光纤式温度传感器的设计
光纤传感器系统的设计与应用实践
光纤传感器系统的设计与应用实践光纤传感器系统是一种基于光纤技术的传感器系统，通过光纤作为传输介质，利用光的性质来实现对物理量的测量和检测。
光纤传感器系统具有高灵敏度、远程传输、抗干扰等优点，在工业、医疗、环境监测等领域有着广泛的应用。
本文将重点介绍光纤传感器系统的设计原理和应用实践。
光纤传感器系统的设计基本原理是利用光纤的传输和散射特性来感知环境中的物理量变化。
光纤传感器系统通常由光源、光纤、光纤传输模块和检测模块组成。
光源产生光信号，光纤作为传输介质将光信号传输到检测模块进行处理和分析。
根据测量的物理量不同，光纤传感器系统可以分为光纤温度传感器、光纤应力传感器、光纤压力传感器等多个类型。
在光纤传感器系统的设计中，关键是光纤的选择和光纤的布局。
光纤的选择要根据不同应用场景的需求来确定。
一般情况下，我们可以选择具有低损耗和高灵敏度的光纤。
光纤的布局则需要根据实际测量要求和环境条件进行合理设计。
例如，对于温度传感器，我们可以将光纤固定在待测物体上，通过测量光纤长度的变化来推算温度的变化。
光纤传感器系统的应用实践非常广泛。
在工业领域，光纤传感器系统常用于温度、应力、压力等物理量的测量与监控。
例如，在汽车制造过程中，可以使用光纤传感器来监测发动机的温度和应力情况，以确保发动机的正常运行。
在医疗领域，光纤传感器系统可以用于体温、心率等生命体征的监测。
通过将光纤传感器嵌入到医疗设备中，可以实现对患者的实时监测，提高诊断和治疗的效果。
此外，光纤传感器系统还可用于环境监测和安全防护等领域。
例如，在地质勘探中，可以使用光纤传感器来监测地壳的位移和变形情况，预测地震的发生。
在建筑物安全方面，光纤传感器系统可以用于监测建筑结构的变形和破损情况，提前发现并修复潜在的风险。
光纤传感器系统的设计与应用实践还面临一些挑战和改进的空间。
首先，我们需要进一步提高光纤传感器系统的灵敏度和分辨率，以满足更高精度的测量需求。
其次，光纤传感器系统的成本较高，需要寻找更经济实用的生产方法和材料。
光纤温度传感器实验
光纤温度传感器实验通常按光纤在传感器中所起的作用不同，将光纤传感器分成功能型(或称为传感型)和非功能型(传光型、结构型)两大类。
功能型光纤传感器使采用单模光纤，不仅在传感器中起到导光作用，而且是传感器的敏感元件。
然而，这种传感器的制造技术难度大，结构复杂，调试困难。
在非功能性光纤传感器中，光纤本身只起到光传输的作用，而不是传感器的敏感元件。
它使用光学材料、机械或光学敏感元件放置在光纤端面上或两条光纤之间，以感受被测物理量的变化，从而使透射光或反射光的强度发生相应的变化。
因此，这种传感器也称为传输环光纤传感器。
其工作原理是：光纤将被测物体辐射的光信号或被测物体反射散射的光信号直接传输到光电元件，实现对被测物理量的检测。
为了获得大量的光接收和传输功率，本传感器中使用的光纤主要是大口径阶梯多模光纤。
光纤传感器结构简单可靠，技术上易于实现，易于推广应用，但灵敏度低，测量精度低。
本实验仪所用到的光纤温度传感器属于非功能型光纤传感器。
本实验仪主要研究导电光纤温度传感器的工作原理和应用电路设计。
在导电光纤压力传感器中，光纤本身作为信号传输线，通过压力、电、光、电的转换实现压力测量。
主要用于恶劣环境。
用光纤代替普通电缆传输信号，可以大大提高压力测量系统的抗干扰能力和测量精度。
相关参数：1、光源高亮度白色LED，直径5mm2，探测器高灵敏度光敏三极管‘3、光纤：光纤芯直径φ14.温度源压力范围：10-80°C第二章实验指南I.实验目的1、了解并掌握传导型光纤温度传感器工作原理及其应用二、实验内容1.导电光纤温度传感光学系统组装调试实验2。
LED驱动和探测器接收实验3。
导电光纤温度传感器压力测量原理实验3。
实验仪器1、光纤温度传感器实验仪1台2、集成温度传感器1个3、光纤1根4、2#迭插头对若干5、电源线1根四、实验原理图1是光纤温度传感器装置系统框图’光纤温度传感器有两种类型：功能型和传输型。
功能性光纤温度传感器利用光纤本身的特性，直接将光纤作为敏感元件，不仅感知信息，而且传输信息，从而实现光纤温度传感。
FBG温度传感器(简单设计)
FBG温度传感器——波长调制
1、基本原理
短周期光纤光栅又称为光纤布拉格光栅（FBG）是一种典型的波长调制型光纤传感器这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。
其结构如图所示
基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长λB的调制来获取传感
信号，其数学表达式为错误！未找到引用源。
=2n eff A
错误！未找到引用源。
为Bragg波长，A为光栅周期，n为光纤模式的有效折射率。
引起光栅布拉格波长飘移的外界因素如温度、应力等会引起光栅周期A 和纤芯有效折射率的改变。
其中光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的变化可以近似地用方程
其中Δλ是反射波长的变化而λo 为初始的反射波长。
2、传感器结构设计
FBG温度传感器的基本构造如下图所示
光纤温度监测系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调器组成。
光纤光栅解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理，以获得测量结果，传输光纤用于传输光信号，光纤光栅传感器则主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光，光纤光栅反射波长的移动与温度的变化成线性关系，通过解调器测量光纤光栅反射波长的移动,便可确定环境温度T。
由于光纤布拉格光栅周期和纤芯的有效折射率会同时受到应变和温度变化的影响。
当进行温度测量的时候，光纤布拉格光栅必须保持在完全不受应变影响的条件下。
即需要对光纤光栅传感部分进行封装，保证传感部分不受到外界应力的影响。
光纤式温度传感器的设计
光纤式温度传感器的设计光纤式温度传感器又被称为光纤温度计，是一种利用光纤技术来测量温度的传感器。
相比传统的热电偶和热敏电阻等温度传感器，光纤式温度传感器具有响应速度快、抗干扰能力强、耐高温性能好等优点，因此在工业自动化、电力系统、航空航天等领域得到广泛应用。
本文将详细介绍光纤式温度传感器的设计原理和实现方法。
光纤式温度传感器的设计原理主要基于光纤的热致发光效应和光纤光衰减的温度依赖特性。
当光纤受热时，光纤的折射率会发生变化，进而引起光纤信号的衰减。
利用这一原理，可以通过测量光纤信号的强度变化来确定环境的温度。
具体而言，光纤式温度传感器的设计包括传输光源、光纤传输介质、光纤传感部分和信号接收部分等几个关键组成部分。
传输光源通常采用光电二极管、激光二极管或LED等，经过滤波装置过滤出特定波长的光信号。
光纤传输介质一般选用具有低光损耗和高耐温性能的光纤。
光纤传感部分是光纤式温度传感器的核心部分，通常采用光纤光栅、光纤圈漂移或光纤布里渊散射等结构。
这些传感部分中，光纤光栅是目前应用最广泛的一种，其主要原理是通过光纤中周期性的折射率调制来实现传感。
在信号接收部分，光纤传感信号经过光电二极管、光电探测器等转换为电信号，并经过滤波、放大等处理得到温度信号。
同时，为了降低传输过程中的噪声干扰，还可以采用差分放大电路和滤波电路等技术手段。
实现光纤式温度传感器的设计需要考虑以下几个关键问题：首先是光纤的选择。
由于光纤是传输光信号的介质，其光损耗和耐温性能对传感器的性能有很大影响。
因此，在选择光纤时需要综合考虑其损耗特性、折射率温度依赖性、耐温性能等因素。
其次是光纤传感部分的设计。
光纤光栅、光纤圈漂移和光纤布里渊散射等传感结构都有自己的特点和适用范围，需要根据具体的应用场景进行选择。
另外，为了提高传感器的精度和稳定性，还需要考虑温度校准和补偿技术。
通过在不同温度下对传感器进行标定，可以建立温度与光信号强度之间的关系，并利用补偿算法对测量结果进行修正。
光纤温度传感器的设计与实现
摘
要 ：本 文设计 了一种基于马赫一 曾德尔干涉仪原理 的相位调制型光纤温度传感器 。介 绍 了实 现方法和 实验现象 。
说 明了通过 热敏电阻标定温度与干涉条纹数之 间关 系的方法 。着 重分析讨 论 了利用 Ｃ Ｄ进 行干涉 条纹采 集及利用 Ｃ
ＭＡＴＬ ＡＢ软件对条纹 图像进行 滤波、 边缘提取等处理 的一种新方法 。给出 了条纹 移动数判 别的程序 编写方 案 ， 实验
ｔ ａ ｈ ｔ ｏ ｓ ａ ｅ ｍｏ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｃ ｅ ｓ ｈ ｔｔ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｒ ｒ ｅ ｓｂ ｅ ｓ ｈ ｍｅ ． Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ａ ｈ Ｚ ｈ ｄ ｒ ｉ ｔ ｒｅ ｅ ｃ ｏ ｔ ａ ｉ ｅ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｓ ｎ ｏ ；ＣＣＤ； ｉ ｇ ｃ ｕ ｓ ｔ ｎ ａ ｄ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｙ ｒ ｓ Ｍ ｃ － ｅ ｎ ｅ ｎ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｐ ｉ ｌｆ ｒｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｅ ｓ ｒ ｃ ｂ ｍａ ｅ ａ ｑ ｉｉ ｏ ｎ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ｉ
中得到 了较好 的温度 测量结果 。结果表 明用此方法实现光纤 温度 传感是一个较为可行的方案 。
关键词 ：马赫一 泽德干涉 ；光 纤温度传感器 ；Ｃ Ｄ；图像 采集与处理 Ｃ
中 图分 类 号 ：Ｔ ２ ２ Ｐ １ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｍ ｐｌ ｍ ｅ ａ ｉ ｎ ｏ ｐｔｃ ｌｆｂ ｒ ｔ ｍ ｐｅ ａ ｕ ｅ ｓ ｎ ｏ ｓ ｇ ｎｄ ｉ ｅ ｎｔ ｔｏ ｆｏ ｉ ａ ｉ ｅ ｅ ｒ ｔ ｒ ｅ ｓ ｒ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｈ ｐ ｉａ ｉ ｅ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｅ ｓ ｒ ｈ ｓａ ｇ ｏ ｐ ｌ ｄ ｐ ｏ ｐ ｃ Ｔｈ ｐ ｉａ ｉ ｅ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｓｒ ｃ ：ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ，ｔ ｅ ｏ ｔｃ ｌ ｂ ｒ ｔｍ ｅ ａ ｕ ｅ ｓ ｎ ｏ ａ ｏ ｄ ａ ｐ ｉ ｒ ｓ ｅ Ｌ ｆ ｅ ｅ ｏ ｔ ｌｆ ｒ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｃ ｂ ｓ ｎ ｏ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｔ ｅ ｒ ｆＭ ａ ｈ Ｚ ｈ ｄ ｒｉ ｔ ｒｅ ｏ ｔ ｒｉ ｅ ｅ ｒ ｈ ｄ ａ ｄ ｄ ｓｇ ｅ ． Ｔｈ ｔ ｏ ｓａ ｄ ｐ ｅ ｏ ｎ ｆ ｅ ｓ ｒ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｈ ｏ ｙ ｏ ｃ － ｅ ｎ ｅ ｅ ｆ ｒ ｍｅ ｅ Ｓｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｎ ｅ ｉ ｎ ｄ ｎ ｅｍｅ ｈ ｄ ｎ ｈ ｎ ｍｅ ａ ｏ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔａ ｅ ｉ ｔｏ ｕ ｅ Ｔｈ ｅ ａ ｉｎ ｈ ｐ ｅ ｗｅ ｎ ｍｏ ｉ ｇ ｎ ｍ ｂ ｒ ｆ ｆｉ ｇ ｓａ ｄ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｍ ａ ａ ｕ ｅ ｎ ｒ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ． ｅ ｒ ｌ ｔ ｓ ｉ ｓ ｂ ｔ ｅ ｖ ｎ ｕ ｅ ｓ ｏ ｒ ｅ ｎ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｒ ｌ ｏ ｎ
光纤比色测温传感器的原理及设计
[4 ]
。
当采用单色光纤传感器测量时 , 被测物体不 同 ,ε不同 ; 测温现场环境不同 ,ε也不同 。因此 , E 不仅与 T 有关 , 还与ε有关 ,ε的变化将影响到发 射能量 。 采用比色光纤传感器测温可以克服单色测温 的不足
[6 ]
- 16
- 2
2. 2 传输光纤
2 光纤比色测温传感器的设计
光纤挠性好 、 透光谱段宽 、 传输损耗低 , 无论 是就地使用或远传均十分方便 , 而且光纤直径小 , 可以单根 、 成束 、 Y 型或阵列方式使用 , 结构布置 简单且体积小
[6 ]
。因此 , 作为温度计适用的检测
对象几乎无所不包 , 可用于其他温度计难以应用 的特殊场合 , 如密封 、 高电压 、 强磁场 、 核辐射 、 严 格防爆 、 防水 、 防腐 、 特小空间或特小工件等 光纤温度传感器可分为 2 类 :
, 因为就某一温度而言 , 辐射能量的衰减
在 2 个波长下几乎相同 , 因而不会影响它们之间 的比值 。 λ 设物体在波长λ 1 、 2 下的光谱辐射能量的比 值为 R , 即测量到的信号比为 ε (λ E (λ 2 / T) 2 T) λ 2 R ( T) = = ε (λ E (λ 1 T) 1 T) λ 1
Principle and design of the f iber2optic gas temperature sensor based on colorimetry
ZHU Da2ro ng1 , SU N Bing2 ,3 , ZHAN G Li3
(1. Depart ment of Research & Develop ment , Anhui Instit ute of Architect ure & Indust ry , Hefei 230022 , China ; 2. School of Computer and Information , Hefei Universit y of Technology , Hefei 230009 , China ; 3. No . 8 Research Instit ute , China Elect ronics Technology Group Corporation , Huainan 232001 , China)
光纤测温系统方案
光纤测温系统方案光纤测温系统是一种利用光纤传感技术进行温度测量与监控的先进技术手段。
该系统通过将光纤作为传感器，利用光纤的光学特性来实现温度的测量与监控，具有高精度、远距离传输和多点监测等优点，广泛应用于各个领域。
一、系统原理光纤测温系统主要由三部分组成：光源单元、光纤传感单元和信号处理单元。
其中，光源单元主要用于提供激光光源，光纤传感单元负责将光信号传播到被测温区域并反射回来，信号处理单元则用于对反射光信号进行处理和测量。
系统的原理基于光纤的光学特性，即光纤在温度变化下会发生微弱的相位偏移和光强变化。
通过测量这些变化，可以准确计算出被测区域的温度。
具体而言，光源单元通过调制光源的频率和波长，将光信号发送到待测温区域的光纤中。
被测温区域的温度变化会导致光纤长度和折射率的变化，进而改变光信号的相位和光强。
光纤传感单元将经过温度变化后的光信号反射回来，信号处理单元通过分析反射光信号的相位和光强的变化，最终得出被测温区域的温度。
二、应用领域光纤测温系统具有广泛的应用领域，以下介绍其中的几个典型应用。
1. 电力系统监测在电力系统中，高温可能导致电气设备的故障和整个系统的不稳定。
光纤测温系统可以通过监测关键部位的温度变化，实时评估设备的工作状态，预测潜在故障，并采取相应措施，以确保电力系统的安全稳定运行。
2. 工业生产过程监控在工业生产过程中，温度是一个重要的参数。
光纤测温系统可以实时监测生产过程中关键区域的温度变化，及时发现异常情况，避免由于温度波动导致的生产事故和产品质量问题。
3. 环境监测光纤测温系统可以用于环境温度监测，如地下水位监测、土壤温度监测、海洋温度监测等。
通过对这些环境因素的实时监测，可以更好地了解自然环境的变化趋势，并采取相应的措施进行保护和管理。
4. 石油、化工等危险环境监测在石油、化工等危险环境中，温度的监测对保证生产安全至关重要。
光纤测温系统可以避免在危险环境中使用传统温度传感器可能导致的隐患，如腐蚀、易燃等。
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。
2. 光纤耦合器设计光纤耦合器主要用于将光纤传感层中的光信号转换成电信号，以方便后续的数据处理。
光纤耦合器包括探头、光耦合引线、探头基座和分光器。
光纤温度传感器的工作原理
光纤温度传感器的工作原理
光纤温度传感器是一种通过光纤技术实现的温度测量工具。
它广泛应用于工业、医疗和生物学等领域，能够精确、灵敏地测量各种温度场。
下面我们从工作原理来阐述光纤温度传感器的测量过程。
第一步，制备光纤传感器
光纤传感器的制备一般需要三个步骤：将光纤分离成自由端和被固定端，自由端通过被测对象产生温度变化后换取物理尺寸变化，这种变化转换成自由端的相位变化，形成干涉信号；而干涉信号通过传输到检测器上，然后再将它转换到电信号，接受便成了经数码转换后的内容。
第二步，采用差分技术实现测温
采用差分技术实现光纤温度传感器测温主要通过两个原理来实现，一个是布拉格反射原理，第二个是干涉滤波原理。
一般来说，通过布拉格反射原理获得的信号清晰度高，主要实现方式是将激光入射到反射镜上，反射镜产生回波经过一定的角度转向通过布拉格光栅反射，经过反转后的光信号再次进入反射镜反射，最后通过探测器捕捉出一组干涉光谱信号来。
第三步，差分放大器对信号进行处理
两组光谱信号在经过干涉之后会被差分放大器进行差分工作，这个信号差异量可以通知我们传感器温度的变化。
因为在光纤传感器过程中，其光程和光纤长度之间的关系存在着不一致的情况，通过差分放大器将所有的信号进行放大之后，再进行计算就可以得到光程和光纤长度的变化情况，从而精确测量温度场。
总结：光纤温度传感器的工作原理是通过制备光纤传感器以及采用差分技术实现测温，并且差分放大器对信号进行处理实现的。
最终得到的温度场可以被广泛应用于各个领域，因为光纤温度传感器不仅测量精度高，同时也非常灵活多用。
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。
设参考臂光纤2L 温度不变,传感臂光纤1L 温度变化量为T ,则折射率n 的变化量为n ,传感臂光纤1L 的变化量为1L 。
根据公式(1),光纤1L 的相位1 为:)(21110011L n nL nL(2)当光纤1L 的温度改变后,两光纤在耦合器交会处的相位差 为:)(2)(2)(110210200121L n nL L L n(3)如果L L L 21,且初始相位2010 ,则,)(20L n nL(4)两边同除以L 、T ,可得)(210T LL n T n T L (5)公式(5)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。
光纤光栅温度传感器 报告
波长调制型光纤温度传感器《光纤传感测试技术》课程作业报告提交时间： 2011年10月 27 日1 研究背景 （执笔人： ）被测场或参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化来确定北侧参量的传感方法即为波长调制型光纤传感器。
光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。
基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长B λ的调制来获取传感信息，其数学表达式为：2B eff n λ=Λ式中：eff n 为纤芯的有效折射率；Λ是光栅周期。
这是一种波长调制型光纤温度传感器，它具有一下明显优势：（1）抗干扰能力强。
由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。
这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感，具有很高的可靠性和稳定性。
（2）传感探头结构简单，体积小，重量轻，外形可变，适合埋入大型结构中测量结构内部的应力 、应变及结构损伤，稳定性、重复性好，适用于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。
（3）测量结果具有良好的重复性。
（4）便于构成各种形式的光纤传感网络。
（5）可用于外界参量的绝对测量。
（6）光栅的写入技术已经较为成熟，便于形成规模生产。
（7）轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感。
由于以上优点，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康检测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。
但是它也存在一些不足之处。
因为光纤光栅传感的关键技术在于对波长漂移的检测，而目前对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其检测的分辨率和动态范围也受到一定的限制等。
光纤布拉格光栅无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为检测材料的结构和载荷，探测其损伤的传感器。
光纤温度传感器原理
光纤温度传感器原理光纤温度传感器是一种用于测量温度的先进技术。
它利用光的传输特性和温度对光的影响来实现温度的测量。
光纤温度传感器具有精度高、响应快、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于各个领域。
光纤温度传感器的原理基于光纤的热致敏效应。
当光纤受到温度变化时，其折射率也会发生变化。
这种折射率的变化会导致光的传输特性发生改变，进而可以通过测量光的某些特性来获得温度信息。
一种常见的光纤温度传感器原理是利用光纤的布里渊散射效应。
布里渊散射是指当光波在介质中传输时，由于介质中存在微弱的非均匀性引起的散射现象。
当光波频率与介质的声子频率匹配时，布里渊散射会导致光的强度发生变化。
在光纤温度传感器中，一段光纤被固定在待测温度环境中。
当温度变化时，光纤的折射率也会发生变化，从而改变了光波与介质的匹配程度。
这种匹配程度的变化会导致布里渊散射的频率发生变化，进而改变了光的强度。
通过测量光纤传输的光强信号，可以获得布里渊散射频率的变化情况。
而布里渊散射频率的变化与温度的变化是相关的，因此可以通过测量光的强度来获得温度信息。
光纤温度传感器的原理还可以基于其他光纤的特性来实现。
例如，利用光纤的拉曼散射效应，可以通过测量光的频移来获得温度信息。
又如，利用光纤的菲涅尔衍射效应，可以通过测量光的干涉图案来获得温度信息。
光纤温度传感器利用光的传输特性和温度对光的影响来实现温度的测量。
通过测量光的某些特性，如光强、频移或干涉图案等，可以获得温度信息。
光纤温度传感器具有精度高、响应快、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于各个领域，如工业生产、环境监测、医疗诊断等。
随着技术的进步，光纤温度传感器将会在更多领域发挥重要作用。
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。
（一）强度调制1.发光强度调制传感器的调制原理光纤传感器中发光强度的调制的基本原理可简述为，以被测量所引起的发光强度变化，来实现对被测对象的检测和控制。
其基本原理如图5-39所示。
光源S发出的发光强度为的光柱入传感头，在传感头内，光在被测物理量的作用下强度发生变化，即受到了外场的调制，使得输出发光强度产生与被测量有确定对应关系的变化。
光纤温度传感器原理
光纤温度传感器原理介绍光纤温度传感器是一种基于光纤传输原理的温度测量设备。
它具有高精度、长距离传输能力以及耐高温、抗干扰等特点，被广泛应用于工业、冶金、化工、医疗等领域。
本文将全面、详细、深入地探讨光纤温度传感器的原理和应用。
原理光纤温度传感器利用光纤材料的光学传输特性和温度对光纤特性的影响进行温度测量。
其基本原理如下：1. 热效应光纤温度传感器利用光纤材料的热效应进行温度测量。
当光纤受热时，光纤内部会发生温度变化，进而引起光纤的长度、折射率和透过损耗的变化。
通过测量这些变化，可以获得温度信息。
2. 光纤布里渊散射光纤布里渊散射（Bragg scattering）是光纤温度传感器常用的测温原理之一。
布里渊散射指的是光波在光纤中与光纤中存在的声波产生相互作用，而产生散射现象。
当光纤受温度变化影响时，声波的频率也会随之变化，从而改变布里渊散射的位置和强度。
通过观测布里渊散射光的频移和功率，可以推算出温度。
3. 光纤拉曼散射光纤拉曼散射（Raman scattering）是光纤温度传感器另一种常用的测温原理。
拉曼散射指的是光波在光纤中与光纤中存在的分子或晶格振动产生相互作用，而产生散射现象。
当光纤受温度变化影响时，拉曼散射光的频率也会发生变化。
通过测量拉曼散射光的频移和功率，可以得到温度信息。
应用光纤温度传感器具有许多优点，因此被广泛应用于各个领域，下面我们将介绍其在不同领域的应用。
1. 工业光纤温度传感器在工业领域中，常用于高温、高压、有腐蚀性的环境下的温度测量。
例如，在石油化工行业中，光纤温度传感器可以用于监测炼油装置中的温度变化，为生产过程提供温度数据，以便调节生产参数。
2. 冶金在冶金行业中，光纤温度传感器可以用于铁矿石烧结过程中的温度测量。
通过实时监测烧结过程中的温度变化，可以控制烧结过程，提高产品质量。
3. 化工在化工行业中，光纤温度传感器可以用于监测反应釜、管道等设备中的温度变化。
通过实时测量温度，可以及时发现异常情况，保证生产安全。
详细剖析光纤温度传感器的工作原理和应用场景
详细剖析光纤温度传感器的工作原理和应用场景
光纤温度传感器是利用光纤光纤作为传感元件，通过光纤的光学特性来测量温度变化的一种传感器。
光纤温度传感器的工作原理：
光纤温度传感器一般由两根或多根光纤组成，在其中一根光纤中注入一定量的光信号，另一根光纤则作为传感器测量信号的接收端。
光信号在进入传感光纤前会经过一个特殊的光纤中心，该中心根据温度变化会发生膨胀和压缩。
当外部温度变化时，会引起传感光纤的长度发生微小的变化，进而影响光信号的传输时间和强度。
接收端通过测量光信号的传输时间和强度变化来间接测量温度。
光纤温度传感器的应用场景：
1. 工业领域：光纤温度传感器可以应用于高温环境下的温度测量，例如炼油、钢铁制造、玻璃制造等工艺过程中的温度监测。
2. 环境监测：光纤温度传感器可以用于地下水温度的监测，可以帮助提供地下水温度的信息，用于环境保护和地热能的开发利用。
3. 电力系统：光纤温度传感器可以测量电缆、变压器等电力设备的温度，及时发现异常情况，以保障电力系统的安全运行。
4. 医疗领域：光纤温度传感器可以测量人体内部的温度变化，用于监测患者的体温，可以应用于体温监护仪、手术中的温度监测等场景中。
5. 空调系统：光纤温度传感器可以测量室内、室外的温度变化，用于空调系统的控制和自动调节，提高能源利用效率。
总之，光纤温度传感器凭借其高灵敏度、快速响应、耐高温、抗电磁干扰等特点，在工业、环境、医疗等领域中有着广泛的应用前景。
光纤温度传感器的设计
光纤温度传感器的设计
一、概述
光纤温度传感器（Fiber-Optic Temperature Sensor）是一种使用光纤作为传感器的新型温度感应器，它具有便携性高、抗电磁干扰强、精度高等特点，特别适用于在高温、极端环境中测量温度，如航空、航天、汽车、渔业、火车等广泛应用领域。
二、原理
光纤温度传感器是一种基于热光学原理的温度传感器，采用一根光纤作为传感器，在温度变化的环境中测量光纤在进出光纤处的温度变化。
传感器的原理是通过光纤中光子本质的拉曼效应，在光纤进出口处测量光纤的温度变化，然后将光纤的温度变化转换为电信号，由数据处理器进行数据处理，最终得到测量中实际温度的值。
三、结构
1.光纤：由一根光纤作为传感器的基础，它的厚度一般为几十微米，重量轻，对电磁干扰不敏感，可以抗酸、碱、强磁场和高温环境；
2.光纤线缆：光纤传感器的工作原理是将光纤的温度变化转换为电信号，所以需要用光纤线缆将光纤与数据处理器连接，传输温度信号；
3.数据处理器：温度信号由光纤线缆传递给数据处理器，进行信号处理得到实际温度值；
4.显示器：温度信号经过处理后。
旋转反射式光纤温度传感器的设计及应用
（ ． 北 电力 大学 电气 与 电子 工 程 学 院 ，河 北 保 定 ０ １０ ；２ 陉 电业 局 ，河 北 井 陉 ００ ０ ） １华 ７０ ３ ．井 ５ ３０
摘 要 ：介 绍 了研 制 的一 种 无 源光 纤 温度 传 感 器 。 以 本 质 绝 缘 、 耐 腐 蚀 、 可 弯 曲 、抗 拉 性 强 的 大 直 径 树 脂
光 纤 为介 质 ， 以 可 见光 为媒 体 ，利 用 旋转 反 射 线性 度 高 、 动 态 范 围 大 的 特 点 ， 实现 了 在 高压 环 境 下 对 接
点温度进行精确 可靠的在 线监 测 介 绍 了光纤温度 传感器 的组成７ Ｘ作 原理 ，结合 在 变电站的应 用 ，给 Ｌ． － 出了测试 结果 ，结 果表 明本 光纤温度传 感器的测量准确度优 于 ± ． ℃ 。其 成本低 ，寿命 长 ，较好地 解决 ２２
失修 问题 ，由 “ 到期 必修 ” 过 渡 到 “ 修必 修 ” 利 用旋 转反 射线 性 度 高 、动 态 范 围大 的特 点 ，实 应 ，
是提 高设 备可 用 性 、安 全 性 和可 靠 性 ，实 现 管 理 现 了在 高压 环 境 下对 接 点 温 度 进 行 精 确 可 靠 的在 现代 化提 高综 合 实 力 和建 设 一 流 供 电企 业 的有 效 线 监测 。
位也 是最 容 易发 热 引 发 事 故 的 ，这 些 部 位 在 密 闭 Ｔ Ｐ Ｉ 用 网 ，也 可 通 过 特 殊 设 计 的 Ｉ Ｃ １５ Ｃ ／Ｐ公 Ｅ ６８０
的柜 内或 电缆 沟 内 。 国网公 司状 态 检 修 试 验 规 标 准 的平 台 。
程中红外 检测 作 为判断设 备发 热故 障 的重 要手
途径 之一 ｌ 。而 实 现状 态 检 修 的前 提 是 对 设 备 的 １ Ｊ 状态进 行 实 时检 测 。在 电力 设 备 中 的众 多 接 点 和 １ 传 感 器 系统 框 图 和 工 作原 理
基于金属热膨胀式光纤温度传感器的设计
二 、光 纤温度传 感器的工 作原理 光纤 温度 传 感器利 用金 属 构件 热膨 胀 性质 对 光纤 弯 曲率进行 调制 ， 从而 导致光纤 损耗随温 度场 改变而产 生相 应 变化 ，然 后通过光 强调制 与解调 ，将 金属构件 处 的温 度
角 定义为光 纤 内的临界反射角 ，其表达 式为：
任何 一个束缚 的纤芯模 ，都 有一个延 伸到包层 中的消
失场尾部 ，这个 尾 部随着 离纤 芯距 离的增 加呈 指数方 式衰 减 ，因为这个消 失场尾部跟 随纤 芯中的场一起 运动 。因此， 传 导模 的部分 能量就 在光 纤 的包层 中传 输 。而 电磁波 在传 输 时，要想 保持 同相位 的电场和 同相位 的磁 场在 一个平 面 内， 即保持 导行 或保 持波形 的完 整性 ，则越 靠近 外边 的速 度越大（１ 播常数 越小） １传 １ ］ 。这样 ，当光纤发生弯 曲以后 ， 电磁 波如 还在 弯 曲波导 内传 输 ，位 于 曲率 中心远侧 的消 失 场尾部 就必须 以较 大速 度前 进 ，以便 能够与 纤芯 中的场 同
步前行 ，在离 光纤 中心的距离 为某一临 界距离 处 ，消 失
场尾 部必 须 以大 于光 速 的速度运 动，而这 是不 可 能的 ，因
此， 比 远的消 失场尾部 中的能量就会 辐射 出去 ，把从
处起 一直 到无 穷远 处的 能量积 分起 来 ，就 是在光 纤弯 曲部
按照Ｄ．Ｍａｃ ｓ的理论 ，当光纤弯 曲半径 为Ｒ时，弯 曲损耗 ｒｕｅ
场 真实 反映出来 。 于金属构 件的光纤温 度传 感器环境 适 基 用性强 ，具有结构 简单 、性 能可 靠 以及经 济实用 等优 点。
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J I A N G S U U N I V E R S I T Y
学院名称：
专业班级：
学生姓名：
学生学号：
2011 年
6 月
光纤式温度传感器的设计
一、设计的目的
通过利用水银的遮光性，以及水银的热胀冷缩性能,当水银达到一定的液位时，从而遮住光纤的传输路线。
这达到光纤传输跳跃，通过信号的终断输出到到外输接口的，以达到预期目的。
二、光纤导光的原理
光是一种电磁波，一般采用波动理论来分析导光的基本原理。
然而根据光学理论中指出的：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间，可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象，这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。
为此，我们采用几何光学的方法来分析。
由图2-1可以看出：入射光线AB 与纤维轴线OO 相交为θi 入射后折射(折射角为θj ) 至纤芯与包层界面C 点，与C 点界面法线DE 成θk 角，并由界面折射至包层，CK 与DE 夹角为θr 。
图2-1 光纤导光示意图
由图2-1可得出
j i n n θθsin sin 10= （2-1）
r k n n θθs i n s i n
21= （2-2） 由（2-1）式可推出
j i n n θθs i n )(s i n 01= 因k j θθ-=090
所以
k
k k i n n n n n n θθθθ2
1010
01sin 1cos )90sin()(sin -==-= （2-3）
由（2-2）式可推出
r k n n θθs i n )(s i n 12=并代入（2-3）式得
21
201)s i n (1s i n r i n n
n n θθ-=
k n n n θ2
22210
s i n 1-=
（2-4） （2-4）式中n 0为入射光线AB 所在空间的折射率，一般皆为空气，故10≈n ；n 1为纤芯折射率，n 2为包层折射率。
当叫n 0＝1，由(2-4)式得
=
i θs i n r
n n θ2
2221s i n - （2-5）
当090=r θ的临界状态时，0i i θθ=
2
2210s i n n n i -=θ （2-6）
纤维光学中把(2-6)式中0sin i θ定义为“数值孔径”NA(Numerical Aperture )。
由于n 1与n 2相差较小，即n 1+n 2≈2n 1，故(2-6)式又可因式分解为
∆≈2s i n 10n i θ (2-7)
式中121)(n n n -=∆称为相对折射率差。
由（2-5）式及图2-1可以看出：
090=r θ时，
NA
i =0sin θ或NA i arcsin 0=θ,聚光能力的容量。
090>r θ时，光线发生全反射，由图2-1夹角关系可以看出NA i i arcsin 0
=<θθ。
090<r θ时，
（2-5）式成立，可以看出，NA i >θsin ，NA i arcsin >θ，光线消失。
这说明NA arcsin 是一个临界角，凡入射角i θ＞NA arcsin 的那些光线进人光纤后都不能传播而在包层消失；相反，只有入射角i θ＜NA arcsin 的那些线才可以进入光纤被全反射传播。
三、光纤传感器的结构原理
我们知道，以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可侧的电信号的装置。
电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及传输信息均用金属导线组成，见图3-1(a)。
光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。
由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见困3-1(b)。
由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。
在这里，光的某一性质受到被测量的调制，己调光经接收光纤锅合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理系统处理得到我们所期待的被测量。
由图3-1可见，光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测旦原理上有本质的差别。
传统传感器是以机—电测旦为基础，而光纤传感器则以光学测量力基础。
下面，简单地分析光纤传感器光学测量的基本原理。
从本质上分析，光就是一种电磁波．其波长范围从极远红外的1nm到极远紫外线的10nm。
电磁波的物理作用和生物化学作用主要围其中的电场而引起。
因此，在讨论光的敏感测量时必须考虑光的电矢量E的振动。
通常用下式表示
ω+t）（2-8）
E=Asin（ϕ
式中A——电场E的振幅矢量；
ω——光波的振动频率；
ϕ——光相位；
t——光的传播时间。
由(2-8)式可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化面变化，或者说受被测量调制，那么，我们就有可能通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得我们所需要的被测量的信息。
图3-1 传统传感器与光纤传感器示意固
（a）传统传感器（b）光纤传感器
四、传感器工作原理及示意图
图4-1示为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。
当温度升高时，水银柱上升，到某一设定温度时，水银柱将两根光纤间的光路遮断，从而使输出光强产生一个跳变。
这种光纤开关温度计可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。
图4-1 水银柱式光纤温度开关
1——浸液2——自聚焦透镜
3——光纤4——水银
五、提高测试精度减少测量误差
将盛装水银的容器变成一种透光率较好的容器，这样可以提高响应时间，减少壳体震动也同样可以稍微提高误差，外接单片机，同时按不同需要可以提高单片机的质量与精度。