光纤温度传感器-毕业论文.docx

摘要本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程起先具体分析国内外主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较了不同方法的温度测量范围和性能指标以及各自的优缺点。通过探讨发觉了当前的光纤温度传感器的种类和特点，具体介绍了光纤温度传感涔的原理，种类和各自的特点和优缺点。可以依据这些传感器各自特点聘各种传感器应用到不同的领域，本文也简要分析了各种光纤温度传感器的运用范围和领域。本文还通过图文并茂的方式比较具体地分析/介绍/空调器的基本结构，工作电气原理和基本的热力学过程。本文对毕业设计主要内容和拟采纳的探讨方案也做出了具体地介绍分析。关催词，光纤，光纤传感器，光纤温度传感冷，运用领域，空调器，空调器原理Abstract1引言：光纤温度传感冷是一种新型的温度传感器.它具仃抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重址轻等优点，其中几种主要的光纤温度传感器：分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感涔更有着自己独特的优点。与传统的传感曙相比具有一下优点:灵敏度高:是无源罂件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压,耐腐蚀，在易燃、易爆环境下平安牢靠:频带宽，动态范围大：几何形态具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相协作，实现远距离测域和限制；体枳小，啦量轻等。它将在航空航天、远程限制、化学、生物化学、医疗、平安保险、电力工业等特殊环境下测温有着广袤的应用前景。在本论文中将具体分析当前光纤温度传感器的主变种类和各自的原理，特点和应用范围。2论文要求：(1)具体分析国内外主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较不同方法的温度测量范围和性能指标。(2)驾驭空调器的工作电气原理和基本的热力学过程。3毕业论文综述：70年头中期，人们起先意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的干脆交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。1977年，美国海军探讨所起先执行光纤传感器系统安排，这被认为是光纤传感器问世的日子.从这以后，光纤传感器在全世界的很多试验室里出现.从70年头中期到80年头中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。从目前的状况看，己有些形成产品投入市场,但大量的是处在试5室探讨阶段“光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点：灵敏度高；是无源滞件，对被测对级不产生影响;光纤耐右压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境卜平安牢罪;频带宽，动态范围大;几何形态具有多方面的适应性；可以与光纤遥测技术相协作，实现远距离测量和限制;体积小,重量轻等，目前，世界各国都时光纤传感器绽开了广泛，深化的探讨，几个探讨工作开展早的国家状况如下：美国对光纤传感器探讨共有六个方面:这些项目分别是：光纤传感系统;现代数字光纤限制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控;民用探讨安排。以上安排仅在1983年就投资12T4亿美元。美国从事光纤传感器探讨的有美国海军探讨所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福高校等28个主要单位。美国光纤传感器起先研制最早，投资最大，己有很多成果申请了专利。英国政府特殊是贸易工业部特别重视光纤传建器技术，早在1982年有该部为首成立了英国光纤传感器合作协会，到1985年为止，共有26个成员，其中包括中心电器探讨所、De1.ta限制公司、帝国化学工业公司、英国煤气公司、Tuy1.or仪器公司、标准电信探讨所及几所主要高校。铿国的光纤陀螺的探讨规模和水平仅次与美国居世界其次位，西门子公司在1980年就制成了高压光纤电流互感器的试验样机。日本制定了1979-1986年“光应用安排限制系统”的七年规划，投资达70亿美金。有松下、三菱、东京i校等24家间名的公司和高校从事光纤传感器探讨。从1980年7月到1983年6月，申请光纤传感器的专利464件,涉及11个领域。生要应用于大型工厂，以解决强电磁干扰和易燃、易爆等恶劣环境中信息测砥、传输和生产全过程的限制问题。我国光纤传感器的探讨工作于80年头初起先，在“七五”规划中提出15项光纤传感器项目，其中有光纤放射线探测仪、光纤温度传感器及温度测量系统、光纤陀螺、光纤磁场传感器、光纤电流、电压传感器、医用光纤传感器、分析用传感器、集成光学传感器等.预料“七五”期间的研制成果可达到美、日等国80年头初、中期水平。半导体汲取型光纤温度传感器基本上是80年头兴起的，其中以日本的探时最为广泛。在1981年，KazuoKyuma等四人在日本三菱电机中心试验室.首次研制胜利采纳GaA、和CarC半导体材料的汲取型光纤温度传感器.由丁人们对半导体材料相识的不断深化，以及半导体制造和加工工艺水平的不断提高，使人们对采纳半导体材料来制作各种传感器的前景特别看好。在90年头前后，出现了探讨以硅材料作为温度敏感材料的光纤温度传感器。在1988年，Roorkec高校R.P.Agarwa1.等人，采纳CIrD（化学气象淀积）技术,在光纤端面上淀积多晶硅薄膜，试制了硅汲取型光纤温度传感器。同年，ISkOKUjan1.。等人来纳SO1.结构，以光纤反射的方式，制作了堆品硅汲取型温度传感器。目前，以GaAS和CdTe干脆带断半导体材料的汲取型光纤温度传感器，已接近好用化。国内对半导体汲取型光纤温度传感器的探讨起步较晚，兴起于90年头后期.主要集中在清华高校，华中理工商校，东南高校等高校。他们对该种类型的传感落结构，特性和系统结构进行了具体的分析和实践。但大量的探讨只集中在GaAs半导体作为感温材料的传感器上，与国外在该领域的探讨水平仍有较大差别.4光纤温度传感器的特点：光纤温度传感潺与传统的温度传感器相比具有很多优点：光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器件接收.可便利地进行光电或电光转换.易与而度发展的现代电子装置和计算机相匹配.光纤工作频率宽.动态范围大，是一种低损耗传输线，光纤本身不带电.体积小质量轻，易弯曲，抗辐射性能好，特殊适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境卜.运用。国外些发达国家对光纤温度传感技术的应用探讨已取得丰富成果.不少光纤温度传感器系统已好用化.成为替代传统温度传感器的商品.全部与温度相关的光学现缴或特性.本质上都可以用于温度测量.基于此.用于温度测埴的现有光学技术相当丰富。对于光纤温度传感涔的探讨占到将近全部光纤传感器探讨的20%。光纤温度传感器的探讨.除对现有器件进行外场验证、完善和提高外.目前有以下几个发展动向：大力发展测量湿度分布的测量技术.即由对单个点的通度测量到对光纤沿线上温度分布.以及大面积表面温度分布的测量：开发包括测量温度在内的多功能的传感涔：研制大型传感涔阵列.实现全光学遥测。光纤测温传感冷是用光纤来测显:温度的。有两种方法可实现。一是利用被测表而辐射能随阻度的变更而变更的特点：利用光纤将辐射能量传输到热敬元件上，经过转换再变成可供纪录和显示的电信号。这种方法独特之处就是可以远距成测量：另外一种方法是利用光在光导纤维内传输的相位随温度参数的变更而变更的特点，光信号的相位随温度的变更是由于光纤材料的尺寸和折射率都Rfi温度变更而引起的。5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=EoCoS(Wt+)式中，EO是光波的振幅：W是角频率：(P为初相角。该式包含五个参数，即强度Ek频率*、波长=2ncnW'相位(WtH)和偏振态。光纤传感器的工作原理就是用被测量的变更调制传输光光波的某一参数，使其随之变更，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，使的强度发生变更，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更时，就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传感器。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5.1.1 发光强度调制传感器的调制原理变更，来实现对被测对象的检测和限制。其基本原理如图所示。光源S发出的发光强度为Ii的光柱入传感头，在传感头内，光在被测物理量的作用卜.强度发生变更，即受到j'外场的调制，使得输动身光强度I。产生与被测量有确定对应关系的变更。由光电探测器检测动身光强度的信号，经信号处理解调就得到了被测信号。5.1.2 发光强度调制的方式利用光纤微弯效应：利用被测量变更光纤或者传感头对光波的汲取特性来实现发光强度调制；通过与光纤接触的介质折射率的变更来实现发光强度调制：在两根光纤间通过倏逝波的耦合实现发光强度调制：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，变更接收发光强度，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涔是一种结构简洁，技术较为成熟的光纤传感器。5. 1.3发光强度调制型传感器分类依据其调制环节在光纤内器还是在光纤外部可以分为功能型和非功能型两种。强度调制式光纤传感器的特点解调方法简洁、响应快、运行牢苑、造价低。缺点是测量精度较低，简洁产生偏移，须要实行一些白补偿措施.5.2 相位调制光纤传感后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更，再利用涉测G技术把相位转换为光强变更，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、马桶泽得和法布里珀罗式的全光纤干涉仪结构。波长调制传感器的博本结构如图541。6光纤温度传感器5.3 波长调制光纤传感器的基本6.1 几种光纤温度传感器的原理和探讨现状光纤温度传感器按其工作原理可分为功能型和传输型两科1功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性相位、偏振、强度等）随温度变换的特点，进行温度测定。这类传感器尽管具有“传"、"感”合一的特点.但也增加了增敏和去敏的困难。传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用.以避开测温区域困难的环境.对待测对象的调制功能是靠其他物理性脑的敏感元件来实现的。这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合同既增加了系统的困难性，且对机械振动之类的干扰较敏感.卜.面介绍几种主要的光纤温度传感器的原理和探讨现状。-丁费兄）BBi分布式光纤湖度传感翁基本原理分布式光纤温度传感器分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空I'"温度场分布的传感粉系统。分布光纤传感器系统最早是在1981年由英国南安普敦高校提出的.1983年英国的HaHOg用液体光纤的拉及光谱效应进行了分布式光纤温度传感器原理性试验.1985年英国的Dakin在试验室用鼠离子激光器作为光源进行了用石英光纤的拉曼光谱效应的分布光纤温度传感器测温忒验.同年HartOg和Dakin分别独立地用半导体激光器作为光源，研制了分布光纤温度传感器试脸装置：此后。分布光纤温度传感器得到了很大的发展.探讨出/多种传感机理.有的还运用了特种光纤.分布式光纤温度传感器是基于瑞利散射、布里渊敢射、喇些散射三种分布式温度传感器。分布式光纤传感涔从最初提出的基于光时域散射fOTDR1.的瑞利散射系统起先.经验了基于OTDR的喇曼散射系统和基于OTDR的布里湖散射系统,使得测温精度和范用大幅提高。光频域散射N)FDR)的提出也很早，但只有到J'近期.伴随若喇些散射和布里湖散射探讨的深化.使OEDR和它们结合才显示出了它的优越性.基于OTDR和OI)R的分布式温度光纤传感器已经显示出了很大的优越性.所以基于OTDROFDR的分布式温度光纤传感器仍将是探讨的热点.尤其是基于OFDR的新的分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向-土耳其GUnCSYiImaZ研制出Iokm、温度辨别率为1C、空间辨别率为1.22m的分布式光纤温度传感器。在国内，中国计量学院、重庆高校、浙江高校等单位依据