光纤温度传感器的设计

设计性实验报告

实验课程：医用传感器设计实验学生姓名：***

学号：*********

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。由光

电探测器检测出发光强度的信号，经信号处理解调就得到了被测信号。

2.发光强度调制的方式

（1）利用光纤微弯效应；

（2）利用被测量改变光纤或者传感头对光波的吸收特性来实现发光强度调制；

（3）通过与光纤接触的介质折射率的改变来实现发光强度调制；

（4）在两根光纤间通过倏逝波的耦合实现发光强度调制；

（5）利用发送光纤和接收光纤作相对横向或纵向运动实现发光强度调制，这是当被测物理量引起接收光纤位移时，改变接收发光强

度，从而达到发光强度调制的目的。这种位移式发光强度调制的

光纤传感器是一种结构简单，技术较为成熟的光纤传感器。

3.发光强度调制型传感器根据其调制环节在光纤内部还是在光纤外部可以

分为功能型和非功能型两种。

4.强度调制式光纤传感器的特点解调方法简单、响应快、运行可靠、造

价低。缺点是测量精度较低，容易产生偏移，需要采取一些自补偿措施。（二）相位调制

相位调制光纤传感器的基本原理

通过被测量的作用，使

光纤内传播的光相位发生变

化，再利用干涉测量技术把

相位转换为光强变化，从而

检测出待测的物理量。如图

5-40其中图a、b、c分别为

迈克尔逊、马赫-泽得和法布

里-珀罗式的全光纤干涉仪

结构。

（三）波长调制

波长调制光纤传感器的基本原理

波长调制传感器的

基本结构如图5-41。

二.光纤传感器的特点

与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点是：

（1）抗电磁干扰，电绝缘；本质安全

（2）灵敏度高

（3）重量轻，体积小，外形可变

（4）测量对象广泛

（5）对被测介质影响小

（6）可以进行连续分布测量，便于复用，便于成网

光纤温度传感器

光纤温度传感器是上世纪70年代发展起来的一门新型的测温技术。它基于光信号传送信息，具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压等优势特征。在国外，光纤温度传感器发展很快，形成了多种型号的产品，并已应用到多个领域，取得了很好的效果。国内在这方面的研究也如火如荼，多个大学、研究所与公司展开合作，研发了多种光纤测温系统投入到了现场应用。按工作原理分，光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体，而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。其中应用最多当属分布式光纤温度传感器与光纤光栅温度传感器。

1）分布式光纤温度传感器

分布式光纤传感器最早是在1981 年由英国南安普敦大学提出的。激光在光纤传送中的反射光主要有瑞利散射（Rayleigh scatter）、拉曼散（Ramanscatter）、和布里渊散射（Brillouin scatter）三部分，如图1 所示。

分布式光纤传感器经历从最初的基于

后向瑞利散射的液芯光纤分布式温度

监控系统，到电力系统保护与控制基于

光时域（OTDR）拉曼散射的光纤测温系

统，以及基于光频域拉曼散射光纤测温

系（ROFDA）等等。目前其测量距离最

长可达30 km，测量精度最高可达

0.5℃，空间定位精度最高可达0.25 m，

温度分辨率最高可达到0.01℃左右。目

前，分布式光纤温度传感器主要基于拉曼散射效应及光时域反射计(OTDR)技术实现连续分布式测量，如York Sensa、Sensornet 等公司产品。基于布里渊散射光时域及光频域系统也是当前光纤传感器领域研究的热点，LIOS、MICRION OPTICS等公司已有相应的产品。

2）光纤光栅点式温度传感器

光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。光纤光栅以波长为编码，具有传统传感器不可比拟的优势，已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等。光纤光栅温度传感器主要有Bragg 光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg 光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg 光栅，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg 光栅效应，其基本光学特性就是以共振波长