光纖溫度傳感器設計：光纖溫度傳感器
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光纖溫度傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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光纖溫度傳感器是一種傳感裝置，利用部分物質(zhì)吸收的光譜隨溫度變化而變化的原理，分析光纖傳輸?shù)墓庾V了解實時溫度，主要材料有光纖、光譜分析儀、透明晶體等，分為分布式、光纖熒光溫度傳感器。
中文名
光纖溫度傳感器
外文名
Fiber-optic TemperatureSensor
類 別
分布式、光纖熒光溫度傳感器
主要材料
光纖、光譜分析儀、透明晶體
性 質(zhì)
傳感器
目錄
1
主要材料
2
系統(tǒng)結構
3
類別
4
發(fā)展前景
5
優(yōu)點
光纖溫度傳感器主要材料
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語音
光纖、光譜分析儀、透明晶體（如砷化鎵）光纖溫度傳感器采用一種和光纖折射率相匹配的高分子溫敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纖外面，使光能由一根光纖輸入該反射面從另一根光纖輸出，由于這種新型溫敏材料受溫度影響，折射率發(fā)生變化，因此輸出的光功率與溫度呈函數(shù)關系。其物理本質(zhì)是利用光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奶卣鲄⒘浚缯穹⑾辔弧⑵駪B(tài)、波長和模式等，對外界環(huán)境因素，如溫度，壓力，輻射等具有敏感特性。它屬于非接觸式測溫。
光纖溫度傳感器系統(tǒng)結構
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語音
從室溫到1800℃全程測溫的光纖溫度傳感器的系統(tǒng)主要包括端部摻雜的光纖傳感頭、 Y型石英光纖傳導束、 超高亮發(fā)光二極管（LED）及驅(qū)動電路、 光電探測器、熒光信號處理系統(tǒng)和輻射信號處理系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作原理為: 在低溫區(qū)（400℃以下）， 輻射信號較弱， 系統(tǒng)開啟發(fā)光二極管(LED)使熒光測
圖1 熒光光纖溫度傳感器傳感探頭&
溫系統(tǒng)工作。 發(fā)光二極管發(fā)射調(diào)制的激勵光， 經(jīng)聚光鏡耦合到Y型光纖的分支端， 由Y型光纖并通過光纖耦合器耦合到光纖溫度傳感頭。光纖傳感頭端部受激勵光激發(fā)而發(fā)射熒光，熒光信號由光纖導出， 并通過光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出， 由光電探測器接收。光電探測器輸出的光信號經(jīng)放大后由熒光信號處理系統(tǒng)處理， 計算熒光壽命并由此得到所測溫度值。 而在高溫區(qū)（400℃以上）， 輻射信號足夠強， 輻射測溫系統(tǒng)工作， 發(fā)光二極管關閉。輻射信號通過藍寶石光纖并通過Y型光纖輸出， 由探測器轉(zhuǎn)換成電信號， 系統(tǒng)通過檢測輻射信號強度計算得到所測溫度。光纖傳感頭端部由Cr3+離子摻雜， 實現(xiàn)光激勵時的熒光發(fā)射。 摻雜部分光纖長度為8～10 mm。 端部光纖的外表面同時鍍覆黑體腔， 用于輻射測溫。 (這時，光纖黑體腔長度與直徑之比大于10，可以滿足黑體腔表觀輻射率恒定的要求)。 值得注意的是， 避免或減少熒光發(fā)射部分與熱輻射部分的相互干擾， 對保證整個系統(tǒng)的性能十分重要。經(jīng)過分析， 可以發(fā)現(xiàn)這種干擾主要表現(xiàn)為:1) 熒光信號中輻射背景信號對熒光壽命檢測精度的影響，2) 光纖表面鍍覆對熒光強度的影響，3) 光纖內(nèi)Cr3+離子摻雜對黑體腔熱輻射信號的影響。
光纖溫度傳感器類別
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分布式光纖溫度傳感器 分布式光纖溫度傳感器，通常用在檢測空間溫度分布的系統(tǒng)，其原理最早于1981年提出，后隨著科學家的實驗研究，最終研制出了此項技術。這種傳感器原理發(fā)展是基于三種傳感器的研究，分別是瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射。在瑞利散射（OTDR）和布里淵散射（OTDR）的研究已取得了很大的進展，因此未來的傳感器研究熱點，將放在對基于喇曼散射（OTDR）的新分布式光纖傳感器的研究上。最近，土耳其Gunes Yilmaz開發(fā)出了一種分布式光纖溫度傳感器，此傳感器的溫度分辨率是1℃，空間分辨率是1。23m。在我國也有很多大學展開了對分布式光纖溫度傳感器的研究，例如，中國計量大學1997年發(fā)明出煤礦溫度檢測的傳感器系統(tǒng)，其檢測溫度為-49℃～150℃，溫度分辨率為0。1℃。光纖熒光溫度傳感器 當前最熱門的研究，就是針對光纖熒光溫度傳感器，其是利用熒光的材料會發(fā)光的特性，來檢測發(fā)光區(qū)域的溫度。這種熒光的材料通常在受到紫外線或紅外線的刺激時，就會出現(xiàn)發(fā)光的情況，發(fā)射出的光參數(shù)和溫度是有著必然聯(lián)系的，因此可以通過檢測熒光強度來測試溫度。世界各國的高校都設計過此類傳感器，例如，韓國漢城大學發(fā)現(xiàn)10cm的雙摻雜光纖，在其915nm的地方所反射出的熒光強度所對應的溫度指數(shù)是20℃～290℃；我國清華大學借用半導體GaAs原料來吸收光，進而以光隨溫度改變的原理，研發(fā)出了溫度范圍是0℃～160℃的光纖熒光溫度傳感器
[1]
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光纖溫度傳感器發(fā)展前景
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語音
光纖溫度傳感器的種類很多，除了以上所介紹的熒光和分布式光纖溫度傳感器外，還有光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器以及基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器等等，由于其種類很多，應用發(fā)展也很廣泛，例如，應用于電力系統(tǒng)、建筑業(yè)、航空航天業(yè)以及海洋開發(fā)領域等等。在電力系統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)的應用中得到發(fā)展，由于電力電纜溫度、高壓配電設備內(nèi)部溫度、發(fā)電廠環(huán)境的溫度等，都需要使用光纖傳感器進行測量，因此就促進了光纖傳感器的不斷完善和發(fā)展。尤其是分布式光纖溫度傳感器得到了改善，經(jīng)過在電力系統(tǒng)行業(yè)的應用，從而使其接收信號和處理檢測系統(tǒng)的能力都得到了提升。在建筑業(yè)的發(fā)展光纖光柵溫度傳感器由于其較高的分辨率和測量范圍廣泛等優(yōu)點，被廣泛應用于建筑業(yè)溫度測量工作中。西方很多發(fā)達國家都已普遍采用此系統(tǒng)，進行建筑物的溫度、位移等安全指標的測試工作，例如，美國墨西哥使用光柵溫度傳感器，對高速公路上橋梁的溫度進行檢測。通過廣泛使用，光柵溫度傳感器所存在的問題，如：交叉敏感的消除、光纖光柵的封裝等都得到了解決，因而此系統(tǒng)得到了完善。航空航天業(yè)中的應用發(fā)展航空航天業(yè)使用傳感器的頻率較高，包括對飛行器的壓力、溫度、燃料等各方面的檢測，都需要使用光纖溫度傳感器進行檢測，并且所使用到的傳感器數(shù)量多達百個，所以對傳感器的大小和重量要求很嚴格。因此，基于航空航天業(yè)對傳感器的要求，光纖溫度傳感器的體積、重量規(guī)格方面都經(jīng)過了調(diào)整
[2]
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光纖溫度傳感器優(yōu)點
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語音
光纖傳感器采用的原理、結構、式樣最多，其潛在的優(yōu)點是測量精度高、抗電磁干擾、安全防爆、可繞性好。而現(xiàn)有的溫度傳感器不宜用于易燃易爆場合
[3]
。
詞條圖冊
更多圖冊
參考資料
1.
李強,王艷松,劉學民.光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀綜述[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(01):135-140.
2.
張楊. 熒光光纖溫度傳感器[D].哈爾濱工程大學,2005.
3.
黃燕平,裴麗,簡水生.光纖溫度傳感器綜述[J].光通信技術,1996(01):19-25.
光纖溫度傳感器設計：光纖溫度傳感器原理及應用
光纖溫度傳感器原理
光纖溫度傳感器是一種傳感裝置，利用部分物質(zhì)吸收的光譜隨溫度變化而變化的原理，分析光纖傳輸?shù)墓庾V了解實時溫度，主要材料有光纖、光譜分析儀、透明晶體等，分為分布式、光纖熒光溫度傳感器。
光纖溫度傳感器，是一類利用在光線在光線中傳輸時，光的振幅、相位、頻率、偏振態(tài)等隨光纖溫度變化而變化的原理制作的傳感器。
光纖溫度傳感器一般分為兩類：一類是光導纖維只起到傳輸光的作用，必須在光纖端面加裝其它敏感元件才能構成新型傳感器的傳輸型傳感器；另一類是利用光導纖維本身具有的某種敏感功能而使光纖起測量溫度的作用，屬于功能型，光纖既感知信息，又傳輸信息。
光纖溫度傳感器應用
光纖溫度傳感器自問世以來， 主要應用于電力系統(tǒng)、建筑、化工、航空航天、醫(yī)療以至海洋開發(fā)等領域，并已取得了大量可靠的應用實績。前面小編也分享了其在地球物理學和橋梁工程兩個領域的應用，下面的內(nèi)容中，小編再帶你看看光纖溫度傳感器在其他領域中的應用。
1、光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)有著重要的應用，電力電纜的表面溫度及電纜密集區(qū)域的溫度監(jiān)測監(jiān)控； 高壓配電裝置內(nèi)易發(fā)熱部位的監(jiān)測； 發(fā)電廠、變電站的環(huán)境溫度檢測及火災報警系統(tǒng)； 各種大、中型發(fā)電機、變壓器、電動機的溫度分布測量、熱動保護以及故障診斷； 火力發(fā)電廠的加熱系統(tǒng)、蒸汽管道、輸油管道的溫度和故障點檢測； 地熱電站和戶內(nèi)封閉式變電站的設備溫度監(jiān)測等等。
2、光纖溫度傳感特別是光纖光柵溫度傳感器很容易埋入材料中對其內(nèi)部的溫度進行高分辨率和大范圍地測量， 因而被廣泛的應用于建筑、橋梁上。美國、英國、日本、加拿大和德國等一些發(fā)達國家早就開展了橋梁安全監(jiān)測的研究， 并在主要大橋上都安裝了橋梁安全監(jiān)測預警系統(tǒng)， 用來監(jiān)測橋梁的應變、溫度加速度、位移等關鍵安全指標。1999 年夏， 美國新墨西哥 Las Cruces 10 號州際高速公路的一座鋼結構橋梁上安裝了 120 個光纖光柵溫度傳感器，創(chuàng)造了單座橋梁上使用該類傳感器最多的記錄。
3、航空航天業(yè)是一個使用傳感器密集的地方，一架飛行器為了監(jiān)測壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態(tài)、機翼和方向舵的位置等， 所需要使用的傳感器超過 100 個， 因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。光纖傳感器從尺寸小和重量輕的優(yōu)點來講， 幾乎沒有其他傳感器可以與之相比。
4、傳感器的小尺寸在醫(yī)學應用中是非常有意義的， 光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進行內(nèi)部測量， 提供有關溫度、壓力和聲波場的精確局部信息。光纖光柵傳感器對人體組織的技術相當豐富。對于光纖溫度傳感器的研究占到將近所有光纖傳感器研究的 20%。
光纖溫度傳感器的研究， 除對現(xiàn)有器件進行外場驗證、完善和提高外， 目前有以下幾個發(fā)展動向： 大力發(fā)展測量溫度分布的測量技術， 即由對單個點的溫度測量到對光纖沿線上溫度分布， 以及大面積表面溫度分布的測量； 開發(fā)包括測量溫度在內(nèi)的多功能的傳感器； 研制大型傳感器陣列， 實現(xiàn)全光學遙測。
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光纖溫度傳感器設計：光纖溫度傳感器的設計.doc
東北石油大學
課 程 設 計
課 程
課 程 傳感器課程設計
題 目 光纖溫度傳感器的設計
院 系 電氣信息工程學院
專業(yè)班級
學生姓名
學生學號
指導教師
201?年 ? 月
任務書
課程 傳感器課程設計
題目 光纖溫度傳感器的設計
專業(yè) 姓名 學號
主要內(nèi)容：
本次傳感器課程設計擬設計一個光纖溫度傳感器系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括對溫度進行采集的光纖溫度傳感器，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的轉(zhuǎn)換電路，以及電信號最終送至由52單片機為主體構成的信號處理部分。最終根據(jù)程序設定的要求，通過本次設計的系統(tǒng)完成相應操作。
基本要求：
1、光纖溫度傳感器能準確測量溫度，盡量減少信號延遲；
2、轉(zhuǎn)換電路中的光敏電阻能準確將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；
3、成功搭建單片機最小系統(tǒng)，完成對信號的控制。
主要參考資料：
[1] 劉國鈞，陳紹業(yè)，王鳳翥.圖書館目錄[M].北京：高等教育出版社， 1957.15-18.
[2] 劉潤華，劉立山.模擬電子技術[J].自動化儀表.2005(6):21-23.
[3] 宋文緒,楊帆.傳感器與檢測技術[M]．高等教育出版社.2007.29-31
[4] 劉瑞復，史錦彭j．光纖傳感器及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社， 1997.69-87
完成期限
指導教師
專業(yè)負責人
2012年 6 月 25 日
摘 要
光纖溫度傳感器采用一種和光纖折射率相匹配的高分子溫敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纖外面。本設計完成的是遮光式光纖溫度計的設計。傳感器以光纖為傳輸手段，以光作為信號載體，抗干擾能力強，測量結果穩(wěn)定可靠。當溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強發(fā)生變化，則出射光強將隨溫度的變化而變化。這種形式的光纖溫度計檢測精度約為0.5℃。它的缺點是輸出光強受殼體振動的影響，且回應時間較長，一般需幾分鐘。
關鍵字：光纖；傳感器；光纖傳感器；光纖溫度傳感器
目 錄
TOC o "1-2" h 1035 一、設計要求 1
二、方案設計 1
5111 1、方案一 1
3005 2、方案二 1
三、傳感器工作原理 2
四、光纖溫度傳感器電路圖 2
五、 單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇 3
1074 1、單元電路設計 3
2、參數(shù)計算 5
7226 3、器件選擇 5
六、總結 6
七、 參考文獻 8
光纖溫度傳感器的設計
一、設計要求
本設計完成的是遮光式光纖溫度計的設計。傳感器以光纖為傳輸手段，以光作為信號載體，抗干擾能力強，測量結果穩(wěn)定可靠。當溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強發(fā)生變化，則出射光強將隨溫度的變化而變化。
二、方案設計
在溫度信號的監(jiān)測控制方面，有多種類型的傳感器可以使用，其中包括熱電偶傳感器和光纖溫度傳感器。本次設計擬從以下兩種方案考慮：
1、方案一
利用熱電偶傳感器作為采集溫度的裝置，將采集的到的數(shù)據(jù)經(jīng)溫敏二極管冷端補償電路后，再經(jīng)由運算放大器將信號放大后送入A/D轉(zhuǎn)換芯片，最終將處理后的信號送入單片機進行信號處理。原理如圖1所示。
A/D轉(zhuǎn)換運放8051單片機溫敏二極管冷端補償電路熱電偶
A/D轉(zhuǎn)換
運放
8051單片機
溫敏二極管冷端補償電路
熱電偶
圖1 方案一原理框圖
圖1 方案一原理框圖
方案二
利用光纖溫度傳感器作為溫度采集的裝置，采用探測信號與傳輸信號兩部分分開的非功能型，經(jīng)由光纖作為傳輸介質(zhì)，光信號經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路后送入單片機進行信號處理。原理如圖2所示。
光纖敏感元件
光纖
敏感
元件
8051單片機
A/D轉(zhuǎn)換信號轉(zhuǎn)換電路
A/D轉(zhuǎn)換
光纖溫度傳感器設計：光纖溫度傳感器系統(tǒng)結構及工作原理
光纖溫度傳感器系統(tǒng)結構及工作原理
從室溫到1800℃全程測溫的光纖溫度傳感器的系統(tǒng)主要包括端部摻雜的光纖傳感頭、 Y型石英光纖傳導束、 超高亮發(fā)光二極管（LED）及驅(qū)動電路、 光電探測器、熒光信號處理系統(tǒng)和輻射信號處理系統(tǒng)。 系統(tǒng)的工作原理為: 在低溫區(qū)（400℃以下）, 輻射信號較弱, 系統(tǒng)開啟發(fā)光二極管(LED)使熒光測溫系統(tǒng)工作。 發(fā)光二極管發(fā)射調(diào)制的激勵光, 經(jīng)聚光鏡耦合到Y型光纖的分支端, 光纖溫度傳感器由Y型光纖并通過光纖耦合器耦合到光纖溫度傳感頭。 光纖傳感頭端部受激勵光激發(fā)而發(fā)射熒光, 熒光信號由光纖導出, 并通過光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出, 由光電探測器接收。 光纖溫度傳感器輸出的光信號經(jīng)放大后由熒光信號處理系統(tǒng)處理, 計算熒光壽命并由此得到所測溫度值。 而在高溫區(qū)（400℃以上）, 輻射信號足夠強, 輻射測溫系統(tǒng)工作, 發(fā)光二極管關閉。
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