基于全光纤马赫曾德干涉仪的温度传感器设计

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基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度测量系统

基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度测量系统
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基于全光纤Mach-Zehnder干涉的应变传感测量

基于全光纤Mach-Zehnder干涉的应变传感测量
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马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器

马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器

马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器

沈涛;孙滨超;冯月

【期刊名称】《光学精密工程》

【年(卷),期】2018(026)006

【摘要】为了简化光纤磁场与温度传感器的结构并提高传感器灵敏度,设计并制作了马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器.将单根光纤的马赫-曾德尔模间干涉结构和双臂马赫-曾德尔干涉结构结合:将总长度为1.2m的单模光纤部分制备成长度为2.7 cm、锥腰直径为30.1 μm的锥形微纳光纤,并得到了拉锥时间与锥腰直径的关系.将锥形微纳光纤放置尼龙槽内并包覆磁凝胶构成传感头,实现模间干涉的马赫-曾德尔磁场传感器;将磁场传感器通过两耦合比为50%∶50%的耦合器并联带有可调谐光衰减器的单模光纤形成马赫-曾德尔干涉的温度传感器.从理论上分析了光谱漂移对磁场和温度传感的特性关系,实验测得室温下磁场强度在25~50 mT时,磁场传感的灵敏度为0.301 14nm/mT;在磁场强度为0,温度由25℃升高到30℃时,温度传感的灵敏度为0.518 86 nm/℃.该传感器可广泛应用于电力系统放电检测、材料加工、安全监控等领域.

【总页数】8页(P1338-1345)

【作者】沈涛;孙滨超;冯月

【作者单位】哈尔滨理工大学工程电解质及其应用教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学理学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学理学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程电解质及其应用教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学理学院,黑龙江哈尔滨150080

光纤温度传感器的设计与实现

光纤温度传感器的设计与实现
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O 引

度标 定 得 到 温 度 与 条 纹 数 的 对 应 关 系, 一 方 面 使 用 另 MA L B对采集到的干涉图像进行 处理 , 程序 自 TA 通过 动判别

光纤温度传感器设计

光纤温度传感器设计

光纤温度传感器设计

光纤温度传感器是一种基于光纤技术的温度测量装置,能够实时监测目标物体的温度变化并输出相应的信号。它具有高精度、抗电磁干扰、可远程测量等优势,被广泛应用于工业、医疗、环境监测等领域。本文将重点介绍光纤温度传感器的设计原理与实施步骤。

设计光纤温度传感器的关键步骤如下:

1.选择合适的光纤:应选用具有高灵敏度、低损耗的单模光纤。常用的光纤材料包括石英、硅光纤等。

2.光纤外皮材料的选择:光纤外皮需要具有良好的热传导性能,以提高温度传感器的响应速度。可以选择具有高热导率的金属或陶瓷来包覆光纤。

3.安装光纤传感器:将光纤固定在需要测量温度的目标物体上。可以使用夹具、粘合剂或螺纹等方式固定光纤。

4.光纤光束的传输:需要设计一个适当的光路来保证光纤入射光的稳定传输。可以使用透镜、光栅等光学元件来调节光束的角度和强度。

5.光纤光束的检测:通过检测透射光的功率变化来计算温度值。可以使用光电二极管、光敏电阻等光学传感器来实现光功率的测量。

6.温度计算与输出:根据光功率的变化和预先设置的标定曲线,可以通过计算得到目标物体的温度值。然后通过模拟信号输出或数字信号输出等方式将温度值传送到接收端。

需要注意的是,光纤温度传感器在设计过程中还要考虑防水、防污染等因素。可采用光纤密封技术和表面涂层等方法来增加传感器的耐久性和稳定性。

总之,光纤温度传感器的设计是一个复杂而精细的过程,需要综合考虑光学、电子、材料等多个方面的知识。通过合理选择光纤材料、设计适当的光路和检测方法,能够实现高精度、抗干扰的温度测量。这将有助于提高工业生产过程的自动化水平、改善环境监测能力以及提升医疗设备的精准度。

物理光学大作业基于光纤马赫泽德干涉的测力方法设计公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件

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物质,且敏感元件能够做成电绝缘和电无源元件。 5)良好安全性。光纤传感器敏感元件是电无源,故在生
物体内测量时,不存在漏电和电击危险。
第5页
基于光纤马赫—泽德干涉测力办法设计
光纤迈克尔逊干涉仪 光纤萨格纳克干涉仪 光纤马赫—泽德干涉仪
第6页
基于光纤马赫—泽德干涉测力办法设计
第7页
)基 于 光 纤 马 赫 — 泽 德 干 涉 测 力 办 法 设 计
电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度
SM、PM a SM、PM a SM、PM a SM、PM a SM、PM a
相位调制光纤传 强度调制光纤传感器 感器
干涉型
遮光板遮挡光路
半导体透射率改 变
荧光辐射、黑体 辐射 光纤微弯损耗
振动膜后液晶反 射 气体分子吸取 光纤泄露膜 法拉第效应 泡尔效应 双折射改变 光弹效应
第1页
基于光纤马赫—泽德干涉测力办法设计
定义:光纤传感器以光学测量为基础,以光纤为传 光或传感媒体将被测量改变转换成光波改变。
工作原理:使光波强度、频率、相位和偏振态四个 参数之一随被测量改变,即使四量之一被待测量调 制,再结合光探测器和解调器便可测出被测量。
第2页
基于光纤马赫—泽德干涉测力办法设计
相位差 (萨格纳克相移)
第Fra Baidu bibliotek页

全光纤马赫-曾德尔干涉仪的测温实验

全光纤马赫-曾德尔干涉仪的测温实验

关 键 词 : 赫一 德 尔 干 涉 仪 ; 度 测 量 ; t b 数 字 图 像 处 理 马 曾 温 Mal ; a
中 图分 类 号 : 4 6 1 T 2 2 1 0 3. ; P 1 . 1 文献标识码 : A 文 章 编 号 : 0 5 4 4 ( 0 0 0 — 0 30 1 0 — 6 2 2 1 ) 90 4 — 4




l 引 言
随 着光纤 技术 的广 泛 应 用 , 纤 传 感 技 术 得 光 到迅 速 发 展.相 比传 统 的机 电传 感 , 纤 传 感具 光
有抗 电磁 干扰 、 耐腐 蚀 、 重量 轻 、 积小 、 易燃 易 体 在
纤 中.一 路光 纤 经 过 半 导体 温 控 仪 , 另一 路 光 纤
测 到 温 度 变 化 对 干 涉 条 纹 的 影 响 .本 文 基 于 后
降低 的值 .干 涉条 纹移 动数 目与 温度 变化 值 之 间
有 确定 的线 性关 系.设 光纤 中 2束激 光光 强 分 别 为 和 , 根据 光 的干 涉原理 , 成光 的强 度为 合
I 一 + J + 2 O , S△ () 1
z 。
+最 n △ 一 .其 中 。 。 别 为 2 。 L , 一 , 分
将 6 0n 2mw 的氦 氖 激光 经 分 束镜 分 成 5 m, 2束 , 分别 通 过光 纤 耦 合 器 进 入 2路 单 模 石 英 光

基于光纤传感技术的温度传感器设计与制作

基于光纤传感技术的温度传感器设计与制作

基于光纤传感技术的温度传感器设计与制作

随着科技的发展,光纤传感技术在各行各业中被广泛应用。光纤传感技术的优

势在于对环境的侵扰小、可靠性高,同时具有灵敏度高、线性好等特点,可以实现对各种参数的高精度测量。其中之一的应用就是温度传感技术。基于光纤传感技术的温度传感器不仅可以实现高精度测量,还具有抗干扰能力强等优势,成为工业领域中常用的一种传感技术。

一、基本原理及光纤温度传感技术的特点

基于光纤传感技术的温度传感器原理是利用光纤的光学特性,将传感器与被测

物体相连,当被测温度发生变化时,通过光纤的传输,产生不同的光学信号,通过分析这些信号的变化,即可得到被测物体的温度值。与传统温度测量技术相比,基于光纤传感技术的温度传感器具有以下特点:

1. 高精度:光纤传感技术可以实现高精度的温度测量,达到0.1℃的测量精度。

2. 可靠性高:光纤传感器不易受到电磁波等外部干扰,具有较高的抗干扰能力,并且可以在高温和高压的环境下正常工作。

3. 多路传感:光纤传感技术可以实现多路温度传感,一个系统中可以同时测量

不同位置的温度。

4. 线性优良:基于光纤传感技术的温度传感器具有线性好的特点,可以实现稳

定的测量结果。

5. 远程监控:基于光纤传感技术的温度传感器可以实现远程监控,可以将多个

传感器的数据通过网络传输到控制中心,方便管理和处理。

二、基于光纤传感技术的温度传感器设计方案

1. 光纤传感层设计

传感层是光纤传感器的关键结构,主要包括光纤、保护层、镀金层和高温隔离层。在选用光纤时,需要选择具有高纯度、高抗拉强度、低吸水率的光纤。保护层主要是为了保护光纤免受外部损伤,一般采用耐腐蚀性能较好的镀铝层或氧化锌保护膜。高温隔离层主要用于隔离光纤传感层和被测物体之间的温度,同时也起到保护光纤不受高温侵袭的作用。

马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器

马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器

马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器

沈涛;孙滨超;冯月

【摘要】为了简化光纤磁场与温度传感器的结构并提高传感器灵敏度,设计并制作了马赫-曾德尔干涉集成化的全光纤磁场与温度传感器.将单根光纤的马赫-曾德尔模间干涉结构和双臂马赫-曾德尔干涉结构结合:将总长度为1.2m的单模光纤部分制备成长度为2.7 cm、锥腰直径为30.1 μm的锥形微纳光纤,并得到了拉锥时间与锥腰直径的关系.将锥形微纳光纤放置尼龙槽内并包覆磁凝胶构成传感头,实现模间干涉的马赫-曾德尔磁场传感器;将磁场传感器通过两耦合比为50%∶50%的耦合器并联带有可调谐光衰减器的单模光纤形成马赫-曾德尔干涉的温度传感器.从理论上分析了光谱漂移对磁场和温度传感的特性关系,实验测得室温下磁场强度在25~50 mT时,磁场传感的灵敏度为0.301 14nm/mT;在磁场强度为0,温度由25℃升高到30℃时,温度传感的灵敏度为0.518 86 nm/℃.该传感器可广泛应用于电力系统放电检测、材料加工、安全监控等领域.

【期刊名称】《光学精密工程》

【年(卷),期】2018(026)006

【总页数】8页(P1338-1345)

【关键词】光纤传感器;马赫-曾德尔干涉仪;磁场传感;温度传感;灵敏度分析

【作者】沈涛;孙滨超;冯月

【作者单位】哈尔滨理工大学工程电解质及其应用教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学理学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学理学院,

黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程电解质及其应用教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学理学院,黑龙江哈尔滨150080

基于MZI与DSO的高灵敏度光纤温度传感器

基于MZI与DSO的高灵敏度光纤温度传感器

基于MZI与DSO的高灵敏度光纤温度传感器

王沛;江超;朱熙平;张含;黄会玲;李宏

【期刊名称】《压电与声光》

【年(卷),期】2022(44)5

【摘要】该文介绍了一种基于马赫-则德尔干涉仪(MZI)与二甲基硅油(DSO)相结合的高灵敏度光纤温度传感器。传感器由MZI及填充在其表面的DSO组成。MZI 由单模光纤-锥形无芯光纤-单模光纤构成。填充DSO后,MZI的谐振峰向右有小的漂移。通过跟踪MZI谐振峰波长随温度的变化,对环境温度进行测量。经测试,传感器的温度灵敏度为-97.7 pm/℃,而未填充DSO的MZI温度灵敏度为-50.1 pm/℃,传感器灵敏度提高了约1.95倍。该传感器具有结构制作简单,造价低及灵敏度高等优点,具有一定的应用前景。

【总页数】5页(P796-800)

【作者】王沛;江超;朱熙平;张含;黄会玲;李宏

【作者单位】湖北师范大学物理与电子科学学院

【正文语种】中文

【中图分类】TN253

【相关文献】

1.基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制

2.高灵敏度光纤MZI折射率传感器

3.基于MMF-GIF-MMF结构的MZI高灵敏度液体温度传感

器4.高灵敏度光纤MZI折射率传感器5.一种基于光子晶体光纤的高灵敏度温度传感器

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基于全光纤马赫曾德干涉仪的温度传感器设计

基于全光纤马赫曾德干涉仪的温度传感器设计

106科技资讯 SC I EN C E & TE C HN O LO G Y I NF O R MA T IO N

工 业 技 术

光纤传感器是20世纪70年代中期基于光导纤维发展起来的一种新型传感器,是光纤和光通信技术迅速发展的产物。由于光纤传感器以光作为敏感信息的载体,以光纤作为传递敏感信息的媒质,具有极高的灵敏度和分辨率,可靠性好,安全度高,抗干扰和耐腐蚀性强,便于与计算机连接及长距离传输与遥测,且结构简单、体积小、重量轻,目前在航空航天、医疗、电力系统、石油化工、海洋开发、地质及建筑测量等领域得到广泛应用。本文基于常见的马赫-曾德干涉仪对温度传感器的设计进行了探讨。

1 全光纤马赫-曾德干涉仪的结构与原理

全光纤马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder)的结构与原理参见图

1。来自激光器的光束经透镜准直后在耦合器1上分成光强相同的两束光,两光分别经传感臂和参考臂在耦合器2相遇产生干涉光,并出现干涉条纹。当传感臂光纤温度相对另一条参考臂光纤的温度发生变化引起传感臂光纤的长度、折射率变化,从而使传感臂传输光的相位发生变化,产生干涉条纹移动。由于干涉条纹的数量可以反映出被测温度的变化,通过光探测器接收到干涉条纹的变化信息,并输入到数据处理系统,即可得到测量温度的目的。

在实际应用中,为了提高干涉条纹的亮度,通常会利用扩展光源,此时干涉条纹是定域的。以下我们给出全光纤马赫-曾德干涉仪原理的理论分析。

设长度为L的光纤中传播光波的相位为 ,则nL k 00 (1)

其中,00/2 k ;0 为光进入光纤前的初始相位;0k 为传播常数;0 为真空中波长;n 为光纤的折射率;L 为光纤的长度。

基于光纤传感器的温度测量系统设计与实现

基于光纤传感器的温度测量系统设计与实现

基于光纤传感器的温度测量系统设计与实现

近几年,温度传感器技术得到了飞速的发展,其中光纤传感技术逐渐成为了各

个领域的关注焦点。光纤传感技术因其特殊的优势,被广泛应用于环境监测、工业制造、航空航天等领域。本文将重点探讨基于光纤传感器的温度测量系统的设计和实现。

1. 光纤传感器的工作原理

光纤传感器是利用光纤的特性对物理量进行检测的一种传感器。在温度测量中,光纤传感器测量温度的原理是通过测量光在光纤中的传输速度变化来实现的。当温度变化时,光纤的材料会发生微小的形变,从而导致光的传输速度发生变化,通过测量这种变化可以计算出温度的变化。

2. 温度传感器的分类

按照测量原理,温度传感器可以分为接触式和非接触式两种。接触式温度传感

器需要直接接触被测物体,而非接触式温度传感器则可以在不接触被测物体的情况下进行测量。其中,光纤传感器属于非接触式温度传感器。

3. 基于光纤传感器的温度测量系统设计

基于光纤传感器的温度测量系统主要包括光纤传感器、检测装置、数据采集器

和显示屏等部分。在设计系统时,需要考虑到光纤传感器的安装方式、测量范围、检测精度等因素。

(1)光纤传感器的安装方式

在测量温度时,光纤传感器需要与被测物体相连,用于传递物体的温度信息。

由于光纤传感器本身具有较高的灵活性和耐高温、耐酸碱等特点,可以采用多种方式进行安装。一般来说,光纤传感器的安装方式可以分为直接粘贴法、夹持法、包覆法和附着法等。

(2)检测装置的选择

检测装置是光纤传感器温度测量系统的核心部分,其性能的好坏直接影响到测

量精度。在选择检测装置时,需要考虑到测量系统的测量范围和精度等因素。一般来说,检测装置可以选择光纤光谱仪、白光干涉仪、光时域反射法等。

基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器研究

基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器研究

基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器研究

徐元哲;孙瑞丽;潘文明

【摘要】为进一步促进光学电流互感器(OCT)在电力系统中应用,将光纤传感技术与磁致伸缩材料相结合,提出了一种新型的OCT的设计方法.将干涉仪的两个臂分别沿平行于磁场方向和垂置与磁场方向回环粘贴在正方形磁致伸缩材料的两个表面上,确保光纤均匀、对称分布,上下表面上光纤正交排列、匝数相同,形成双臂对称型的马赫-曾德干涉仪,得到了一定的温度补偿,消除了磁致伸缩材料热膨胀带来的测量影响,测量误差为0.65%,表明了该结构能达到温度补偿的效果,在一定程度上解决了阻碍OCT实用化进程的测量温漂问题.

【期刊名称】《电力系统保护与控制》

【年(卷),期】2010(038)013

【总页数】4页(P71-73,78)

【关键词】光纤电流互感器;马赫-曾德干涉仪;磁致伸缩材料;偏置磁场;温度补偿【作者】徐元哲;孙瑞丽;潘文明

【作者单位】东北电力大学电气工程学院,吉林,吉林,132012;东北电力大学电气工程学院,吉林,吉林,132012;宿州供电公司,安徽,宿州,234000

【正文语种】中文

【中图分类】TM45

0 引言

在发电、输电、变电等电力系统中,为了提高设备的运行安全可靠性及效率,必须对电流、电压、功率等电气参数进行测量。“准确测量任何时刻的电流瞬时值”是电流互感器(CT)的理想测量品质。广泛使用的铁磁线圈CT尽管稳态测量准确度能满足0.2级的要求,但短路故障时存在磁路饱和现象,动态测量能力差,是保护装置误动和拒动的主要原因[1]。电压等级越高,铁磁线圈CT的绝缘结构越复杂、绝缘费用越高,并且由于高压,大电流存在的强电磁场干扰导致传统的CT测量准确度下降。为克服这些缺点,人们正在研究用光纤传感器取代传统的传感器。目前,光纤电流互感器特以其高绝缘性、抗高电磁噪声、高线性度响应,结构简单等诸多优点,在高电压强电流的测量及保护领域中得到广泛的重视和研究。本文介绍了基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流传感器,并通过设计双臂的完全对称结构,对温度

光纤马赫-曾德干涉实验

光纤马赫-曾德干涉实验

马赫-曾德光纤干涉实验

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新型传感器,它是光纤和光通讯技术迅速发展的产物。光纤马赫-曾德干涉仪(MZI)是一种功能型光纤传感器,它在光纤技术中常用作相位、频率等的调制解调器。 一、实验目的

1.学习光纤 马赫-曾德(Mach-Zenhder ) 干涉原理

2.掌握利用马赫-泽德光纤干涉仪对压力和温度的测量。 二、实验器材

OFKM-Ⅳ型多功能全光纤干涉仪,He-Ne 激光器 三、实验原理

1.光纤传感器基本工作原理

光纤 马赫-曾德(Mach-Zenhder ) 干涉仪结构与原理如图 1所示。光源发出的光经过耦合器(DC1),将光束一分为二,光纤一臂为信号臂,另一臂为参考臂。经过耦合器 DC2 进行干涉,干涉光照到探测器上,光强表达式分别为

)(cos 1t B A I Φ+= (1) )(cos 2t B A I Φ-= (2)

在通过对干涉信号相位的获得来推知作用在信号臂上的外界物理量的变化。

2.马赫-曾德光纤温度传感器工作原理

激光束从激光器发出后经分束器分别送入长度基本相同的两条光纤, 而后将两根光纤输出端汇合在一起,产生干涉光, 从而出现了干涉条纹。当一条光纤臂温度相对另一条光纤臂的温度发生变化时, 两条光纤中传输光的相位差发生变化, 从而引起干涉条纹的移动。干涉条纹的数量能反映出被测温度的变化。光探测器接收到干涉条纹的变化信息, 并输入到适当的数据处理系统, 最后得到测量结果。

长度为 L 的光纤中传播光波的相位Φ

nL k 00+Φ=Φ (3)

其中0Φ 为光进入光纤前的初始相位, 0k (00/2λπ=k ,0λ为真空中波长)为传播常数, n 为光纤的折射率;L 为光纤的长度。

光纤温度传感器的设计

光纤温度传感器的设计

光纤温度传感器的设计(共8页) -本页仅作为预览文档封面,使用时请删除本页-

设计性实验报告

实验课程:医用传感器设计实验学生姓名:程胜雄

学号: 0

专业班级: 08医工医疗器械方向

2010年 12月 8 日

光纤温度传感器的设计

摘要:介绍了金属热膨胀式光纤温度传感器的设计,利用金属件的热膨胀的原理,通过绕制在金属件上的光纤损耗产生变化,当光源输出光功率稳定的情况下,探测器接收光功率受温度调制,通过光电转换,信号处理,完成温度的换算。传感器以光纤为传输手段,以光作为信号载体,抗干扰能力强,测量结果稳定、可靠,灵敏度高。

关键词:光纤,传感器,光纤传感器,光纤温度传感器

在光通信系统中,光纤是用作远距离传输光波信号的媒质。在实际光传输过程中,光纤易受外界环境因素的影响;如温度、压力和机械扰动等环境条件的变化引起光波量,如发光强度、相位、频率、偏振态等变化。因此,人们发现如果能测出光波量的变化,就可以知道导致这些光波量变化的物理量的大小,于是出现了光纤传感技术。

一:光纤传感器的基本原理

在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示

E=

式中,是光波的振幅:w是角频率;为初相角。

该式包含五个参数,即强度、频率w、波长、相位(wt+)和

偏振态。光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数,使其随之变化,然后对已知调制的光信号进行检测,从而得到被测量。当被测物理量作用于光纤传感头内传输的光波时,使的强度发生变化,就称为强度调制光纤传感器;当作用的结果使传输光的波长、相位或偏振态发生变化时,就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传感器。

基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器[实用新型专利]

基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器[实用新型专利]

专利名称:基于光纤光栅传感头的马赫-曾德温度传感器专利类型:实用新型专利

发明人:李善强,杨思博,孟令剑,李烨长,解珺迪,郎昌鹏申请号:CN201620313796.0

申请日:20160415

公开号:CN205642669U

公开日:

20161012

专利内容由知识产权出版社提供

摘要:基于光纤光栅传感头的马赫‑曾德温度传感器,涉及光纤传感领域。它是解决在测量小范围温度变化时,传统马赫‑曾德干涉温度传感器测量精度低的问题。本实用新型包括宽带光源、一号单模光纤、一号绝热保护套、一号耦合器、二号单模光纤、二号绝热保护套、三号单模光纤、三号绝热保护套、导热管、四号绝热保护套、二号耦合器、四号单模光纤、五号绝热保护套、光谱仪、光纤布拉格光栅。其中,一号单模光纤的一端接光源,另外一端接一号耦合器;二号单模光纤一端接一号耦合器,另外一端接二号耦合器;三号单模光纤一端接一号耦合器,另一端接二号耦合器;四号单模光纤一端接二号耦合器,另一端接光谱仪。本实用新型适用于精密光纤温度传感领域。

申请人:哈尔滨理工大学

地址:150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号

国籍:CN

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基于全光纤马赫曾德干涉仪的温度传感器设计摘要:光纤温度传感器作为一种新型测温技术,发展迅速,应用广泛。基于全光纤马赫-曾德干涉仪的结构与原理,阐述了光纤温度传感器的总体设计思路,并对光纤温度传感器设计中所涉及到的光源、光纤耦合器、光路准直、光谱分析、信号检测及处理、条纹计数器等问题进行了探讨。

关键词:Mach-Zehnder干涉仪光纤传感器温度传感器条纹计数器

光纤传感器是20世纪70年代中期基于光导纤维发展起来的一种新型传感器,是光纤和光通信技术迅速发展的产物。由于光纤传感器以光作为敏感信息的载体,以光纤作为传递敏感信息的媒质,具有极高的灵敏度和分辨率,可靠性好,安全度高,抗干扰和耐腐蚀性强,便于与计算机连接及长距离传输与遥测,且结构简单、体积小、重量轻,目前在航空航天、医疗、电力系统、石油化工、海洋开发、地质及建筑测量等领域得到广泛应用。本文基于常见的马赫-曾德干涉仪对温度传感器的设计进行了探讨。

1 全光纤马赫-曾德干涉仪的结构与原理

全光纤马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder)的结构与原理参见图1。来自激光器的光束经透镜准直后在耦合器1上分成光强相同的两束光,两光分别经传感臂和参考臂在耦合器2相遇产生干涉光,并出现干

涉条纹。当传感臂光纤温度相对另一条参考臂光纤的温度发生变化引起传感臂光纤的长度、折射率变化,从而使传感臂传输光的相位发生变化,产生干涉条纹移动。由于干涉条纹的数量可以反映出被测温度的变化,通过光探测器接收到干涉条纹的变化信息,并输入到数据处理系统,即可得到测量温度的目的。

在实际应用中,为了提高干涉条纹的亮度,通常会利用扩展光源,此时干涉条纹是定域的。以下我们给出全光纤马赫-曾德干涉仪原理的理论分析。

公式具有普遍性,其含义是光纤中光的相位在温度每改变1℃时的变化量,其中,等式左边表示单位长度的光纤受温度的影响,等式右边的Δn、ΔL分别表示光纤折射率和长度随温度变化的变化率。

2 光纤温度传感器的设计

2.1 总体设计

利用全光纤马赫-泽德干涉仪设计温度传感器的原理图参见图2。由激光器发出的相干光,经分束器分别送入两根长度相同的单模光纤,其中,参考臂光纤不受外场作用,信号臂放在需要探测的温度场中。同时,采用两个不同焦距的透镜以增强光的耦合程度。依据马赫-曾德干涉仪的原理,由两个光纤出射的两个激光束在耦合出口处发生干涉,产生干涉条纹,经传感器接收后将温度变化时干涉条纹的变化规律传输到监视器,通过测量此干涉效应的变化,即可确定外界温度的变化。

2.2 具体实施

2.2.1 光源

光纤激光器主要由泵源、耦合器、掺稀土元素光纤、谐振腔等部件构成,其结构参见图3。泵源通常由一个或多个大功率激光二极管组成,其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合到作为增益介质的掺稀土元素光纤内,泵浦波长上的光子被掺铒光纤介质吸收,形成粒子数反转,受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出,经显微物镜和滤波器后,被探测器所接收。由于采用激光器作为输入源其成本较高,通常使用宽带光源作为测试输入光源。

2.2.2 光纤耦合器(coupler)

光纤耦合器是传输和分配光信号的一种无源器件,由发光源和受光器两部分组成,其作用是将以光为媒介的传输电信号从一条光纤中分至多条光纤,分标准耦合器、树状耦合器、波长多工器等类型。在全光纤马赫-泽德干涉仪中,光纤耦合器起着分束和混合光信号的双重作用,使干涉仪得以实现。光纤耦合器实际上是在一密闭的壳体内同时组装发光源和受光器,发光源和受光器之间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端,受光器的引脚为输出端。常见的发光源为发光二极管,受光器为光敏二极管、光敏三极管等。

2.2.3 光路准直(optical collimation)

通常采用He-Ne气体激光器的红光准直。在测试时,应使激光束与实验平台平行,同时,在光路上加装透镜,调整透镜焦距。使光纤的端面位于透镜的焦点上。也可以选用激光准直仪,图4揭示了激光准直仪的工作原理。

图中,1为氦氖激光器;2为平行光管;3为针孔光阑;4为激光束;5为光电探测器;6为运算电路;7为指示电表。

激光准直仪是利用激光具有能量高、方向性好等特点,提供了一条直线性极好的可见激光束,以作为测量基准,具有测量距离大、测量精度高的优点。但激光准直仪易受温度和气流等因素的影响。除了仪器本身要采取一些防范措施外,对其测量环境如防震、防热、防气流抖动等都提出较高的要求,否则将会影响测量精度。

3 结语

光纤温度传感器作为一种新型的测温技术,由于适应了灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的发展方向,发展十分迅速,应用也越来越广泛。本文系统介绍了全光纤马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder)的结构与原理,在此基础上,阐述了光纤温度传感器的总体设计思路,并对光纤温度传感器设计中所涉及到的光源、光纤耦合器、光路准直、光谱分析、信号检测及处理、条纹计数器等问题进行了探讨。

参考文献

[1] 叶杨高,张安临.基于金属热膨胀式光纤温度传感器的设计[J].传感器世界,2007(4):33-36.

[2] 王化祥,张淑英.传感器原理及其应用[M].天津大学出版社,2004(7).

[3] 张洪润,张亚凡.传感技术与应用教程[M].清华大学出版社,2005(1).

[4] 王守权,张绍良,张薇.干涉条纹计数器的研制[J].长春邮电学院学报,2000(2):55-59.

[5] 王海潼,袁俊飞,刘姣姣.光纤温度传感器的设计与实现[J].电子测量技术,2007(2):68-71.

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