围内具有 良好的线性特性 ， 与理论结 果基本 一致 。表明光纤光栅温度传感 的理论模 型具有 良好 的实验基础。 关键词 ： 光纤布拉格光栅 ； 温度传感 ； 光纤传感 器
大范围光纤布拉格光栅温度传感器增敏实验研究
万方数据光学学报栅对温度和压力有较高的灵敏度，很多有机聚合物无法达到这些要求。
此外，有些聚合物虽然可较大幅度提高光纤光栅温度响应灵敏度，但受到材料本身不耐高温以及光纤光栅反射峰中心波长最大漂移范围限制，大多只能进行１００℃范围内温度的测量。
本文采用某种耐高温聚合物对光纤光栅封装，然后通过特殊工艺作进一步改善，可以实现２０～１８０℃内对温度的测量，可满足很多诸如油气井下等高温恶劣环境的要求。
２原理温度对光纤材料的影响主要有两方面：一是热膨胀导致材料尺度变化，另一方面是热致折射率改变；当采用聚合物封装时，光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）反射峰中心波长变化为口］猷Ｂ／ａＢ一［长＋（１一Ｐ。
）口。
ｂ］ＡＴ，（１）式中Ｐ。
为光纤光栅弹光系数，△丁为温度变化，妥为光纤材料的热光比系数，‰。
为粘贴光栅基底材料的热膨胀系数，根据温度范围的不同而改变。
对于掺锗石英光纤来说，妥大约为８．３×１０一，Ｐ。
为０．２２。
采用某种高热膨胀系数有机聚合物对光纤光栅封装，封装结构图如图１所示。
Ｆｉｇ．１ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｐｏｌｙｍｅｒｐａｃｋａｇｅｄＦＢＧｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ将光纤光栅两端固定在金属套管内，先将套管一端封闭，然后取液体聚合物材料，添加热稳定剂以及抗老化剂后，对光纤光栅进行灌封，在另一端留有一定的空间裕度，使聚合物材料的热膨胀性能不受影响。
最后将封装好的光纤光栅高温固化５ｈ。
３实验及结果分析封装光纤光栅的温度响应测试实验装置如图２。
将封装光纤光栅放入可控温箱中，宽带光源ＢＢＳ发出的光经３ｄＢ耦合器入射到光纤光栅中，被反射后又经３ｄＢ耦合器送到光谱分析仪ＯＳＡ，通过光谱分析仪观察光纤光栅反射峰中心波长的变化。
掺铒光纤激光器的工作电流为１５ｍＡ，峰值波Ｆｉｇ．２ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐｆｏｒｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｃｏａｔｅｄＦＢＧ长为Ａ一１５３２ｎｒｎ，带宽４０ｎｍ。
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第28卷第5期2011年10月黑龙江大学自然科学学报JOURNALOFNATURALSCIENCEOFHEILONGJIANGUNIVERSITYVol.28No.5October，2011
金属管封装光纤光栅温度传感器特性的实验研究余有龙，李德明，张林（合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥230009）
摘要：介绍了光纤光栅温度传感器的金属管封装技术，通过实验研究其温度传感特性。采用热膨胀系数不同的内径r=1mm，壁厚d=0.5mm，长度L=100mm管式结构的金属材料对光纤光栅进行贴壁封装实验时，得到黄铜管封装的传感灵敏度为14.9pm/℃，紫铜管封装的为14.6pm/℃，不锈钢管封装的为12．0pm/℃，它们分别是裸光栅的1.66倍、1.62倍和1.33倍，意
味着热膨胀系数大的封装材料传感灵敏度更高。实验表明，轴向封装的光栅，传感灵敏度还与其同管内壁的间距有关，间距越小灵敏度越高。关键词：光纤光栅；温度传感；封装；灵敏度中图分类号：TP121文献标志码：A文章编号：1001－7011（2011）05－0737－04
收稿日期：2011－05－23作者简介：余有龙（1964－），男，教授，博士，博士生导师，主要研究方向：光纤技术，E-mail：youlongyu@163．com
0引言
温度是常见的物理量，光纤光栅（FiberBraggGrating，FBG）一问世便被用来对其进行传感［1］。其灵敏度
高、动态范围宽、可靠性强，适合用于强磁场、潮湿甚至辐射场合。裸光栅非常脆弱，需经适当封装才具实用性。常见的封装形式有片状封装［2］、管状封装［3］、盒状封装［4］，所用封装材料有金属、聚合物［5］等。管状封装有单端和双端两种封装形式。两者均可形成网络监测，单端封装组网时常采用并接方式，传感元间独立性强，不会相互影响，但同一根光纤上仅能串接一个光栅。双端封装组网时多采用串接方式，传感器之间协同工作，但独立性不强，一个传感器发生异常可能会影响级联着的其它传感元的正常工作。金属管封装方式，由于结构紧凑、体积小、强度高、导热快、布设方便而广受关注。虽然该封装形式早有报道，但封装工艺对传感结果的影响还鲜见报道。本文探讨封装材料导热性能和封装结构的变化对传感结果的影响。论文内容有益于该功能传感器尺寸的优化以及性能的进一步提高。
1管状封装的FBG温度传感的工作原理
对于单层圆筒壁，均匀受热，其管壁各处温度的分布是均匀的，假设实验过程不破坏系统的热平衡，此时，温度对时间的微分方程为［6］
dTdt=ΓAV（Tf－T）ρcp
（1）
式中Tf为环境温度，T为管壁的温度，Γ为水与金属表面的换热系数，A为金属管的表面积，ρ、cp、V
分别为金
属材料的密度、比热容和体积。解（1）式得Tf－TTf－T0
=exp－ΓAρcpV()t（2）
其中，T0为t=0时管壁的温度。从（2）式可以看出，对于贴壁封装，若封装结构相同，则ρcp越小，其管内壁升温越快。即封装材料的蓄热能力越小，传感元响应越快。对于同轴封装，可看成双层圆筒结构封装，内圆筒为空气层而已。此时Tf－T'Tf－T1
=exp－Γ（2d+2d'+r1）ρcp（d+2d'+r1）d()t（3）
其中T'为金属管轴向温度，t=0时T'=T1，d为壁厚，d'为光栅与管内壁的间距，r1为光纤直径。由（3）式可知，同材质、同壁厚的封装材料，光栅与管内壁的间距越小，光栅处升温越快。轴向应变为0时，温度对FBG波长漂移的总影响为［1］ΔλΒ
λΒ
=（α+ε）ΔT（4）
式中α为光纤材料的膨胀系数，ε为光纤的热光系数。令KT=（α+ε）λΒ，则它为该传感器的灵敏度系数。此时（4）式变为ΔλB=KTΔT（5）封装不影响FBG的热光系数，假设封装材料的热胀系数αs大于光纤材质的热胀系数，则封装材料的热胀是通过对光栅轴向的拉伸而作用于光栅的。不计粘胶剂的影响，此时，KT可修正为［3］KT=［ε+α+（1－pe）（αs－α）］λ
B（6）
其中pe为光纤的有效弹光系数。（6）式意味着热膨胀系数大的封装材料对应较高的传感灵敏度。由（2）可知，相同材质、壁厚和长度的
不锈钢管，光栅和管内壁的间距越小，管壁升温越快，光栅受管壁热膨胀产生的轴向拉力更大，对应更大的布拉格波长的漂移，即光栅与管内壁间距越小传感灵敏度越高。
2金属管封装
选用不同热膨胀系数的金属管进行封装，制作了两组FBG温度传感头。第一组是采用贴壁封装方式，所用金属管是具有相同内径、相同壁厚的紫铜管、黄铜管和不锈钢管，先将该组传感器的光栅两端用硅橡胶固定（如图1所示），以确保光栅平直贴于管内壁。然后，用硅橡胶将金属管两端的光纤固定，固定时使靠近金属管两端的光纤尽量松弛，不受拉力。第二组是采用同轴封装方式，所用金属管是具有不同内径，但相同壁厚的不锈钢管，先将光栅的两端用硅橡胶固定（见图2所示），以确保FBG平直置于管的轴线位置。再用硅橡胶将金属管两端的光纤固定，固定时使靠近金属管两端的光纤处于松弛状态，不受拉力。
由于靠近管两端的光纤处于松弛状态，对外界应力有缓冲作用，因此管内FBG受到外界应力的影响较小，可忽略不计。封装后金属管、光纤和硅橡胶封装在一起，金属材料的热膨胀系数很大，当温度增加时，金属管膨胀，FBG会受到拉应力，引起传感光栅布拉格波长的漂移，起到温度增敏的作用。
3光纤光栅温度传感实验
搭建图3所示的实验装置，其中光谱仪的波长分辨率为0.02nm。所用光栅的长度为1cm，20℃时其布拉格波长为1560.80nm，带宽为0.22nm，反射率大于80%。所用宽带光源为LED，其输出功率为14μW，带宽75nm，中心波长为1524.00nm。实验中采用功率可调电炉加热，用来改变传感器的探测温度。将封装好的FBG温度传感器平直放在
·837·黑龙江大学自然科学学报第28卷电炉的一侧，室温下开始加热，从40℃开始记录数据，加温间隔为5℃，一直加热到100℃，然后进行相同温度间隔的降温实验。升温与降温过程缓慢，可认为是准静态过程。为了减小由温度不平衡带来的误差，均在恒温后记录每个温度点对应的FBG布拉格波长。3.1温度传感特性
先对第一组温度传感器进行测试。该组传感器的金属管内径r=1.0mm，壁厚d=0.5mm，长度L=100mm。图4为40～100℃范围内获得的传感器的布拉格波长随温度变化的实验关系。从图中可以看出，封装
后的FBG温度传感器有较好的重复性；其工作波长与待测温度呈线性关系，相关系数均达0.994以上。经线性拟合，得到裸光栅的温度灵敏度为9．0pm/℃，黄铜管、紫铜管和不锈钢管贴壁封装的温度灵敏度分别为14.9pm/℃、14.6pm/℃和12pm/℃，三者较裸光纤光栅分别提高了1.66、1.62和1.33倍。测试第二组封装的传感器，获得各自的布拉格波长随温度变化的实验曲线如图5所示。所用金属管的壁厚d=0.15mm，长度L=100mm，不锈钢管1的内径r=0.232mm，不锈钢管2的内径r=0.390mm，不锈钢管3的内径r=0.560mm。经线性拟合，得到三者的传感灵敏度分别为10.2pm/℃、9.8pm/℃和9.7pm/℃。与裸光纤光栅相比，三者的传感灵敏度分别提高了1.13、1.09、1.08倍。
对于纯石英光纤，pe的值约为0.22，α=0.55×10－6/℃，ε=6.67×10－6/℃，黄铜管的热膨胀系数为
17.8×10－6/℃，紫铜管为17.2×10－6/℃，不锈钢管为15×10－6/℃，由（6）式可算出三种金属管封装FBG的传感灵敏度分别为32.7pm/℃、32.0pm/℃和29.3pm/℃，裸光栅对应的为11.9pm/℃。实测值与理论值间存在偏差，原因主要是：1）光栅与金属间非刚性连接；2）金属材料热膨胀产生的拉应力在传递过程中有损失；3）温控和标定精度不高。后者是引起裸光栅的实测值偏离理论值的主要因素。3.2时间响应特性
将两组传感器分别从室温移至75℃的水中，用光谱仪连续扫描，观察光栅布拉格波长的变化，记录波长漂移所需的时间。两组传感器各测试5次，取平均值作为传感器样品的响应时间。对于第一组传感器，紫铜管、黄铜管、不锈钢管封装对应的响应时间分别为3.8s、4.0s和4.5s。三种金属管的密度分别为8.9×103kg·m－3、8.85×
103kg·m－3和7.75×103kg·m－3，比热容分别为383.6J·kg－1·K－1、394J·kg－1·K－1和510J·kg－1·K－1，Γ取1000W·m－1·K－1，由（2）式计算出管内壁温度达到与环境温度相差0.5℃时所用的时间分别为
3.56s、3.6s和4.1s。实验结果与理论分析基本吻合。可见，传感器的时间响应与封装材料的蓄热能力有
关，蓄热能力越小传感元响应越快。而导热系数的大小对其影响不明显。同样可测得第二组传感器中不锈钢管1、不锈钢管2、不锈钢管3的响应时间分别为2.5s、2.8s和3.0s。由（3）式计算出光栅温度达到与环境温度相差0.5℃时所用的时间分别为2.1s、2.3s和2.6s，实验结果与理论分析相符。可见，传感器的响应时间与光栅和管内壁的间距有关，间距越小传感元响应速度越快。对于两组传感器，响应时间的实测值比理论值稍大，主要原因如下：1）光谱仪存在扫描时间；2）传感器进入恒温环境与计时开始不同步；3）光栅布拉格波长达到预定值与计时结束不同步。
·937·第5期余有龙等：金属管封装光纤光栅温度传感器特性的实验研究