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。美国光纤传感器开始研制最早，投资最大，己有许多成果申请了专利。英国政府特别是贸易工业部十分重视光纤传感器技术，早在1982年有该部为首成立了英国光纤传感器合作协会，到1985年为止，共有26个成员，其中包括中央电器研究所、Delta控制公司、帝国化学工业公司、英国煤气公司、Taylor仪器公司、标准电信研究所及几所主要大学。德国的光纤陀螺的研究规模和水平仅次与美国居世界第二位，西门子公司在1980年就制成了高压光纤电流互感器的实验样机。日本制定了1979-1986年“光应用计划控制系统”的七年规划，投资达70亿美金。有松下、三菱、东京大学等24家著名的公司和大学从事光纤传感器研究。从1980年7月到1983年6月，申请光纤传感器的专利464件，涉及11个领域。主要应用于大型工厂，以解决强电磁千扰和易燃、易爆等恶劣环境中信息测量、传输和生产全过程的控制问题。我国光纤传感器的研究工作于80年代初开始，在“七五”规划中提出15项光纤传感器项目，其中有光纤放射线探测仪、光纤温度传感器及温度测量系统、光纤陀螺、光纤磁场传感器、光纤电流、电压传感器、医用光纤传感器、分析用传感器、集成光学传感器等。预计“七五”期间的研制成果可达到美、日等国80年代初、中期水平。半导体吸收型光纤温度传感器基本上是80年代兴起的，其中以日本的研究最为广泛。在1981年，KazuoKyuma等四人在日本三菱电机中心实验室，首次研制成功采用GaA、和Care半导体材料的吸收型光纤温度传感器。由于人们对半导体材料认识的不断深入，以及半导体制造和加工工艺水平的不断提高，使人们对采用半导体材料来制作各种传感器的前景十分看好。在90年代前后，出现了研究以硅材料作为温度敏感材料的光纤温度传感器。在1988年，Roorkee大学R.P.Agarwal等人，采用CIrD(化学气象淀积)技术，在光纤端面上淀积多晶硅薄膜，试制了硅吸收型光纤温度传感器。同年，IskoKajanto等人采用SOI结构，以光纤反射的方式，制作了单晶硅吸收型温度传感器。目前，以GaAs和CdTe直接带隙半导体材料的吸收型光纤温度传感器，已接近实用化。国内对半导体吸收型光纤温度传感器的研究起步较晚，兴起于90年代后期。主要集中在清华大学，华中理工大学，东南大学等高校。他们对该种类型的传感器结构，特性和系统结构进行了详细的分析和实践。但大量的研究只集中在GaAs半导体作为感温材料的传感器上，与国外在该领域的研究水平仍有较大差别。二、毕业设计（论文）主要内容和拟采用的研究方案光纤温度传感器是近几十年发展起来的新技术，也是工业中应用最多的光纤传感器之一。按照调制原理有相干型和非相干型两类。在非相干型中，它可分为辐射温度计、半导体吸收型温度计、荧光温度计等;在相干型中，有偏振干涉、相位干涉以及分布式温度传感器等。光纤温度传感器与传统的温度传感器相比，具有无可比拟的优势。它不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、绝缘性好、安全等特点。而且特别适合超长距离和恶劣环境下的探测。因此，光纤温度传感器是目前研究的最多的光纤传感器之一。方案一：干涉型光纤传感器就是利用马赫—泽德（Mach—Zehnder）干涉原理，两束单色光相干涉就能得到干涉条纹，然后改变一条光纤的温度或压力从而使光纤折射率、长度发生变化，产生干涉条纹移动。本实验用光纤代替两条光路如图２所示，在探测光路一侧让光纤通过一个浸入热水中金属管，当水温改变时，从金属管中心通过的光纤的长度、折射率发生改变，两者的共同作用，从监视器中可观侧到干涉条纹的移动。方案的可行性：当水温改变时，从铜套中心通过的光纤的长度、折射率发生改变，两者都会引起光程的改变，从监视器中可观测到干涉条纹的移动，测出谁的初始温度，在水冷却的过程中，从监视器中可观测到干涉条纹的移动数量。测出水的温度变化，找出条纹的移动与温度变化关系，从而既能实现测温度的目的。方案二单晶硅半导体吸收型光纤温度传感器的系统结构图如图所示。包括发光管稳流电路，半导体发光二极管，传输光纤，半导体温度探头，光电探测器以及前置放大电路和低通滤波器。工作过程为:发光管稳流电路驱动发光二极管发光，测量光经过光纤进入温度探头，探头中的单晶硅材料对光有吸收作用，其透过的光强与温度有关，经光纤传输后，由光电探测器检测，经信号放大、滤波后输出(如图所示)。可行性分析：当温度升高，整个吸收收谱向长波方向移动。但其形状保持不变。如果选用合适光谱谱宽的光源，并保持光强不变，此时透过硅片的光子大量被吸收，光强减弱。如用光电检测器检测出变化，便可了解温度的变化。但由于单晶硅在市场不易购买，无法进行实验，故实行此方案比较困难，所以不采用该方案。故本课程采用方案一干涉型光纤传感器测温度。三、毕业设计（论文）研究的重点难点干涉型光纤传感器检测量是光的相位变化，表现为干涉条纹的移动。它的优点是灵敏度极高，特别是对温度、压力、振动等外界条件反应比较敏感，从而导致光强、相位、频率和偏振态等光波量的变化。所以本课题的重点也是难点即：搭建、调整光路以实现光耦合要实现光耦合主要是调整好光纤温度臂的小型化与灵敏度的最佳匹配关系，从而实现光耦合，这样测量数据的误差减小。四、毕业设计（论文）进度计划第一、二周，查找相应资料，熟悉课题内容。第三、四周，查资料写开题报告和计划进度表。第五、六周，准备开题报告答辩，根据相关资料论证设计方案。第七至十周，搭建实验模型，为测量数据做准备。第十一、十二周，数据测量与计算。第十三、十四周，撰写毕业设计论文和软件编程。第十五、十六周，修改和撰写毕业设计。第十七、十八周，完成毕业设计论文，查阅资料，找出知识点，准备答辩。五、毕业设计（论文）参考文献[1]张志鹏,WA.Gambling，著，光纤传感器原理，中国计量出版社，1991[2]王玉田.光电子学与光纤传感器技术[M].北京:国防工业出版社,2003.[3]常丹华,王廷云.谱带吸收式光纤温度传感器[J].光子学报,2001,30(7):8852888.[4]王廷云,罗承沐,申烛.半导体吸收式光纤温度传感器[J].清华大学学报(自然科学版),2001,41(3):1402142.[5]廖延彪.光纤光学[M].北京:清华大学出版社,2000.[6]许忠保,叶虎年,叶梅.半导体吸收式光纤温度传感器[J].半导体光电,2004,25(1):62264.[7]赵仲刚,杜柏林,逢永秀,等.光纤通信与光纤传感[M].上海:上海科学技术文献出版社,1993.[8]张福学，传感器应用及其电路精选.电子工业出版社，1991[9]强锡富，传感器，哈尔滨工业大学，2001.5[10]黄贤武，传感技术，苏州大学出版社，1993[11]关荣峰，等，半导体光纤温度传感器特性研究，光电工程，V61240997[12]曹康敏，施明恒，半导体吸收式光纤温度传感器的研制，传感技术学报，1999[13]王廷云，罗承沐，申烛，半导体吸收式光纤温度传感器，清华大学学报(自然科学版)，2001[14]刘恩科，朱秉升，罗晋生，等，半导体物理学，国防工业出版社，1994[15]魏希文，陈国栋，编著，多晶硅薄膜及其应用，大连理工大学出版社，1988[16]袁明权，硅基微机械加工技术，半导体技术，2001[17]石顺祥，王学恩，刘劲松，物理光学与应用光学，西安电子科技大学出版社，2008.8所在系审查意见：系主管领导：年月日指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师：年月日