光纤光栅型温湿度传感器的设计与实现_张向东

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光纤光栅温度传感器的研制----毕业设计

摘要温度，它是表征工程结构安全的重要指标。

随着科技的发展，对温度测量的精度要求越来越高。

近年来，光纤传感技术得到飞速发展，光纤光栅传感器相比传统的机械电子式传感器在工业领域的越来越显示出其优势地位。

因此设计高精度的光纤光栅温度传感器对温度进行长期、长期、实时、动态的监测，具有十分重要的意义。

介绍了光纤光栅的结构、传感原理、传感模型、传感系统和传感网络的基本组成，通过对四种光纤光栅温度传感器结构的分析，说明封装方法对光纤布拉格光栅Fiber Bragg Grating(FBG)。

FBG温度传感器特性的影响；进一步分析光纤Bragg光栅传感技术，针对“开关柜火灾报警系统”项目，分析光纤光栅温度传感器的具体设计要求和性能指标。

通过研究目前光纤光栅温度传感器封装方法的现状，分析每一种封装方法的特点，设计出一种新的光纤光栅温度传感器封装方法；对所研制的FBG温度传感器进行性能测试试验，并结合特定的工业场合分析FBG温度传感器的性能，另外还介绍了其在现场的安装方式和一些注意事项。

“开关柜火灾报警系统”的成功实施，证明光纤光栅温度传感器其性能指标完全符合工业应用的现场。

关键词：光纤光栅，传感技术，温度传感器，电力系统ABSTRACTTemperature is an important index for project structure safety.With the development of technology,the accuracy requirements of measuring temperature are increasing obviously.Recently with the rapid development of fiber sensing technology FBG sensors are showing their more and more prominent advantages in industry engineering than traditional mechanical and electrical sensors.so it is meaningful to design novel FBG-based temperature sensors to take long-time, real-time and dynamic monitor for the temperature.The structure,sensing principle,sensing model of fiber grating,and basic structure of fiber grating sensing system and sensing network are introduced in the paper.The effects of characteristics of fiber grating temperature sensor of four encapsulating methods are analyzed in my paper. Through deeply study on the FBG sensing technology,the design requirements of FBG temperature sensor are illustrated,according to the practical needs in engineering of Switchgear Fire Alarm System,learning from the research on the current status of FBG temperature sensor encapsulation,and the characteristics of existed encapsulation structures,a new encapsulating method has been designed.The performance test of the made FBG temperature sensor has been made, which is not only in lab, but also in some specific industries occasions.The way of installation of the FBG temperature sensor in the field and some notes in that progress are also described in the paper.The performance indicators of FBG temperature sensor consistent with the field of industrial applications completely are verified with the successful implementation of the engineering of Switchgear Fire Alarm System.KEY WORDS: fiber grating,sensing technology,temperature sensor,electric power system目录摘要 (I)ABSTRACT ......................................................................................................................... I I 第一章绪论 (1)1.1温度测量现状 (1)1.1.1 温度测量技术介绍 (1)1.1.2 温度传感器 (3)1.2光纤光栅传感技术的应用现状 (4)1.3主要研究内容 (6)第二章光纤光栅传感的基本理论 (8)2.1光纤光栅结构及传感原理 (8)2.2光纤光栅传感模型 (9)2.2.1 应变传感器模型 (10)2.2.2 温度传感器模型 (10)2.3光纤光栅传感系统和传感网络基本构成 (11)2.3.1 传感检测系统 (11)2.3.2 传感网络 (11)2.4光纤光栅温度传感器特性 (12)2.4.1 光纤光栅温度特性 (12)2.4.2 实际光栅温度传感器的温度特性 (13)2.4.3 光纤光栅温度传感器的传感原理 (13)2.5小结 (14)第三章光纤光栅传感器的研制 (16)3.1光纤光栅温度传感器封装结构的研究现状 (16)3.2光纤光栅温度传感器的设计要求 (17)3.3实验装置及方法 (18)3.3.1实验装置 (18)3.3.2实验方法 (19)3.4实验数据处理方法 (20)3.4.1 传感器的特性分析与技术指标 (20)3.4.2 实验数据处理方法 (22)3.5光纤光栅温度传感器结构的设计 (22)3.5.1 封装结构的提出 (22)3.5.2 对封装方法的进一步改进 (26)3.6封装结构对灵敏度影响的分析 (27)3.6.1光纤光栅温度特性实验 (27)3.6.2实验数据分析 (29)3.7封装工艺对传感器性能影响的分析 (30)3.7.1 传感器性能对比实验 (30)3.7.2 实验数据分析 (30)3.8其他性能指标的测试结果说明 (31)第四章光纤光栅传感器在电力系统测温中的应用 (34)4.1光纤光栅电力测温系统的组成 (34)4.1.1 光纤光栅测温系统组成 (34)4.1.2 FBG测温系统在开关柜上的具体组成部分 (35)4.2光纤光栅电力测温系统的特点 (36)4.3光纤光栅电力测温系统的技术指标 (36)4.4电力测温中光纤光栅传感器与传统传感器的比较 (37)4.5光纤光栅测温在电力系统中的应用范围 (37)4.6FBG温度传感器的现场安装方式 (39)4.6.1 光纤光栅温度传感器的安装方式 (39)4.6.2 传输光缆的安装方法 (40)4.7小结 (41)第五章总结和展望 (42)5.1总结 (42)5.2展望 (42)参考文献 (44)第一章绪论1.1 温度测量现状温度作为七大基本物理量之一，它是表示物质冷热程度的物理量，与我们的生活息息相关，小至与我们生活环境相关的环境温度，大至在工程上比如发电厂、城市供配电网中，温度的监测越来越重要，然而由于电缆用量越来越多，要是温度监测不够精确，电缆接头温度过高往往都可能成为电缆火灾的元凶，电缆接头过热引起的电缆断路、短路、爆炸甚至引发重大火灾事故的案例屡见不鲜[1]。

一种光纤光栅温度传感器的制作方法

一种光纤光栅温度传感器的制作方法
光纤光栅温度传感器是一种用于测量温度变化的传感器。

它利用光纤中的光栅结构来感知温度变化，并将其转化为光信号输出。

下面是一种制作光纤光栅温度传感器的方法，包括以下10个步骤：
1. 材料准备：准备光纤、光纤光栅、光栅定位夹具、光纤固定装置、扭曲盒、光纤固定环等。

2. 准备光纤光栅：光纤光栅是将光纤经过高频脉冲紫外光照射形成的，首先将光纤剥离外套层，插入光栅定位夹具中以固定位置。

3. 光纤固定：将光纤光栅插入光纤固定装置中，以确保光栅的位置和张力。

4. 固定装置焊接：将光栅的两端接头固定在光纤固定装置上，用焊接技术进行固定。

5. 光纤固定环安装：在光栅的两端固定装置上安装光纤固定环，以增加光纤固定的稳定性。

6. 光纤固定装置安装：将光纤固定装置固定在扭曲盒上，以保护光纤光栅。

7. 光纤连接：将光纤一个端口连接到光纤固定装置上，另一个端口连接到光纤的光源和接收器上。

8. 信号采集：使用光源和接收器对光栅进行光信号的输入和输出，并采集温度变化产生的相应变化信号。

9. 信号处理：通过信号处理电路将光信号转化为温度信号，并进行相关的校准和滤波处理。

10. 结果输出：将温度信号输出到显示设备、记录仪或其他温度控制系统中，实现对温度变化的监测和控制。

制作光纤光栅温度传感器需要一定的专业技术和设备，确保传感器的稳定性和精度。

以上步骤提供了一种基本的制作方法，但具体的步骤和参数可能会因不同的应用和要求而有所变化。

在实际制作过程中，应根据具体情况选择合适的材料和工艺，并进行相应的实验和测试，以确保传感器的性能和可靠性。

光纤光栅传感实验装置设计与实现

ｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅｇｏａｌｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｓｔｒａｉｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｓｗｅｌ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ ’ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ．
ｓｔｕｄｉｅｓｈａｖｅｓｈｏｗｎｔｈａｔｆｉｂｅｒｇｒａｔｉｎｇｉｓｉｄｅａｌｆｏｒｓｔｒｅｓｓａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔ．Ｆｉｂｅｒｇｒａｔｉｎｇｈａｓｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｃａｂｌｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓｓｕｃｈａｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｏｗｅｒ，ａｎｄ
ＩＳＳＮ１００２
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3 温湿度测量试验及结果
如图 2 , 在温湿度可控的测量室中放置 Honeywell 公司的 HIH36022C 型温湿度传感器以对所研制的 FBG型温湿度传感器进行校准测量试验 ,测试系统采用 ASE 宽带光源及可调谐 F2P 滤波器解调方式 (解调精度为 1 pm) 1 其温湿度灵敏度、相对湿度滞后性、长期稳定性等主要技术指标的试验结果如图 3 (a) ～ (d) 1
KT1 = 9120 ×10 - 6/ K KT2 = 7155 ×10 - 6/ K KH1 = 3102 ×10 - 6/ % 同计算数值基本一致 ,其中温度测量范围主要是受到 HIH36022C 温湿度传感器 85 ℃的限制 ,实际 FBG温湿度传感器温度测量上限可达 160 ℃1 2 ) 传感器的相对湿度、温度测量精度为 ±5 %
1 4) 传感器的动态响应时间小于 HIH36022C 温湿
度传感器的对应值 (15 s) ,减小 PI 湿敏涂层厚度 ,该值可进一步降低 1
sensor with on2chip calibration. Sensor and Actuators A , 2001 , 92 :80～87 2 Gerlach G, Sager K. A piezosistive humidity sensor. Sensor and Actuators A ,1994 , 43 :181～184
式 (2) 中的第一项为由相对湿度变化量ΔH 引起的
弹光效应和温度变化量ΔT 引起的热光效应共同作
用的结果 ; 第二项为ΔH 和热膨胀引起的 FBG 轴向
应变之和 1
1 传感器的测量原理
光纤光栅型温湿度传感器主要由对温湿度敏感的 FBG1 和仅对温度敏感的 FBG2 所组成 ,如图 11 外包 PI 湿敏薄膜的 FBG1 同时敏感测量现场的温度变化量 ΔT 和相对湿度变化量 ΔH , 而无 PI 涂层的
图 2 温湿度测量校准试验系统 Fig. 2 Temperature and relative humidity sensing and
对试验结果进行分析 ,不难看出 : 1) 在 20～80 ℃、10 %～90 %范围内 , FBG 传感
器的输出和温湿度变化保持线性关系 ,试验测得的温湿度灵敏系数分别为
性以及测量范围、响应速度、测量精度等主要指标的
要求也越来越高 1 在现有的温湿度传感器中 ,湿度
参量的高精度测量比温度参量要困难得多 ,电容式、
电阻式等电量湿度传感器 ,由于测量精度高、响应速度快以及信号易于处理和控制等优势 ,在市场中占据了主导地位 ,但存在着长期稳定性和互换性差的
图 1 光纤光栅型温湿度传感器结构 Fig. 1 Structure of the FBG temperature and relative humidity
波长为 1 3 1 0 . 0 4 nm , FBG2 的中心波长为
13 0 5 . 2 1 nm , 掺锗石英光纤的包层半径为 22. 52μm ,热线膨胀系数为 5. 5 ×10 - 7/ ℃,热光系数为 7. 13 ×10 - 6/ ℃,泊松系数为 0. 27 ,杨氏模量为 7. 2 ×1010 Pa 1
2 主要参量的确定及制作工艺
由式 (3) 、(4) 可以看出 :增大 PI 涂覆层半径 rH 或减小光纤包层 rF 均可提高 FBG 温湿度传感器的湿度灵敏度系数 KH 和温度灵敏度系数 KT ,但 rH 增大量应以不影响湿度传感动态响应时间为前提 , rF 的减小量应满足 FBG 传感器自身强度的要求 1 有限元理论分析和实际试验结果表明[5] : rF在20～ 50μm 取值时 ,有较高的灵敏度系数和足够的自身强度 ,且容易后续制作处理 ; rH 在 2～10 μm 取值时 , KH 值呈递增趋势 ,且相对湿度的动态响应时间随湿度和温度不同在 5 s～15 min 之间取值 1
4 Kersey A D , Davis M A , Patrick H J , et al. Fiber grating sensors. Journal of Lightwave Technology , 1997 ,15 (18) : 14412
3 Kronenberg P , Rastogi P K, Giaccari P , et al. Relative
humidity sensor with optical Bragg gratings. Optical Letters , 2002 ,l27 (16) :1385～1387
4 结论
3 国家自然科学基金资助项目 (60177028) Tel :029 8481385 收稿日期 :2002 11 06
对于 FBG1 ,由于湿敏涂层和光纤之间的相互约束 ,相对湿度变化ΔH 引起 FBG1 的轴向应变ΔΛΛ11| H 为自由状态下的轴向应变与约束应变之差 , 由弹性
理论知识及轴向应变、轴向应力平衡关系可得[5]
严重不足 ;而毛发式、干湿球式等非电量湿度传感器由于受测量精度、响应速度、信号处理和控制等因素的制约 ,应用范围非常有限[1 ,2 ]1
为发挥非电量湿度传感器的抗电磁干扰、阻燃、防爆等优势 ,解决石油化工、电力、纺织等领域的易燃、易爆环境中进行温湿度测量与控制的难题 ,促使人们去研究新型非电量湿度传感器[3]1 本文以改性聚酰亚胺 ( PI) 湿敏薄膜为光纤光栅 ( FBG) 涂覆层 , 构成光纤光栅型温湿度传感器 ,该传感器集 PI 薄膜的湿膨胀线性度好、耐高温、耐腐蚀和光纤光栅型传感器测量精度高、小型化、易复用等特点于一身 ,为上述问题的解决提供了一个新途径 1
将上述数值代入式 (4) 、式 (5) ,得出温湿度灵敏度系数分别为
KT1 = 9125 ×10 - 6/ K KH1 = 2187 ×10 - 6/ % KT2 = 7152 ×10 - 6/ K 温湿度 FBG传感器的具体制作工艺如下 :首先将掺锗载氢单模裸光纤由倍频的 Ar + 激光器刻制长度为 2 ～ 3 cm 、中心波长为 1 3 1 0 nm 的 FBG1 和 1305 nm 的 FBG2 ;接着将刻有 FBG1 的光纤一端 ,浸入 49 %的 HF 溶液腐蚀约 30 min 直至 rF 满足 20～ 50μm ,然后取出 ,用清水冲洗掉残留的酸液并烘干 ; 用旋转涂覆法将厚度为 2～10μm 的 PI 湿敏薄膜分次、均匀涂覆在腐蚀处理后的带有 FBG1 的光纤表面 ,其厚度由石英晶体厚度计来实时监测 ,此外 ,为消除制作工艺中的残留应变的影响 ,各 FBG 传感器均经过退火处理 1
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光子学报
32 卷
图 3 传感器主要参量试验结果 Fig. 3 Results of main parameters of the sensor
和 ±0. 2 ℃,主要受 FBG 解调系统精度和 PI 湿敏涂参考文献
层厚度均匀性的限制 1
1 QiuY Y, Azeredo L R , Alcacer J E , et al. A CMOS humidity
3) 传感器的湿滞回差 ≤±1. 5 % ,长期稳定性 ≤ ±2 %/ 年 ,其长期稳定性明显优于电量湿度传感器
±5 %的实时测量 ,且具有响应时间短 ( ≤15 s) 和长期稳定性好等优点 1
关键词温湿度测量 ;光纤布喇格光栅 ;传感器
中图分类号 TN253 文献标识码 A
0 引言
随着工农业的发展和科学技术的进步 ,温湿度测量显得越来越重要 ,对温湿度传感器的环境适应
FBG2 仅敏感温度变化量ΔT , 进而转变为中心波长 λB1 、λB2的位移ΔλB1 、ΔλB2 ,然后由ΔλB1 、ΔλB2通过数学运算即可同时得出温湿度变化的具体数值 1
对于温度敏感 FBG2 而言 ,由于 β= 0 , 故 KH2 =
0 ,其谐振波长相对位移值可表示为
ΔλB2 λB2
=
[
(1
-
pe)αF +ξ]Δ T =
KT2Δ T
(5)
式中 KT2为 FBG2 的温度灵敏度系数 1 求解由式 (4) 、式 (5) 组成的方程组 ,即可同时得出相对湿度变化值 ΔH 和温度变化值ΔT1
ΔλB1 λB1
=
C1 (1
-
pe)βΔRH + [ C1 (αH - αF)
+ξ]·
Δ T = KT1Δ T + KH1ΔRH
(4)
式中 pe 、ξ分别为光纤的有效弹光系数、热光系数 ;
αH 、αF 分别为 PI 湿敏涂层及光纤材料的线膨胀系
数 ; KT1 、KH1分别为 FBG1 的温度、相对湿度灵敏度系数1
10 期
张向东等. 光纤光栅型温湿度传感器的设计与实现
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β、μH 、EH 分别为湿敏材料的湿膨胀系数、泊松比和杨氏模量 , rH 、rF 分别为 PI 湿敏涂层及光纤包层横截面半径值 1
考虑弹光效应、热光效应引起的有效折射率的
相对变化量及由热膨胀引起的轴向应变后 ,FBG1 的谐振波长相对变化量可表示为
根据耦合模理论 ,FBG的谐振反射波长λB i ( i =
1 、2) 可表示为[4 ]
λB i = 2 neffΛi
(1)
式中 neff 为 FBG 的有效折射率 ;Λi ( i = 1 、2) 为 FBG
的光栅常数 1
对式 (1) 求全微分得
ΔλB i λB i