干涉型光纤温度传感器

传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogies) 2007年第26卷第4期设计与制造
干涉型光纤温度传感器
刘　晨,费业泰,卢荣胜
(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽合肥230009)
摘　要:为了长期和在线实时检测各种工程结构内(如飞机机翼)的温度,在介绍了2种典型的干涉型光
纤温度传感器技术的基本原理、结构及优缺点的基础上,提出了一种新型光纤温度传感器——嵌入式干涉
型光纤温度传感器的工作原理和结构设计。

它用特殊加工工艺将光纤埋入材料中,通过相位调制产生干
涉条纹,再通过条纹的判向计数来对材料内部温度进行测量。

实验结果表明:嵌入式光纤温度传感器能长
期有效测量材料内部的温度,并且,它的灵敏度比放在空气中的灵敏度要高2～3倍。

具有很大的研究开
发和应用价值。

关键词:光纤光学;相位调制;温度测量;干涉
中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2007)04-0058-03
I n terference opti ca l2f i ber te m pera ture sen sors
L I U Chen,FE I Ye2tai,LU Rong2sheng
(School of Appara tus Sc i ence and Photo2Electr i c Eng i n eer i n g,Hefe i Un i versity of Technology,
Hefe i230009,Ch i n a)
Abstract:I n order t o measure per manently and real2ti m e the te mperature inside all kinds of p r oject constructi on
for exa mp le air p lane wing,the basic p rinci p le,structure and characteristics of t w o kinds of interference op tical fiber
te mperature sens ors are intr oduced,on the base of it,the working p rinci p le and structure designing of a new kind of
op tical fiber temperature sens or—embedded op tical2fiber temperature sens or are p resented.Op tical fiber is
e mbedded int o material using s pecial p r ocessing technol ogy,interference stri pe is p r oduced thr ough phase
modulati on,then stri pe distinguishing directi on and counting is used t o measure the internal temperature.
Experi m ental results show that the internal te mperature of material can be measured by a e mbedded op tical2fiber
te mperature sens or,and its sensitivity is2～3ti m es higher than op tical2fiber sens or in air.It has very value of
investigating and utilizing.
Key words:fiber op tics;phase modulati on;te mperature measure ment;interfer ometry
0　引　言
光纤传感器与传统传感器相比具有灵敏度高、耐腐蚀、安全可靠、抗电磁干扰、结构简单、体积小、质量轻等特点,而且,在一定条件下可任意弯曲,因此,得到了广泛的应用[1,2]。

光纤温度传感器是近几年发展起来的新技术,是光纤传感器的一个重要分支,也是工业中应用最多的光纤传感器之一。

由于温度传感器具有精度高、重复率好、不受电磁干扰,可以用于苛刻环境下的温度检测,故光纤温度传感器发展相当迅速[3]。

干涉型光纤温度传感器属于相位调制式功能型光纤温度传感器,它是利用两束光产生相位差并导致干涉现象来测量温度,主要应用于精密测温的领域。

本文介绍了2种典型的干涉式光纤温度传感器,并提出一种新型光纤温度
收稿日期:2006-09-22传感器——嵌入式光纤温度传感器。

1　干涉型光纤温度传感器的基本原理
在光纤中传播的光,光的相位由以下3个因素决定:1)光纤波导的物理长度;2)光纤折射率及其分布;3)光纤波导的横向几何尺寸。

在长度为L的光纤中,对波长λ的光波以光纤入口平面为基准测得的相位为
Φ=2
πL
λ
=
2πL
λ
/n1
=
2πn1L
λ
=k0n1L,(1)
式中　λ
为真空中的光波长;n
1
为光纤芯的折射率;L为
光纤的长度;k
为光在真空中的波数。

在外界温度作用下,光纤中的相位也随之变化。

假定折射率分布随温度变化保持恒定,那么,光纤中的相位随温度的变化可表示为
85
第4期 刘　晨,等:干涉型光纤温度传感器
ΔΦ=ΔΦL +ΔΦn +ΔΦd ,(2)
式中　
ΔΦL 为光纤长度变化产生的相位变化,称应变效应;Δ
Φn 为光纤折射率变化产生的相位变化,称光弹效应;ΔΦd 为光纤波导横向几何尺寸变化产生的相位变化,称泊松效应[4]。

长度变化ΔL 对光相位的影响ΔΦL =2πλΔL =2π
L λε1
,
(3)
式中　λ为光在波导中的波长;ε1为纵向应变。

折射率变化对光相位的影响ΔΦn =2π
λ
L Δn .
(4)
光纤波导横向几何尺寸变化对光相位的影响ΔΦd =2πL λ2・9λ
9d Δd .
(5)
因泊松效应引起的光纤直径变化所产生波导传播常数
的变化很小,故可忽略不计
[5]。

因此,相位变化为
ΔΦ=2π
L λ(α+9n 9T
)ΔT ,
(6)
式中　
α为光纤线膨胀系数;9n 9T 为光纤折射率随温度变化的系数。

上式第一项表示光纤长度变化引起的相位调制,第二项表示折射率变化引起的相位调制。

如上所述,温度能使光纤内传播的光波相位发生变化,只要利用适当的仪器检测出光纤中光信号相位的变化就可以测定出温度,但是,由于目前各类光探测器都不能直接测量光的相位变化,必须采用干涉测量技术把相位的变化转换为光能的变化。

如果检测出干涉光强的变化,则可确定两光束间的相位变化,从而得到待测的温度大小。

常用的干涉仪有迈克耳逊(M ichels on )干涉仪、马赫—泽德尔
(M ach 2Zehnder )干涉仪、塞格纳克(Sagnac )干涉仪、法布
里—珀罗(Fabry 2Per ot )干涉仪。

对于温度的测量,有马赫—泽德尔干涉仪和法布里—珀罗干涉仪。

2　典型的干涉型光纤温度传感器
2.1　马赫—泽德尔光纤温度传感器
马赫—泽德尔光纤温度传感器的结构如图1所示。

它是由氦氖激光器、扩束器、2个显微物镜、两根单模光纤(其中,一根作参考臂,另一根作测量臂)、光电探测器、信号处理系统组成。

激光器发出的激光经过扩束器扩束后,再经分束器分别送入两根长度相同的单模光纤。

把两根光纤的输出端合在一起,则这两束光将产生干涉,形成明暗相间的一组条纹,由光电探测器接收。

一般参考臂置于恒温器中,在测量过程中光程保持不变,而测量臂在温度作用下,其长度和折射率将发生变化,即相位发生变化,使两条光纤中传输光的相位差发生变化,结果使干涉条纹发生移动。

相位
每变化一个2
π时就移过一个条纹。

显然,干涉条纹移动的数量将反映出被测温度的变化。

通过判向、条纹计数就能获得被测温度[6,7]。

图1　M ach 2Zehnder 光纤温度传感器结构图
F i g 1　Structura l d i a gram of M ach 2Zehnder opti ca l f i ber
te m pera ture sen sor
马赫—泽德尔光纤温度传感器具有灵敏度高、机械性能稳定、抗干扰能力强、电绝缘性好、不会产生电火花、可在易
燃易爆环境下工作等优点;但也有缺点:一是所用的光纤较多,使用和安装较麻烦;二是因需要参考臂,难以使参考光纤和测量光纤安装在同一位置,使输入、输出臂不对称导致测量的不稳定,环境对其影响也较大[8]。

2.2　法布里—珀罗光纤温度传感器
[3,6,7]
法布里
—珀罗光纤温度传感器的结构如图2所示。

图2　F 2P 光纤温度传感器结构图
F i g 2　Structura l d i a gram of F 2P opti ca l f i ber te m pera ture sen sor
它是由氦氖激光器、起偏器、显微物镜、压电变换器
(PZT )、一根F 2P 单模光纤、光电探测器以及信号处理系统
组成。

氦氖激光经物镜进入单模光纤,光纤两端构成多光束干涉腔,F 2P 光纤的一部分绕在加有50Hz 正弦电压的
PZT 上,因而,光纤的长度受到调制。

相邻光束间的相位差
为
ΔΦ=kd ≈2
πn d λ
.(7)
根据多光束干涉理论,光电探测器得到的光强为
I =
I 0
1+4R (1-R )
2sin 2ΔΦ2,(8)
式中　I 0为入射光强;R 为镜面反射率。

当温度变化时,d 也随之变化,这样,就可以测量温度的变化[9]。

F 2P 光纤温度传感器具有以下优点:1)有极高的分辨
率和测量精度;2)结构简单灵巧,单端输入、单端输出;3)灵敏度要比马赫—泽德尔光纤温度传感器高;4)因采用单根光纤、利用多光束干涉来测量温度,这样,就可避免马赫—泽德尔传感器所需两根光纤配对的问题。

此种传感器的缺点是制作工艺难度较大,因此,影响了它的广泛应用[10]。

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传感器与微系统 第26卷3　嵌入式干涉型光纤温度传感器
嵌入式干涉型光纤温度传感器就是将测量光纤或单根光纤通过特殊加工工艺埋入金属或复合材料中来测量该材料内部的温度。

为了不破坏材料的完整性,同时,不使光纤在材料中断裂,可采用光纤埋入技术来使光纤埋入材料中,有2种方法:一是在材料制造过程中,将光纤放置在一金属或塑料管中,待材料制作完成后,将金属或塑料管撤去,这样,就大大减少在空气与材料界面上的应力不连续性,防止光纤在空气材料界面上断裂;另一种方法是将光纤放在层合材料的叠层之间,在层压过程中使它与材料集成在一起[11]。

嵌入式干涉型光纤温度传感器可采用F 2P 型光纤传感器[12],结构如图3所示。

图3　嵌入式F 2P 光纤温度传感器结构图
F i g 3　Structura l d i a gram of em bedded opti ca l f i ber F 2P
te m pera ture sen sor
将F 2P 腔埋入材料结构中,就构成了嵌入式F 2P 干涉传感器。

结构的内部温度可以改变F 2P 腔的腔长,从而改变输出光强,通过测量光纤F 2P 传感器的输出光强,即可得到材料内部的温度值。

F 2P 光纤传感器可以分为本征型
(内腔型)传感器(I FP I sens or )和非本征型(外腔型)传感
器(EFP I sens or ),内腔型是指组成干涉仪的2个反射面在同一根光纤中形成,两反射面之间介质为光纤。

而外腔型它的2个反射面分别为两根光纤的端面,反射面之间介质为空气,结构图如图4所示。

图4　光纤在光纤传感器中的结构
F i g 4　Structura l d i a gram of opti ca l f i ber i n opti ca l f i ber sen sor
I FP I 的制作方法为对2个单模光纤中一个光纤的尾部溅射一Ti O 2薄层,然后,通过熔合将其联接在一起。

EFP I 是把一根单模光纤与另一根单模或多模光纤通过空心二氧化硅纤维对接起来而形成的。

嵌入式光纤温度传感器还可采用M ach 2Zender 干涉温度传感器。

它将Mach 2Zender 干涉的测量光纤埋入材料中,参考光纤放在材料的外面,如图5所示。

从相干光源出射的相干光经耦合器分成强度相等的两束光,分别进入信号臂和参考臂,最后在接收面上形成干涉条纹。

当信号臂受外界温度影响时,
干涉条纹就会发生移
图5　嵌入式M ach 2Zender 光纤温度传感器结构图
F i g 5　Structural di a gram of e mbedded opti ca l f i ber Mach 2Zender
te m pera ture sen sor
动,如果测出干涉条纹的移动量及移动方向,就可以得到温度对信号臂的影响大小。

通过测量臂和参考臂后,两束光的相位差为
δΦ=2πL λαΔT 1-n
3
2
[(1-μ)P 12-μP 11]
=NL αΔT =M ΔT ,(9)
式中　
μ为泊松比;P 11,P 12为光纤芯的光弹系数;N ,M 为常数;L 为埋入材料中的光纤长度;α为光扦线膨胀系数;ΔT 为温度的变化。

当δΦ发生条纹移动量m 时
2m π=δΦ=NL αΔT =M ΔT .(10)
通过测量m 的大小(条纹判向计数),就可得到温度的
变化量。

4　结束语
干涉型光纤温度传感器用于测量微小相位变化,它除了具有一般光纤温度传感器测温准确、响应速度快、抗电磁干扰能力强等优点外,还具有灵敏度极高的特点,是潜在开发灵敏度最高的传感器,它的灵敏度比普通的测温方法高
2～3个数量级。

特别是嵌入式光纤温度传感器它的灵敏
度更高,比放置在空气中的干涉型光纤温度传感器灵敏度要高2～3倍。

但它也有不足之处,如,对光源、光纤的性能要求严格、光路和信号处理系统复杂,在实际设计中,还需考虑很多因素等。

此种传感器具有很大研究开发和应用价值,有着很好应用前景。

参考文献:
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(下转第63页)
6
第4期 高迎慧,等:基于分批估计理论与虚拟仪器的瓦斯监测系统
各种方式的分析与处理,还可以对结果进行显示和保存,应用十分方便。

3.3.1　数据的采集与通信
要实现PC机和C AN总线之间的数据传送,必须在PC 机和单片机之间建立双向的数据交换通道。

系统通过N I 公司的PC I—CAN/2型CAN卡实现数据的交换。

此类型CAN卡有2个高速CAN接口,支持CAN2.0协议[3]。

该卡采用飞利浦SJA1000型CAN控制器,可以实现监听、自检、高性能滤波模式,并支持休眠唤醒模式[4]。

在Lab V I E W环境下,对C AN卡的操作[4]是直接使用库函数N ican.l l b来实现的。

具体的操作主要包括2个方面:一是配置C AN网络接口,主要完成网络的配置属性初始化,包括网络接口的选择、数据传输速率的确定等;二是配置CAN对象,包括触发方式的选择、读写队列长度的设置等。

这些都是在C AN初始化里面完成的。

3.3.2　数据的融合处理
利用上文提到的分批估计理论来对数据进行融合处理,并在Lab V I E W软件平台得以实现。

用Lab V I E W软件中的M athe matics工具箱可以很容易实现上述算法。

3.3.3　实验数据及仿真结果
表1给出了部分实验数据,并得出了算术平均和分批估计2种算法下的融合结果及误差比较,从标准差的比较可以看出:分批估计算法的融合效果比较好。

系统的仿真结果如图5所示。

表1　实验数据及误差比较
Tab1　Exper i m en t da t a and error com par ison
　12345678算术平均标准差(算术)分批估计标准差(分批)瓦斯(×10-6)92.595.693.391.596.195.494.793.794.10 1.6294.500.89 CO(×10-6)52.151.550.350.851.652.753.251.951.760.9451.530.30温度(℃)11.511.310.911.110.511.210.512.111.140.5311.000.09
风速(m/s) 4.5 4.3 4.8 4.1 4.6 5.0 4.2 4.4 4.490.30 4.410.03
图5　参数曲线图
F i g5　Curve d i a gram of param eters
4　结束语
基于Lab V I E W和分批估计理论的瓦斯监测系统,综合利用了数据融合算法和虚拟仪器技术的优点,并将二者结合起来,既保证系统有友好的监测界面,又大大提高了系统的精度,在很大程度上减少了系统误差。

这也反映出在Lab V I E W平台上实现数据融合算法是将来信息融合领域的又一个发展方向;另一方面,系统采用C AN总线作为通信方式,并将其应用到矿井环境监测中,保证了通信速率,提高了实时性;而且,其结构简单,便于扩展,调试方便,在井下需要添加分站时,只需添加一个CAN节点即可,很容易实现。

可见基于Lab V I E W和分批估计理论的瓦斯监测系统有很大的实用价值。

参考文献:
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作者简介:
高迎慧(1958-),女,辽宁阜新人,副教授,学士学位,主要研究方向为工业自动化检测与优化。

(上接第60页)
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作者简介:
刘　晨(1965-),男,安徽巢湖人,博士研究生,讲师,研究方向为光电测试技术。

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