（精密仪器及机械专业论文）光纤法布里—珀罗腔温度传感技术的研究.pdf

夕 l 摘要 论文题目：光纤法布里一珀罗腔温度传感技术的研究 学科专业：精密仪器及机械 作者姓名：赵振峰签名： 指导教师：刘月明教授签名： 型应竺 答辩日期：2 0 0 7 年3 月 摘要 温度是一个基本的物理量，它是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数 之一。随着工农业的不断发展，尤其是在强电磁干扰、易燃、易爆等恶劣环境下， 对温度的测量要求越来越高。同时，光纤f p ( f a b r y p e r o t ) 腔温度传感器是一种 新型的传感器，与传统的温度传感器相比，它具有体积小、重量轻、灵敏度高、 电绝缘性好、抗电磁干扰等优点。相对于其它光纤传感器而言，光纤f p 腔温度 传感器结构简单、成本较低、适合批量生产，因此在各个领域有着良好的应用前 景。 本文设计了一种基于物体热胀冷缩原理和法布里一珀罗腔多光束干涉机理的 新型结构光纤f p 腔温度传感系统。当温度发生变化时，f p 腔的腔长将会发生 变化。根据f p 腔的光学特性可知，f p 腔的腔长的变化将会导致其输出光强的 变化，因而，只需检测出f p 腔输出光强的变化，即可得出待测温度的变化。 本文首先建立了f p 干涉腔的反射光的数学模型，对f p 传感腔的初始腔长、 光纤端面反射率的选取进行了计算与优化设计，确定出当f p 腔的工作区间为 x s ，初始腔长选取在朋a + 吖1 6 时，传感器具有最佳的温度响应特性；并用软件 a n s y s 对传感器的理论模型进行仿真与分析。在现有实验条件下，通过相位解 调法准确地测量出f - p 腔的初始腔长，利用单、多模光纤跳线、陶瓷套筒等材料， 完成了光纤f p 腔温度传感头的制作。 其次，通过对前置放大电路的噪声分析以及对各种元器件的合理选择，设计 了一种对传感器输出的微弱光强信号进行放大、滤波等处理电路，利用单片机 a t 8 9 c 5 1 对数据采集芯片a d 5 7 4 a 和可编程接口芯片8 1 5 5 进行控制，并结合相 应软件编程，进一步完成对信号数字滤波、单位转换以及上下限报警等处理，最 终实现对传感器输出信号的实时采集和动态显示。 最后详细介绍了实验系统以及实验方法，并对实验结果进行了误差分析以及 本研究得到陕西省教委专项科研计划资助项目( 0 6 j k 2 3 0 ) 和西安理工大学中青年教师科技 创新资助项目( 1 0 2 - 2 1 0 3 0 4 ) 的资助。 i 西安理工大学硕士学位论文 提出相应地解决方案。实验结果表明：当待测温度变化范围为0 1 2 1 0 0 c 时，f p 腔的腔长近似线性变化，相应的灵敏度为0 1 6 1 v ；在0 1 2 7 0 1 2 间测得误差 为0 2 5 ：在8 0 c 1 0 0 1 2 间测得误差为0 5 。 关键字：温度传感器；f - p 腔；参数优化设计；p i n 光电二极管；单片机；数据 采集；动态显示 n f 毫 ， 多 l 、 a b st r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nf i b e ro p t i c a lf a b r y 二p e r o tc a v i t y t e m p e r a t u r es e n s i n gt e c h n o l o g y m a j o r ：p r e c i s i o ni n s t r u m e n ta n dm e c h a n i s m n a m e ：z h e n f e n gz h a o s u p e r v i s o r ：p r o f y u e m i n gl i u d e f e n s ed a t e ：m a r c h2 0 0 7 a b s t r a c t s i g n a t u 怕：施衅7 s i g n a t u r e ：! 丝亟兰蝤 t e m p e r a t u r e ，够ab a s i cp h y s i c a lq u a n t i t y , i so n eo ft h em o s tu n i v e r s a la n di m p o r t a n t t e c h n i c a lp a r a m e t e r s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ，e s p e c i a l l y , u n d e r t h es e v e r ee n v i r o n m e n t , s u c ha sh e a v y - e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，f l a m m a b l ea n d e x p l o s i v e s i t u a t i o n 鼬c ，t h er e q u i r e m e n to ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti sm u c hh i g h e r m e a n t i m e f i b e r o p t i c a lf pt e m p e r a t u r es e n s o ri san e wk i n do fs e n s o r c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a l t e m p e r a t u r es o n a r s ，i th a si n h e r e n ta d v a n t a g e si n c l u d i n gs m a l ls i z e ，t i g h tw e i g h t , h i g h s e n s i t i v i t yr e s p o n s e ，g o o de l e c t r i ci n s u l a t i o n , i m m u n i t yt oe l e c 仃o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) c o m p 盯e dt oo t h e rf i b e ro p t i c a ls e n s o r s ，f i b e ro p t i c a lf pc a v i t yt e m p e r a t u r e9 朗坞o rh a ss i m p l e s u u c t u r e ，l o w e rc o s ta n di ss u i t a b l ef o rm a s sp r o d u c t i o n , t h e r e f o r ei th a se x t e n s i v e l ya p p l i c a t i o n p r o s p e c ti nv a r i o u sf i e l d s an o v e lf - pc a v i t ys t r u c t u r eo ff i b e ro p t i c a lt e m p e r a t u r es e n s o ri sp r e s e n t e db a s e do n p r o p e r t yo fm a t t e rt h a ti te x p a n d sw i t hh e a ta n di tc o n t r a c t sw i t hc o l da n df pc a v i t y i n t e r f e r e n c em e c h a n i s m f - pc a v i t y sl e n g t hw i l lb ec h a n g e dw h e nt h et e m p e r a t u r ec h a n g e s a c c o r d i n gt of - pc a v i t y so p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec h a n g eo ff pc a v i t y sl e n g t hw i l ll e a dt o t h ec h a n g eo fo u t p u to p t i c a li n t e n s i t y t h u s ，t h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r ec a nb eo b t a i n e db y d e t e c t i n gt h ec h a n g eo fo u t p u tl i g h ti n t e n s i t y f i r s t l y , t h i sp a p e re s t a b l i s h e sat h e o r e t i c a lr e f l e c t e dl i g h tm o d e lo ff pi n t e r f e r o m e t e r c a v i t y 1 1 地i n i t i a ll e n g t ha n di t sr e f l e c t i v i t yo f f - ps e n s i n gc a v i t ya r et h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e d a n do p t i m i z e d w h e nf - pc a v i t y sw o r k i n gr e g i o ni s 8a n di t si n i t i a ll e n g t hi sm a + 州1 6 ，t h c s e n s o rh a st h eb e s tt e m p e r a t u r er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s ，f u r t h e r m o r e ，t h et h e o r e t i c a lm o d e lo f s e n s o ri ss i m u l a t e da n da n a l y z e db ya n s y ss o t h v a r e u n d e re x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s ，t h e i n i t i a l l e n g t ho ff - pc a v i t yc a nb em e a s u r e db yp h a s ed e m o d u l a t i o n ，a n dt l l ef p c a v i t y t h i sp r o j e c tw 够s u p p o r t e db yt h er e s e a r c hf o u n d a t i o no f e d u c a t i o nd e p a r t m e n to f s h a n x ip r o v i n c eo f c h i n a ( n o 0 6 j k 2 3 0 ) a n dr e s e a r c hf o u n d a t i o no f x i 鲫u n i v e r s i t yo f t v c h n o l o g y ( n o 1 0 2 - 2 1 0 3 0 4 ) i i i -i ，l一 西安a f t - 大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r es e l l s o ri sf a b r i c a t e db yu s i n gs u i t a b l ef i b e r sa n dc e r a m i cs l e e v e s s e c o n d l y , b ya n a l y z i n gt h en o i s eo ft h es i g n a lp r e a m p l i f i e ra n ds e l e c t i n gt h er e a s o n a b l e c o m p o n e n t s ，ac i r c u i ti sd e s i g n e dt oa m p l i f yw e a kl i g h ts i g n a l so ft h es e n s o ra n dt of i l t e rt h e n o i s e so ft h ec i r c u i t d a t aa c q u i s i t i o nc h i pa d 5 7 4 aa n dp r o g r a m m a b l ei n t e r f a c ep a r a l l e lc h i p 815 5a l ea d o p t e db a s e do ns i n g l ec h i pm i c r o - c o m p u t e ra t 8 9 c 51 a s s o c i a t i n gw i t ht h e c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，f u n c t i o n a lm o d u l e sa r ea c c o m p l i s h e d , i n c l u d i n gt h e d i g l t a ls i g n a lf a l t e r i n g ，t h eu p p e rl i m i ta n dl o w e rl i m i ta l a r m , u n i t sc o n v e r s i o n t h er e a l - t i m e a c q u i s i t i o na n dd y n a m i cd i s p l a y i n go f t h es e n s o r so u t p u ti n f o r m a t i o na r er e a l i z e d f i n a n y , t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi s s e tu pa n di t sc o r r e s p o n d i n gm e t h o d sh a v eb e e n i n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h ee r r o ra n a l y s i so ft h e e x p e n m e n t a l r e s u l t si sm a d ea n dt h e c o r r e s p o n d i n g s o l u t i o n sa r ep u tf o r w a r d t h e e x p e r i m e n tr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h e c o r r e s p o n d i n gs e n s i t i v i t yi s0 1 6 1 v c ，w h e nt h ed e t e c t e dt e m p e r a t u r er a n g ei s0 1 2 - 1 0 0 o ， t h ec o r r e s p o n d i n gl e n g t ho ff - pc a v i t yc h a n g e sl i n e a r l y i nt h er a n g e01 2t o7 01 2 ，m e a s u r e d e r r o ro ft h ed e t e c t e dt e m p e r a r u r ei s0 2 5 ，a n di nt h er a n g eo f8 0 1 2t o1 0 0 1 2 ，t h ee r r o ri s o 5 k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r es e n s o r ；f pc a v i t y ；p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ：p i np h o t o d i o d e ：s i n g l e c h i pm i c r o - c o m p u t e r ；d a t aa c q u i s i t i o n ：d y n a m i cd i s p l a y i n g i v t 0 a l 一 一 ， 一 目录 目录 1 光纤温度传感器的发展与近况1 1 1 光纤传感器的概述1 1 2 光纤温度传感器的应用与发展2 1 2 1 半导体吸收式光纤温度传感器2 1 2 2 基于黑体辐射式光纤温度传感器3 1 3 光纤f _ p 腔温度传感器的国内外研究发展概况及其应用前景4 1 4 本论文的主要研究方向与意义6 2 光纤f _ p 腔温度传感头的结构及设计8 2 1 光纤f - p 腔的基本原理8 2 2 光纤f - p 腔的数学模型8 2 3 光纤f - p 腔传感器的结构特点1 0 2 3 1 本征型光纤f - p 腔传感器1 0 2 3 2 非本征型光纤f - p 腔传感器1 0 2 3 3 线型复合腔光纤f - p 腔传感器一1 1 2 4 光纤f - p 腔温度传感头的优化设计与制作1 1 2 4 1 光纤f - p 腔的初始腔长的优化设计1 2 2 4 2 光纤f - p 腔的初始腔长的确定方法1 3 2 4 3 光纤f - p 腔端面反射率的优化设计1 6 2 4 4 光纤f - p 腔温度传感头的性能分析和理论仿真1 8 2 4 5 光纤f - p 腔温度传感头的制作2 0 2 5 本章小结2 2 3 光电信号检测电路设计2 3 3 1 前置放大电路设计2 3 3 1 1 光电探测器的选择2 3 3 1 2p i n 光电二极管的工作原理2 5 3 1 3 前置放大电路的基本分析2 6 3 1 4 前置放大电路的噪声分析2 7 3 1 5 前置放大电路的设计和器件选择2 8 3 1 6 前置放大电路设计的一般原则2 8 3 2 差动放大器的电路设计2 9 3 2 1 单运放差动放大电路3 0 3 2 2 双运放差动放大电路3 0 3 2 3 三运放高共模抑制比差动放大电路( 仪器放大器) 3 1 3 3 调零电路的设计：3 2 3 4r c 有源低通滤波器的电路设计3 2 3 4 1 二阶低通滤波器的传递函数3 3 3 4 2 电容c 的确定3 3 3 4 3 其它元器件参数的确定3 4 3 5 本章小结3 5 4 单片机系统的硬件设计3 6 4 1 微处理器及其资源的分配3 6 西安理工大学硕士学位论丈 4 2 数据采集芯片a d 5 7 4 a 和可编程控制芯片8 1 5 5 的介绍3 7 4 2 i 数据采集芯片a d 5 7 4 a 的简介3 7 4 2 2 数据采集芯片a d 5 7 4 a 结构和引脚功能3 8 4 2 3 可编程删i o 芯片8 1 5 5 的简介3 9 4 2 4 可编程r a m i o 芯片8 1 5 5 的结构与引脚功能4 0 4 3 键盘与显示电路设计4 1 4 3 i 键盘接口电路4 l 4 3 2 显示接口电路4 l 4 4a d 5 7 4 a 数据采集和动态显示的硬件电路设计4 2 4 5 报警电路4 3 4 6 硬件电路的抗干扰设计4 3 4 6 1 地线及电源线设计“ 4 6 2 去耦电容的配置4 4 4 7 本章小结4 6 5 单片机测试系统的软件设计4 7 5 1 系统的主程序设计4 7 5 2a d 转换程序模块4 8 5 3 数字滤波的程序模块4 8 5 4 线性插值模块4 9 5 5 显示程序模块5 0 5 6 键盘程序模块5 1 5 7 软件抗干扰设计5 1 5 7 1 开关量的输入输出抗干扰设计5 2 5 7 2 软件陷阱5 2 5 8 本章小结5 2 6 实验系统与结果分析5 3 6 1 实验系统原理框图5 3 6 2 实验系统的搭建5 4 6 3 实验方法与实验结果分析5 5 6 3 1 实验方法与结果5 5 6 3 2 光源光谱的影响5 8 6 3 3f - p 腔耦合损耗的影响5 9 6 3 4 横向偏移的影响6 0 6 4 相应改进措施6 2 6 5 本章小结6 2 7 结论6 3 7 i 论文所做的工作6 3 7 2 课题的进一步研究方向6 3 致谢6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表论文6 9 附录l 信号处理原理图7 0 附录2 数据采集与动态显示原理图7 1 附录3 改进后的信号处理原理图7 2 ； 4 f ，飞 ： j ? j 奄 | 光纤温度传感器的发展与近况 1 光纤温度传感器的发展与近况 1 1 光纤传感器的概述 光纤传感技术是随着光通讯技术发展而逐步形成的。在光通讯系统中，光纤被用来作 为远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小 越好。但是，在实际传输过程中，光纤易受外界环境因素的影响，如温度、压力、电磁场 等外界条件的变化将引起光波参数如光强、相位、频率、偏振态、波长( 颜色) 等的变化。 因此，人们如果能检测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的 大小，于是产生了光纤传感技术n ，。 光纤传感技术是利用光纤对特定物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测 量的信号的技术。从7 0 年代中期至今，光纤传感技术经过3 0 多年时间的飞速发展已经有 了很大的进步，已成功研制了百余种光纤传感器，它已涉及到国防军事、航空航天、工矿 企业、能源环保、生物医药、计量测试、自动控制等各个领域。光纤传感器在科研与工业 应用中占有重要地位，其最主要的原因之一在于光纤与金属导线之间的根本区别( 光纤是 由石英玻璃制成的，是一种介质，体积小、重量轻、绝缘性好、且耐高压、耐腐蚀、能在 易燃、易爆的环境中可靠地工作，光纤本身对被测对象不产生影响) 。这一区别使光纤传 感器具有独特的技术优势阮钉： 1 不受电磁场的干扰：这是光纤传感器优于其它传统传感器的最重要的特性之一。 光纤传感材料的电绝缘特性使得传感测头不会引起短路或其它的电安全问题。同样光纤传 感器不吸收电磁辐射，也无因辐射引起的读数混乱。 2 传感器的小型化：光纤传感器的小型化使得它在生物医学等行业中有一定的应用， 同时因体积小，光纤传感器通常有较快的响应速度。 3 安全：大部分光纤传感器的敏感头为全光信号形式，在恶劣环境下不会产生因电 火花等引起的安全问题。这使得光纤传感器在化学工业界的应用尤其具有吸引力，特别在 有大量易燃易爆气体或气体混合物的场合。 4 遥测：传感器的这一特性使得被测物体可以远离传感器中控室。 5 其它的特性：动态范围很大，具有极高的灵敏度和分辨率。 光纤传感器种类繁多，人们常将传感器分类如下： 光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。功能型光纤传感器是利用光纤本身 作为敏感元件，所以又称传感型或物性型光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用其它敏 感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号， 所以又称为传光型或结构型光纤传感器。 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可以分为强度调制光纤传感器( 利用外界因素 西安理工大学硕士学位论文 改变光纤中光的强度，通过测量光强的变化来检测外界物理量的传感器，这是最早研究和 应用的一类传感器，其特点是结构简单、光强度信号可以直接利用光电探测器进行检测) 、 相位调制光纤传感器( 利用被测量改变光纤中光波的相位，通过检测相位变化来测量被测 量的传感器) 、频率调制光纤传感器( 利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化 来测量被测物理量的传感器) 、偏振态调制光纤传感器和波长( 颜色) 调制光纤传感器。 光纤传感器按被测对象不同又可以分为光纤温度传感器，光纤压力、振动传感器，光 纤位移传感器，光纤角速度传感器，光纤应变、弯曲传感器，光纤速度、流速传感器，光 纤加速度传感器，光纤磁场传感器，光纤电压、电流传感器，光纤电磁场传感器，光纤光 谱传感器等。 光纤传感器可探测的物理量很多，目前，通过光纤传感器传感、测量的物理量已达 7 0 余种，然而，无论是探测哪种物理量，其工作原理无非都是利用被测量的变化调制传 感光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测量。 因此，光调制技术是光纤传感器的核心技术。 1 2 光纤温度传感器的应用与发展 温度是一切物理、化学和生物过程的重要状态参量之一，温度测量在工程应用和科学 研究中占有十分重要的位置。以热电偶、铂合金和半导体等为代表的传统温度传感器，以 其原理简单、测量精度高、成本低等优点而广泛应用在国民经济、国防建设等各个领域， 但是在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下，基于电信号测量的传统温度传感器便显得束手 无策。而光纤本身不受射频和其它电磁辐射干扰的影响，不产生电火花并且绝缘性好等特 性，使得光纤温度传感器成为上述恶劣环境下的有效测量手段。目前，已经成为商业产品 的实用温度传感器有两类：测量温度从一1 0 0 4 0 0 的半导体吸收式光纤低温传感器等： 另一类是温度范围从5 0 0 2 0 0 0 的基于黑体辐射的高温传感器1 4 l 。 1 2 1 半导体吸收式光纤温度传感器 半导体吸收式光纤温度传感器由一个半导体吸收器、光纤、光发射器和包括光电探测 器的信号处理系统等组成，如图1 - 1 所示。 s e m i c o n d u c t o ra b s o r p t i o n o p t i c a lf i b e rt e m p e r a t u r es i 朗1 s o r 2 图卜l 半导体吸收式光纤温度传感器结构示意图 f i gl - ls c h e m a t i cd i a g r a mo f s e m i c o n d u c t o ra b s o r p t i o no p t i c a lf i b e rt e m p e r a t u r e 辩n s o r 光纤温度传感器的发展与近况 半导体吸收式光纤温度传感器体积小、灵敏度高、工作可靠、制作简单、而且没 有杂散光损耗。因此，应用于象高温、高压电力装置中的温度测量等一些特殊场合中， 是十分有价值的。 半导体吸收式光纤温度传感器的工作原理是基于半导体材料对光吸收的温度相关特 性。由于大多数半导体的能带间隙随温度的增加而近似线性地减小，相应于基本的光学吸 收带边沿的波长( “带沿波长 ) ，随温度按大约0 3 n m l c ( 对于砷化镓而言) 的速度朝更 长的波长方向移动如图卜2 所示。当温度变化时，透射过半导体材料的光强将发生变化， 通过检测其光强，则可得出相应的被测温度量。在- 2 0 5 0 温度范围内，可达到的准确 度优于2 删。 w a v e l e n g t h l p m 图1 2 半导体吸收式光纤温度传感器的温度特性 f i g1 - 2t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f s e r n i c o n d u c t o ra b s o r p t i o n0 p 6 c a lf i b e rt e m p e r a t u r es e n s o r 1 2 2 基于黑体辐射式光纤温度传感器 辐射式温度传感器是众所周知的一种非接触性温度传感器，它不影响被测物体的温 度。高温物体辐射光从可见光到红外光，其强度随温度升高而增大，峰值波长变短，根据 普朗克法则： 只= c l 矿 e x p ( c 2 t d - 1 。1 ( 1 1 ) a ，t = 2 8 9 7 ( i t m d e g ) ( 1 2 ) 式中只为辐射能量，五为光波长，t 为黑体辐射温度，a 。为峰值波长， c l = 3 7 4 x 1 0 川6 w n 1 2 为第一辐射系数，c 2 = 1 4 3 x 1 0 - 2 m k 为第二辐射系数。 若检测出该辐射光，并测量其强度或光谱就可以测量出物体的温度h 盯。 测量中由于周围背景的辐射、测试距离、介质的吸收、反射及透射率等的变化都会严 重影响准确度，同时辐射率也很难预知。但因该温度计的结构简单，使用操作方便，而且 自动测量，测温范围宽，故在工业中一般作为固定目标的监控温度装置。该类光纤温度计 测量范围一般在6 0 0 , - , 3 0 0 0 ，最大误差为1 6 7 1 。 主要适用于：高电压大电流、强电磁场噪声、强辐射等恶劣环境中的温度测量；易燃 易爆的危险场所中的温度测量；无法直接观察到测温目标的或空间狭小的场所中的温度测 量；高温介质的温度测量。 西安理工大学硕士学位论文 1 3 光纤f - p 腔温度传感器的国内外研究发展概况及其应用前景 在光纤传感器中，干涉型传感器的精度最高，干涉型光纤传感器按其结构分为迈克尔 逊( m i c h l s o n ) 、马赫一曾德( m a c h - z e t m d e r ) 、赛格纳克( s a 舯a o 、法布里一珀罗腔( f a b r y p e r o t ) 等几种类型，光纤法布里一珀罗腔传感器由于结构简单、体积小、高可靠性、单根光纤信 号传输、容易实现等优点而受到广泛的应用。 国外对于光纤传感器的实用化研究进展普遍比国内快，一些研究机构和公司已研制和 开发了多种基于不同解调机理和用于多种物理量测量的光纤传感器系统。例如：加拿大的 r o c t e s t 公司研制的白光法布里一珀罗光纤传感器用于桥梁结构的应力、应变、结构振动、 结构损伤程度等内部状态，并取得较好的测试结果。美国f i b e rd y n a m i c si n c 开发的基于 光纤法布里一珀罗干涉传感元和光纤马赫一曾德干涉相位解调型高温传感器。美国l u n a i n n o v a t i o ni n c 开发的基于非本征法布里一珀罗干涉原理的用于应变、温度、流速等测量的 波长解调型光纤传感仪阳1 。日本一家建筑公司利用已商品化的光纤温度传感器，成功地应 用在隧道中检测混凝土凝固过程中的温度变化。英国的y 0 r k 公司研制的第三代产品 d t s 8 0 系统的温度分辨率为lx 2 ，准确度为0 3 n 1 。挪威正在开发永久性用于井下测量 的光纤光栅温度和压力传感器。在1 9 9 0 - - - 2 0 0 0 年间，各国研究机构发表了大量关于光纤 f p 腔传感器的论文。 在7 0 年代末，我国就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。目前， 已有很多高等院校和科研单位在光纤传感器和光纤传感技术这一领域开展研究工作，如清 华大学、华中科技大学等，并且形成了一支训练有素的研究和应用队伍，已研制成多种光 纤温度传感器，但我国的研究水平与发达国家相比，还有不小的差距，大多数仍处于实验 室研究阶段，不能投入批量生产和工业化应用。如清华大学研制的分布式光纤温度传感器 的分辨率为7 ，燕山大学研制的半导体吸收式光纤温度传感器的分辨率为o 1 。但是 光纤f - p 腔温度传感器结构简单，较易实现，它不仅具有一般光纤传感器可靠性好、抗电 磁干扰、抗腐蚀等优点，还具有测量精度高、动态范围大、线性度好等优良特性，从而得 到广泛研究与应用。 燕山大学毕卫红教授研制的基于f p ( f a b r y p e r o t ) l 刍光干涉原理的新型光纤温度传感 器，结构如图1 - 3 所示，将2 根端面镀膜的多模光纤插入到空芯光纤中，形成f p 干涉腔， 其中入射光纤用胶固定，调节反射光纤直到合适的腔长值后，用胶固定。该传感器可对温 度进行绝对测量，并具有稳定性高、抗电磁干扰能力强的特点，温度测量范围为4 0 1 0 0 ，分辨率达到0 1 盯。 4 严 ； 盖 光纤温度传感器的发展与近况 图1 3 光纤f - p 温度传感器1 0 1 f i g l - 3o p t i c 脚f i b e rf - pt e m p e r a t u r es e n s o r 大连理工大学张桂菊博士研制的基于非本征f a b r y p e r o t 腔的干涉强度调制型光纤 温度传感器，光纤温度传感器系统框图如图1 - 4 所示，宽带光源发光二极管( l e d ) 发出的 光经过2 x 2 耦合器c l 传给f p 传感头，传感头返回的光信号再次经过耦合器c l 及c 2 后 分成两路，一路直接传给光电二极管d i ，另一路经过窄带滤光片再传给d 2 ，光信号经过 光电转换及放大后由计算机采集处理，该传感器在2 0 - - - 2 0 0 量程内，温度变化最小分 辨率为0 1 ，长期测量精度达到0 2 c 1 1 1 2 。 图1 - 4 基于f - p 腔的干涉偶度型光纤温度传感器系统【1 i 】 f i g l - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fi n t e r f e r e n c e j i n t e m i t yt e m p e r a t u r es e n s i n gs y s t e mb a s e d o i lf - pc a v i t y 西安理工大学赵小强等研制的基于光纤f a b r y - p e r o t 腔结构的双膜温度传感器，如图 卜5 所示。该传感器基于f p 腔结构，采用f p 腔多光束干涉机理。该传感器f p 腔的上 反射端面有双层膜组成，f - p 腔的下反射端面由光纤端面抛光后实现的，当被测温度发生 变化时，由于“双膜效应”而导致上反射面热挠曲，相应地f p 腔的腔长发生变化，从而 导致f p 腔输出光强发生变化，通过测量输出光强的变化即可测得相应温度的变化。在 o c - - - 8 0 量程内，测量灵敏度平均为6 6 8 2 n w ，精度为0 7 | 1 3 , 1 4 | 。 5 西安理工大学硕士学位论文 b i m e t a l 露曩寡曩= 曼! 嚣暑= ! 霉曩：曩；寮暮；冀蠹麓 鬻篓箍；鬻燕磐：辨鬻i 鞋鬻i ；骞镦 黪麓囊黪薅i 舀瀚黪囊墓黧 ：+ ： ： 囊瓣蛹黝g 麟臻璧i ：韶蕊羹j ：蝣：爵：搴釜： o p t i c a lf i b e ri l 图1 - 5 f - p 腔双膜温度传感器 f i g l - 5d o u b l e - f i l mt e m p e r a t u r es e n s o rb a s e do nf - pc a v i t y 石家庄铁道学院刘永前副教授等设计的埋入式f p 光纤温度传感器，结构如图1 - 6 所示，由于组成光纤传感头的多模光纤和玻璃毛细管均是由石英玻璃材料制成，当温度升 高或者降低时，玻璃毛细管和多模光纤同时受到温度的影响，同时膨胀或者收缩，因此， p r o t 船t i o ns l e e v e s e a l i n gs t e e lp i p e 3 c r l 3 n o n - r u s ts t e e ls h i p 图1 - 6 埋入式f - p 光纤温度传感器示意图1 5 1 f i g l - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo ff l u s ht y p ef - po p t i c a lf i b e rt e m p e r a t u r es e n s o r 光纤传感头的f - p 腔腔长本身不受温度的影响，如果将光纤温度传感头固定在对温度敏感 的元件上，当温度发生变化时，温度敏感元件将会发生热胀冷缩，并带动玻璃毛细管伸长 或者缩短，从而导致f - p 腔腔长的变化，根据腔长的变化量，则可以反推出温度的变化量。 通过性能考核实验及现场实际应用表明，该埋入式f p 光纤温度传感器的测试精度可达到 o 1 ，具有优良的防水性能和精度稳定性，并在秦沈客运专线辽河特大桥水化过程检 测实验中得到应用。 1 4 本论文的主要研究方向与意义 本文的研究工作是在充分借鉴前人研究成果的基础上，对非本征光纤法布里一珀罗干 涉传感器的解调机理进行了研究，为开发实用性光纤f p 腔温度传感器提供了理论依据； 鉴于现有的光强检测设备一光功率计不能有效地抗外界环境、温度的干扰和光源波动的影 响，精度较低，且不能将被测量直观地显示。为此在课题中，针对光纤f p 腔温度传感器 的开发了一种新型的光电信号检测和显示系统，结合所设计的温度传感头，则构成了一个 完整地温度传感、测量系统，既克服了光源波动、外界环境温度等因素的影响，提高了系 统的抗干扰能力，又降低了成本，实现了对温度的实时、准确地测量。 6 光纤温度传感器的发展与近况 本论文的主要研究内容如下： 1 研究光纤法布里一珀罗腔的输出光强与腔长变化的数学模型，详细介绍了光纤传感 器的结构特点，对光纤f - p 腔的初始腔长和反射系数进行了优化设计和理论仿真，并完成 了光纤f p 腔温度传感头的制作。 2 深入研究了微弱光电流信号检测的一般方法，并对电路的噪声进行分析，针对所 研制的光纤f - p 腔温度传感器输出的微弱光信号，设计了具体的信号调理电路。 3 利用单片机a t 8 9 c 5 1 设计了测控系统，并对数据采集和实时显示系统的软、硬件 部分进行了详细的介绍。 4 详细介绍了实验系统结构及仪器装置，搭建了完整的实验系统，对实验结果进行 了误差分析，并提出相应的改进措施。 7 西安理工大学硕士学位论文 2 光纤f - p 腔温度传感头的结构及设计 2 1 光纤f - p 腔的基本原理 光纤f - p 腔传感器是从光学f p 干涉仪( 1 8 9 7 年，由法国科学家c f a b r y 和a p e r o t 发明) 发展而来的，它是由两块端面镀以高反射膜、间距为三、相互严格平行的光学平板 组成的光学谐振腔( 简称f - p 腔) 。当一束光射入f