新型光纤温度传感器研究

收稿日期:2000206227

基金项目:国家自然科学基金资助项目;国家“八六三”项目及北方交通大学(论文)攀登基金PD 2084资助项目

作者简介:裴丽(19702),女,山西人,讲师,主要从事高速光纤通信网以及光纤通信关键技术等方面的研究工作。

文章编号:100422474(2001)022*******

新型光纤温度传感器研究

裴　丽,江中澳,黄燕平,简水生

(北方交通大学光波所,北京100044)

摘　要:介绍水银包层光波导作为测温探头的新型光纤温度传感器的探头结构及测温原理。与8098单片机相

结合,实现信号探测及数据处理。这种新型光纤温度传感器结构简单,理论分析的相对测量精度可达0102%。实验表明,在20～100°C 的温度范围内,测量精度为011°C 。对诸如油库等易燃、易爆危险环境的温度检测具有重要的意义。

关键词:水银包层光波导;新型光纤温度传感器;信号检测中图分类号:TN 92911 文献标识码:A

An I nvestiga tion on a New K i nd of Optica l F iber Tem pera ture Sen sor

PE IL i ,J I ANG Zhong -ao ,HUANG Yan -p i ng ,J I AN Shu i -sheng

(L igh t 2w ave T echno logy Institute ,N o rthem J iao tong U niversity ,Beijing 100044,Ch ina )

Abstract :T h is article describes the p robe con structi on and the p rinci p le of NO T S ,the m ercu ry cladding op tical

w avegu ide to be m ade as its temperatu re p robe 1W ith 8098m icrop rocesso r ,w e i m p lem en t the signal detecti on and data p rocess 1NO T S has si m p le con structi on ,its relative p recisi on can attain 0102%,and its ab so lu te p recisi on is 011°C at the temperatu re range 20～100°C .It is very i m po rtan t fo r the temperatu re m easu rem en t of the flamm a 2b ility and exp lo sive p lace such as o il w arehou se and so on 1

Key words :m ercu ry cladding op tical w avegu ide ;NO T S ;signal detecti on

1　引言

传感器技术是现代测量技术和自动化技术的重要基础之一。光纤传感器是光电子技术的新结晶,它具有抗化学腐蚀,精确度高等常规传感器无法比拟的优点。

本文介绍的新型光纤传感器利用水银包层光波导作为测温探头,包层长度灵活可变。它直接把被测参量的变化转换成光功率的变化,避免了象其他光纤传感器采用的声光、磁光、热光等物理效应的中间变化而产生的测量误差。由于光纤本身衰耗很低,因此可用来实现远距离温度检测。它具有分辨率高、电绝缘、抗电磁干扰、抗化学腐蚀、精度高等优点,能用在有毒有害、强电磁干扰等恶劣环境中,尤其适用于油库等易燃、易爆危险环境的温度检测。在科研、工业特别是国防等领域中有在着巨大的应用潜力[1]。

2　新型光纤温度传感器的测温原理

211　水银包层光波导的衰减特性[2]

水银包层光波导实际上是一个半径为a 、传输

介质为玻璃的金属同轴波导,故其损耗特性可以用

经典电磁场理论来分析。首先假定波导壁面是完纯的,得到壁面切向磁场和壁面表面电流的大小,然后由表面电流和壁面电阻计算损耗功率,可由下式

A =

单位长度损耗功率23传输功率

(1)计算衰减常数A 。最后按下式得出衰减系数Β,即

Β=10Z lg P i P o =10

Z lg P i P i e -2A

Z

(2)式中　P o 为接收功率;P i 为入射光功率;z 为水银包层光波导中的传输长度。具体计算如下:

(1)设E =E m e j (w t -Β′

z ),由麦克斯韦方程出发,计算在完纯波导壁情况下,同轴波导中TM 波和T E 波的各场分量分布;

(2)由式J s =n 3H 计算r =a 时壁面表面电流的大小;

(3)由金属包层介质波导的特性可知:

Ρ=N e

2

m (

B ′+j w )

(3)式中　B ′为单位质量的阻尼常数,其典型量级为

1014s -1;m 为电子质量;e 为电子电荷量;N 为单位体积内的电子电荷数。利用式(3),由传输常数Θ=

第23卷第2期

压　电　与　声　光

V o l .23N o .22001年4月

P IEZ O EL ECTR I CS &A COU STOO PT I CS

A p r .2001

Α

+j Β′可得出壁面电阻R S 的值。(4)由P l =

1

2

ΑΠR S J S 可得TM 波与T E 波单位长度的损耗功率P l TM m n ,P l R E m n 。

(5)由P =12z ∫　

2Π0∫

　Α0

( E r 2+ E Υ 2)r d r d Υ计算

金属包层波导中TM 波与T E 波的传输功率P TM ,

P TE 。

(6)计算衰减系数Β Β=

10

Z

lg P i P i e

-2A Z

=20lge 2L i A

i

(4)

其中　L i 为第i 个T E 模或TM 模的功率占总功率的比重系数;A i 为第i 个T E 模或TM 模单独传输

时的衰减常数。且

　A TM m n =P l TM m n 23P TM m n =ΞΕR S J 2

m +1(K cTM m n a )

K z aJ ′

m (K cTM m n a )

(5)

　A TM m n =P l TM m n 23P TE m n =aR S K 4cT Em n ΞΛm 2K z 1+m 2

K 2

z

K 4cTE m n a

2

(6)

由式(5)、

(6),可以计算出任意一种T E 或TM 模的衰减常数。式中K cTM m n ,K cTE m n 可由下式求得:TM 波:J m (K cTM m n a )=0,n 对应m 阶B essel 函数的第n 个根。

T E 波:J ′

m (K cTM m n a )=0,n 对应m 阶B essel 函数的第n 个根。

图1给出了不同芯径对应损耗随波长变化的理论分析结果

。由图可知,光波导芯径和光波长一定的情况下,光功率的衰耗随着水银包层光波导的长度增加作线性增加;水银包层光波导芯径一定的情况下,随着传输光波长的增加,衰减系数Β减小,波长一定的情况下,波导越细,则衰减系数Β越大。

图1　不同芯径对应损耗随波长的变化

212　测温探头结构[3]

如图

2所示,把水银注入一个底部有气泡的毛细管中,在底部形成一个水银泡,该水银泡就是测量探头的探测点,在毛细管的中心垂直放置一根裸光纤,其两端从毛细管中穿出,并与普通单模光纤连接,这种测温探头的结构类似于一个水银温度计,不同之处在于其中心多了一根裸光纤,并且在封装等制作工艺上提出了更高的要求。

图2　NO T S 的探头结构

213　测温原理

温度升高,水银的体积膨胀,假设温度为T 0和

T 1时对应的水银体积分别为V

和V t ,且T 1>T 0,

光功率计的测量值分别为w 0,w t ,t =T 1-T 0则

V 1=V 0(1+Θ1t +Θ2t 2

)

(7)其中Θ1和Θ2为膨胀系数,Θ1=118186×10-4

°C ,Θ2=0178×10-8°C

-2

水银的体积增量为

∃V =V 0(Θ1t +Θ2t 2

)(8)

假设毛细管的内径为d ,则毛细管内水银柱的上升

量为

∃H =∃V

S

=4V

0Πd

2

(Θ1t +Θ2t 2

)

(9)

若水银包层光波导的衰减系数为Β,则光功率的衰

耗为

L =Β∃H =4V 0Β

Πd

2

(Θ1t +Θ2t 2)(10)

由于Θ1µΘ2,故 L ≈4ΒV 0Θ1t

Πd

2

=w 0-w

t

(11)

则

w t =w 0-4ΒV 0Θ1

Πd

2

(T 1-T 0)=w 0-K (T 1-T 0)

(12)

由式(12)可知,所测温度与光功率计的测量值成正比,当外界温度发生变化时,水银体积膨胀,水银包层光波导的长度随之而变,水银包层光波导的

　第2期裴　丽等:新型光纤温度传感器研究101