华侨大学
硕士学位论文
塑料光纤浮游植物荧光传感系统的研究
姓名：范金友
申请学位级别：硕士
专业：物理电子学
指导教师：庄其仁
20071201
摘要
荧光光纤传感器是现代光纤传感器技术领域研究的热点之一。它通过测量物质的荧光光谱特性来鉴别被测物质的种类和浓度，在海洋环境监测方面具有相当的应用潜力。海水中的浮游植物是海洋生态系统中最主要的初级生产者和能量的主要转换者，它是初级生产力的基础。本文将荧光测量法和光纤传感技术相结合，采用弱光信号检测技术，提出一种测量海水中浮游植物荧光的塑料光纤测量方法，为海洋污染的监测和治理以及估测海水中浮游植物生物量的研究提供一种新的检测手段。
本文论述了荧光测量法的基本原理和特点及塑料光纤传感原理，并对浮游植物的荧光特性进行了分析，设计了荧光光纤测量系统的总体方案。由于海水中浮游植物产生的荧光信号很微弱，而且受到背景光噪声的影响，所以采用高灵敏度、低噪声的光电倍增管作为荧光信号探测器，及以锁相放大器为核心的微弱信号检测电路，并针对光电倍增管设计了高稳定的直流开关电源，实现了对微弱荧光信号的激发、收集、传输、探测及处理。论文中给出了各部分硬件电路原理图和参数设计，由于采用了锁相放大器，检测电路具有较低的噪声系数和较高的共模抑制比，从而提高了系统的分辨率。
通过研究激发光波长与荧光强度的关系，海藻浓度变化与荧光强度之间的线性关系曲线，证明了用塑料光纤荧光传感器测量浮游植物浓度的可行性。
关键词：塑料光纤，浮游植物，光电倍增管，锁相放大器，高压电源，光电信号检测
ABSTRACT
Fluorescence optical-fiber sensor is one of the hot-spot problems in the field of modern optical fiber sensor technology. It discriminates the category and concentration of measured materials by measuring the fluorescence spectral characteristic and has great application potentialities in the field of ocean environment monitoring. Phytoplankton in the sea is the main primary producer and energy transducer in ocean ecological system, and also the base of the primary productive forces. This paper presents a new type of plastic optical-fiber measurement system for measuring phytoplankton fluorescence in the sea by means of the fluorescence measuring methods, optical-fiber sensing techniques and weak light signal detection techniques. It provides a new kind of detection method in monitoring and governing ocean pollution and in the study of estimating phytoplankton’s biomass in the sea.
The paper discusses the basic principle and characteristic of fluorescence measurement method and the sensing theory of the POF, analyses the fluorescence characteristic of phytoplankton, and designs the whole project of the fluorescence optical-fiber measuring system. The fluorescence signal produced by phytoplankton in the sea is very weak and influenced by background light noise. Therefore, the photomultiplier (PMT) with high sensitivity and low noise is used as fluorescence signal detector.
The weak signal detecting circuit is based on lock-in amplifier. Besides, a high-precision switch mode power of high voltage for PMT is designed. They realize the excitation, collection, transmission, detection and processing of weak fluorescence signal. The paper includes hardware circuit diagrams and parameters design. Because of using the lock-in amplifier in the circuit, the detecting circuit has lower noise coefficient and higher Common Mode Rejection Ratio (CMRR), and then enhances the gain.
The experiments proved the feasibility of the POF fluorescence system for measuring phytoplankton concentration by researching the relationship between excitation light wavelengths and fluorescence intensity, the algae concentration and fluorescence intensity.
Keywords: Plastic optical fiber, Phytoplankton, PMT, Lock-in amplifier, High voltage source, Optoelectronic signal detection
第一章绪论
1.1光纤生物传感器的研究现状
光纤生物传感器是指以光学换能器为基础的生物传感器，主要由产生信号的敏感元件、光学换能器（又称为“光极”）和信号处理仪器等几部分组成。光纤生物传感器的光极多种多样，如吸收光谱、反射、折射率变化、荧光、磷光、散射、消失波和表面等离子共振（SPR）等各种形式[1]。按照生物受体元件的性质分，光纤生物传感器可分为五大类[2]，即酶传感器、免疫传感器、核酸传感器、细胞器或全细胞传感器和仿生受体传感器。
光纤生物传感器技术则是一门新兴的交叉学科，它是在生物工程和各种技术学科相互渗透的基础上发展起来的，主要涉及到临床医学、生物学、材料科学、微电子学和光学等多门学科。由于基于“光极”的光纤生物传感器具有探头直径小，信息传输容量大，能量损耗低和抗电磁干扰能力强等重要优点，在医学临床、生物工程、食品工业、环境监控乃至军事等方面有广泛而巨大的应用前景。
光纤生物传感器诞生于20世纪八十年代，是在电化学生物传感器的基础上发展起来的，从90年代开始，各类光纤生物传感器的研制开发成为生物传感器的发展热点，在光纤生物传感器的组成部分方面（分为子识别系统、换能器系统、传感膜基质和传感动力学等）的研究不断涌现新的成就。许多生物元件，如受体、抗原、抗体、酶、核酸、DNA、微生物、动植物组织和细胞等，都成功的用于传感器的分子识别系统，通过荧光、磷光、消失波、化学和生物发光等信号进行检测，灵敏度已达到较高水准[3-11]。
目前，国内外都对光纤生物传感器进行了大量的研制和开发，其中，尤其以美国的海军研究实验室和Research International公司最为领先[12]。现阶段，通过检测指示剂荧光被淬灭的程度，则可达到检测氧气含量以及间接推测产生氧气物质含量的目的[13][14]，另外还有用于检测胆碱的光纤生物传感器[15]以及用于人体免疫的光纤传感器[16]等。光纤生物传感技术的蓬勃发展使之成为光纤传感技术的一个重要分支。
1.2浮游植物的监测研究进展
浮游植物是海洋中主要的初级生产者，约29000种，隶属不同门类，大小在
0.2～2000m μ的浮游植物提供了海洋初级生产的90%～95%[17] 。按照浮游植物个体大小，分为微微型浮游植物（picophytoplankton:<2m μ）、微型浮游植物
（nanophytoplankton:2m μ～20m μ）
、小型浮游植物（microphytoplankton20～m μ200m μ:）和中型浮游生物(mesoplankton:200m μ～2000m μ)。也有将微微型和微型浮游植物中＜5m μ的种类称为超微型浮游植物（ultramicrophytoplankton ）[18]。海洋生态环境的改变直接导致浮游植物群落结构的变化。赤潮是海洋中的微藻、原生动物或细菌在一定环境条件下暴发性增殖或聚集，引起水体变色或对海洋中其它生物产生危害的一种生态异常现象。赤潮爆发时，因赤潮生物种类和数量的不同，海水可呈现红、黄、绿等不同颜色。赤潮的危害性极大，有毒赤潮生物分泌的毒素可直接导致海洋生物大量死亡，或者通过食物链传递造成人类食物中毒。无毒赤潮生物则因其产生的粘性分泌物堵塞鱼、贝的呼吸系统，或者由于赤潮生物大面积衰亡时消耗了水体中大量的氧气，而造成大面积的鱼、贝窒息死亡。研究表明，赤潮不仅给水体生态环境造成危害，也给渔业资源和生产造成重大经济损失，而且还给旅游业和人类带来了危害，已成为全球性的海洋灾害之一，是国际上广泛关注的综合性研究课题[19]。
浮游植物种类和数量的监测是海洋科学研究中一项例行的基础性工作。随着全球，特别是我国近海赤潮频发，迫切需要一种能够直接、快速进行浮游植物种类和数量分析的方法。传统方法是使用显微镜计数法和标准的沉淀计数法[20]，费时且对人员专业素质要求高，不能适应大批样品的统计分析。目前使用和正在研究的方法中，除传统的显微镜方法外，主要有图像法、高压液相色谱法、光谱法、化学发光流动注射法、DNA 分子探针法、流式细胞仪法和荧光分光光度法，并且出现了多种技术联用的趋势[21]。
传统的显微镜技术可同时获得海洋浮游植物的组成和数量。但是对于许多脆弱的物种，如有些鞭毛藻，采集时活着，过滤或保存时就分解破碎了[22]；而且微型浮游植物，特别是微微藻因外部形态特征不明显而难以识别。另外，取样不均匀、样本数量小，以及自养生物分开观察等，均可造成常规方法分析的严重误差。虽然使用高倍的扫描电子显微镜可以鉴别微微藻，但单个样品检测时间冗长，工作量大，且重现性不好，费用较高，需要专业人员进行操作，无法在大规模海洋生态调查中使用[23]。尽管如此，显微镜技术目前仍然是海洋浮游植物种类鉴别和
数量测定的经典的基础方法，是确定其他分析方法有效的参考。
国外的研究者应用图像技术进行浮游植物种类识别[24-26]。其中，Pech-Pacheco 等在墨西哥托斯桑托斯海湾，利用光学-数学系统识别了五种海藻，其识别准确率大于90%。研究者计划在此方法基础上建立浮游植物种类的自动识别系统。
自20世纪80年代高压液相色谱法用于浮游植物色素的组成分析，是目前唯一一种被广泛接受的准确测量叶绿素的方法。1996年，澳大利亚的Mackey等开发出了程序CHEMTAX，利用HPLC分析浮游植物的色素组成，来估算不同类别浮游植物的数量。这一成果得到澳大利亚、美国、英国、日本、西班牙等国家研究者[27-31]的广泛认可。鉴于高效液相色谱技术需要有机溶剂萃取浮游植物色素，并且高效液体色谱仪不适合在一般调查中使用，所以无法实现浮游植物的现场快速自动测量。
吸收光谱法起初主要用于浮游植物叶绿素的估计[32]，某些物质的测量[33]，光合成色素的分析[34]以及非藻类颗粒物的测量[35]。美国国家航空和宇宙航行局NASA 第四版的海洋光学测量规范中给出了测量海水样品中浮游植物、溶解有机物和颗粒物的标准方法[36]。Hoepffner和Sathyendranath研究了北大西洋西部海域浮游植物的吸收光谱以及由总颗粒物吸收光谱测定浮游植物色素的方法。Johnsen等研究了31种赤潮浮游植物的体内吸收光谱，使用“逐步识别分析”，根据其辅助叶绿素，将其分为四类，即含Chlb,Chlc1或Chlc2,.Chlc3,以及不含辅助叶绿素的四类，也可以将含有叶绿素Chlc3的有毒甲藻单独归为一类，但由于其吸收光谱的相似性而无法将有毒种群进一步分类。中国的研究者提出了赤潮浮游植物与悬浮物光谱的辨别方法[37],王明兹等研究了藻类吸收光谱与生长周期的关系。美国科学家同样应用“逐步识别分析”将实验室培养的裸甲藻与硅藻、含甲藻素的甲藻等浮游植物的吸收光谱分开[38]，表明吸收光谱可用于裸甲藻种群的识别。进一步地，应用“四阶导数分析”和“光谱相似性分析”，测定了天然浮游植物群落中裸甲藻的数量，但无法识别其他赤潮浮游植物[39]。瑞典和挪威的研究者把9种属于六个门类浮游植物的体外可见光谱作为指纹[40]，运用主成分分析进行定性分析，并宣称将来有可能通过互联网创建浮游植物吸收光谱的数据库，该数据库可以方便地添加新物种的光谱和同类浮游植物在不同生长条件下的光谱。据此数据库，运用化学计量学，建立光谱解析模型，对浮游植物进行分类。尽管已有不少有关应用可见分光光度法识别海洋浮游植物种类和数量测量的报道，但主要限制在实
验室应用，因为可见分光光度法灵敏度的限制，使用该技术一般需要浓缩或萃取植物所含色素等前处理再进行分析，因此难以实现现场自动监测。
化学发光流动注射分析方法可用于特定赤潮浮游植物的检测。东京大学的研究人员建立了两种化学发光流动注射分析系统来检测赤潮异湾藻（Heterosigma
0?与超氧化物探carterae）[41]。在一个系统中，H.carterae释放出的超氧负离子2
针2-甲基-6-（对-甲氧基苯基）-3,7-二羟基咪唑[1,2-a]-吡嗪-3-酮（2-methyll-6 (p-methoxypheny1)-3,7-dihydroimidazo [1,2-a]- pyrazin-3-one:MCLA）反应；在另一个体系中，H.carterae释放出的过氧化氢在过氧化氢酶（Arthromyces ramosus peroxidase:ARP）催化下与发光体反应，化学发光由光电倍增管检测。该系统能够进行H.carterae的快速检测，检测时间对于依靠MCLA发光的约需2分钟，对于luminol/ARP发光的仅需1分钟，在102～105个/mL的H.carterae细胞密度区间呈线性响应关系，其它浮游植物在该体系中无响应。方法的检测仅适合于在赤潮形成初期检测赤潮异湾藻。
生物技术在海洋浮游植物种类识别研究中的应用已成为一种趋势。Murayama-kayano等研究的随机放大多形态DNA技术（Random Amplified Polymorphic DNA Technique）可用于浮游植物的识别；新西兰的科学家报道了识别亚历山大藻属物种（Alexamdrium species）的SSU和LSUrDNA基因顺序[42]，为设计物种或种属特异的分子探针提供了数据；于志刚等发明了快速定量检测中肋骨条藻的遗传标记和方法以及对藻类进行定性定量分析的方法[43]。
荧光分析技术分为：基于单颗粒荧光分析法—流式细胞仪和基于群体荧光光谱分析法。基于单颗粒荧光分析法是将样品细胞悬浮于液体中，并在流动过程中逐个经过测量区进行快速测量。它的特点是可同时测量每个细胞的多个参数，根据这些特征参数对细胞群体进行分类筛选，进而对各亚群分别进行研究。国外海洋科学家率先将此方法用于海洋浮游植物的研究，20世纪80年代发现了海洋中的
μ[44]，流式法一类微小植物－原绿球菌（藻）（Prochlorococcus）,粒径0.6～0.8m
特别适合于包括原绿球菌在内的微微型浮游植物的研究[4546]，配合使用着色剂，可以有效地识别海洋浮游植物种类[47]。Boddy等应用流式细胞仪，运用光射线子函数神经网络分析（radial basis function neutral network analysis）识别了72种浮游植物，准确率达70%。国内的研究始于20世纪中期，焦念志和杨燕辉以1997年2-3月采自东海的海水为样品，采用SYBRGreen1染色剂对微型生物细胞DNA染色后
进行流式细胞仪分析，研究了SYBRGreen1区分真核微型浮游植物、蓝细菌、原绿球藻以及异养细菌的效果。采集每个细胞的前向散射光（FSC）、侧向散射光（SSC）、红色荧光（Red-FL）、橙色荧光（Orange-FL）和绿色荧光（Green-FL）信号进行细胞特性分析。其中FSC和SSC分别是反映细胞大小和性状的参数，而Red-FL和Orange-FL分别是叶绿素和藻红素的荧光，Green-FL是DNA着色荧光。根据这些参数两两对应的FCM图谱比较确定的四类微型生物在图中的位置将彼此区分开来。结果表明，该方法可较好地分离四类超微型生物，同时对于一般性细胞分类和计数，可省去采用的DNA染色前处理步骤，大大提高分析速度。与传统方法相比，采用流式细胞仪对四类超微型生物进行同步监测，可避免以往不同类群生物不同方法观测所造成的系统误差，并可快速批量处理样品[48]。张利华利用流式细胞技术对东、黄海水域中微微型浮游植物进行识别测量的初步探讨[49]。实验结果表明，可以直接利用细胞内含有的不同色素经氩离子激光器488 nm波长的蓝光激发产生的自发荧光，通过FACScan流式细胞仪进行识别。近来，在流式细胞仪基础上增加CCD，将流式细胞技术与显微镜技术结合，已有商品出现，如FLOWCAM藻类分析仪，可以对浮游植物进行探测，计数和摄取图像，能够给出每一种藻的尺寸、图像及叶绿素和藻红蛋白的含量，能够对藻的图像进行处理，经图库比对，对藻进行分类测量，现在建立图库已经可以对亚历山大藻类进行识别。对10-1000微米的藻样品，勿需处理即可以10毫升/分钟的速度进行测定。这些功能是通过显微成像和藻的荧光信号和散射光信号进行处理来完成的。总之，基于单颗粒检测的流式细胞分析具有直接测量海水样品，并且快速、可同时定性、定量的优点，但是流式细胞仪价格昂贵，使其应用受到限制。
荧光光谱分析最先用于现场浮游植物分类和数量测量[50]。体内荧光测定方法由Lorenzen提出，广泛用于研究叶绿素a的分布。利用荧光光谱鉴定浮游植物色素种类的研究开始于20世纪70年代，美国研究者根据叶绿素/F（450，685），其中F（λex,λem）等于激发荧光强度与发射荧光强度之比，识别了硅藻/甲藻/球石藻，绿藻，隐藻和蓝藻四个门类。美国的研究者通过现场测量藻红蛋白荧光发射光谱波长的位移，推断了海水中含藻红蛋白的浮游植物种类的数量的变化[51]。欧洲研究者利用荧光光谱特征研究了浮游植物群落组成[52]。Kaitala等发现辅助色素与叶绿素的荧光比值不随生长期变化，可以通过“选择激发浮游植物色素”来分析浮游植物群落的色素组成。这一方法首先要在实验室里建立重要浮游植物单
一物种的光谱特征分类，然后通过天然水体光谱与单一物种光谱基本特征的比较分析，得到浮游植物色素组成。20世纪90年代，德国bbe-moldaenke公司制造的荧光藻类分析仪，运用浮游植物的激发荧光光谱的特征，使用5个发光二极管（LEDS）,在450nm,525nm,570nm,590nm和610nm处发光，用光电倍增管测量荧光强度，绿藻在450nm处有最大荧光值，蓝藻在610nm处最大，隐藻在570nm处最大。硅藻和甲藻光谱相似，无法分开。通过直接测量海水可对四类浮游植物进行定性定量，用于浮游植物的粗略分类。德国的研究人员依据类似的原理，采用7个发光二极管，开发了蓝细菌的原位荧光分析仪器。芬兰的研究者利用三维荧光光谱，检测了浮游植物群落结构的变化，研究了春、夏季节Riga海湾浮游植物的分布以及溶解有机物的分布情况[53]。
需要说明的是，研究人员常常将不同方法结合使用。例如德国Wiltshire等通过与HPLC法的比较，校正了用“延迟荧光”和“瞬时荧光”方法测定的悬浮物中浮游植物的生物量，众多研究者将浮游植物的吸收光谱、荧光光谱联系起来考虑[54]，Lutz等研究了天然浮游植物样品吸收光谱与其激发荧光光谱间的差异，仔细地研究了单一浮游植物藻种的吸收光谱、激发荧光光谱随光照增强而发生的变化[55]等。
1.3光纤浮游植物荧光传感系统的研究前景和意义
浮游植物生物量的多少决定了海区内生态系统的群落结构和能量分布状态[56]。海藻是主要的海洋浮游植物，海藻浓度的大小是监测海水环境的重要指标。调查统计表明，我国水污染主要来自于有机物污染，目前的检测水平还比较低，如用显微镜对细胞浓度计数方法测量，这种方法不仅费时费力，而且由于采样的随机性大，使测量结果不能代表大水域的藻类浓度，更不能描绘其分布图，因此要设计一种既能快速的实地测量海藻浓度，又能多点同时测量的系统。通过测量海域中的海藻的浓度，估计浮游植物的生长趋势，能够有效的预测赤潮等的产生，减少赤潮造成的损失。从已做过的研制工作及发表文献来看，这种新传感方法的发展趋势有以下特点：
(1) 许多研究工作都把注意力集中于用光纤传感器来实现遥感测量。这是最能体
现光纤优越性的一个领域，已有人利用光纤探头深入到地表以下50m处检测碳氢化合物类的物质发出的微量荧光，也有深入到水下几十米深进行探测的
实验。为了监测地下水的污染状况，有人使用了具有双重遥测功能的荧光光纤传感器。为了扩大范围，还出现可调谐波长的激光系统与光纤相结合实现远距离测量，针对恶劣的环境气氛(如有毒性、腐蚀性等)也出现了能进行遥测的荧光传感器。从发展的趋势看，在环境的选择性测量中，荧光光纤传感器会受到更多的重视。
(2) 研究工作的另一个关注点是将荧光光纤传感器用于实时、现场的检测并提高
其可靠性。例如已研制了监测对维持生命有重要作用的生物量的浓度以及它们的新陈代谢状态的光纤荧光光谱仪，对生物体重要参数的测量也取得了进展。作为现代检测技术的发展方向，这种传感器对在线测量是大有作为的。
(3) 荧光光纤传感器以其独特的优点，在许多方面都能得到应用，尤其在一些极
端的环境及条件下都能够正确地进行测试。例如，可以对极低浓度的物质(如荷尔蒙、胆固醇等)测量；对极微小体积样品的检测；在低温条件下测量荧光强度及寿命；可以在超临界流体中检测荧光，以每秒120～150个样品的速率进行高速检测等等。
论文研究的意义
作为一种比较新兴的检测浮游植物的技术，光纤浮游植物荧光传感器深受国内外学者的关注，目前国内尚处于初步研究阶段，所以本论文关于“塑料光纤浮游植物荧光传感系统的研究”还是很有意义的。它一方面适应了国际上生物传感器的研究方向；另一方面，在实用化方面对水质的检测具有重要的意义，可防止像2007年太湖污染那样的情况发生，提高人们的生活质量。
1.4 本论文的研究内容
本论文研究的主要内容包括：
(1) 对荧光的发光机理和光谱特性、塑料光纤传感特性等进行分析、论证。
(2) 设计有效的微弱信号检测系统，并消除环境背景杂散光及光源不稳定
等因素对系统精度的影响。其中针对光电倍增管详细设计了高稳定低
纹波系数的高压电源以及用于检测微弱信号的锁相放大器，给出了各
部分的电路图，并给出了参数及仿真结果。
(3) 根据荧光光谱的强度对水中浮游植物的浓度进行分析、判断，并以此
来判断水质的好坏程度。
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实验五 反射式光纤位移传感器 一、实验目的 了解反射式光纤位移传感器的结构，学习和掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和应用。 二、基本原理 反射强度调制式光纤传感器具有准确、结构简单、价格低廉等优点，广泛应用于各种位移、压力和温度传感器中。反射式光纤位移传感器的基本结构如图5-1所示，其中发射光纤通常由一根光纤构成，接收光纤有时候由单根光纤构成，而有些时候为了提高光的接收效率也经常由多根光纤构成。本实验采用的传光型光纤，它是由两根光纤的一端熔合后组成的Y 型光纤，一根作为发射光纤，端部与光源相接发射光束；另一根作为接收光纤，端部与光电转换器相接接收反射光。两根光纤熔合后的端部是工作端也称传感探头，截面为半圆分布即D 型结构。由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收光信号经光电转换器转换成电压信号。 图5-1 反射式光纤位移传感器示意图 传光型光纤反射式位移传感器的发射调制方法，可用等效分析法来分析。首先，画出接收光纤关于反射体的镜像，然后计算出该镜像接收光纤在发射光纤纤端光场中所接收到的光强值，最后将该光强值乘以反射体的反射率R ，作为传感器的最后输出光强。如图5-2中的a 图所示。 接收光纤的镜像坐标即它的等效坐标位置为F （2z ，d ），这里z 为发射接收光纤的端面与反射体之间的距离，d 为发射光纤轴心到接收光纤轴心之间的距离，由此可以获得接收光纤接收到的光强为： ]] )/(1[exp[])/(1[)(2 2/30202222/3020c c tg a z a d tg a z RI z I θζσθζσ+-?+= 其中，0I 为光源的光强，σ为表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，它的值为1，0a 为光纤的纤芯半径，ζ为光源种类及光源与光纤耦合情况有关的调制参数， c θ为发射光纤的最大出射角。此函数的曲线形状如图5-2中的b 图所示。 reflector
第1章绪论 现代科学技术的迅猛发展,使人类社会从高度工业化向信息化转变,在信息化时代,人类将主要依靠对信息资源的开发及其变换,传输和处理进行社会活动.传感器是感知,获取,检测和转换信息的窗口,处于研究工作对象与传输系统的接口位置,被比喻为电子计算机实现电脑智能化的"五官".可以设想,如果没有高度保真和性能可靠的传感器,纵有再好的传输和处理设备也无法发挥作用.因此,传感器是实现信息化时代的主要技术基础。 传感器又被称为"80年代最有代表性的珍品",目前已广泛应用于国防军工,工,农业生产,环境保护,生物医学,计量测试,交通运输,自动控制和家用电器等各个领域拓展.电子和电脑,空间海洋,遗传,材料和能源等关键工程的开发,首先就要有能传感各种强,高,弱,微和边缘效应的传感器,这些特殊领域的突破将给人类科学技术带来不可估量的进展,产生巨大的经济效益.因此,传感器是现代科学技术开拓的先锋。 光纤与激光,半导体光探测器一样,是一种新兴的光学技术,即形成光电子学新的领域是20世纪后勤工作半期重大发明之一。以光纤作为信息传输介质的光纤通信,自1970年美国康宁(Corning)玻璃公司制成20dB/km的光纤充来,得到广泛的重视和发展。短短的十几年就从实验室研究走向实用化,现正在形成产业,社会经济效益与日俱增。 在70年代中期,人们开始意识到光纤本身可以构成一种新的直接交换信息的基础,无需任何中间级就能把待测的量和光纤内的导光联系起来。自1977年美国海军研究所(NRL)开始执行光纤传感器系统(FOSS)计划以来,光纤传感器的概念在全世界的许多实验室里变为现实。 随着光纤传感器的研制,国际间的学术研究交流活动日益增多。从1983年起,国际光纤传感器会议(International Conference on Optical Fiber Sensors)定期召开。
设计性实验报告 实验课程：医用传感器设计实验学生姓名：程胜雄 学号: 080921037 专业班级：08医工医疗器械方向 2010年12月8日
光纤温度传感器的设计 摘要：介绍了金属热膨胀式光纤温度传感器的设计，利用金属件的热膨胀的原理，通过绕制在金属件上的光纤损耗产生变化，当光源输出光功率稳定的情况下，探测器接收光功率受温度调制，通过光电转换，信号处理，完成温度的换算。传感器以光纤为传输手段，以光作为信号载体，抗干扰能力强，测量结果稳定、可靠, 灵敏度咼。 关键词：光纤，传感器，光纤传感器，光纤温度传感器 在光通信系统中，光纤是用作远距离传输光波信号的媒质。在实际光传输过程中，光纤易受外界环境因素的影响；如温度、压力和机械扰动等环境条件的变化引起光波量，如发光强度、相位、频率、偏振态等变化。因此，人们发现如果 能测出光波量的变化，就可以知道导致这些光波量变化的物理量的大小，于是出
现了光纤传感技术。 一：光纤传感器的基本原理 在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示 E=错误！未找到引用源。 式中，错误!未找到引用源。是光波的振幅：w是角频率；■为初相角。 该式包含五个参数，即强度错误!未找到引用源。、频率w、波长错误！未找到引用源。、相位（wt+ J和偏振态。光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已知调制的光信号进行检测，从而得到被测量。当被测物理量作用于光纤传感头内传输的光波时，使的强度发生变化，就称为强度调制光纤传感器；当作用的结果使传输光的波长、相位或偏振态发生变化时，就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传感器。 （一）强度调制 1.发光强度 调制传感 器的调制 原理光 纤传感器 中发光强度的调制的基本原理可简述为，以被测量所引起的发光强度变化，来 实现对被测对象的检测和控制。其基本原理如图 5-39所示。光源S发出的发 光强度为错误!未找到引用源。的光柱入传感头，在传感头内，光在被测物理 量的作用下强度发生变化，即受到了外场的调制,
FS-V21/21G/21RP/21RM/21X 光纤传感器调试方法 1、基本组成 本系列的光纤传感器外观基本由以下几部分组成，从左到右依次为： （1）SET键，此按钮可用于敏感度设定。本传感器的基本原理为：通过光纤探头对不同介质折射率的感应，从而获得数字信号，显示在屏幕上，通过显示数值的大小与设定灵敏值的比较发送开关量。 （2）指示灯，此灯在传感器有信号输出时发生亮灭变化。 （3）“设定灵敏值”，在屏幕上显示为绿色，表明当前设定的灵敏值。当探头采集到的数值变化至此数值时，传感器产生信号。 （4）“当前灵敏值”，在屏幕上显示为红色，显示传感器当前采集的数值。（5）“选择按钮”，及左右箭头，可以实现各种功能的选择，相当于翻页键 （6）“模式选择按钮”，此按钮可用于设定不同的工作模式。 2、接线方法 （1）F S-V21/21G/21R/21RM/21X：棕线：L+24V 黑线：信号线 橙线：1-5V 蓝线：公共端 （2）FS-V21RP：棕线：L+24V 黑线：信号线蓝线：公共端 3、灵敏度校准 （1）全自动校准：在工件进入探头的灵敏区域时，按住“SET”键不放，保持3秒，灵敏值将会被设定，显示为绿色 （2）两点校准：在工件未进入灵敏区域时，按住“SET”键保持三秒，有一个敏感值被记忆，然后将工件放置在敏感区域，按下“SET”键保持三秒，另一个敏感值被记忆，当敏感值从一个值变化为另一值时，传感器产生电平变化。 （3）一般校准：也可以通过按“选择按钮”，及左右键来增减敏感度的设定值。 （4）位置校准：在工件未进入灵敏区域时，按住“SET”键保持
三秒，然后将工件放置在离探头一定距离，按下“SET”键保持三秒，一个敏感值被记忆，当工件每次到达此位置时，传感器产生电平变化。 4、常开常闭设定 按下最右侧的开关选择按钮，可以选择，内部开关为常闭还是常开。
1 概述 传统的温度测量技术在各个领域的应用已很成熟，如热电偶、热敏电阻、光学高温计、半导体以及其它领域的温度传感器。它们的敏感特性主要是以电子信号作为传感媒介，即利用温度对电子信号的调制作用。而在特殊工况和环境下，如在易爆、易燃、高电压、强电磁场、具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等环境下，光纤温度测量技术具有独到的优越性。由于光纤本身的电磁绝缘性以及固有的宽频带等优点，使得光纤温度传感器突破了电子温度传感器的限制。同时由于其工作原理是利用温度对光信号的调制作用，传感或传输方式多采用石英光纤，传输的幅值信号损耗低，可远距离传输，使传感器的光电器件脱离测温现场，避开了恶劣的环境。在辐射测温中，光纤代替了常规测温仪的空间传输光路，使尘雾、水汽等干扰因素对测量结果影响很小。光纤质量小、截面小、可弯曲传输，因此可测量不可见的工作空间的温度，便于特殊工况下的安装使用。光纤由于温度测量的机理与结构形式多种多样，基本上可分为两大类：一类是传光型，它利用某种传感元件把光的强度、波长等与温度有关的信息作为测量信号，由光纤将信号传递到探测器；另一类是传感型，它以光纤本身为传感元件，将光的相位、波长、强度等为测量信号。光纤温度传感器机理及特点如表1所示。 光纤传光型温度传感器通常使用电子式敏感器件，光纤仅为信号的传输通
道；传感型光纤温度传感器利用其本身具有的物理参数随温度变化的特性检测温度，光纤本身为敏感元件，其温度灵敏度较高，但由于光纤对温度以外的干扰如振动、应力等的敏感性，使其工作的稳定性和精度受到影响。其中荧光衰减型、热辐射型光纤温度传感器已达到应用水平。 其中，荧光光纤测温技术可以实现不同工作情况，尤其是电磁干扰下的温度测量。荧光是辐射的去活化过程。荧光材料原子受到某一波长的辐射而激发时，辐射去活化，发出辐射。荧光是发射光，它涉及吸取和再发射2个过程，每个过程都是瞬间的，但在2个过程之间存在一时间间隔，它依赖于荧光去活化过程。 荧光光纤温度传感器不仅限于表面温度的定向测量，其探头可以插入固体物质中、浸入液体中或导入设备中，到达特定区域。荧光测温与其它测温方法相比具有诸多优点，如实现温度的绝对测量，测温精度不受被测体表面发射率的影响，在中低温范围内有很高的灵敏度和测温精度等。 2 荧光光纤测温原理 当发光材料受到某种波长的入射光照射，吸收光能后从基态进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的波长长的出射光（通常波长在可见光波段），而且一旦移除入射光，发光现象也随之立即消失，即出射光消失，具有这种性质的出射光就被称之为荧光。 荧光产生机理 由普朗克定理可知，当发光材料接收到无论哪种形式的入射光能量时，发光材料中的电子将发生能级跃迁现象，而在能级跃迁的过程中伴随着波长为λ的出射光。 其中 21hc E E hν λ -==（1）
毕业设计(论文)开题报告题目：光纤温度传感器的研制 系别 专业 班级 姓名 学号 导师 ****年** 月*** 日
一、毕业设计（论文）综述（课题背景、研究意义及国内外相关研究情况） 本毕业设计研制的光纤温度传感器是指在光纤温度传感系统中，光纤作为光波的传输通路，设计一种光纤传感系统，测量待测物体的温度并与标准温度计的测量值、比较、定标以实现实用化的光纤温度测量系统。 光纤和光纤通信的问世和发展，引起了各界人士的关注，他们试图将这一新技术成果用到各自的领域。光纤传感器的出现正是这样。 目前，从大量文献资料中可看到光纤传感器的研究有如下动向: 1.继续深入研究传感器的理论和技术，解决实用化问题，发展新原理的光纤传感器。 光纤传感器基本原理的研究日益深入，强度、相位调制的传感器更加完善，而对波长调制和时间分辨信息的传感器亦有深入的研究。传感器用于实际测量的主要问题是长时间的漂移效应，漂移效应主要来自光纤传输线的衰减、祸合器和分束器特性不完整、光源输出不稳定及探测器的响应等。人们对此进行了深入研究，提出了许多解决办法，无论采用何种方法，在传感头上使用“比较”技术，使光纤传感器获得长时间的稳定，这样就可以使光纤传感器实用化。 2.从单一传感器进入到传感器系统的研究，并与微处理机相结合形成光纤遥测系统。 单一光纤传感器的研究一进入到实用化阶段，但它无法适用于多参数，多变量的测量。光纤传感器系统的一种形式是采用多路传输的光无源传感器系统，其核心问题是如何节省光路，寻求更有效利用的信息通道，使其能不畸变的更多的传输由各个光纤传感器取得的信号。利用光纤之间、几个无源传感器之间、数据遥测通道之间的多路传输达到此目的。 70年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。 1977年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。 从70年代中期到80年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它
仪器与电子学院实验报告 （操作性实验） 班级： 学号： 学生姓名： 实验题目：反射式光纤位移传感器特性实验 一、实验目的 1）掌握反射光纤位移传感器工作原理； 2）掌握反射光纤位移传感器静态特性标定方法。 二、实验仪器及器件 光纤、光电转换器、光电变换器、电压表、支架、反射片、测微仪。 三、实验内容及原理 反射式光纤位移传感器的工作原理如图3所示，光纤采用Y 型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤，光纤只起传输信号的作用。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位移量。 图1 反射式光纤位移传感器原理及输出特性曲线 四、实验步骤 1、观察光纤结构：本仪器中光纤探头为半圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。 2、将原装电涡流线圈支架上的电涡流线圈取下，装上光纤探头，探头对准镀铬反射片( 即
电涡流片)。 3、振动台上装上测微仪，开启电源，光电变换器Vo端接电压表。旋动测微仪，带动振 动平台，使光纤探头端面紧贴反射镜面，此时Vo输出为最小。然后旋动测微仪，使反射镜面离开探头，每隔0.5mm取一Vo电压值填入下表，作出V—X曲线。 4、根据所测数据求出平均值后，在坐标纸上画出输出电压-位移特性曲线（分前坡和后坡）， 计算灵敏度S=，并在坐标纸上画出V—X关系线性、灵敏度、重复性、迟滞曲线。 五、实验测试数据表格记录 表1 六、实验数据分析及处理 1、线性度： 图2 线性曲线
光纤传感器 ①光纤传感器的基本原理 光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。光纤传感器的测量原理有两种。 (1) 物性型光纤传感器原理 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。 激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。 (2) 结构型光纤传感器原理 结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。 图2 结构型光纤传感器工作原理示意图 (3) 拾光型光纤传感器原理 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
图3 拾光型光纤传感器工作原理示意图 ②光纤传感器的优点 与传统的各类传感器相比，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点。 (1) 电绝缘性能好。 (2) 抗电磁干扰能力强。 (3) 非侵入性。 (4) 高灵敏度。 (5) 容易实现对被测信号的远距离监控。 (6) 耐腐蚀，防爆。 (7) 光路有可挠曲性，便于与计算机联接。 (8) 结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。 光纤传感器在军事、航空、医学、环境监测、土木工程、电子系统等很多领域都有广泛的应用，尤其适用于以下特殊环境： (1) 在高压、电磁感应噪音条件下的测试； (2) 在危险和环境恶劣条件下的测试； (3) 在机器设备内部的狭小间隙中的测试； (4) 在远距离的传输中的测试。
大学物理实验 光纤技术专题实验 学院 班级 学号 姓名 教师张丽梅 首次实验时间2012年9月17日
浅谈反射式强度型光纤传感器 摘要：本文通过物理实验的经历和收获和查阅相关资料，简要地论述了反射式强度型光纤传感器的工作原理，以及国内外对该类传感器研究现状，指出其存在的问题和解决方法。 关键词：反射式光纤传感器，反射面，强度调制，研究，发展趋势 1引言 通过光纤技术专题实验，我对光纤的结构和一般性质，光纤的耦合、传输及传感特性有了一定的了解，尤其是在做第三个实验“光纤传感”时，对反射式强度型光纤传感器产生了浓厚的兴趣。通过查阅资料等手段，写下了这篇浅显的论文。 2反射式强度型光纤传感器及其原理 反射式强度型光纤传感器（RIM-FOS:Reflective Intensity Modulated Fiber Optic Sensor）具有原理简单、设计灵活、价格低廉等特点，并已在许多物理量
( 如位移、转速、振动等) 的测量中获得成功应用。其结构原理如图1。 图2 与传统传感器是以机- 电测量为基础相比,，光纤传感器则以光学测量为基础。从本质上分析, 光就是一种电磁波, 其波长范围从极远红外的1nm 到极远紫外线的 10nm。电磁波 的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此, 在讨论光的敏感测量时必须考虑光的电矢量E 的振动。通常用下式表示:E=Asin( ωt+")
式中A—电场E 的振辐矢量; ω—光波的振动频率;"— 光的相位; t—光的传播时间。由上式可见, 只要使光 的强度、偏振态( 矢量A的方向) 、频率和相位等参量 之一随波测量状态的变化而变化, 或者受被测量调制, 那么, 我们就有可能通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位的调制等进行解调, 获得我们所需要 的被测量的信息。最简单的反射式强度型光纤传感 ( RIMFOS)由光源、发送光纤、接收光纤、反射面以及 光电探测器组成.在图一中S 为光源, D 为检测器。光 源S 发出的光经发送 光纤束全反射传播, 到达反射面( 被测物) , 射 进入接收光纤束再次全反射传播到达检测器D, 测器D 输出相应的电信号U0。 U0=f( d) 在光纤芯半径r、光纤的数值孔径NA、反射面、 检测器已确定情况下, 输出电压U0 只是位移d 的函数。所以通过分析输出电压U0, 可以得到相应位移d的数值, 这样可以实现非接触微小位移的精密测量。
五、注意事项 1.不得随意摇动和插拔面板上的各种元器件，以免造成实验仪不能正常工作。 2.光纤传感器弯曲半径不得小于5㎝，以免折断。 3.旋动螺旋测微丝杆尾帽中出现咔咔声表示不能继续前进，不能超过其量程。 4.在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。 5.不得用手触摸反射面，以免影响实验结果。 六、实验操作 1）光路与机械系统组装调试实验 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 图3 光纤传感器安装示意图 2.将发射和接收部分接入电路，探测器输出信号处理电路不接调零电路，输出端U0接入电路板上电压表。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.选择智能可调档位200mv或者2v档位。 5.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 6.关闭电源。 2）发光二极管驱动实验1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.仅仅把发射部分接入电路。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 5.关闭电源。 3）光电探测器PD接收实验 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.仅仅把接收部分接入电路。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 5.关闭电源。 4）光纤位移传感器输出信号放大处理实验 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.将发射和接收部分接入电路，探测器输出信号处理电路接调零电路，输出端U0接入电压表。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面某一距离后维持不动，调节增益旋钮，观察电压表显示变化，并分析。 5.关闭电源。 5) 光纤位移传感器输出信号误差补偿电路 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座 7
北京普罗迪科技有限公司 描述 不同于传统的温度传感器，荧光式光纤温度传感器是利用纯光学原理进行参数量测的温度传感器，抗电磁干扰、高压绝缘、尺寸微小、稳定可靠、灵敏度高、寿命长、本质安全，具有传统传感技术所无法比拟的优势（见附表1）。 根据上述特点，荧光式光纤温度传感器的细分市场定位于：高压电气设备监控（如发电机、变压器、开关柜、互感器等）、工业微波（如食品加工、硫化工艺、微波消解/萃取仪、消毒/干燥设备等）、磁医疗设备（如核磁设备、肿瘤热疗仪等）、石油化工/煤炭等防爆工业环境、航空/舰船/高端科研等具有高压、电磁干扰环境的温度监控市场。 荧光式光纤温度传感器性能稳定，可靠性高，在工业应用中受到普遍青睐。它的出现突破了高压、电磁场环境对电子元器件的束缚，填补了工业微波、大型电力设备等高压、电磁环境中安全温度监控和检测的技术空白，目前，光纤传感技术已成为智能电网建设的关键技术之一。其发展已经进入摆脱进口、实现技术和服务本地化，通过规模化生产大幅降低成本、进入工业化应用推广的关键阶段。 北京普罗迪科技有限公司荧光式温度传感器技术参数一览表： 测温范围：-40℃～＋200℃ 精度：±1.0℃ 分辨率：0.1℃ 光纤长度：1、3、6、9M可选 采样频率：1s 光纤耐温：-50℃～＋250℃ 数据传输方式：GPRS/CDMA 电源电流：<500mA（24V DC） 电源电压：24V±20%VDC 额定功率：36W 安全标准：EN61010-1：1993/A2：1995 震动：IEC68-2-6：3G；11-200Hz，任意轴向 冲击：IEC68-2-27：50G；11ms，任意轴向 电磁兼容标准：61326-1 电磁干扰：89/336/EWG 环境等级：IP65（NEMA-4） 系统工作温度：-20℃～＋65℃ 系统储存温度：-40℃～＋85℃ 相对湿度：10～95%，无冷凝 尺寸：TBD 重量：TBD
变压器光纤测温装置常见故障及原因分析 发表时间：2018-09-04T14:33:32.047Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第11期作者：程自宽 [导读] 电力系统中，维护电力变压器的正常运行是整个系统可靠供电的基本保证。 特变电工股份有限公司新疆变压器厂新疆昌吉 831100 摘要：变压器绕组温度过高会影响绕组绝缘，并导致变压器绝缘等级下降，减少变压器的运行寿命。光纤测温装置是变压器产品的一种可选配件，可较真实地测量并显示变压器内部测量点的热点温度，为变压器产品的负荷预测、寿命评估和状态评估提供参考数据。变压器是电网一次设备的重要组成部分，变压器的绕组热点温度是决定其绝缘寿命的主要因素。近些年，由于光纤温度传感器具有耐高电压、耐高温、抗强电磁场等优良特性，越来越多地应用到特殊场合的温度测量中。光纤温度传感器种类繁多，其中基于半导体吸收原理的光纤温度传感器由于结构简单、可靠性高、成本较低等特点在近年来的研究中越来越受重视。 关键词：变压器；光纤测温装置；故障；原因 引言 电力系统中，维护电力变压器的正常运行是整个系统可靠供电的基本保证．近年来，我国用电需求快速增长，电力系统发展方向为超高压、大容量．因此，变压器的故障率也随之增加．据相关资料统计，110kV及以上变压器的平均事故率在0．69%以上．尤其是近年来，变压器因过载运行，导致绝缘老化、变压器绕组击穿、烧毁事故率高达75%以上．高压油浸电力变压器的寿命主要取决于固体绝缘（纤维纸）的寿命，温度、水分和氧气是促使其绝缘老化的主要因素．热效应为变压器老化的决定性因素，热点温度的高低决定了变压器的使用寿命．随着光电子技术的高速发展，光纤传感器的诞生为变压器温度测量提供了一种新的技术手段．相对于传统的电信号测量传感器，光纤传感器具有体积小、抗腐抗电磁干扰、耐高温、耐高压等诸多优势，能有效监测电力变压器内部的热点温度．当前最为成熟技术为基于荧光光纤的温度传感器，应用最为广泛的是点式光纤测温产品．该技术最开始从国外进行应用，20世纪80年代，著名的变压器制造厂商如ABB、西门子、东芝的产品上均使用过荧光光纤温度传感器。 变压器的内部温度可以通过以下3种方法获得：热模拟测量法、间接计算法和直接测量法．对于热模拟法，就是通过在变压器中安装热模拟法测温仪表，从而换算出变压器的绕组温度．其优点是经济、冷却系统可以被直接启动．但是，该方法准确性差，测量温度有一定的时差性．在法国电网中，该方法已经被停止使用．间接计算法，就是根据假设的变压器热模型，结合各国的实用经验、国际电工委员会的IEC345－1991标准和我国的GB/T15164－1994《油浸式电力变压器负载导则》标准，推导出热点温升计算公式，具有一定的精度，具有经济、简便、实用性强等特点，但是该方法计算复杂，尤其是由经验得出的计算参数，通用性不强，在变压器现场使用时受到限制．且热模法和间接计算法只能求解热点温度值，不能得到热点的具体位置，实际应用过程中具有一定的局限性．直接测量法是在绕组靠近导线部分埋设传感器，然后通过检测仪表获取传感器附近的温度值，它是一种在线检测设备．直接测量法可以实时、准确测量出绕组热点温度；通过及时启动制冷设备，可以避免因变压器绕组过热引发的事故．该方法最典型的应用代表为荧光光纤温度传感器和半导体光纤温度传感器。 1.概述 光纤测温装置主要由内部光纤、贯通板及贯通器、贯通器防护罩、外部光纤、光纤测温主机及主机控制箱等组成，整体安装结构如图1所示。光纤测温装置结构及操作复杂、精细，使用和装配过程中经常发生损坏故障，笔者对我公司近几年来发现的问题进行了汇总。 图1 整体结构图 2故障情况及原因分析 2.1光纤测量不通 （1）发现光纤探头损坏见图2，光纤探头受力开裂，其内部材料已膨胀出来，清晰可见（见图2中标识位置），测量结果显示光纤不
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 学院名称： 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 2011 年 6 月
光纤式温度传感器的设计 一、设计的目的 通过利用水银的遮光性，以及水银的热胀冷缩性能,当水银达到一定的液位时，从而遮住光纤的传输路线。这达到光纤传输跳跃，通过信号的终断输出到到外输接口的，以达到预期目的。 二、光纤导光的原理 光是一种电磁波，一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论中指出的：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间，可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象，这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此，我们采用几何光学的方法来分析。 由图2-1可以看出：入射光线AB 与纤维轴线OO 相交为θi 入射后折射(折射角为θj ) 至纤芯与包层界面C 点，与C 点界面法线DE 成θk 角，并由界面折射至包层，CK 与DE 夹角为θr 。 图2-1 光纤导光示意图 由图2-1可得出 j i n n θθsin sin 10= （2-1） r k n n θθs i n s i n 21= （2-2） 由（2-1）式可推出 j i n n θθs i n )(s i n 01= 因k j θθ-=090 所以
k k k i n n n n n n θθθθ2 1010 01sin 1cos )90sin()(sin -==-= （2-3） 由（2-2）式可推出 r k n n θθs i n )(s i n 12=并代入（2-3）式得 21 201)s i n (1s i n r i n n n n θθ-= k n n n θ2 22210 s i n 1-= （2-4） （2-4）式中n 0为入射光线AB 所在空间的折射率，一般皆为空气，故10≈n ；n 1为纤芯折射率，n 2为包层折射率。当叫n 0＝1，由(2-4)式得 = i θs i n r n n θ2 2221s i n - （2-5） 当090=r θ的临界状态时，0i i θθ= 2 2210s i n n n i -=θ （2-6） 纤维光学中把(2-6)式中0sin i θ定义为“数值孔径”NA(Numerical Aperture )。由于n 1与n 2相差较小，即n 1+n 2≈2n 1，故(2-6)式又可因式分解为 ?≈2s i n 10n i θ (2-7) 式中121)(n n n -=?称为相对折射率差。 由（2-5）式及图2-1可以看出： 090=r θ时， NA i =0sin θ或NA i arcsin 0=θ,聚光能力的容量。 090>r θ时，光线发生全反射，由图2-1夹角关系可以看出NA i i arcsin 0 =<θθ。 090
光纤传感器技术简介 摘要：光纤传感器技术经过二十多年的研发阶段，已经步入了实用阶段。光纤传感器特有的优点以及广泛的种类使其具备了替代传统传感器的能力。通过环境变量对光纤中传输光束强度、相位、偏振、光谱等光学特性的调制，使光纤传感器能够在远距离监控恶劣环境中系统的温度、应力、电流等不同的物理量。光纤在这个过程中同时起到了信号传感和传输的作用。光纤传感技术在工业，生物，工程，智能结构，人居生活等方面都有广阔的应用前景。本文旨在为读者介绍光纤传感器技术和它的一些应用领域。 关键词： 光纤传感器; 调制型光纤传感器; 分布式传感器; 传感器的应用 An Introduction to Fiber Optic Sensor Technology Liu Wj Abstract: The technology of fiber optic sensor has entered the stage of practical application after the past decades’ development. Fiber optic sensors, with their unique advantages and a wide range of types, have the ability to displace traditional sensors. Fiber optic sensor technology offers the possibility of sensing different parameters like strain, temperature, pressure in harsh environment and remote locations. These kinds of sensors modulate some features of the light wave in an optical fiber such an intensity and phase or use optical fiber as a medium for transmitting the measurement information. This paper is an introduction to fiber optic sensor technology and some of the applications that make this branch of optic technology, which is still in its early infancy, an interesting field. Key words: Fiber optic sensors; modulation based fiber optic sensors; distributed sensors; sensor applications 0引言 光电子学和光纤通信的进步带来了许多新的产业的革命，光纤不仅可以作为一种传输介质，同时也可以用来设计传感系统。利用光纤作为传感元件，或者通过光纤来和传感元件联系的技术都包含在光纤传感器技术的范畴内，光纤传感器技术现在已经是光纤技术中的一个重要分支。光纤质量轻、体积小、电绝缘、耐高温、多参量测量、抗电磁干扰能力强。同时光纤具有传光特性，无需其他介质就能把待测量值与光纤内光特性变化联系起来，集信息传感和传输与一体，容易组成光纤传感网络。这些都使它拥有了其它电子传感器件不具备的优势。
反射式光纤位移传感器实验报告 一、实验内容 1、按照光路图搭建各类光学元件 2、用螺丝固定两侧推平移平台，侧推平移台装在滑块上，然后采用 FC=FC对接法兰连接半导体激光输出接口与塑料反射式传感光纤，塑 料反射式光鲜FC端口与功率计感应端口通过光纤法兰座固定。 3、塑料反射式传感光纤螺纹端夹持固定可调棱镜支架中，并调节可调 棱镜支架的调节旋钮使出射的光路与导轨平行。 4、调节反射镜与反射式光纤跳线之间距离，使得反射端紧贴反射镜， 调节旋钮使得反射光与入射光重合达到反射镜与光路垂直，直到显示 的功率接近0值。 5、固定反射镜与可调棱镜的位置，旋转沿光轴方向（导轨方向）xuan 转侧推平移台尺杆，使反射镜远离光纤发光端，并记录位移-功率值数 据并绘制实验图，在曲线图中线性最好的那一段可作为实际位移传感 器应用。 二、实验结果 三、实验分析 如图，线性较好的第一段（即位移在0-0.3mm间）满足线性化，可作为实际位移传感应用。反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电
转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。
光纤温度传感器 电子092班 张洪亮 2009131041
光纤温度传感器 摘要 本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外 主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较了不同方法的温度测量范围和性能指标以及各自的优缺点。通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点，详细介绍了光纤温度传感器的原理，种类和各自的特点和优缺点。可以根据这些传感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域，本文也简要分析了各种光纤温度传感器的运用范围和领域。本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构，工作电气原理和基本的热力学过程。本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。 关键词：光纤传感器，光纤温度传感器，运用领域，空调器，空调器原理 1 引言： 光纤温度传感器是一种新型的温度传感器．它具有抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点，其中几种主要的光纤温度传感器：分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理，特点和应用范围。70 年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。1977 年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。从70 年代中期到 80 年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。从目前的情况看，己有一些形成产品投入市场，但大量的是处在实验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工作开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是: 光纤传感系统;现代数字光 纤控制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控; 民用研究计划。以上计划仅在 1983 年就投资 12-14 亿美元。美国从事光纤传感器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等 28 个主要单位。美国光纤
光纤传感课程设计报告题目：光纤PWM音频传输系统 学院（系）： 年级专业： 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：
一、设计要求 1、掌握光纤模拟和数字通信系统的工作原理； 2、掌握PWM调制方式的工作原理及其解调方法； 3、完成光纤PWM音频传输系统的电路和光路设计。 二、设计方案 本题目要求包含四个过程，分别是 1.让语音信号通过麦克风转化成电信号。 2.电信号通过放大器放大（一级放大或二级放大）和三极 管放大，用LED将电信号转变成光信号输出。 3.通过光纤作为传输介质，有雪崩光电二极管（PIN）接收， 将光信号转变为电信号，电信号由放大器放大。 4.最后，电信号转换成音频信号，由喇叭输出。 三、系统工作原理 1，语音信号转换成电信号： 我们把语音信号（说话的声音）通过麦克风，转化成电信号，麦克风正极接驱动电源，麦克风负极串联个分压电阻接地，经过转化后的电信号由麦克风的负极输出。（在课程设计过程中所用的麦克风没用正负极的区分，我们人为的给它设定个正负极） 2，输入端电信号的放大： 我们把电信号放大，需要以下两个步骤： 第一，我们把从麦克风负极输出的电信号经过一个耦合电容（10微法左右就行）后在与放大器（运放）相连，目的是消除噪声，经过放大器对电信号的放大倍数应该在100倍左右，如果用一级放大器放大100倍很可能失去电信号的线性关系，所以我采用了两级放大，一级放大倍数乘以二级放大倍数就等于总的放大倍数。我的两个放大电路都是电压串联负反馈放大电路，电压信号都从放大器的正输入端输入，串联一个1千欧的安全电阻，放大器的负输入端接电阻R1在接地，反馈端的反馈电阻R2也接在放大器的负输入端。 我的一级放大电路和二级放大电路都是这样设计的，其中：一级放大电路的R2比R1等于5，二级放大电路的R2比R1等于15，这样我的总共的放大倍数就等于（5+1）*（15+1）=96倍，接近100倍，满足要求。 第二，把从放大器输出的电压信号在经过一个耦合电容（C9），大小也是在几微法就行，目的也是消除噪声。在接三极管（三极管的电路图和LED的数字调制和模拟调制如下
光纤温度传感器 摘要：本文分析了光纤温度传感器在温度探测中的优势，分别介绍了分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器的工作原理，最后综述了光纤温度感器在现代工业及生活的应用。 关键字：光纤传感温度应用 1引言 在科研和生产中，有很多温度测量问题，传统的温度传感器有热电偶，热电阻温度传感器，热敏电阻温度传感器，半导体温度传感器等等。光纤温度传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器。与传统的温度传感器相比，它具有灵敏度高，体积小，质量轻，易弯曲，不产生电磁干扰，不受电磁干扰，抗腐蚀性好等等优点，特别适用于易燃，易爆，空间狭窄和具有腐蚀性强的气体，液体以及射线污染等苛刻环境下的温度检测。 2光纤温度传感器分类 光纤温度传感器按照调制机理可分为相位调制，振幅调制，偏振态调制；按工作原理分，光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体，而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。传光型与传感型相比，虽然灵敏度稍差，但可靠性高，实用的传感器大多是这种类型。 目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。 2.1光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。光纤光栅以波长为编码，具有传统传感器不可比拟的优势，近年来光纤光栅成为发展最为迅速，最具代表性的光纤无源器件之一，已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等。 光纤光栅温度传感器主要有Bragg光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg光栅，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg 光栅效应，其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，满足如下光学方程： =2nA 式中：为Bragg波长，A为光栅周期，n为光纤模式的有效折射率。 长周期光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，其传光原理是将前向传输的基模耦合到前向传输的包层模中。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的重视，是一种新型的宽带带阻滤波器。 光纤温度监测系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调器组成。光纤光栅解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理，以获得测量结果，传输光纤用于传输光信号，光纤光栅传感器则主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光，如图1所示：