【正文】 171。傳感器原理與應(yīng)用187。 課程設(shè)計《傳感器原理與應(yīng)用》課 程 設(shè) 計（2008級）項目名稱 光纖溫度傳感器的設(shè)計小組成員 李 翔 200803011015李 斌 200803011016王 搏 200803011008指導(dǎo)教師 羅武勝 魯 琴 機(jī)電工程與自動化學(xué)院《測控技術(shù)與儀器》專業(yè)目錄摘 要 iiiAbstract v第1章 緒論 1 1 1 1 2 3 3 4第2章 光纖溫度傳感的理論基礎(chǔ) 5 5 6 6 拉曼散射的基本原理 6 7 受激拉曼散射 9 本章小結(jié) 10第3章 光纖測溫系統(tǒng)的組成 11 光纖測溫系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu) 11 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及作用過程 11 12 13 光纖溫度傳感系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)的影響因素 14 溫度分辨率 15 16 17 18 18 硬件各部分的具體實現(xiàn) 19 19 分光器 19 19 22 電腦 23 軟件的實現(xiàn) 23 Delphi簡介 23 測溫系統(tǒng)軟件部分 24 顯示子模塊 27 整體調(diào)試 28 系統(tǒng)調(diào)試和標(biāo)定 28 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 30 本章小結(jié) 30第4章 光纖溫度傳感器的應(yīng)用 31 光纖溫度傳感器在電力設(shè)備中的應(yīng)用 31 影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題研究 33 系統(tǒng)誤差分析 33 本章小結(jié) 33結(jié) 論 34參考文獻(xiàn) 35摘 要分布式光纖溫度傳感器則是重要的利用光纖進(jìn)行測量的溫度傳感器。其原理是基于光纖中的后向散射現(xiàn)象和光時域反射的理論，使它能夠在整條光纖的長度上，以距離為主要的連續(xù)函數(shù)的形式來測量光纖上各點溫度值。本文從理論到實際應(yīng)用，在以下四個方面進(jìn)行了研究和試驗：首先，論述了分布式光纖溫度傳感器目前在國內(nèi)外研究的狀況。立足于國內(nèi)外現(xiàn)有的元器件和制造工藝，通過對多種可行技術(shù)方案的比較、分析，在光纖光柵傳感器以及各種分布式傳感器中，確定了基于自發(fā)拉曼散射中斯托克斯與反斯托克斯光強(qiáng)做對比的方式，來進(jìn)行光纖溫度檢測的方案。其次，通過對實際中的反斯托克斯光和物理溫度相關(guān)的特性進(jìn)行分析，并結(jié)合光時域反射技術(shù)，確定了由自發(fā)拉曼散射和受激拉曼散射產(chǎn)生的定量描述，為本系統(tǒng)中的分布式的光纖溫度傳感器的合理應(yīng)用做出了理論依據(jù)。再次，設(shè)計了系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)?？紤]到拉曼散射信號光功率、環(huán)境溫度、亮電流與暗電流以及熱噪聲等多種因素，并結(jié)合工作穩(wěn)定性、溫度靈敏度、系統(tǒng)信噪比等幾個方面的綜合要求，對系統(tǒng)中各個部件的型號確定下來，使各個部分更好的銜接起來。最后，設(shè)計了系統(tǒng)軟件，能實現(xiàn)溫度的檢測和一些系統(tǒng)的設(shè)置，并結(jié)合現(xiàn)場測量實際要求，完成了測量中一些問題的分析和解決，達(dá)到了良好的使用效果。關(guān)鍵詞： 光纖傳感器；分布式；測溫；拉曼散射；系統(tǒng)硬件；系統(tǒng)軟件AbstractDistributed optic fiber temperature sensor is important to use light to measure the temperature sensors．The principle is based on optical fiber in the backward scattering phenomena and the theory of optical time domain reflect meter，it can in the entire length to the distance as the primary form of continuous function to measure the fiber temperature at various points．The article researches and tests in the following four aspects from theory to practical application：First，it demonstrates the current researches on distributed optical fiber temperature sensor at home and abroad．This research is based on the existing domestic and foreign ponents and manufacturing processes．Through a variety of parison and analysis of the possible technical solutions，it determines the way to detect the optical fiber temperature by contrasting the light intensity between spontaneous Raman scattering and Antistokes among the fiber Bragg grating sensors and a variety of distributed sensors．Second，through the analysis on the relation between Antistokes light and thetemperature in practice，and bining with optical time domain reflectometry techniques，the research established the quantitative description of the spontaneous Raman scattering and stimulated Raman scattering，thus providing a theoretical foundation for appropriate application of the distributed fiberoptic temperature sensor in the system．Third，it designed the overall structure of the system hardware．Taking intoaccount the Raman scattering signal optical power, ambient temperature，light current and dark current and thermal noise and other factors，and bining with the prehensive requirements on working stability, temperature sensitivity, SNR，and several other aspects， this research determines the model of various ponents of the system，thus making the various parts of the link up better．Last，it designed the system software，and is able to achieve the temperature detection and system settings，and it analyzed and solved a number of problems in measurement when bined with the field measurement requirements，and it has achieved good effects.第36頁第1章 緒 論在光通信系統(tǒng)中，光纖是用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號的媒質(zhì)。在實際光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素的影響；如溫度、壓力和機(jī)械擾動等環(huán)境條件的變化引起光波量，如發(fā)光強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測出光波量的變化，就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的物理量的大小，于是出現(xiàn)了光纖傳感技術(shù)。光纖是利用光的全反射原理來引導(dǎo)光波的，如圖所示為光纖結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)光波在光纖中傳輸時，表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)，會由于被測參量(溫度、壓力、加速度、電場、磁場等)對光纖的作用而發(fā)生變化，從而引起光波的強(qiáng)度、干涉效應(yīng)、偏振面發(fā)生變化，使光波成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光探測器和解調(diào)器從而獲得被測參量的參數(shù)。光纖傳感器可以按傳感原理分為兩類，一類稱為功能型傳感器，它的光纖對被測信號兼有敏感和傳輸?shù)淖饔?，即它具有傳與感合一的特點。另一類稱為非功能型傳感器，它的光纖僅起傳輸?shù)淖饔?，而對被測信號的感覺則是利用其他光學(xué)敏感元件來完成的。光纖傳感器還可以按光波在光纖中被調(diào)制的原理分為：光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等幾種形式。下面介紹這幾種光纖傳感器的應(yīng)用原理及其基本特點。在光纖中傳輸?shù)膯紊獠捎萌缦滦问降姆匠瘫硎? E=E0cos(wt+φ)式中，E0是光波的振幅：w是角頻率；為初相角。該式包含五個參數(shù)，即強(qiáng)度E0頻率w、波長、相位（wt+）和偏振態(tài)。光纖傳感器的工作原理就是用被測量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對已知調(diào)制的光信號進(jìn)行檢測，從而得到被測量。當(dāng)被測物理量作用于光纖傳感頭內(nèi)傳輸?shù)墓獠〞r，使的強(qiáng)度發(fā)生變化，就稱為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器；當(dāng)作用的結(jié)果使傳輸光的波長、相位或偏振態(tài)發(fā)生變化時，就相應(yīng)的稱為波長、相位或偏振調(diào)制型光纖傳感器。這是一種利用被測量的變化引起光纖中的光強(qiáng)發(fā)生變化的光纖傳感器。能夠引起光纖中光強(qiáng)發(fā)生變化的因素有；改變光纖的微彎狀態(tài)，改變光纖對光波的吸收特性，改變光纖包層的折射率。下面分別討論利用以上三個因素制成的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的應(yīng)用原理。①改變光纖的微彎狀態(tài) 利用微彎效應(yīng)制成的光纖位移傳感器的原理如圖。它是利用多模光纖在受到彎曲時，一部分芯模能量會轉(zhuǎn)化為包層模式能量這一原理，通過測包層模式能量的變化來測量位移。例如：利用這一原理制成的光纖報警器，其基本原理是光纖呈彎曲狀織于地毯中，當(dāng)有人站在地毯上時，地毯彎曲狀加劇，引起光纖光強(qiáng)變化，產(chǎn)生報警信號。研制這類傳感器的關(guān)鍵在于確定變形器的最佳結(jié)構(gòu)，最佳結(jié)構(gòu)一般通過實驗確定。②改變光纖對光波的吸收特性X射線和Y射線會使光纖材料的吸收損耗增加，從而使光纖輸出功率減小。利用這一原理可以制成光纖輻射傳感器，用于核電站大范圍的監(jiān)測。與此類似的還有光纖紫外光傳感器。紫外光照射會使光纖激發(fā)熒光，由熒光強(qiáng)弱探測紫外光強(qiáng)。這一類傳感器的關(guān)鍵是要制作特殊光纖。③改變光纖包層的折射率 圖示是一種全內(nèi)反射光纖傳感器原理圖。它的光纖端面的角度被磨成恰好等于臨界角。從纖芯輸入的光將從端面全反射，經(jīng)反射鏡再沿原路返回輸出。當(dāng)被測參量(折射率、濃度、溫度等)發(fā)生變化時，光纖端面包層的折射率發(fā)生變化，全反射的條件被破壞，因而輸出光強(qiáng)下降。由此原理可制成光纖液體濃度傳感器，光纖折射率計等。這類傳感器的基本原理是利用被測參量對光學(xué)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、傳感常數(shù)或光強(qiáng)發(fā)生變化，從而使光的相位隨被測參量而變，然后用干涉儀進(jìn)行解調(diào)，即可得到被測參量的信息。用以上原理制成的光纖干涉儀可測量地震波、水壓(包括水聲)、溫度、加速度、電流、磁場等，并可檢測液體、氣體的成分。這類光纖傳感器的靈敏度很高，傳感對象廣泛(只要能對干涉儀中的光程產(chǎn)生影響均可以傳感)，但是需要特種光纖。這主要是針對光纖干涉儀中為獲得干涉效應(yīng)要采用單模光纖，最好采用“雙折射率”單模光纖，并且為了使光纖干涉儀對被測物理量進(jìn)行“增敏”，對非被測物理量進(jìn)行“去敏”，需對單模光纖進(jìn)行特殊處理，以滿足測量不同物理量的要求。圖示是Michelson光纖干涉儀，它利用一個光纖定向耦合器構(gòu)成雙光束干涉儀，兩光纖之一為參考臂，另一為傳感臂。被測參量的變化可直接引起干涉儀中傳感臂光纖的長度L(對應(yīng)于光纖的彈性變形)和折射率發(fā)生變化，從而引起光纖中光波相位的變化。若把磁致伸縮材料或壓電材料固定在傳感臂上，則可利用它們對光纖引起的壓力變化來測量弱磁場或弱電場。若在傳感臂上鍍上金屬薄膜，則可利用電流的熱效應(yīng)來測量電流。被測參量可使光纖中光波的偏振態(tài)發(fā)生變化，檢測該種變化的光纖傳感器稱為偏振態(tài)調(diào)制型。最典型的是測量大電流用的光纖電流傳感器?；驹硎抢霉饫w材料的法拉第效應(yīng)，即光纖處于磁場中，磁場使光纖中光波的偏振面旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角216。與磁場強(qiáng)度H、磁場中光纖的長度L滿足：216。=KHL，K為光纖材料系數(shù)。由長直載流導(dǎo)線在周圍空間產(chǎn)生的磁場H=I/2R(R是光纖與載流導(dǎo)線間的垂直距離)，則216。=KLI/2只要測出216。，L，R即可求出導(dǎo)線中的電流。圖示為其原理圖。這種測電流的方法測量范圍大、靈敏度高、與高壓線無接觸，使輸入輸出端實現(xiàn)了電絕緣。但是目前實際測量還存在一些問題，主要是受外界溫度、壓力變化等影響，光纖本身會產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，從而引起測量誤差。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點是：（1） 抗電磁干擾，電絕緣；本質(zhì)安全（2） 靈敏度高（3） 重量輕，體積小，外形可變（4） 測量對象廣泛（5） 對被測介質(zhì)影響?。?） 可以進(jìn)行連續(xù)分布測量，便于復(fù)用，便于