干涉型光纤温度传感器

　　　　　　　　传感器与微系统 ( Transducer and M icrosystem Technologies) 　　　　　　　　　2007年 第 26卷 第 4期 设计与制造 干涉型光纤温度传感器 刘 　晨 , 费业泰 , 卢荣胜 (合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院 ,安徽 合肥 230009) 摘 　要 : 为了长期和在线实时检测各种工程结构内 (如飞机机翼 )的温度 ,在介绍了 2种典型的干涉型光 纤温度传感器技术的基本原理、结构及优缺点的基础上 ,提出了一种新型光纤温度传感器 ——嵌入式干涉 型光纤温度传感器的工作原理和结构设计。它用特殊加工工艺将光纤埋入材料中 ,通过相位调制产生干 涉条纹 ,再通过条纹的判向计数来对材料内部温度进行测量。实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 :嵌入式光纤温度传感器能长 期有效测量材料内部的温度 ,并且 ,它的灵敏度比放在空气中的灵敏度要高 2～3倍。具有很大的研究开 发和应用价值。 关键词 : 光纤光学 ; 相位调制 ; 温度测量 ;干涉 中图分类号 : TP212　　　文献标识码 : A　　　文章编号 : 1000 - 9787 (2007) 04 - 0058 - 03 In terference optica l2f iber tempera ture sen sors L IU Chen, FE I Ye2tai, LU Rong2sheng ( School of Appara tus Sc ience and Photo2Electr ic Eng ineer ing, Hefe i Un iversity of Technology, Hefe i 230009, Ch ina) Abstract: In order to measure permanently and real2time the temperature inside all kinds of p roject construction for examp le airp lane wing, the basic p rincip le, structure and characteristics of two kinds of interference op tical fiber temperature sensors are introduced, on the base of it, the working p rincip le and structure designing of a new kind of op tical fiber temperature sensor—embedded op tical2fiber temperature sensor are p resented. Op tical fiber is embedded into material using special p rocessing technology, interference stripe is p roduced through phase modulation, then stripe distinguishing direction and counting is used to measure the internal temperature. Experimental results show that the internal temperature of material can be measured by a embedded op tical2fiber temperature sensor, and its sensitivity is 2～3 times higher than op tical2fiber sensor in air. It has very value of investigating and utilizing. Key words: fiber op tics; phase modulation; temperature measurement; interferometry 0　引 　言 光纤传感器与传统传感器相比具有灵敏度高、耐腐蚀、 安全可靠、抗电磁干扰、结构简单、体积小、质量轻等特点 , 而且 ,在一定条件下可任意弯曲 ,因此 ,得到了广泛的应 用 [ 1, 2 ]。光纤温度传感器是近几年发展起来的新技术 ,是 光纤传感器的一个重要分支 ,也是工业中应用最多的光纤 传感器之一。由于温度传感器具有精度高、重复率好、不受 电磁干扰 ,可以用于苛刻环境下的温度检测 ,故光纤温度传 感器发展相当迅速 [ 3 ]。 干涉型光纤温度传感器属于相位调制式功能型光纤温 度传感器 ,它是利用两束光产生相位差并导致干涉现象来 测量温度 ,主要应用于精密测温的领域。本文介绍了 2种 典型的干涉式光纤温度传感器 ,并提出一种新型光纤温度 收稿日期 : 2006 - 09 - 22 传感器 ——嵌入式光纤温度传感器。 1　干涉型光纤温度传感器的基本原理 在光纤中传播的光 ,光的相位由以下 3个因素决定 : 1) 光纤波导的物理长度 ; 2)光纤折射率及其分布 ; 3)光纤波 导的横向几何尺寸。在长度为 L的光纤中 ,对波长λ的光 波以光纤入口平面为基准测得的相位为 Φ = 2πLλ = 2πL λ0 / n1 = 2πn1L λ0 = k0 n1L , (1) 式中 　λ0 为真空中的光波长 ; n1 为光纤芯的折射率 ; L 为 光纤的长度 ; k0 为光在真空中的波数。 在外界温度作用下 ,光纤中的相位也随之变化。假定 折射率分布随温度变化保持恒定 ,那么 ,光纤中的相位随温 度的变化可表示为 85 第 4期 　　　　　　　　　　　　　　　　　刘 　晨 ,等 :干涉型光纤温度传感器 　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　ΔΦ =ΔΦL +ΔΦn +ΔΦd , (2) 式中 　ΔΦL 为光纤长度变化产生的相位变化 ,称应变效 应 ;ΔΦn 为光纤折射率变化产生的相位变化 ,称光弹效应 ; ΔΦd 为光纤波导横向几何尺寸变化产生的相位变化 ,称泊 松效应 [4 ]。 长度变化ΔL对光相位的影响 ΔΦL = 2 π λΔL = 2πL λε1 , (3) 式中 　λ为光在波导中的波长 ;ε1为纵向应变。 折射率变化 对光相位的影响 ΔΦn = 2 π λLΔn . (4) 光纤波导横向几何尺寸变化对光相位的影响 ΔΦd = 2 πL λ2 · 9λ9d Δd . (5) 因泊松效应引起的光纤直径变化所产生波导传播常数 的变化很小 ,故可忽略不计 [5 ]。因此 ,相位变化为 ΔΦ = 2πLλ (α+ 9n9T )ΔT , (6) 式中 　α为光纤线膨胀系数 ; 9n9T为光纤折射率随温度变化 的系数。上式第一项表示光纤长度变化引起的相位调制 , 第二项表示折射率变化引起的相位调制。 如上所述 ,温度能使光纤内传播的光波相位发生变化 , 只要利用适当的仪器检测出光纤中光信号相位的变化就可 以测定出温度 ,但是 ,由于目前各类光探测器都不能直接测 量光的相位变化 ,必须采用干涉测量技术把相位的变化转 换为光能的变化。如果检测出干涉光强的变化 ,则可确定 两光束间的相位变化 ,从而得到待测的温度大小。常用的 干涉仪有迈克耳逊 (M ichelson ) 干涉仪、马赫—泽德尔 (Mach2Zehnder)干涉仪、塞格纳克 ( Sagnac)干涉仪、法布 里—珀罗 ( Fabry2Perot)干涉仪。对于温度的测量 ,有马赫— 泽德尔干涉仪和法布里—珀罗干涉仪。 2　典型的干涉型光纤温度传感器 2. 1　马赫—泽德尔光纤温度传感器 马赫—泽德尔光纤温度传感器的结构如图 1所示。它 是由氦氖激光器、扩束器、2个显微物镜、两根单模光纤 (其 中 ,一根作参考臂 ,另一根作测量臂 )、光电探测器、信号处 理系统组成。激光器发出的激光经过扩束器扩束后 ,再经 分束器分别送入两根长度相同的单模光纤。把两根光纤的 输出端合在一起 ,则这两束光将产生干涉 ,形成明暗相间的 一组条纹 ,由光电探测器接收。一般参考臂置于恒温器中 , 在测量过程中光程保持不变 ,而测量臂在温度作用下 ,其长 度和折射率将发生变化 ,即相位发生变化 ,使两条光纤中传 输光的相位差发生变化 ,结果使干涉条纹发生移动。相位 每变化一个 2π时就移过一个条纹。显然 ,干涉条纹移动 的数量将反映出被测温度的变化。通过判向、条纹计数就 能获得被测温度 [ 6, 7 ]。 图 1　M ach2Zehnder光纤温度传感器结构图 F ig 1　Structura l d iagram of M ach2Zehnder optica l f iber tem pera ture sen sor 　　马赫—泽德尔光纤温度传感器具有灵敏度高、机械性能 稳定、抗干扰能力强、电绝缘性好、不会产生电火花、可在易 燃易爆环境下工作等优点 ;但也有缺点 :一是所用的光纤较 多 ,使用和安装较麻烦 ;二是因需要参考臂 ,难以使参考光 纤和测量光纤安装在同一位置 ,使输入、输出臂不对称导致 测量的不稳定 ,环境对其影响也较大 [ 8 ]。 2. 2　法布里—珀罗光纤温度传感器 [ 3, 6, 7 ] 法布里—珀罗光纤温度传感器的结构如图 2所示。 图 2　F2P光纤温度传感器结构图 F ig 2　Structura l d iagram of F2P optica l f iber tem pera ture sen sor 　　它是由氦氖激光器、起偏器、显微物镜、压电变换器 ( PZT)、一根 F2P单模光纤、光电探测器以及信号处理系统 组成。氦氖激光经物镜进入单模光纤 ,光纤两端构成多光 束干涉腔 , F2P光纤的一部分绕在加有 50 Hz正弦电压的 PZT上 ,因而 ,光纤的长度受到调制。相邻光束间的相位差 为 ΔΦ = kd≈ 2πn dλ . (7) 根据多光束干涉理论 ,光电探测器得到的光强为 I = I0 1 + 4R(1 - R ) 2 sin 2ΔΦ 2 , (8) 式中 　I0为入射光强 ; R为镜面反射率。当温度变化时 , d 也随之变化 ,这样 ,就可以测量温度的变化 [ 9 ]。 F2P光纤温度传感器具有以下优点 : 1)有极高的分辨 率和测量精度 ; 2)结构简单灵巧 ,单端输入、单端输出 ; 3 ) 灵敏度要比马赫 —泽德尔光纤温度传感器高 ; 4)因采用单 根光纤、利用多光束干涉来测量温度 ,这样 ,就可避免马 赫 —泽德尔传感器所需两根光纤配对的问题。此种传感器 的缺点是制作工艺难度较大 ,因此 ,影响了它的广泛应 用 [ 10 ]。 95 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　传 感 器 与 微 系 统 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 26卷 3　嵌入式干涉型光纤温度传感器 嵌入式干涉型光纤温度传感器就是将测量光纤或单根 光纤通过特殊加工工艺埋入金属或复合材料中来测量该材 料内部的温度。为了不破坏材料的完整性 ,同时 ,不使光纤 在材料中断裂 ,可采用光纤埋入技术来使光纤埋入材料中 , 有 2种方法 :一是在材料制造过程中 ,将光纤放置在一金属 或塑料管中 ,待材料制作完成后 ,将金属或塑料管撤去 ,这 样 ,就大大减少在空气与材料界面上的应力不连续性 ,防止 光纤在空气材料界面上断裂 ;另一种方法是将光纤放在层 合材料的叠层之间 ,在层压过程中使它与材料集成在一 起 [ 11 ]。 嵌入式干涉型光纤温度传感器可采用 F2P型光纤传感 器 [ 12 ] ,结构如图 3所示。 图 3　嵌入式 F2P光纤温度传感器结构图 F ig 3　Structura l d iagram of em bedded optica l f iber F2P tem pera ture sen sor 　　将 F2P腔埋入材料结构中 ,就构成了嵌入式 F2P干涉 传感器。结构的内部温度可以改变 F2P腔的腔长 ,从而改 变输出光强 ,通过测量光纤 F2P传感器的输出光强 ,即可得 到材料内部的温度值。 F2P光纤传感器可以分为本征型 (内腔型 )传感器 ( IFP I sensor)和非本征型 (外腔型 )传感 器 ( EFP I sensor) ,内腔型是指组成干涉仪的 2个反射面在 同一根光纤中形成 ,两反射面之间介质为光纤。而外腔型 它的 2个反射面分别为两根光纤的端面 ,反射面之间介质 为空气 ,结构图如图 4所示。 图 4　光纤在光纤传感器中的结构 F ig 4　Structura l d iagram of optica l f iber in optica l f iber sen sor 　　 IFP I的制作方法为对 2个单模光纤中一个光纤的尾部 溅射一 TiO2 薄层 ,然后 ,通过熔合将其联接在一起。EFP I 是把一根单模光纤与另一根单模或多模光纤通过空心二氧 化硅纤维对接起来而形成的。 嵌入式光纤温度传感器还可采用 Mach2Zender干涉温 度传感器。它将 Mach2Zender干涉的测量光纤埋入材料 中 ,参考光纤放在材料的外面 ,如图 5所示。 　　从相干光源出射的相干光经耦合器分成强度相等的两 束光 ,分别进入信号臂和参考臂 ,最后在接收面上形成干涉 条纹。当信号臂受外界温度影响时 ,干涉条纹就会发生移 图 5　嵌入式 M ach2Zender光纤温度传感器结构图 F ig 5　Structura l d iagram of embedded optica l f iber Mach2Zender tem pera ture sen sor 动 ,如果测出干涉条纹的移动量及移动方向 ,就可以得到温 度对信号臂的影响大小。通过测量臂和参考臂后 ,两束光 的相位差为 δΦ = 2πLλαΔT 1 - n 3 2 [ (1 -μ) P12 -μP11 ] =NLαΔT =MΔT , (9) 式中 　μ为泊松比 ; P11 , P12为光纤芯的光弹系数 ; N , M 为 常数 ; L为埋入材料中的光纤长度 ;α为光扦线膨胀系数 ; ΔT为温度的变化。当δΦ发生条纹移动量 m 时 2mπ =δΦ =NLαΔT =MΔT . (10) 通过测量 m 的大小 (条纹判向计数 ) ,就可得到温度的 变化量。 4　结束语 干涉型光纤温度传感器用于测量微小相位变化 ,它除 了具有一般光纤温度传感器测温准确、响应速度快、抗电磁 干扰能力强等优点外 ,还具有灵敏度极高的特点 ,是潜在开 发灵敏度最高的传感器 ,它的灵敏度比普通的测温方法高 2～3个数量级。特别是嵌入式光纤温度传感器它的灵敏 度更高 ,比放置在空气中的干涉型光纤温度传感器灵敏度 要高 2～3倍。但它也有不足之处 ,如 ,对光源、光纤的性能 要求严格、光路和信号处理系统复杂 ,在实际设计中 ,还需 考虑很多因素等。此种传感器具有很大研究开发和应用价 值 ,有着很好应用前景。 参考文献 : [ 1 ]　杨春曦 ,胡中功 ,戴克中. 光纤传感器的应用及发展 [ J ]. 武汉 化工学院学报 , 2004, 26 (2) : 63 - 65, [ 2 ]　张永枫. 光纤温度传感器与智能检测系统 [ J ]. 传感器技术 , 2001, 20 (8) : 55 - 57. [ 3 ]　曹满婷. Fabry2Perot干涉式光纤温度传感器的研究 [ J ]. 传感 器技术 , 2001, 20 (7) : 22 - 25. [ 4 ]　罗先和 ,张广军. 光电检测技术 [M ]. 北京 :北京航空航天大 学出版社 , 1995: 151 - 155. [ 5 ]　[英 ]卡尔肖 B. 光纤传感与信号处理 [M ]. 高希才 ,王志玉 , 刘文达 ,译. 成都 :成都电讯工程学院出版社 , 1986: 110 - 115. [ 6 ]　孙圣和 ,王廷云 ,徐　影. 光纤测量与传感技术 [M ]. 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学出版社 , 2000: 106 - 108. [ 7 ]　浦昭邦. 光电测试技术 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 2005: 284 - 296. (下转第 63页 ) 06 第 4期 　　　　　　　　　　　　高迎慧 ,等 :基于分批估计理论与虚拟仪器的瓦斯监测系统 　　　　　　　　　　　　 各种方式的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与处理 ,还可以对结果进行显示和保存 ,应 用十分方便。 3. 3. 1　数据的采集与通信 要实现 PC机和 CAN总线之间的数据传送 ,必须在 PC 机和单片机之间建立双向的数据交换通道。系统通过 N I 公司的 PC I—CAN /2型 CAN 卡实现数据的交换。此类型 CAN卡有 2个高速 CAN接口 ,支持 CAN2. 0 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 [ 3 ]。该卡 采用飞利浦 SJA1000型 CAN控制器 ,可以实现监听、自检、 高性能滤波模式 ,并支持休眠唤醒模式 [ 4 ]。 在 LabV IEW环境下 ,对 CAN卡的操作 [ 4 ]是直接使用 库函数 N ican. l l b来实现的。具体的操作主要包括 2个方 面 :一是配置 CAN网络接口 ,主要完成网络的配置属性初 始化 ,包括网络接口的选择、数据传输速率的确定等 ;二是 配置 CAN对象 ,包括触发方式的选择、读写队列长度的设 置等。这些都是在 CAN初始化里面完成的。 3. 3. 2　数据的融合处理 利用上文提到的分批估计理论来对数据进行融合处 理 ,并在 LabV IEW 软件平台得以实现。用 LabV IEW 软件 中的 Mathematics工具箱可以很容易实现上述算法。 3. 3. 3　实验数据及仿真结果 表 1给出了部分实验数据 ,并得出了算术平均和分批 估计 2种算法下的融合结果及误差比较 ,从标准差的比较 可以看出 :分批估计算法的融合效果比较好。 系统的仿真结果如图 5所示。 表 1　实验数据及误差比较 Tab 1　Exper im en t da ta and error com par ison 　 1 2 3 4 5 6 7 8 算术平均 标准差 (算术 ) 分批估计 标准差 (分批 ) 瓦斯 ( ×10 - 6 ) 92. 5 95. 6 93. 3 91. 5 96. 1 95. 4 94. 7 93. 7 94. 10 1. 62 94. 50 0. 89 CO ( ×10 - 6 ) 52. 1 51. 5 50. 3 50. 8 51. 6 52. 7 53. 2 51. 9 51. 76 0. 94 51. 53 0. 30 温度 (℃) 11. 5 11. 3 10. 9 11. 1 10. 5 11. 2 10. 5 12. 1 11. 14 0. 53 11. 00 0. 09 风速 (m / s) 4. 5 4. 3 4. 8 4. 1 4. 6 5. 0 4. 2 4. 4 4. 49 0. 30 4. 41 0. 03 图 5　参数曲线图 F ig 5　Curve d iagram of param eters 4　结束语 基于 LabV IEW和分批估计理论的瓦斯监测系统 ,综合 利用了数据融合算法和虚拟仪器技术的优点 ,并将二者结 合起来 ,既保证系统有友好的监测界面 ,又大大提高了系统 的精度 ,在很大程度上减少了系统误差。这也反映出在 LabV IEW平台上实现数据融合算法是将来信息融合领域的 又一个发展方向 ;另一方面 ,系统采用 CAN总线作为通信 方式 ,并将其应用到矿井环境监测中 ,保证了通信速率 ,提 高了实时性 ;而且 ,其结构简单 ,便于扩展 ,调试方便 ,在井 下需要添加分站时 ,只需添加一个 CAN节点即可 ,很容易 实现。可见基于 LabV IEW 和分批估计理论的瓦斯监测系 统有很大的实用价值。 参考文献 : [ 1 ]　滕召胜. 智能检测与数据融合 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 2000: 235 - 245. [ 2 ]　祁　睿 ,秦琳琳 ,孙德敏. 基于 CAN总线分布式温室监控系统 的设计与实现 [ J ]. 自动化与仪表 , 2005 (1) : 21 - 23. [ 3 ]　史久根 ,张培仁 ,陈真勇. CAN现场总线系统设计技术 [M ]. 北京 :国防工业出版社 , 2004: 22 - 39. [ 4 ]　黄　建 ,韩　梅.基于 CAN总线的虚拟仪器在多电机控制中的 应用 [ J ].北京航空航天大学学报 , 2005, 31 (2) : 232 - 235. 作者简介 : 高迎慧 (1958 - ) ,女 ,辽宁阜新人 ,副教授 ,学士学位 ,主要研 究方向为工业自动化检测与优化。 (上接第 60页 ) [ 8 ]　奥诚喜 ,金克新 ,李 　潭 ,等. Mach2Zehnder光纤温度传感器 的研究 [ J ]. 陕西科技大学学报 , 2004, 22 (6) : 104 - 107. [ 9 ]　何　勇 ,王生泽. 光电传感器及其应用 [M ]. 北京 :化学工业 出版社 , 2004: 114 - 116. [ 10 ] 毕卫红 ,郑绳楦. 光纤法布里—珀罗 ( Fabry2Perot)干涉腔在传 感器中的应用 [ J ]. 燕山大学学报 , 2000, 24 (2) : 135 - 140. [ 11 ] 唐　凤 ,黄尚廉 ,裴柳进. 智能结构中的集成光纤传 /感器技 术 [ J ]. 传感器技术 , 1996 (1) : 14 - 16. [ 12 ] Lee C E, Gibler W N, A tkins R A, et al. Metal2embedded fiber2 op tic Fabry2Perot sensors [ J ]. Op tics Letters, 1991, 16 ( 24 ) : 1990 - 1992. 作者简介 : 刘　晨 (1965 - ) ,男 , 安徽巢湖人 ,博士研究生 ,讲师 ,研究方 向为光电测试技术。 36