光纤温度传感器的设计

东北石油大学

课程设计

201?年? 月??

任务书

课程传感器课程设计

题目光纤温度传感器的设计

专业姓名学号

主要内容：

本次传感器课程设计拟设计一个光纤温度传感器系统。整个系统包括对温度进行采集的光纤温度传感器，将光信号转换成电信号的转换电路，以及电信号最终送至由52单片机为主体构成的信号处理部分。最终根据程序设定的要求，通过本次设计的系统完成相应操作。

基本要求：

1、光纤温度传感器能准确测量温度，尽量减少信号延迟；

2、转换电路中的光敏电阻能准确将光信号转换为电信号；

3、成功搭建单片机最小系统，完成对信号的控制。

主要参考资料：

[1] 刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆目录[M].北京：高等教育出版社，

1957.15-18.

[2] 刘润华，刘立山.模拟电子技术[J].自动化仪表.2005(6):21-23.

[3] 宋文绪,杨帆.传感器与检测技术[M]．高等教育出版社.2007.29-31

[4] 刘瑞复，史锦彭j．光纤传感器及其应用[M].北京:机械工业出版社，

1997.69-87

完成期限

指导教师

专业负责人

2012年6 月25 日

摘要

光纤温度传感器采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纤外面。本设计完成的是遮光式光纤温度计的设计。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。当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化，则出射光强将随温度的变化而变化。这种形式的光纤温度计检测精度约为0.5℃。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且回应时间较长，一般需几分钟。

关键字：光纤；传感器；光纤传感器；光纤温度传感器

目录

一、设计要求 (1)

二、方案设计 (1)

1、方案一 (1)

2、方案二 (1)

三、传感器工作原理 (2)

四、光纤温度传感器电路图 (2)

五、单元电路设计、参数计算和器件选择 (3)

1、单元电路设计 (3)

2、参数计算 (5)

3、器件选择 (5)

六、总结 (6)

七、参考文献 (8)

光纤温度传感器的设计

一、设计要求

本设计完成的是遮光式光纤温度计的设计。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。当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化，则出射光强将随温度的变化而变化。

二、方案设计

在温度信号的监测控制方面，有多种类型的传感器可以使用，其中包括热电偶传感器和光纤温度传感器。本次设计拟从以下两种方案考虑：

1、方案一

利用热电偶传感器作为采集温度的装置，将采集的到的数据经温敏二极管冷端补偿电路后，再经由运算放大器将信号放大后送入A/D转换芯片，最终将处理后的信号送入单片机进行信号处理。原理如图1所示。

图1 方案一原理框图

2、方案二

利用光纤温度传感器作为温度采集的装置，采用探测信号与传输信号两部分分开的非功能型，经由光纤作为传输介质，光信号经过信号转换电路转换为电信号后，经过A/D转换电路后送入单片机进行信号处理。原理如图2所示。

通过方案比较，由于方案一中还需要温敏二极管冷端补偿电路，电路比较复杂。而方案二使用的是光线温度传感器，此类传感器以光纤为传输手段，以光作为信号载体，抗电磁干扰，电绝缘；本质安全灵敏度高重量轻，体积小，外形可变测量对象广泛对被测介质影响小可以进行连续分布测量，便于复用，便于成网。通过比较采用方案二。

三、传感器工作原理

本次课程设计设计的是遮光式光纤温度计，当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。

在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示

)cos(0ϕω+=t E E (1)

式中，错误!未找到引用源。0是光波的振幅：ω是角频率；φ为初相角。

该式包含五个参数，即强度错误!未找到引用源。02

、

频率ω、波长γ=2πc/nω错误!未找到引用源。、相位(ωt+φ)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。因此这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。

光纤温度传感器通过输出的光纤将光信号作用于信号转换电路的光敏电阻上，光敏电阻根据光强不同有不同的电阻值，从而通过电阻分压，将光信号转换为电信号后送至单片机的A/D 转换器完成对温度的测量。

四、光纤温度传感器电路图

光纤温度传感器将光强大小传输至光线传感器，光线传感器采用高灵敏度光敏电阻，线性比较好，尤其在室内环境下，且阻值随外界物理量的变化较明显，

图2 方案二原理框图

因而可省去中间放大电路直接与单片机IOA1端口相连。光线温度测量电路如图所示。整个电路由5V电池供电，2V的稳压管为A/D转换电路提供2V基准电压。

图3 光纤温度传感器电路图

可调电阻R1用来校准由温漂和电源电压降低引起的基准电压降低，R2与R3串联，光线强度的变化通过分压值的变化反应，并输到单片机P27端口，进行A/D转换。P27端口设置为悬浮输入口，在单片机中定义变量iLM，光线测量得到的电压数放在iLM中，并根据它判断光线强弱。每1ms取一次A/D转换数据，共取10次是为在100Hz的自然光的一个周期中都能取到数据。取10次测量平均值查表得到光强。温度测量与光线测量原理基本相同。该模块电路如图3所示。

五、单元电路设计、参数计算和器件选择

1、单元电路设计

⑴、温度采集部分

传感头主要由多模光纤与金属构件组成，金属零件随温度高低不同产生形变也不一样，加载在零件上光纤弯曲损耗大小随之改变金属件受到温度越高，形变越大，在光源输出光功率稳定情况下，光纤弯曲损耗增加时，探测器接收到的光功率就会减小，反之，接收到的光功率增大。当传感头处的温度场发生变化时，通过探测器将接收到的不同光信号转换成电信号，进一步处理、计算，输出外界