光纤传感器测温设计报告

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1、课*程设计报告学生姓名学号：学院：电气工程学院班级：电技091题 目 :光线温度传感器测温设计指导教师：陈宏起职称:2012 年 12 月 29 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，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

2、、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= 错误！未找到引用源。式中，错误！未找到引用源。是光波的振幅：w是角频率；二为初相角。该式包含五个参数，即强度 错误！未找到引用源。、频率w、波长错误!未找到引用源。、相位（wt +二）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

3、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 发出的发光强度为错误！未找到引用源。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，使得输出发光强度错误！未找到引用源。 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

4、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。

5、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） 波长调制反射贏纤瑞面借号处理器一 7、1-波长调制传感器的 基本结构如图 5-41。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。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

6、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

7、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 seatter)、拉曼散Ramanscatter)、和布里渊散射(Brillouin seatter)三部分，如图1所示。探撕充纤谧尤號艸Jncident lihtI处理命析DTS 丁.郴机X,反射比瑞利ftm jsignal* A布里渊散时*枪翌散肘Anti-St

8、nkcs 膏牙乙/ signal 图1分布式光纤温度传感器基本原理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,测量精度最咼可达 0.5 C，空间定位精度最高可达0.25 m, 温度分辨率最高可达到0.01C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

9、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 为中心的窄带光学滤波器，满足如

10、下光学方程：式中：入b为Bragg波长；A为光栅周期；n为光纤模式的有效折射率。长周期光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，其传光原理是将前向传输的基模耦 合到前向传输的包层模中。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的 重视，是一种新型的宽带带阻滤波器。光纤温度传感器的设计罔3光纤温很传感器结购示总图根据光纤弯曲损耗的理论 分析，光纤温度传感器结构由 三大部分组成：温度敏感头、 传输与信号处理部分，具体结 构示意图如图3 所示。1、温度敏感头 温度敏感头是温度传感器中最 主要的部件，是将所测量温度 转换成直接能够测量的参数， 在这里，是转换成光纤的损耗大小，同等状态下，损耗大，探测器接收到的光

11、功 率小，反之，接收到功率就大。传感头主要由多模光纤与金属构件组成，如图3 所 示，将光纤施加一定的张力后直接加载在多边形金属构件上，固定好后将光纤两 端头引出，在引出光纤的两端制作连接器，外加光纤保护措施，传感头主要工序 就已经完成了。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，输出外界的温度值大小。金属零件在热变形时，其变形量不仅

12、与零件尺寸、组成该形体的材料线膨胀系数a、环境温度 t 有关，而且与形体结构因子（取决于几何参数）有关，计算比较复杂，在这里采 用传统的公式模拟来计算：Lt=L1+a (t-20C)(5)式中，Lt温度t时的尺寸；L20t时的尺寸；a 线膨胀系数，其数 学表达式比较复杂，可选用平均线膨胀系数，经过查表可知。为了提高传感器的 灵敏度，温度敏感头金属材料需选用膨胀系数较大的，且膨胀系数在整个温度测 量区间要较稳定，有较好重复性；温度敏感头的结构形状也是要考虑的另一个因 素，不同的形状，对灵敏度影响很大。要提高传感头对温度的响应时间，需要选 用导热系数较高的材料，比热越小越好，在温度突变时，能快速响

13、应。经过课题 组反复计算与试验，选用成本较低、加工容易、导热较快，并且满足使用范围的 金属材料铝。通过试验，传感器在-40 C+ 80 C温度范围内均可精确工作。2、传输部分 光纤在这里不仅要作为转换器件使用，同时也作为光信号传输载体，选用对弯曲 损耗更敏感的多模光纤，一般地采用62.5/125m标准的多模光纤。由于加载光 纤时要施加一定的张力控制，使得光纤缠绕在金属零件上，光纤本身就比较容易 损坏，敏感头处光纤长时间受到一定内应力作用，必须对光纤的涂层进行加固耐 磨处理，增加传感器使用的可靠性。3、信号处理部分信号处理部分主要由发光管、探测器的驱动电路与数字电 路处理两部分组成，发光管、探测

14、器的驱动电路技术已经非常成熟。数字电路处理主要使用价廉物美的单片机，CPU使用美国ATMEL公司生产的AT89C52单片机， 是一块具有低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的 只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），全部采 用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS 51指令系统及 8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功 能强大。A/D转换采用AD公司生产的12位D574A芯片，转换时间位25“ s,数 字位数可设定为12 位，也可设为8 位，内部集成有转换时钟、

15、参考电压和三态 输出锁存，可以与微机直接接口。为了方便在现场使用，光纤温度传感器扩展了 LCD显示接口，同时还扩展了一个RS-232通信口，用于同上位机进行通信，将 现场采集的数据传送到上位机，进一步分析处理。整个监控程序采用模块化设计， 主要的功能模块有：系统初始化， A/D 采样周期设定，数字滤波，数据处理，串 行通信，中断保护与处理，显示与键盘扫描程序等。程序采用单片机汇编语言来 编写，使用广泛、运算的速度快等特点，有效的利用单片机上有限的RAM空间， 其中，由于温度的变化引起光强的变化不是线性的，因此我们采用查表法对其测 量值进行线性补偿。试验检验与数据处理 已经制作好的温度敏感头通过

16、试验测试。第一步，在温度敏感头的一端光纤连接器上加载稳定的短波长的光源，另一端接 相匹配的光功率计，将温度敏感头置入恒温槽中；第二步，设置恒温槽温度，观察光功率计值的变化情况，要满足在测量的整个工 作区间光功率都有变化；第三步，定点测量，设定几个或更多温度点，记录下，温度与光功率对应值，反温度值（C）-40-15-+15+40+70光第次2卫斗1.841.250.8630.423功第二次2.351.831.270.&470412第三眈2.351.E41.250.85 S0415第四次2.281.821-2斗0.S490418平均值（Lim）2.3251 8351.2550.8580417表1温

17、度与光功率对应值复多次试验，观察温度 敏感头的重复性。光纤 温度传感头通过试验 测试，将温度与光功率 相对应数据制成表格， 具体见表1 所示，曲线 图见图4。通过上述试验表明，传感头满足使用要求，重复性非常好，加载发光管与探温度值H-40-15+15+40+70第-5.244 112.8021.83S0.891压Arfr 一M 5.264.082.7861.8220.904值第三5.234.022.8111.7990.904(V)第四5.184.072.79E1.8190.879平均值(V)4 072.7991.8190.895表2温度与转换电压对应值测器驱动电路以及信号处 理电路，整体调试传

18、感器， 观察温度与传感器输出的 电压值关系，重复操作上述 试验第二、第三步，具体的 温度与电压相对应值见表 2，曲线图见图5。通过观察上述两个曲 线，形状基本一致，重复性 较好，表明传感器整体性能满足要求。将几个特殊点电压值送到单片机进行处理，采用直线插值拟合或者最小二乘法曲线拟合，输出温度值。通过实测检验，与标 准温度值误差最大值为1。C，基于金属热膨胀式的光纤温度传感器设计是成功 的，传感器整体测试精度较高。小结： 近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发 展。本期学习了检测技术与仪表，此学科无论在理论基础、系统设计还是在 设计程序、实验方法等方面都向着数字化、网络化

19、和智能化方面发展。在这一 过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优 异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的 机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能 等，它能够在人达不到的地方（如高温区） ，或者对人有害的地区（如核辐 射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官 所感受不到的外界信息。在本文中大体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。由于本人所学的是电气工程及其自动化专业，在平时的学习中我们比较多的 接触到电动机、发电机和变压器等

20、电磁设备。为了保证这些电磁设备工作在正常 状态，我们必须对它们进行实时监测，而其中温度监测是其中之一。就于光纤的 抗干扰能力优异于其他的传感器，本人特别介绍了光纤温度传感器。光纤温度传 感器非常适合在电力行业中使用，但是在网上找了很多资料，大部分都是说可行 性研究和论证，真正在实践中用到了传感器实物非常的少，和网络上销售情况也 做了翻了解。光纤温度传感器作为一种新型的测温技术发展十分迅速，应用也越 来越广泛。在电力系统中应用也得到了较好的发展，但存在以下几个方面的问题： 光纤温度传感器在价格上的劣势制约了其在电力系统中的推广应用，价格太高 使得在某些应用场合监测的实际意义不大。光纤在某些电气设

21、备上的敷设较为 困难，最好能在敷设方式和敷设工艺等方面形成业内认可的施工指导与标准规 范。目前生产光纤温度传感器的厂家基本都只具备专业研发与生产光纤温度传 感器的能力，而在电力系统领域涉足较少，缺乏开发基于光纤温度传感器的电力 系统故障诊断方面软件的理论支持与经验，难以将系统功能扩展。本文介绍的光纤传感器的设计如果得到应用以及在电力应用上解决了上述 问题，光纤温度传感器一定会在电力行业得到普及。心得体会首先这次课程设计是对以前学过的相关知识的一次综合的运用，是把课本 知识转化为生活实际的一次实践性的实验，很大程度上锻炼了我的思考问题解决 问题的能力，实验的内容贴近生活实际,使我们可以用自己所学

22、的知识解决实际 问题。这次课程设计在很大程度上调动了我的积极性和对专业浓厚的兴趣。 温 故而知新。课程设计开始，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥 想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理 解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。总的来说 这次课程设计相对比较顺利，但是也遇到了一些问题，遇到问题并不是什么坏事， 通过自己的思考以及向老师咨询，等把问题弄懂了，自己也从中学到了很多知识。 下面说一下自己的得与失。通过本次设计确实让自己学到了不少知识，首先是对 这个实验的原理有了更深的了解。同时对电路设计产生了极大的兴趣。另外还发 现自

23、己的一些问题。首先，是对很多学过的知识还不够熟练不能用到实际问题中。 其次，是自己还不够条理，思考问题不全面等。就本实验具体问题谈一下自己的 看法。设计虽然比较成功，但是实验还有很多需要改进和扩展的地方，我们要求 设计的是比较简单的电路，在实际生活中的设计与应用要远比这次的课程设计复 杂，在以后的课程中还要继续学习其他知识，以解决真正的实际问题，真正达到 学以致用。附录1】叶杨高.基于金属热膨胀式光纤温度传感器.传感器世界.2007.42】孙宝元 杨宝清 .传感器及其应用手册.机械工业出版社.2004.53】王化祥 张淑英.传感器原理及其应用.天津大学出版社.2004.7 4】王俊杰.检测技术与仪表（第 2 版）.武汉理工大学出版社.2009.15】张洪润 张亚凡.传感技术与应用教程.清华大学出版社。2005.16】李强 王艳松 刘学民.光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述.电力 系统保护与控制.2010.1.1 第38 卷第 1 期7】刘引.光纤传感器在电力系统中的应用.魅力中国.2009.5 第 77期