基于反射式强度调制的光纤温度传感器_马乃兵

1、 1999年第1期工业仪表与自动化装置57基于反射式强度调制的光纤温度传感器马乃兵骆飞孟爱东南京航空航天大学测试工程系南京:210016*摘要本文提出了一种新型的光纤温度传感器结构, 并建立了传感器的数字模型, 推导出传感器输出光信号与温度的相应关系, 最后在实验的基础上得到了输出光信号与温度变化的关系曲线。关键词光纤温度传感器反射式强度调制1引言由于光纤本身具有电绝缘性能好、不受电磁干扰、无火花、能在易燃易爆的环境中使用等优点而越来越受到人们的重视, 各种光纤传感器已相继问世。光纤温度传感器是近几年发展起来的新技术, 也是工业中应用最多的光纤传感器之一。目前研究的光纤温度传感器主要有辐射温度

2、传感器、半导体吸收式温度传感器、光纤荧光温度传感器、光纤液体温度传感器、光纤热色温度传感器、光纤偏振温度传感器、外差干涉温度传感器、干涉型光纤温度传感器、分布式光纤温度传感器等。所有这些传感器, 有的只能应用于某些特殊场合, 有的尚处于研究之中, 而且基本上都是结构复杂、造价昂贵。利用双金属片的温度特性制成的光纤温度传感器已有报道, 但采用的多是传输型结构。A . Mencaglia 等人提出的反射型光纤温度传感器采用了透镜-反射镜面结构2, 但其测量范围比较小, 这就限制了它的应用场合。所以研究一种能应用于多种场合、动态范围宽、结构简单、价格低廉的光纤温度传感器具有现实意义。利用光纤反射式强

3、度调制的机理、双金属片良好的温度特性以及杠杆式千分尺机构的优越性, 本文研制了一种结构简单、应用范围广的新型光纤温度传感器。1微位移(<100L m , 在此范围内, 接收到的反射光强与光纤端面和反射镜面之间的距离成线性关系 。O1、O2、O3为固定轴心, 杠杆BD 可以绕O1转动, 杠杆式扇齿轮机构的杆端可以绕O2转动, 杠杆AO 3与小齿轮固定, 可以带动小齿轮绕O 3转动。A 端活接在双金属片的顶端, 并留有一段活动余地, 如图2-2a 所示。活塞的结构如图2-2b 所示, 为了保证活塞在导向槽中移动自如, 我们采取了3点措施, 一是选择轻质材料, 其次采用滚珠形式, 再者在活塞端

4、面上打了许多圆孔以减轻重量。图2-1温度探头2传感机理2. 1传感器的基本结构传感器的基本结构如图2-1所示。杠杆式千分尺-活塞机构将双金属片的弯曲转变为镜面的水平当温度升高时, 双金属片受热变形, 其端部A 将产生位移, 带动杠杆A O3及定齿轮绕轴心O3转动, 通过杠杆式扇齿轮机构将A 端的位移变为D 的微位移, 再通过杠杆BD 、BC 的传动变为镜面的水平微位移。通过改变镜面与光纤端面的距离, 从而使58光的强度, 可以确定温度的大小。工业仪表与自动化装置1999年第1期图2-4双金属片受热引起的变形(a A 端的结构(b 活塞的结构图2-2(2 杠杆式千分尺-活塞机构杠杆式千分尺-活塞

5、机构如图2-5所示。设双金属片受热变形使得A 点产生的位移为x , 活塞水平移动的位移为y , 杠杆式千分尺-活塞机构的放大倍数为M , 则y =M x 6204(2-22. 2光路组成传感系统的光路如图2-3所示, 传输光纤的E 端与温度探头的光纤相连接。从光源发出的光经耦合器到传输光纤, 进入温度探头的光纤中, 入射到镜面上。由于温度的变化而引起镜面和温度探头中光纤端面的距离发生变化, 从而引起耦合进光纤的反射光的强度发生变化。反射光再耦合进光纤中, 经传输光纤和耦合器, 由光电探测、信号处理得到随温度变化的信号。光源选用波长为1300nm 的LED, 其驱动电路为自制的高稳定度恒流源组成

6、。光电探测器为探测波长1300nm 的PIN 管。耦合器采用3dB 的Y 型结构, 光纤为普通的通信用多模阶跃光纤。这种机构的放大倍数M 可以做到1/5801/图2-5杠杆式千分尺-活塞机构(3 反射光与光纤端面的耦合我们选用的光纤其折射率为阶跃型分布, 设光纤端面到反射镜面的距离为d , 光纤的纤芯直径为2a , 数值孔径为N A , 在反射镜面上的光斑直径为图2-3光路组成2r , 这时光纤所接收的光强等效于输入光纤像所发出的光强。在设计中, 我们选择合适的参数, 使得在活塞的移动过程中, 光纤完全处于其像的光锥之内。如图2-6所示。这时(2-1(2-3 d由于H =sin -1N A ,

7、 所以式(2-3 可以改写成tg H =r =a +d tg H =a +d tg (sin -1N A (2-4假定反射面无吸收, 光功率耦合效率则为交叠2. 3数学模型的建立(1 双金属片当双金属片受热变形时, 其端部产生的位移量由下式给定2X =h式中:$3温度变化l 双金属片长度 3弹性系数K 由两种金属热膨胀系数之差、1999年第1期工业仪表与自动化装置592F =(a +d tg (sin N A (2- 5-1所示。由图可以看出, 光强随着温度的增加而递增, 与我们得到的数学模型相一致。对得到的曲线进行分段线性或曲线拟合, 就可以得到确定光强与温 度的对应关系。图2-6反射式强度

8、调制这种反射式强度调制光纤系统具有非接触、探头小、频响高、线性度好等特点。在系统中为了提高耦合效率, 将光纤端面烧制成球透镜, 其原理是通过扩大光纤接收角2H c , 使进入光纤的光强增加, 从而提高耦合效率。这种具有球透镜端面形状的光纤接收角H c 提高后可达H c =sin-1n 1sin sin -1(c 2+cos -1( 2r c n 1图3-1光信号与温度变化之间的关系c(2-6 2r c式中n 1, n 2分别为纤芯和包层的折射率-sin -1(d c 芯径r c 球半径(4 接收光强与温度变化的关系设光纤端面和反射镜面的初始距离为d 0, 当温度变化$T 时, 反射镜面水平位移

9、为x , 此时, 光纤端面和镜面之间的距离为d =d 0-x(2-74结论本文提出的光纤温度传感器, 在理论模型的基础上, 通过实验验证了其可行性。通过改变双金属片的结构参数可以得到较大的温度测量范围。这种光纤温度传感器对于易燃、易爆环境下的温度检测具有广阔的应用前景。参考文献1张志鹏, (英 W . A . Gambling 著. 光纤传感器原理. 中国计量出版社, 1991. 9. p 1751852A. M encaglia , M. Br enci, A. G. M ig nani. Optica l-fibersenso r net wo rk for tempera ture a nd pr ox imit y co ntro l, First Eur o pean Co nference o n Smar t Str uctures a nd M a-terials, 1992. 5, P 45483余瑞芬主编. 传感器原理. 航空工业出版社, 1995, 8,p2424陈国华. 仪器机构及其应用. 上海科学技术出版社,1986, 3p3738由式(2-1