光纤温度传感器课件.ppt

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1、关于光纤温度传感器关于光纤温度传感器现在学习的是第1页，共18页强度调制型光纤温度传感器原理强度调制型光纤温度传感器原理总长度为J J。，有。，有N N个刻纹段的刻纹光纤个刻纹段的刻纹光纤(如图如图1)受轴向应变受轴向应变力拉伸时，刻纹光纤中传输的光信号输出力拉伸时，刻纹光纤中传输的光信号输出功率功率P P对轴方向的应变相当敏感，很容易测量出光信对轴方向的应变相当敏感，很容易测量出光信号输出功率减少，其原因是由于刻纹段光纤被拉仲时号输出功率减少，其原因是由于刻纹段光纤被拉仲时纤芯折射率n ncoco，。及纤芯半径，。及纤芯半径a变化的结果变化的结果2,32,3，且，且纹段与未刻纹段将发生大小不

2、同的应变。具有纹段与未刻纹段将发生大小不同的应变。具有N N个刻个刻纹段光纤的输出功率_P_P与其轴向应变的关系为22 现在学习的是第2页，共18页式式(2)中：plLplL和p12p12为各向同性物质的弹光系数；口为为各向同性物质的弹光系数；口为泊松比；b b。和。和b b。为刻纹段和未刻纹段包半径；。为刻纹段和未刻纹段包半径；L L。为每个刻纹段的长度。现在学习的是第3页，共18页 对石英光纤对石英光纤n n毛毛(p112apl2)+1(p112apl2)+1的数值约为的数值约为 1 10606，1 1。可见，。可见，GG的数值由刻纹光纤的几何结构参数决的数值由刻纹光纤的几何结构参数决 定

3、：刻纹段数目定：刻纹段数目N N越多、刻纹段长度越多、刻纹段长度L L。越短，刻纹深度。越短，刻纹深度 越深越深(即即6 6。6 6。的数值越小。的数值越小)，则，则GG的数值越大。的数值越大。实验结果表明实验结果表明“：刻纹光纤中输出的光功率：刻纹光纤中输出的光功率P P虽虽 然对轴方向的应变相当敏感，但其对环境温度变化然对轴方向的应变相当敏感，但其对环境温度变化 的响应很小，数量级的响应很小，数量级I dP IPdt=10-6I dP IPdt=10-6，所以刻纹，所以刻纹 光纤不适于直接用于温度传感器。这样，在研究传感器光纤不适于直接用于温度传感器。这样，在研究传感器 性能时，完全可以不

4、考虑由于环境温度的变化而引起性能时，完全可以不考虑由于环境温度的变化而引起 的光纤纤芯折射率的光纤纤芯折射率”。及纤芯半径。及纤芯半径a a的变化。的变化。现在学习的是第4页，共18页 但如果给刻纹光纤敷上金属膜层后，情况就不同了。当外界但如果给刻纹光纤敷上金属膜层后，情况就不同了。当外界环境温度发生变化时，由敷在刻纹光纤外表面上的金属敷层环境温度发生变化时，由敷在刻纹光纤外表面上的金属敷层将随环境温度的变化而热胀冷缩，使光纤同时产生一个沿光将随环境温度的变化而热胀冷缩，使光纤同时产生一个沿光纤轴方向的托伸应变从而引起光纤内传输的光信号变化，这纤轴方向的托伸应变从而引起光纤内传输的光信号变化，

5、这种变化将导光纤输出光功率种变化将导光纤输出光功率P发生改变。发生改变。假设温度为假设温度为0 0时，金属敷层光纤段时，金属敷层光纤段 假设温度为假设温度为0 0时，金属敷层光纤段的长度为时，金属敷层光纤段的长度为L L。，。，而而L L是湿度为是湿度为 时金属敷层光纤段的长度，时金属敷层光纤段的长度，a为敷 层金属的线胀系数。则：层金属的线胀系数。则：现在学习的是第5页，共18页式中：P P。为初始温度。时光纤巾输出的光功率数值。为初始温度。时光纤巾输出的光功率数值。由式由式(4)(4)可知：当温度可知：当温度t t增加时，光纤输出的光信号功增加时，光纤输出的光信号功率率P P将减小，将减小

6、，GG的数值越大，敷层金属材料的线胀系数a a越大，光功率P将减小得越快。这样通测量将减小得越快。这样通测量输出信号光功率输出信号光功率P P的变化就可得到温度的变化。的变化就可得到温度的变化。现在学习的是第6页，共18页 光纤温度传感器的制备传感器的制备包括如下过程：根据划纹光r的结构参数，在玻璃板i做成掩膜，通过旋转光纤使除去塑料套层后的光纤段(长度为j。)涂卜一层光刻胶，再将其放入烘箱中烘烤以增加胶膜与裸光纤的粘附，温度般在75左右，时间为10-20rain然后将经过：述处理过的光纤放在紫外光下进行曝光，再将其浸八丙酮巾。由十未被感光的部分能破丙酮溶解，被感光的部分就被保留下来用作腐蚀时

7、的保护膜。现在学习的是第7页，共18页显影后，再把光纤放入烘箱中烘烤，这样使留下来的胶膜较牢固地粘附在光纤上，同时也可增加胶膜本身的抗腐蚀能力至此待刻纹部分的图案就清晰地呈现在光纤上。使用氢氟酸作为腐蚀溶液，待光纤腐蚀到所需的半径 时，从溶液中取出，放在浓硫酸中，除去已刻纹的光钎外层，然后用去离子水洗净。最后，在真空镀膜机 巾对刻纹段光纤镀上金属膜层。现在学习的是第8页，共18页结构参数和金属材料种类对传感器输出光功率结构参数和金属材料种类对传感器输出光功率结构参数和金属材料种类对传感器输出光功率结构参数和金属材料种类对传感器输出光功率P P的影响的影响的影响的影响实验中对不同结构参数和不同金

8、属敷层材料的传感器的温度响应进行了测试，如图实验中对不同结构参数和不同金属敷层材料的传感器的温度响应进行了测试，如图2 2所所 结果表明：传感器具有很好的温度响应。其输出光功率随温度结果表明：传感器具有很好的温度响应。其输出光功率随温度t t增增加而减小。对于不同传感器，具有不同的温度响应特性：加而减小。对于不同传感器，具有不同的温度响应特性：N N越大、越大、L L越短、刻纹深度越深越短、刻纹深度越深 (即即6 6。6 6。的数值越小。的数值越小)、金属敷层材料线胀系数、金属敷层材料线胀系数a a的数值越的数值越 大，随温度大，随温度f f的增加输出光功率减小得越快的增加输出光功率减小得越快

9、 现在学习的是第9页，共18页 结构参数和金属材料种类对传感器灵敏度 在理论上，刻纹光纤温度传感器灵敏度与传感器本身的结构参数、敷层材料的种类以及温度f有关。对于任一传感器，其灵敏度虽然随温度z增加而减小，但减小的幅度却相当小。这主要是由于金属敷层材料银和铝的线胀系数a的数量级为10。5，所以在几百c温度测量范围内，灵敏度随温度的变化是很小的，可近似地认勾灵敏度不变，所以实验时测量传感器在初始温度“时的灵敏度即可。因此可认为：敷层刻纹光纤温度传感器灵敏度H与传感器本身的结构参数和敷层材料的种类有关，与温度f几乎无关。即：现在学习的是第10页，共18页通过对具有不同结构参数和不同金属材料种类的传

10、感器的温度响应灵敏度研究发现：传感器具有很高的灵敏度dP lPdt其值可达100数量级和刻纹光纤未镀金属敷层时相比，数值上大了3个数量级“I。对于不同结构参数的传感器，具有不同的温度响应灵敏度：N越大、L。越短，刻纹深度越深(即6。6。的数值越小)，灵敏度将越高；同时，如果选择线胀系数n数值大的金属作为敷层材料，那么传感器将具有更高的灵敏度。如表1所示。现在学习的是第11页，共18页微型微型FP腔干涉强度调制型光纤温度传感器腔干涉强度调制型光纤温度传感器 现在学习的是第12页，共18页基本工作原理为：1)由于构成由于构成F-PF-P腔传感头的光纤与毛细管的热膨胀系数不同，传感头感受到的温度与F

11、P腔的空隙长度腔的空隙长度d d有一定的对应关系。如果温度的改变使得有一定的对应关系。如果温度的改变使得d的变化范围在多光束干涉强度变化的一个极大值和极小的变化范围在多光束干涉强度变化的一个极大值和极小值之间，则温度与干涉强度之间有一一对应关系。值之间，则温度与干涉强度之间有一一对应关系。2)2)利利用两束不同干涉特性的光在传感头温度改变时的不同响应特用两束不同干涉特性的光在传感头温度改变时的不同响应特性和相似的传输特性，进行自补偿运算，消除光纤传输损耗性和相似的传输特性，进行自补偿运算，消除光纤传输损耗和光源功率变化对温度测量的影响。由图和光源功率变化对温度测量的影响。由图1 1可以看出，可

12、以看出，传感信号来自于传感信号来自于FPFP腔多光束干涉的反射光，由于入射光腔多光束干涉的反射光，由于入射光石英玻璃光纤端面上的菲涅耳反射率仅为石英玻璃光纤端面上的菲涅耳反射率仅为 35，可以将多光束干涉近似为双光束干涉，可以将多光束干涉近似为双光束干涉55，如图，如图2 2所示，对于光功率为j。一P(A)P(A)的入射光，由的入射光，由FF P P腔反射回的光强J J，为，为现在学习的是第13页，共18页 其中84积dA，为产生干涉的相邻光束的相位差，d为FP腔长度，取空气折射率卵一1，R为光纤端面的反射率；L为耦合器C。到传感头的光纤长度，口(A)为光纤的损耗系数；M。，为耦合器C。由入射

13、端1到出射端1的分光比，在光源光谱范围内，可认为耦合器的分光比与波长无关。发光二极管发光属于自发辐射，光谱的线型近似于高斯型，其输出光功率按频率分布可表示为现在学习的是第14页，共18页现在学习的是第15页，共18页这是一种反射式的探头，紫外光经输入光纤照射到前方的荧光粉上，荧光粉受激激发的可见光光谱的某些谱线的强度会随着荧光粉所处温度的变化而变化!，因此，只要测出某条发射光光谱谱线强度的变化就可以相应的定出荧光粉所处温度的变化，而此温度就是待测温度。现在学习的是第16页，共18页现在学习的是第17页，共18页感感谢谢大大家家观观看看2022/9/262022/9/26现在学习的是第18页，共18页