光纤传感器应用与控制设计.docx

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1、泰 山 学 院本科毕业论文光纤传感器应用与掌握设计杨大伟 2023080174专业名称电子信息科学与技术申请学士学位所属学科工科指导教师姓名、职称鲁晶年月日摘要摘 要光纤传感器测温系统在工业生产和科学争论等领域有着广泛的应用前景，特别具有智能化功能的光纤测温系统。开发一种具有显示、存储、时钟、参数输入及总线功能等功能的智能化光纤传感测温装置及系统在工程实践中具有格外重要的意义。本文就是争论以电力系统高压装置 SF6 的气体温度进展在线监测为实际应用背景，设计争论一种智能光纤传感器测温应用系统。文中首先介绍了光纤测温的 物理依据，具体论述了光纤温度测量系统中各主要组成局部的特性包括光纤的传 输特

2、性以及物理特性.依据试验条件合理的选择了光纤信号、光电池探测器、 LED 光源及其光纤祸合方式。并对温度测量所承受的光纤液体温度测量原理加以论述， 且对设计方案进展了优化分析。利用了CAN 通讯总线智能温度测量仪表，在此根底上设计了一个智能光纤传感器测温的应用系统。试验结果说明，系统的测量精度误差小十 10 OC，整个测量温度系统具有测试重复性好，结果简洁和抗干扰力量强等优点。信任该智能光纤温度传感器系统将在一些特别的温度测量领域具有宽阔的应用前景。关键词:光纤、传感器、智能化、温度测量IIIAbstractABSTRACTFiber Optic Temperature Sensor Syst

3、em have broad application prospects in the areas of industrial production and scientific research and so on, especialy having the intelligence capabilities of fiber optic temperature measurement system. It is very important to develop a kind of display, memory, clock, parameter input and bus functio

4、nal capabilities of the intelligent optical fiber temperature sensing devices and systems in engineering practice.This study is on the background of the high-voltage power system equipment SF6 gas temperature for the practical application of on-line monitoring to design an intelligent optical sensor

5、 temperature applications. The paper at first introduces the physical basis of optical fiber temperature measurement and discusses in detail the main components of the system, including the fiber transmission characteristics and physical properties. According to the experimental conditions，I reasona

6、ble choose the fiber optic signal, photovoltaic detectors, LED light source and optical coupling methods. And I discuss the fiber optic temperature measurement principle of the liquid used by temperature measurements, then I optimize the design. Using the CAN communication bus intelligent temperatur

7、e measuring instruments,on this base I design an intelligent fiber optic temperature sensor applications.It shows that the system of measurement precision of a small 10 10C, the temperature measurement system with the test re-Refolding, and the results simple and anti-jamming capability and so on. I

8、 believe that the intelligent fiber optic temperature sensorsystemwillhavepotentialapplicationsinthefieldofsomeparticular temperature measurementKey words: optical fiber, sensor, intelligent, temperature measurement名目名目1. 绪论11.1 引言11.1.1 课题的争论意义11.1.2 课题争论实际背景错误!未定义书签。1.2 光纤传感器争论现状及进展趋势21.2.1 国外光纤传感

9、器的争论现状21.3 本文的主要争论内容42 光纤传感原理及传感特性42.1 光纤传感原理及分类42,2 光纤传感器的应用63 光纤温度传感器的原理与设计73.1 光纤温度测量原理73.2 光纤液体测温的根本原理83.2.1 根本原理83.2.2 液体的温度特性93.2.3 包层折射率变化的光纤温度传感器原理103.3 光提取检测处理123.3.2 光导纤维133.3.3 光探测器133.3.4 信号检测电路143.4 本章小结15参考文献17致 谢18泰山学院本科毕业论文1.绪论1.1 引言随着信息社会的进展，传感器技术作为高信息技术，其重要作用口益显著。早在 80 年月，美国就认为世界已进

10、入传感器时代，口本将传感器技术列为十大技术之首，我国也将传感器技术列为国家“七五”、“八五”重点科技攻关工程。光纤传感器是世界上兴起的一种型传感技术，是科技工作者应用光纤通讯和集成 光学技术成就，并加以进展的结晶。光纤传感器被列入现代传感器技术进展方向 之一，并在理论和应用上投入大量的争论工作，尤其是近几年，它的进展特别迅 速，显现出巨大的开发潜力，受到一些工业先进国家政府和争论单位的高度重视。光子技术是光子学与电子学结合而成的技术，作为信息载体的光子在速度容量、 空间容量、响应速度、并行处理力量等方面具有电子所不具备的优越性。近二十 年来，以光子传输与处理技术为根底的光纤传感器应用技术渐渐成

11、为各国争论的 热点，该技术属十光子技术的争论与应用范围，是光纤、半导体器件和光通信等 技术结合进展的产物。随着社会经济和科学技术的高速进展，整个电力系统对高质量、高牢靠性的电能供给提出了越来越高的要求。逐步实现电力系统的配电自动化、电气化、智能化，以提高整个配电系统的供电牢靠性，其社会效益和经济效益都是格外明显的。但是，常规的测量方法已经不能满足电力系统的要求。光纤测量技术以其特有的性能广泛应用到电力系统中。在电力系统中，光纤技术同常规方法相比，有其独特的优越性。正是这些特性使得它在该领域具有不行替代的用途。1.1.1 课题的争论意义六氟化硫(SF6)因其良好的电气性能和稳定的化学构造被广泛应

12、用十高电 压、大容量、高参数电气设备中。随着 SF6 高压电器的口益增多及 SF封闭式组1合电器(简称 GIS)系统的广泛应用，如何正确开展 SF6 气体密度监测的工作是一个急需争论的问题。光纤 SF6 气体密度的测量是 SF6 气体密度测量的一个重要争论方向，光纤SF6 气体密度测量具有很多独特的优点。近年来，它在高压配电开关、高压配电设备、大功率变送器、高压电缆区域的安全保护等方面的应用受到广泛 的重视。本系统提出的在线监测 SF6 气体的光纤传感器及其系统，实时供给气体密度信息有着重要的理论意义与有用价值。本系统正是基十这个意义之上争论的， 由于该气体的密度与气体的压力环境温度的重要关系

13、，所以争论出一个具有智能 化的温传感器系统就显的格外的重要。1.2 光纤传感器争论现状及进展趋势1966 年英国的 K.C.Kao, G.A.Hockpam 等人首先提出了用玻璃纤维传输光信息， 奠定了光纤通讯和光纤传感技术的理论根底，引起了学术界和实业界的极大兴趣， 也推动了光纤制造工艺的争论进展;1970 年美国康宁公司的D.B.Keck,A.R.Yynes 等人领先制造了低损耗(20dB/km)石英光纤，随后光纤在光通讯等领域渐渐得到了广泛应用，同时人们渐渐意识到利用光纤的很多特性可以进展物理量的测量:70 年月中期光纤传感器一经消灭，就受到各国有关争论部门和产业界的高度重视。1.2.1

14、 国外光纤传感器的争论现状由十光纤传感器应用的广泛性及其宽阔的市场，其争论和开发在世界范围内引起了高度的重视，各兴旺国家更是竞相争论开发并引起剧烈的竞争。美国是争论光纤传感器起步最早，水平最高的国家，在军事和民用领域的应用方面，其进展都格外快速。在军事应用方面，他们争论和开发主要包括:水下探测的光纤传感器、用十航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用十核辐射检测的光纤传感器等。这些争论都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局(NASA)的有关部门负责，并得到很多大公司的资助。美国也是最早将光纤传感器用十民用领域的国家。如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应

15、力变化，检测肉类和食品的细菌和病毒等。美国的很多大学、争论单位和公司都开展了光纤传感器的争论和开发，如斯坦福大学、弗吉尼业理工大学、Babock& Wi1cox 公司、Accufl be:公司、Fidber 街 Elamies 公司、EOTcc 公司、Optical 技术公司等。据统计，1993 年以后，美国光纤传感器的销售总额每年以 30-40%的增长速度进展，到2023 年到达 100 亿美元。近期的调查结果说明，美国光纤传感器的争论开发重点己向民用领域转移，民用光纤传感器的产量已大大超过军用传感器。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的争论与开发。 口本在 80 年月便制

16、定了“光控系统应用打算”，该打算旨在将光纤传感器用十大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过 程的掌握。90 年月，由东芝、口本电气等 15 家公司和争论机构，争论开发出 12 种具有一流水平的民用光纤传感器，其中最有代表性的是波长扫描型光纤温度传 感器。它是光纤传感器网络系统，可把分散在工厂各场所的信息进展时序化处理， 并以全光方式收集。这种网络装置可连接 1000 个以上的传感器，其数据更周期在 1 湘秒以下。由十该网络系统不使用电气器件，安全防爆，特别适合十炼油厂、化工厂的各种过程掌握系统。该系统实际上是集光纤材料、光纤传感器件、计算 机网络等高技术十一体

17、，其产品在国际市场上具有宽阔进展前景。西欧各国的 大型企业和公司也乐观参与了光纤传感器的争论与开发和市场竞争，其中包括英 国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。1.2.2 国内光纤传感器的争论现状我国在o 年月末就开头了光纤传感器的争论，其起步时间与国际相差不远。目前己有上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、华中科技大学、武汉理 工大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、核工业总公司九院、电子工业部 1426 所等。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进展 了大量的争论，取得了上百项科研成果，其中相当数量的争论成果具有很高的实 用价值，有的到达世界先

18、进水平。每年发表的论文、中请的专利也不少。但与发 达国家相比，我国的争论水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面， 大多数品种仍处十试验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用。1.3 本文的主要争论内容(1) 争论了光纤温度测量系统中各主要组成局部的特性包括光纤的传输特性 ; 从理论上分析了 LED 光源、光探测器、光电池及光纤祸合器的特性，依据试验条件合理的选择了信号光纤、光电池探测器，LED 光源及其光纤祸合方式。(2) 设计了智能光纤温度传感器系统，提出了温度测量的方案，并巨对承受方案的可行性进展了分析。并对温度测量所承受的光纤液体温度测量原理加以论述， 目对承受方案为最合理方

19、案进展了论证。给出了具体的 LED 光源的驱动电路的设计。(3) 从采集的试验数据中抽取一组数据进展了处理，得出该系统消退了温度对测量系统的影响。验证了系统的精度高，实时性好和抗干扰力量强等特性。2 光纤传感原理及传感特性2.1 光纤传感原理及分类一般的光纤传感系统包括放射局部、传输局部、接收局部。放射局部把待传输的电信号转换成光信号。接收局部把光信号转换成电信号。传输局部把放射局部发出的光传送到接收局部。放射局部的光源产生光信号，它是信息的载波。接收局部的光探测器检测光信号，并将它变换为电信号形式。光纤传输线等效十一对铜导线，其作用是传输载有信息的光信号。随着光纤技术的争论与开发的不断深入，

20、光纤己从作为通信系统的传输线，进展成为测量系统中的各种传感器。但是，无论是光纤通信系统还是光纤测量系统，光源和光探测器都是不行缺少的部件。在光纤测量系统中，光源为光纤传感器供给必需的载波。被测物理量通过光纤传感器调制光载波的参数(光强、相位、偏振、频率、波长等)，然后由光探测器检测出被调制光波中的有用信号，如图 2.1 所根本光纤系统组成示。输出泰山学院本科毕业论文图 2.1 根本光纤系统组成此外，在光纤特性及其参数的测量系统中，光源和光探测器也起着重要作用。例如，在光纤色散的测量中，光源的谱宽打算材料的色散大小。在光纤衰减测量中，光源的中心波长打算光纤衰减量。因此，在光纤特性及其参数测量中，

21、要依据测量的目的，来选择不同的光源和光探测器。从广义上讲，但凡承受了光导纤维的传感器均可称为光纤传感器。其一般形式利用光纤本身的特性或外加敏感兀件，将外界待测信号的变化调制成光参数变化，并由光纤传输该信息到光电探测器，通过检测被调制的光参数的变化来检测出待测信号。假设将光看成简谐振荡的电磁波，则其电场重量可表示为因此，光可以被调制的参数有四个，即:1光强度。2相位。3)偏振态(E 矢量的方向等)。C4)频率。相应地，依据被调制的参数不同，光纤传感器可以分为四类，即强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器。目前大局部光纤传感器属十前二类。光纤传感器依

22、据光纤在传感器中起的作用不同又可分为非功能型光纤和功能型光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用外加的敏感兀件对光进展调制，而光纤仅仅作为传光之用，故又称之为传光型光纤传感器。非功能型光纤传感器对光纤要求不高，一般构造简洁，牢靠性好，现在商品化的光纤传感器大多属十非功能型的。但由十非功能型光纤传感器中，光调制在光纤外进展，故简洁产生附加损耗。在功能型光纤传感器中，光纤不仅用作传光，本身又是敏感元件。当待测信号如温度、压力、振动等作用十光纤时，会引起光纤的长度、外形、折射率等参数发生变化，从而使光纤中传输的光强度、相位、偏振态等发生变化。为了使传5泰山学院本科毕业论文感光纤对待测信号敏感而对环境参数

23、的变化不敏感，功能型光纤传感器中对所用 的光纤要求高，一般均为特别光纤。功能型光纤传感器的光调制约束在光纤内部， 一般具有高的灵敏度和区分率。大局部相位调制型光纤传感器都属十功能型光纤 传感器。2,2 光纤传感器的应用光纤传感器的应用范围很广，儿乎涉及国民经济的全部重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了很多行业多年来始终存在的技术难题，具有很大的市场需求。卞要表现在以下儿个方面:(1) 我国使用高温传感器每年要消耗儿十亿元，传统使用铅佬兹热电偶来测量高温，寿命短，本钱高，而目在工业生产中需要停产来更换热电偶，严峻影响了生产。20 世纪 80 年月美国提出访用蓝宝石

24、光纤来制备高温传感器，但价格昂贵， 只能应用于特别场合。因此，争论和开发测量精度高、性能稳定、本钱低的光纤高温传感器具有极大的市场需求。(2) 在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的十扰，无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。日前防雷抗十扰己经成为我国大坝安全监测自动化中最为棘乎的问题。光纤传感器的使用为彻底解决防雷抗十扰的问题制造了条件。尽竹光纤传感器在国内水利工程上的应用尚处于起步阶段，但由于具有其他传感器无法比较的优越性，将使其具有格外广泛的应用潜力。加拿大一公司开发的能用于水利工程的传感器己十余种目逐步系

25、列化区分率 n. i的温度传感器、精度达 0. 02 的位移计、0. 1% F. S.的压力传感器等己成功应用于水利工程。国内此方面的争论和研制也己起步。(3) 在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物,CO 等气体，承受电类传感器不但达不到要求的精度，更严峻是会引起安全事故。因此， 争论和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。(4) 在环境监测,临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境简单，影响6因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并目易受外界因素的干扰，承受光纤传感器可以具有很强的抗十扰力量和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、便利、

26、准确地检测。日前，我国水源的污染状况严峻，临床检验、食品安全检测乎段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。3 光纤温度传感器的原理与设计3.1 光纤温度测量原理现已研制成功的光纤温度传感器，传光型把光的强度(吸取、热辐射、折射率变化、散射)、波长(荧光、光致发光)、偏振面(双折射)、时间变化(荧光)等当作温度信号，而传感型则利用相位(干预)、波长(干预)、强度(散射)作温度信号。传光型与传感型相比，虽对温度检测的灵敏度较差，但调制原理与构造相对简洁，工艺成熟、性能牢靠、本钱低。但有时间路调整或光纤与温敏材料的连接、祸合困难。其中利用荧光吸取、热辐射的光纤温度传感器己到达有用水平。传

27、感型光纤温度传感器的灵敏度高，但对温度以外的压力、振动等机械量的变化很敏感，因此提高牢靠性是今后有待争论的课题。传感型光纤温度传感器是利用光纤自身所具有的物理参数随温度变化而变化的特性，光纤本身就是敏感兀件。而传光型光纤温度传感器只是利用光纤作为传输光.的信道作用，在光纤的一个端面上，配置上另外的温度敏感器件并与光纤祸合起来，构成光纤传感器。传感型光纤温度传感器是利用光纤中通过光强的变化进展测量。由十环境温度变化，光纤芯径的尺寸或折射率发生变化，因而引起光纤传输光的局部特性随温度而变化。当光在这样的光纤中传输时，其强度会受到环境温度的变化而被调制。利用这种原理制成的温度传感器虽然构造简洁，但是

28、测温效果不好。利用偏振光的偏振面方向随环境温度而变化的性质进展温度的光纤传感器，在单模光纤内，传输一束偏振光时，四周环境温度、压力的微小变化会引起偏振光的偏振间泰山学院本科毕业论文的旋转。偏振面变化能够通过光学的检偏器进展检测。承受这种方法测温，灵敏度高，但也有致命的弱点，即偏振光在光纤传输时，其偏振面方向受其它外界条件的变化的影响。应用传感型的光纤温度传感器测温。通常要受到其它外界条件的干扰。 传光型光纤温度传感器的性能，由作为温度敏感器件的性能打算。传光型光纤温度传感器可分为 :(l)使用电子敏感器件的温度传感器 ;(2)温度传感器是由温度一光反射率变换器件或温度一光透射率变换器件与光纤连

29、接，并从光纤的一个端面上取出光信号的系统构成。液晶光纤温度传感器就是在光纤一个端面上配置了液晶片，二种液晶材料以适当的比例混合，在 10 0C -45 0C 范围变化，液晶的颜色由绿色向深红色变化，光纤传感器就是利用由液晶颜色变化而产生的液晶反射率变化这一共性质制成的。通常，传光型光纤传感器使用多模光纤，由于这种光纤接收到的光信号强。半导体晶格吸取型温度传感器的构造是把半导体晶体制成面积为 1 mm2、厚度为 0.2-O.Smm 的薄片，在片子的两侧固定上光纤，用不锈钢管保护，GaAs 和 CdTe 等半导体晶体，在波长为 0.9um 四周存在一个光谱吸取端，fu 吸取端的波长具有随温度变化的

30、性质 fl_ fll 假设吸取端的温度特性与光源的光谱特性进展比较，依据所测得的光的吸取量可以测定温度。双金属型光纤温度传感器也是属十传光型温度传感器。光纤涡轮番量计也属十传光型传感器。在涡轮番量计的涡轮叶片上设置光反射装置，用一根光纤导入入射光，另一根光纤承受反射光，就组成最简洁的光纤流量传感器ao。光探测器承受旋转脉冲信号，依据脉冲信号计数就可检测出转速及流量。3.2 光纤液体测温的根本原理3.2.1 根本原理光纤由纤芯、包层和护套二局部组成。对阶跃型光纤，其纤芯折射率 ni 和包层折射率 n:均为常数， n1 n2。利用光的全反射现象使光能够在光纤中传导。光在纤芯面得以全反射的临界角假设

31、以沪表示，则。在光纤技术中，用数值孔径来表示光纤和包层界集光力量，对子午光线，其数值孔径为:8泰山学院本科毕业论文对斜光线的数值孔径为:其中:为轴倾角。由(1 (2)式可见，无论是子午光线还是斜光线，光纤集光力量的大小都与纤芯和包层的折射率有关，在肯定条件下，ni 和 n:的差异越大， 数值孔径就越大，光纤的集光力量就越强。假设将光纤包层剥掉，用以折射率随温度变化的液体光敏材料代替包层a一fsil，由纤芯和液体的折射率差来掌握光纤的损耗，从而可以转变光纤输出的光功率，这样就把光纤的输出功率与液体的温度联系起来，可由光电探测器件测量光强而到达测温的目的。这就是该温度传感器的测温的根本原理。3.2

32、.2 液体的温度特性折射率是一个重要的物理参数。它反映了物质的光学根本性质。在大学物理试验中都开谈有用不同方法和不同仪器测定物质折射率的试验。但根本人都是测物质折射率随波长的变化。在中学或大学物理教学中，学生对折射率的了解也都是侧重十折射率与波长的关系。这就使得学生对折射率这个物理参数生疏得不够全面。实际上，物质的折射率不但与它的分子构造和光线的波长有关，而且与物质的密度有关，随温度、压力等因素而变。历史上有不少科学家在理论和试验上争论过折射率与其密度的关系。牛顿就是第一位提出这两者关系的科学家。理论提出:在物质的原子组成肯定时，折射率随物质密度而变化。争论说明，大气压的变化，对物质的密度影响

33、甚微，而温度的变化对物质的密度，特别是对液体的密度有较明显的影响，其缘由是:温度转变引起液体分子间势能和分子间距的转变，因而使密度发生了变化。为了获得对折射率更全面的了解.我们通过查阅文献知道液体有机化合物折射率随温度变化的状况。如图 3.1 液体折射率随温度变化的曲线所示是液体折射率随温度变化的曲线。9泰山学院本科毕业论文图 3.1 液体折射率随温度变化的曲线由图 3.1 知液体温敏材料具有负温度系数，即其折射率随温度的上升而下降，并且该变化是线性的。不同的液体随温度变化的速度也不一样，也就是灵敏度不同。液体折射率随温度变化的关系可归纳如下阅历公式:其中为温度系数， 为所用液体在 t时的折射

34、率。与所选的材料有关。依据大量的争论资料说明，对十大多数液体有机化合物，温度每上升一度，折射率减小。但也有某些液体的。不在此范围内。另外，某些液体在沸点四周的温度区域内，其温度系数较大。因此，在利用液体作为光纤温度传感器的温敏材料时，肯定要考虑该种液体的沸点温度。本试验承受机油。3.2.3 包层折射率变化的光纤温度传感器原理我们按图 3.2 的试验装置对液体温敏材料的折射率温度特性进展了争论。如图 3.3试验装置电路示意图所示是由该试验装置所得的曲线，整条曲线可以分为 AB, BC,CD 二局部，对此，不难用前述原理进展说明。温敏介质折射率。光纤纤芯折射率 n1 和包层折射率 n2 随温度随温

35、度变化，10泰山学院本科毕业论文变化相对、的变化可以无视，并巨包层折射率n2 随温度变化也是线性的。对十这段温敏介质而言，光在纤芯与温敏材料界面的全反射临界角用 表示，则。对应的数值孔径为。AB 段对应是，光在温敏区不满足全反射条件，有局部光溢出纤芯外，随着温度变化，输出功率缓慢变化;当温度到达 B 点时，输出光功率达最小值;在 BC 段，即，纤芯和包层两介质的光学界面消逝，输出光功率随温度上升单调增大，很明显原光纤中在内传输的光在温敏区不能满足全反射条件，而被损耗掉一局部，随着温度的上升，温敏材料的折射率 减小，数值孔径变大，即光纤的集光力量变大，损耗减小。从另一角度看，光线全反射的临界角度

36、变小，有更多的光线满足全反射条件，而被传输出去，所以，输出光功率随温度上升单调增大，根本是线性变化的;连续上升温度，使，则原光纤中满足全反射条件， 光能无损耗地输出(无视材料的吸取、散射等)，这时输出功率开头趋向饱和。 这时对应 CD 段。所以不同的温度对应十不同的输出光强，依据实际的环境要求11泰山学院本科毕业论文选择适宜的液体与工作区域。本传感器的工作区域选在上。3.3 光提取检测处理本小节设计了发光二极管驱动电路的设计，分析了光导纤维光探测器以及信号检测电路.3.3.1 发光二极管驱动电路的设计系统的输出与光源辐射功率是亲热相关的。假设光源本身放射的光功率不稳定，则直接会给检测带来误差。

37、因此，稳定光源的光功率是格外必要的。一般光源放射光功率的大小都与驱动光源的电压或者电流有关。因此，要使光源稳定，首先必需有一个稳定的光源驱动电路。例如，半导体发光二极管 LED 的放射光功率在肯定范围内几乎与驱动电流成正比。因此，要使LED 的放射光功率稳定，宜承受恒流驱动电路。图 3.4 示出了 LED 的恒流驱动电路。依据运算放大器的性能 。因此，流过 LED 的驱动电流所以，只要保证 恒定，则就能到达恒流驱动的目的。通常， 可由稳定的基准稳压管供给。调整电阻Ra 的值，就可以调整电路的驱动电流。恒流可以改善LED 光源的稳定性。但即使驱动电流恒定时，温度变化也将引起LED 放射功率的12

38、泰山学院本科毕业论文变化。承受数据融合的技术可以消退温度对 LED 放射功率的影响。3.3.2 光导纤维塑料光纤是以光学塑料为材料的光导纤维。某些高分子聚合物有类似十玻璃的透亮度，并且也能加热软化。但要作为光纤芯材料，还必需满足折射率较高、光学性能均匀、有良好的力学性能和热稳定等条件。因此，真正能用十制造光纤的塑料为数不多，目前只有聚苯乙烯、聚甲基丙稀酸脂、聚碳酸脂、非结晶树脂、硅树脂等。塑料光纤与玻璃光纤相比，有很多突出的优点，如韧性好、耐冲击、重量轻、制作工艺简洁、价格低等。但其缺点耐热性能差，一般只能在 40-80 的温度范围内使用，只有少数塑料光纤的使用温度可达 200。此外，抗化学腐

39、蚀和外表耐磨性比玻璃差，易破损，易老化。塑料光纤的光纤芯直径一般较大，可达 0.1 -2mm 左右，并且数值孔径也可较大，因此，与光源祸合简洁，合效率高。但由十在制造中很难保证光学均匀性损耗较玻璃光纤要大，一般为几百个分贝每千米。由十塑料光纤具有以上的特点，在光纤广泛的应用中可以用它来补偿玻璃光 纤的缺乏。由十它能传输的光通量较大，很适宜用十短距离的照明或监测方面的 传光，只要使用环境允许，在短距离传光方面，塑料光纤甚至比玻璃光纤更优越。因此，本系统承受塑料光纤，其纤芯折射率为 1.497，数值孔径为 0.5。将光纤的包层剥掉，然后将暴露光纤浸入液体温敏材料。暴露光纤的长度对折射率温度特 性也

40、有影响。我们选用了变折射率区从几个毫米到二十几个毫米不等的光纤做实 验，最终选择暴露光纤的长度为十五毫米。3.3.3 光探测器光探测器是光路和电路的连接点，它完成光电转换的功能。由十它供给前置放大器的输入信号，因此它的性能和抗干扰力量对检测信号的影响格外明显。本系统承受型号为 2CR21 的硅光电池，它的主要技术指标如表 3.1:13泰山学院本科毕业论文3.3.4 信号检测电路光电池作为一个简便易行的光电转换兀件已被广泛应用十光强测量方面， 测量时要求输出光电流与入射光强成正比关系。当光电池输出端短路时，在光通量不太大的状况下，光电流与光通量成正比，处十线性区域;光通量较大时，光电流由十载流子

41、复合几率增大而有趋十饱和的现象，光电流与光通量呈非线性关系。另外，线性范围的大小还取决十测量线路的阻值。外阻为零时，可以得到最大的线性范围。州沮的增大使光电池的输出端电压增加，从而使线性范围缩小。因此，测量电路承受零伏偏置电路作为前置放大器。检测电路分析如下。光纤传感器有两路光信号:一路是与压力有关的信号光，另一路是与压力无关的参考光。这两路信号分别由硅光电池转换成与之相应的微电流信号。由十光电流很小，必需有微电流放大器加以转换放大，如图 3.5 所示。14泰山学院本科毕业论文对微电流放大器来说，第一级运放要求很高。由十变换电路的输入电流很小， 为保证互 I-U 变换精度，其电路必需具有足够高

42、的输入阻抗，在电路中我们承受AD-OP07 运放。AD-OP07 运放承受超 p 工艺和齐纳微调技术，因此具有偏置电小失调电流小、失调电压小、漂移小、开环电阻大等优点，符合 I-U 转换电路要求。Cl. C2. C3. C4 的作用是相位超前校正，抵消了分布电容所引起的相位滞后。但适当减小 Cl. C2. C3. C4，可提高放大器的频率响应。两路信号输出到 AD-OP07 的两端构成差动运放。差动输入电阻和共模输入电阻都很大，转变了一般差动运放输入电阻小的特点，同时电路的平衡对称构造，使两只放大器的共模增益失调及其漂移所产生的误差相互抵消。在差动放大器电路中，共模信号都是以 1 比 1 大小

43、传输到输出端，这样就消退了输出信号中的共模信号。该组合后的电路具有输入阻抗高、增益调整便利、漂移能相互补偿、输出信号中不含共模信号等优点。3.4 本章小结在明确了设计要求和系统性能后，设计出了系统光路、光源驱动电路、信号处理等二大局部的电路。在系统光路中，选择了适合本系统光源、光探测器:在光源驱动电路中，设计了光源的稳定电路:在信号处理中，设计了信号检测电路。15泰山学院本科毕业论文本系统具有组合后的电路具有输入阻抗高、增益调整便利、漂移能相互补偿、输出信号中不含共模信号等优点。16参考文献1 李景镇光学手册M西安：陕西科学技术出版社，1986，130313082 任广军，李国华偏光器件的矩阵

44、争论J光学技术，2023，29(5)：5785803 王宁，李国华利用 1/4 波片调整左、右旋偏振光的理论争论J光学技术2023，27(5)： 4304344 曹念文，刘文清用 1/4 波片产生右旋、左旋圆偏振光J光电子技术与信息，1998， 11(1)：8125 杨述武，王定兴一般物理试验光学局部 M北京：高等教育出版社， 1993，1501526 孔伟金，吴福全，王古明石英 1/4 波片旋光特性争论J激光技术，2023，27(4)： 3773797 刘云安，李国华，彭捍东波片组合在调整偏振态势中的应用与分析J激光技术，2023， 31(4)：3913938 黄华惠光学矩阵方法与傅立叶方法

45、M上海：同济大学出版社，1991，459 M波恩，E沃耳夫光学原理(其次版)M 北京：科学出版社，1985，404610 罗湘南，唐建锋利用 Jones 矩阵争论四分之一波片对偏振光的作用J衡阳师范学院学报，2023，28(3)：596111 母国光光学M北京：人民教育出版社，1978，46146812 姚启钧光学教程M北京：高等教育出版社，1989，304349.13 赵凯华钟锡华光学(下册)M北京：北京教育出版社，1984，20220514 廖廷彪物理光学M北京：北京电子工业出版社，1986，21221715 竺庆春，陈时胜译矩阵光学导论M上海：上海科学文献出版社，1991，194195致

46、 谢值此论文完成之际，回忆四年的求学经受，感觉在学习上和生活上都有很大的收获。这其中有自己的奋斗和拼搏，但更要归功于教师、同学、家人和朋友的鼓舞。我首先要感谢我的论文指导教师鲁晶女士，在我写作论文期间，教师给了我悉心的指导和帮助，使我能够按时，高质量的完成论文。另外王蒙教师的严谨治学的教学态度和平易近人的优秀品质也始终深深感染着我并将使我受益终生。同时我也要感谢我的同学，你们曾赐予我关心、理解与支持，我将牢记在心。在此向你们表示深的谢意。最终，我要特别感谢我的家人和朋友，由于有了他们多年来一如既往的关爱、支持和鼓舞，才能使我不断的成长和进步，在前进的道路上始终微笑面对，战胜 自我。向全部赐予过我帮助和支持的人们表示诚意的感谢！在写作过程中，参考和引用了一些文献，本文的顺当完成离不开这些作者的开创性工作，在此