光纤温度传感器

关于光纤温度传感器第1页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三强度调制型光纤温度传感器原理总长度为J。，有N个刻纹段的刻纹光纤(如图1)受轴向应变力拉伸时，刻纹光纤中传输的光信号输出功率P对轴方向的应变相当敏感，很容易测量出光信号输出功率减少，其原因是由于刻纹段光纤被拉仲时纤芯折射率nco，。及纤芯半径a变化的结果[2,3]，且纹段与未刻纹段将发生大小不同的应变。具有N个刻纹段光纤的输出功率_P与其轴向应变的关系为[2]

第2页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三式(2)中：plL和p12为各向同性物质的弹光系数；口为泊松比；b。和b。为刻纹段和未刻纹段包半径；L。为每个刻纹段的长度。第3页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三对石英光纤n毛(p11—2apl2)+1的数值约为

1．06[，1。可见，G的数值由刻纹光纤的几何结构参数决定：刻纹段数目N越多、刻纹段长度L。越短，刻纹深度越深(即6。／6。的数值越小)，则G的数值越大。

实验结果表明[“：刻纹光纤中输出的光功率P虽然对轴方向的应变相当敏感，但其对环境温度￡变化的响应很小，数量级IdPIPdt=10-6／℃，所以刻纹光纤不适于直接用于温度传感器。这样，在研究传感器性能时，完全可以不考虑由于环境温度的变化而引起的光纤纤芯折射率”。及纤芯半径a的变化。

第4页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三但如果给刻纹光纤敷上金属膜层后，情况就不同了。当外界环境温度发生变化时，由敷在刻纹光纤外表面上的金属敷层将随环境温度的变化而热胀冷缩，使光纤同时产生一个沿光纤轴方向的托伸应变从而引起光纤内传输的光信号变化，这种变化将导光纤输出光功率P发生改变。假设温度为0℃时，金属敷层光纤段假设温度为0℃时，金属敷层光纤段的长度为L。，而L是湿度为‘℃时金属敷层光纤段的长度，a为敷层金属的线胀系数。则：第5页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三式中：P。为初始温度￡。时光纤巾输出的光功率数值。由式(4)可知：当温度t增加时，光纤输出的光信号功率P将减小，G的数值越大，敷层金属材料的线胀系数a越大，光功率P将减小得越快。这样．通测量输出信号光功率P的变化就可得到温度的变化。第6页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三光纤温度传感器的制备传感器的制备包括如下过程：根据划纹光±r的结构参数，在玻璃板}i做成掩膜，通过旋转光纤使除去塑料套层后的光纤段(长度为j。)涂卜一层光刻胶，再将其放入烘箱中烘烤以增加胶膜与裸光纤的粘附，温度般在75℃左右，时间为10--20rain．然后将经过}：述处理过的光纤放在紫外光下进行曝光，再将其浸八丙酮巾。由十未被感光的部分能破丙酮溶解，被感光的部分就被保留下来用作腐蚀时的保护膜。第7页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三显影后，再把光纤放入烘箱中烘烤，这样使留下来的胶膜较牢固地粘附在光纤上，同时也可增加胶膜本身的抗腐蚀能力．至此．待刻纹部分的图案就清晰地呈现在光纤上。使用氢氟酸作为腐蚀溶液，待光纤腐蚀到所需的半径时，从溶液中取出，放在浓硫酸中，除去已刻纹的光钎外层，然后用去离子水洗净。最后，在真空镀膜机巾对刻纹段光纤镀上金属膜层。第8页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三结构参数和金属材料种类对传感器输出光功率

P的影响实验中对不同结构参数和不同金属敷层材料的传感器的温度响应进行了测试，如图2所

结果表明：传感器具有很好的温度响应。其输出光功率随温度t增加而减小。对于不同传感器，具有不同的温度响应特性：N越大、L．越短、刻纹深度越深

(即6。／6。的数值越小)、金属敷层材料线胀系数a的数值越大，随温度f的增加输出光功率减小得越快

第9页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三

结构参数和金属材料种类对传感器灵敏度

在理论上，刻纹光纤温度传感器灵敏度与传感器本身的结构参数、敷层材料的种类以及温度f有关。对于任一传感器，其灵敏度虽然随温度z增加而减小，但减小的幅度却相当小。这主要是由于金属敷层材料银和铝的线胀系数a的数量级为10。5／℃，所以在几百c温度测量范围内，灵敏度随温度的变化是很小的，可近似地认勾灵敏度不变，所以实验时测量传感器在初始温度“时的灵敏度即可。因此可认为：敷层刻纹光纤温度传感器灵敏度H与传感器本身的结构参数和敷层材料的种类有关，与温度f几乎无关。即：

第10页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三通过对具有不同结构参数和不同金属材料种类的传感器的温度响应灵敏度研究发现：传感器具有很高的灵敏度dPl／Pdt．其值可达100／℃数量级．和刻纹光纤未镀金属敷层时相比，数值上大了3个数量级“I。对于不同结构参数的传感器，具有不同的温度响应灵敏度：N越大、L。越短，刻纹深度越深(即6。／6。的数值越小)，灵敏度将越高；同时，如果选择线胀系数n数值大的金属作为敷层材料，那么传感器将具有更高的灵敏度。如表1所示。第11页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三微型F—P腔干涉／强度调制型光纤温度传感器

第12页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三基本工作原理为：1)由于构成F-P腔传感头的光纤与毛细管的热膨胀系数不同，传感头感受到的温度与F—P腔的空隙长度d有一定的对应关系。如果温度的改变使得d的变化范围在多光束干涉强度变化的一个极大值和极小值之间，则温度与干涉强度之间有一一对应关系。2)利用两束不同干涉特性的光在传感头温度改变时的不同响应特性和相似的传输特性，进行自补偿运算，消除光纤传输损耗和光源功率变化对温度测量的影响。由图1可以看出，传感信号来自于F—P腔多光束干涉的反射光，由于入射光石英玻璃光纤端面上的菲涅耳反射率仅为

3．5％，可以将多光束干涉近似为双光束干涉[5]，如图2所示，对于光功率为j。一P(A)的入射光，由F—P腔反射回的光强J，为第13页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三其中8—4积d／A，为产生干涉的相邻光束的相位差，d为F—P腔长度，取空气折射率卵一1，R为光纤端面的反射率；L为耦合器C。到传感头的光纤长度，口(A)为光纤的损耗系数；M。，为耦合器C。由入射端1到出射端1的分光比，在光源光谱范围内，可认为耦合器的分光比与波长无关。发光二极管发光属于自发辐射，光谱的线型近似于高斯型，其输出光功率按频率分布可表示为第14页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三第15页，讲稿共18页，2023年5月2日，星期三这是一种反射式的探头，紫外光经输入光纤照射到前方的荧光粉上，荧光粉受激激发的可见光光谱的某些谱线的强度会随着荧光粉所处温度