光纤温度传感器研究报告

1、光纤传感器研究与设计报告题 目: 姓 名: 学 号: 年 级: 专 业:报告设计名称：光纤光栅温度传感器传感器功能描述：光纤温度传感器，是将光纤光栅同定随温度变化发生形变的材料上，当外 界温度发生变化时，材料也会发生形变，从而导致固定在材料上的光纤光栅的光 栅常数发牛改变，从而测出温度度的变化。光纤光栅加速度传感器与其他电子类 加速度传感器相比，具冇本质防电、抗电磁干扰、信号传输距离远和灵敏度高等 特:点。光纤温度传感器可测量0900摄氏度高温，并且灵嫩度较高。传感器的应用领域：汽车尾气监测、船舶、发动机温度监测和航天等。传感器设计指标:光纤布拉格光纤温度传感器，使用蓝宝石光纤光栅作为传感元件

2、，配合双金 属的热致变形，达到测量温度的目的。光纤布拉格光栅固有的温度灵敏度较低， 所以配合双金属能够将传感器的将灵皱度提高。此次设计的光纤布拉格光栅温度 传感器是一种高温传感器，需要在0900度高温屮工作，因为蓝宝石的融变温度 为2053摄氏度，并且蓝宝石光纤具有较高的机械性能和强度，可以减小振动的 影响，所以采用蓝宝石光纤光栅作为探头部分。汽车中各部分的温度大概如图所示：井h歧骨800消声器183%中排气管400-t前氧传583420-c后氧传s3 45ox幷气尾管io(rc300x三元催化 转化器45gc传感器的基本原理：光纤布拉格光栅固定在双金属组成的系统屮，温度发生变化吋，双金属的

3、变形量不同，会拉扯光纤布拉格光栅，使光纤布拉格光栅发生变形，使光栅常数 改变,由下式:2 = 2人知光栅常数改变后，布拉格光栅发射的波长就发牛变化，通过测量波长的漂移量测 得温度。两种金屈的热仲缩系数分别为$和闵，则可知道温度升高1度时两种金屈 的伸缩量分别为：/, = e 厶则可知温度每升高1度时两金屈棒间的变形量的差为：/ = q厶-a2l2所以当温度升高t摄氏度时，两金属棒间变形量的差，即光纤光栅的变形量为： 总=丁匕厶一厶2 )光纤光栅变形后其光栅常数改变，然后其反射的波氏就会发生改变，波k发生改 变后就可以测得其波长漂移量，这样就能到所测的温度。传感器设计方案：利用飞秒激光在蓝宝石光

4、纤上刻制光栅，方法为光纤沿着z轴匀速移动， 利用飞秒激光器射出激光，透过相位掩膜板的光束聚焦在光纤上进行曝光，从而 在光纤上形成光栅如图所示。为避免蓝宝石光纤的六棱柱结构对折射率调制形 貌彩响，可以通过将蓝宝石光纤置于填充折射率匹配液的柱形毛细管屮加工，或 者通过ccd观察系统调节光纤方向，以使某一晶面垂直激光波矢方向（x轴）o入射方向蓝宝石光纤iz飞秒激光相位掩模板技术刻写光栅将制作好的蓝宝右光纤光栅与传导光纤熔接。将两种不同膨胀系数的金屈加 工成棒状结构，并按照结构图进行组装，然后将蓝宝石光纤光栅固定在陶瓷传感 探头的内部，将传感探头和传感器壳体组装到一起。最后加上保护套。传感器的安放位置

5、如下图所示：传感器的制作工艺：（材料的材质、组装、焊接、退火）光纤光栅利用飞秒激光逐点写入，蓝宝石光纤和其他光纤熔接比较困难，所 以可以使用光纤连接器将蓝宝石光纤和传导光纤连接在一起。光纤光栅安装时耍 考虑光纤的脆性，并月在光纤光栅的两端使用高温同化胶来同定，防止光纤光栅 的窜动影响传感器的精度。低膨胀金属选择铜h62,高膨胀金属选择45#钢。将两种金属制作成圆柱状, 将其尾部固定，另一端固定光纤，在其结构外加陶瓷外壳，加强导热性。变形金 属按图示结构安装，固定部分可以用焊接的方式进行联结。传感器保护外层可以使用陶瓷纤维布，陶瓷纤维布具冇良好的耐高温、导热 系数低、抗热震、低热容等特点，具有优

6、良的高温绝缘性能，使用寿命长，具有 良好的低温和高温强度，无毒、无害、对环境无不良影响。陶瓷纤维布连续使用 温度可达1000°c,短时间使用温度可达1260°c o传感器的标定测试：温度传感器的标定和大多数其它传感器的标定一样，最普遍的方法就是将传 感器放置在一个可精确测定的、已知温度的环境中一段时间，然后记录检查传感 器的输出是否与已知的环境温度一致，并计算出传感器的误差。由于自然环境下 温度始终是一个缓变的物理量，所以一般情况下对温度传感器的检定是屈于静态 的，这也能满足绝人部分温度传感器的实际需要。改善温度传感器的动态特性最 好的方法就是选用反应敏感的感温材料和减少传感器感温部分的质量，降低其热 惯性。温度传感器的标定过程实际上也是确定温度传感器的齐参数指标，尤其是 精度问题，所以这个过程所用测量设备的精度通常要比待标定传感器的精度高一 个数量级，这样通过标定确定温度传感器性能指标才是可靠的，所确定的精度才 是口j信的。标定装置：光源、光栅、光谱仪、数字化热学实验仪等部分。系统的组成如 图所示。光谱分析使用的是wgd-8a型组合式多功能光栅光谱仪，其光栅密度为 1200l/mm待测传感器置于精密恒温热源表而，恒温样品台周围用隔热材料包覆 以保温。标;匸系统如图:-二 层 温4 rl恒