光纤温度传感器的技术原理和相关应用研究

I光纤温度传感器的技术原理和相关应用研究摘要：随着光纤技术研究的不断发展，人类的生活越来越离不开光纤传感器。光纤传感器以其体积小、质量轻、灵敏度高、不易受到电磁的干扰等优点，人类开发出了各种类型的光纤传感器，逐渐取代了传统传感器在人类生活中的应用。本文详细介绍了光纤的三种特性及其各自的特点，光纤传感器的工作原理和其按照不同方式的分类。重点讲述了光纤温度传感器的特点以及分布式光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型温度传感器的测温原理与性质特点，并利用它们的工作原理及特点将光纤温度传感器应用到医疗、建筑、电力系统、航空航天等应用上。利用光纤温度传感器的工作原理，进行基于马赫-泽德尔干涉仪的测温实验。并根据这次的测温实验得到光纤温度传感器测温的优缺点，并对光纤温度传感器测温方法的改进提出自己的见解。关键词：光纤光纤传感温度传感器测温IITechnicalprinciplesandfiberoptictemperaturesensorsrelatedresearchAbstract：Withthecontinuousdevelopmentofopticalfibertechnologyresearch,humanlifeincreasinglyinseparablefiberopticsensors.FiberOpticSensorsitssmallsize,lightweight,highsensitivity,lesssusceptibletoelectromagneticinterferenceandotheradvantages,humansdevelopedvarioustypesoffiberopticsensors,graduallyreplacedthetraditionalsensorsinhumanlife.Thispaperdescribesthethreecharacteristicsofthefiberoftheircharacteristics,workingprincipleoffibersensoranditsclassificationindifferentways.Focusesonthecharacteristicsofthefiberoptictemperaturesensor,andtemperaturecharacteristicsandpropertiesoftheprincipleofdistributedopticalfibertemperaturesensors,fiberopticfluorescencetemperaturesensors,fibergratingtemperaturesensor,interferometrictemperaturesensor,andtheuseoftheirworksandthecharacteristicsofthefiberoptictemperaturesensorstothemedical,construction,powersystems,aerospaceandotherapplications.Theuseoffiberoptictemperaturesensorworks,basedMach-ZeDeerinterferometertemperatureexperiments.Andgiveadvantagesanddisadvantagesoffiberoptictemperaturesensoraccordingtothetemperatureofthetemperatureexperiment,andsuggestimprovementsfiberoptictemperaturesensortemperaturemeasurementmethodofhisownviews.Keywords：Fiber;Fiberopticsensing;Temperaturesensor;Applications;Measuringtemperature1引言随着人类社会的进步，光电子技术发展的越来越快，其中以光纤技术的发展最为迅速，半个多世纪以来，人们充分享用了由光纤技术带来的文明与便利后，有充分的理由使人们相信，人类已逐步进入由光主宰的技术世。光纤传感技术是20世纪70年代开始发展起来的传感技术，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50亿美金市场的产业。当前，世界上光纤传感可以从俩方面进行发展，原理性研究与应用开发。发展至今，光纤传感器已经称为整个光纤领域发展最快的技术与传统的传感相比具有很多的优点，由于其体积小、质量轻、高灵敏度、不易受到电磁的干扰、耐腐蚀、可弯曲、测量带很宽、反应速度快、探测距离远、易于埋入工程结构等优点，使其能工作在各种多变的环境中，不仅很好的解决了电式传感器无法解决的问题，而且在灵敏度上高上几个数量级。另外光纤传感技术就是利用光的各种参数如光强、频率、波长、偏振态等对环境因素如压强、温度的敏感，因此，光纤传感技术开始越来越多的应用到各种领域当中。已经有70多种物理量实现了光纤传感技术对其的测量，在许多的领域中获得了广泛的应用，例如医疗卫生、航天航空、电力系统、机械建筑等。2第一章光纤的特性:损耗、色散和偏振光纤的损耗、色散和偏振是对光纤传感技术的研究非常重要的参量。光纤传输信号的能量由于光纤的损耗而不断减少，为了补充衰减信号的能量，就必须在长距离的光传输线路上建立中继站，中继站之间的距离不仅是由光纤的损耗决定的，还取决于光纤的色散。光纤所携带信息的容量随着脉冲色散的减小而增加。例如，若脉冲的展宽由1000ns减小到1ns，则所传输的信息容量将由1Mb/s增加到1000Mb/s。因此。仔细分析光纤的损耗特性和色散特性十分重要。另外，一般的单模光纤不能传输偏振光，为此需用保偏光纤，因此，对于光纤通信、光纤传感和光纤的非线性效应的研究中都需要了解光纤的偏振特性，保偏、消偏和偏振控制的方法。1.1光纤的损耗光纤损耗大致可分为，光纤具有的固有损耗。光纤制成后由使用条件造成的附加损耗。具体细分如下：光纤损耗可分为固有损耗和附加损耗；固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗；附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。人们在铺设光纤过程中不可避免的产生了附加损耗。在实际生活中，光纤在相互连接起来时很难不会产生损耗，光纤微小弯曲、挤压、拉伸受力，也会引起损耗，这些都是光纤使用条件引起的损耗。究其主要原因是在这些条件下，光纤纤芯中的传输模式发生了变化。附加损耗是可以尽量避免的。固有损耗中，散射损耗和吸收损耗是由光纤材料本身的特性决定的，在不同的工作波长下引起的固有损耗也不同，搞清楚产生损耗的机理，定量地分析各种因素引起的损耗的大小。对于研制低损耗光纤合理使用光纤有着极其重要的意义。1.2光纤的色散色散是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。模式色散又称模间色散，只存在于多模光纤中，它是由于不同模式的时间延迟不同而产生的。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象，它取决于光纤的折射率分布。并和光纤的材料折射率的波长特性有关；材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光（因为实际光源的非单色性），其时间延迟不同而产生，这种色3散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度；波导色散又称结构色散。它是由于光纤的波导结构参数与波长有关而产生的色散，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。色散对光纤传输系统的影响。在时域和频域的表示方法不同。在信号分别是模拟调制和数字脉冲的情况下，色散分别会产生限制带宽（Bandwidth）和脉冲展宽（Pulsebroadening），色散一般用3dB光带宽（即为半高峰处的带宽）或者脉冲展宽σ来表示。1.3光纤的偏振一般的轴对称单模光纤可以同时传输两个线偏振正交模式，两个圆偏振正交模式。若光纤是完全的轴对称形式（几何形状为理想圆，折射率分布均匀），这两个正交模式在光纤中将以相同的速度向前传播，因而在传播过程中偏振态不会变化。实际的光纤由于多少同时存在着非轴对称性和弯曲，因而两正交模式在传播过程中会发生耦合，其结果是：（1）使光波的偏振态在传播过程中发生变化。（2）使光波在传播过程中发生“偏振（模）色散”，从而限制了单模光纤的信息传输速率。因此一般的单模光纤不能用于传输偏振光，为此发展了能维持光波偏振态的偏振保持光纤，即保偏光纤。其中包括高双折射光纤和低双折射光纤。4第二章光纤传感器2.1光纤传感器的研究历程自从1970年，第一根低损耗的石英光纤诞生（由美国康宁玻璃公司三名科研人马瑞尔、卡普隆、凯克制成，传输损耗20dB/km）以来。光纤通信与传输就从理想变成现实。进入实用阶段以后，光纤的应用发展极为迅速。光纤传感器是由于光纤及其通信技术的迅速发展而发展起来的，一种以光纤为媒介、光为载体。感知和传输外界信号的新型传感器。1977年美国海军研究所C.M.Davis博士主持的计划“用于航空工业中的光纤传感器系统(F055)”，这成为光纤传感技术研究开始的标志是。自从国际光纤传感器会议从1983年开始召开以来，越来越多的国家开始进行光纤传感器的研究。目前，世界各国都对光纤传感器的研究愈加广泛和深入，研究工作开展早的几个国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面。这些项目分别是:现代数字光纤控制系统;，光纤传感系统;核辐射监控;，光纤陀螺，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宇航局、美国海军研究所、斯坦福大学。西屋电器公司等28个主要单位。美国对光纤传感技术的研制开始的最早，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对光纤传感器技术的发展十分重视，早在1982年便以该部为首成立了英国光纤传感器合作协会，到1985年为止，该协会共有26个成员。德国在光纤陀螺上的研究规模和水平居世界第二位，仅次与美国。1980年，西门子公司就制成了高压光纤电流互感器的实验样机。日本有24家著名的公司和大学如松下公司、三菱公司、东京大学等从事光纤传感器的研究。申请光纤传感器的专利从1980年7月到1983年6月达到464件，涉及了11个领域，主要应用于大型工厂，以解决在易燃易爆等恶劣环境中的信息测量。强电磁千扰和传输和生产全过程的控制问题。2.2光纤传感器的种类和工作原理光纤传感器工作原理是光束经由光源入射，通过光纤的输送进入到调制区，进入到调制区的光与外界被测量的参数如温度、压强等通过相互作用，从而使光的强度、频率、相位、波长、偏振态这些光学性质发生变化。而通过测量这些光学性质的变化，并利用其与外界因素之间的相互关系，便可完成外界被测参数的测量。光纤传感器的种类很多:5(1)根据光纤在传感器中的作用可分为三大类。一类是功能性传感器。功能型光纤传感器中的光纤本身可以感受被测量，光在光纤内部传递时，被测量使光纤的特性发生变化，最终光信号被光纤测量、调制。其优点是结构比较紧凑、灵敏度高。缺点是需要使用特殊光纤，成本比较高。典型例子，如光纤陀螺、光纤水听器等。该传感器又称传感型光纤传感器。第二类是非功能性传感器。非功能型光纤传感器是利用其他的第三元件来感受被测量的变化，光纤在其中仅仅是传递光信号的作用，光作用在敏感元件上被测量、调制。其优点是材料不需要使用特殊光纤，制作工艺不需要特殊技术，制造方面，成本较低。缺点是灵敏度比较低。目前使用的大部分类型都是非功能型光纤传感器。第三类是拾光型传感器。拾光型光纤传感器是利用光纤作为探头，接收被测量辐射的光或者被其反射、散射的光，导致光信号发生变化，从而达到测量目的。常见的拾光型光纤传感器为辐射式光纤温度传感器。(