温度光纤传感实验报告

一、实验目的

1. 了解温度传感器的原理及分类。

2. 掌握常用温度传感器的性能特点及测量方法。

3. 通过实验验证温度传感器的温度特性。

4. 提高对传感器实验的操作技能。

二、实验原理

温度传感器是将温度信号转换为电信号的装置，广泛应用于工业、医疗、农业等领域。根据工作原理，温度传感器主要分为以下几类：

1. 热电偶传感器：基于热电效应，将两种不同材料的导体熔接在一起，当两端温度不同时，回路中会产生热电动势。

2. 热敏电阻传感器：基于电阻值随温度变化的特性，分为正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）两种类型。

3. 集成温度传感器：将温度传感器与信号处理电路集成在一起，具有体积小、精度高、稳定性好等优点。

三、实验器材

1. 温度传感器实验模块

2. 热电偶（K型、E型）

3. 热敏电阻（NTC）

4. 数字万用表

5. 数据采集器

6. 连接电缆

四、实验步骤

1. 热电偶传感器实验

1.1 将K型热电偶与数字万用表连接，进行冷端补偿。

1.2 将热电偶放入不同温度的恒温水中，记录对应的温度和电动势值。 1.3 绘制温度-电动势曲线，验证热电偶的温度特性。

2. 热敏电阻传感器实验

2.1 将NTC热敏电阻与数据采集器连接。

2.2 改变热敏电阻的温度，记录对应的电阻值。

2.3 绘制温度-电阻曲线，验证NTC热敏电阻的温度特性。

3. 集成温度传感器实验

3.1 将集成温度传感器与数据采集器连接。

3.2 改变环境温度，记录对应的温度值。

3.3 验证集成温度传感器的温度特性。

五、实验结果与分析

1. 热电偶传感器实验

实验结果显示，K型热电偶的温度特性较好，具有较高的精度和稳定性。但在冷端补偿过程中，需注意温度计的准确度。

2. 热敏电阻传感器实验

实验结果显示，NTC热敏电阻的温度特性较好，具有较高的灵敏度。但在高温区，电阻值变化较大，易受环境因素影响。

实验名称 光纤光栅温度传感实验

一 实验目的

1、了解在光纤的纤芯中制作光栅的基本方法（光纤光栅的制作）；

2、掌握光纤光栅信号传输的原理；

3、掌握光纤光栅温度传感的原理；

4、进一步掌握新的光纤光栅布喇格波长的检测方法（长周期光纤光栅线性滤波解调方法）；

5、掌握普通光纤光栅温度传感的优点及其适用范围。

二 实验仪器

ASE自发辐射宽带光源，光纤跳线，法兰盘，光谱仪（单模通信光纤接口），光纤耦合器（测反射谱峰值时用，测透射谱峰值不需要），温度控制仪（模拟实际测量温度场），光纤熔接机（代价大，仅限备用）

三 实验原理

1. 光纤布喇格光栅原理

光纤布喇格光栅的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式祸合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，图1表示了其折射率分布模型。整个光纤曝光区域的折射率分布可表示为：

1121232[1(,,)] r(,,) r r nFrzanrznaana （1）

式中 F(r,φ,z）为光致折射率变化函数，具有如下特性： 1(,,)(,,)nrzFrzn

maxmax1 (,,) (0)nFrzzLn

(,,)0 ()FrzzL

式中 a1 为光纤纤芯半径；a2为光纤包层半径，相应的n1为纤芯初始折射率；n2为包层折射率；△n(r,φ,z）为光致折射率变化；△nmax为折射率最大变化量。

因为制作光纤光栅时需要去掉包层，所以这里的n3一般指空气折射率。之所以式中出现r和φ坐标项，是为了描述折射率分布在横截面上的精细结构。

图1 光纤光栅折射率分布示意图

为了给出F(r,φ,z）的一般形式，必须对引起这种折射率变化的光波场进行详尽分析。目前采用的各类写入方法中，紫外光波在光纤芯区沿径向的光场能量分布大致可分为如下几类：均匀正弦型、非均匀正弦型、均匀方波型和非均匀方波型。从目前的实际应用来看，非均匀性主要包括光栅周期及折射率调制沿 Z 轴的渐变性、折射率调制在横截面上的非均匀分布等，它们分别可以采用对光栅传播常数 kg 修正——与 Z 相关的渐变函数φ(z)，以及采用 △n(r）代表折射率调制来描述。为了更全面地描述光致折射率的变化函数，可以直接采用傅里叶级数的形式对折射率周期变化和准周期变化进行分解。基于这些考虑，可以采用下列

温度传感实验

信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。作为现代信息技术三大支柱之一，传感器技术已经成为各国在科学技术竞争中的关键。温度是物理学中七个最基本的物理量之一，与我们人类的生活、生产关系极为密切，是各门学科与工程研究设计中经常遇到和必须精确测量的物理量。从人体温度、环境温度到工业炉温；从电器、地球到太空，各个领域都离不开测温和控温。因此，温度传感技术在日常生活、工农业和国防军事等诸多领域都有极其广泛的应用。

【实验目的】

熟悉热敏电阻的温度特性和温度传感器的工作机制；

熟悉温度传感电路设计的基本思想；

掌握温度传感实验的测量方法.

【实验原理】

传感器（Transducer亦或Sensor）是将能够感受到的被测量按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。

敏感元器件就其感知外界信息的原理来讲，可分为：① 物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应；② 化学类，基于化学反应的原理；③ 生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能又可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件等十大类。

温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件常见的有铜热电阻、热电偶和半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉（水货也多！）。

一、热敏电阻的温度特性

热敏电阻按温度特性可分为两类：随温度上升电阻增加的为正温度系数（PTC）热敏电阻，反之为负温度系数（NTC）热敏电阻。负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子（电子和空穴）数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型很多，使用范围分低温（-60～300℃）、中温（300～600℃）、高温（>600℃）三种，有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于冰箱、空调、温室等需要定点测温的温控电路中。

光纤温度传感器实验

——作为大学生创新实验的部分及其目标

应力宇，周天，陶继辉，林鸿旸，王叶

（上海大学物理系，上海200444）

摘要：介绍了一种基于光学、光纤混合Mach-Zehnder干涉仪的光纤温度传感器及其实验，由此开展了一项大学生创新实验活动——空间干涉光纤温度传感器小型化设计（制造），提出了相关任务和实现目标。

关键词：光纤温度传感器、大学生创新实验活动、小型化

1 基于光纤Mach-Zehnder干涉仪的光纤温度传感器

我们使用的实验装置如下图所示

干涉条纹的强度分布可由下面的简化推导获得。

设光纤1和光纤2为同型单模光纤，两个光纤的长短差L，外光路光程差S（从光纤出端开始算起到分光镜），光纤的纤芯折射率0n，则抵达屏幕的干涉条纹的相位差为

200SkLnkc （1）

其干涉光强方程（光束中心）

clleIIIII/2121coscos2 （2）

条纹可见度为 21/21minmaxminmaxcos2IIeIIIIIIcll （3）

其中，是出射偏振的方位角，大致地，将两光纤的出射偏振方位调到一致，则它为零。cl是入射激光的相干长度，如果干涉仪在零光程差附近（0,0SL），再设21II，1，

可见性最佳。在光纤马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪中，21II满足的条件应是激光波长与3dB光纤耦合器的工作波长一致。

我们定义沿变温区光纤长度，每单位温度上的相位变化

)(200TnTLLnTL

第一项由应变产生，第二项由折射率变化产生，此量可由实验测得，表征光纤传感器的灵敏度。

图1 干涉条纹 图2 光学及光纤耦合器

图3 测得的干涉条纹随温度变化的强度序列