光纤温度传感器设计

数字光电技术讲座报告题目：光纤温度传感器系统设计院（系）专业学生学号光纤温度传感器系统设计摘要：主要介绍了基于光纤温度传感器的测温系统的设计方案，分析了光纤温度传感器和信号检测原理,最后用单片机实现数据采集和温度显示的控制。

关键词:光纤温度传感器; 单片机一．设计目的光纤传感器结构简单、体积小、质量轻、在易燃易爆和高温高压的场合下应用具有安全可靠等特点,所以光纤传感器的开发研制倍受青睐,并获得广泛应用，如图一所示，是光纤传感器测量系统，它可对电流、压力、温度、位移等量进行测量。

本设计所研发的光纤温度传感器可用于各种场合的温度检测。

光纤温度传感器一般分为两类:一类是利用光导纤维本身具有的某种敏感功能而使光纤起测量温度的作用,属于功能型,光纤既感知信息,又传输信息;另一类是光导纤维只起到传输光的作用,必须在光纤端面加装其它敏感元件才能构成新型传感器的传输型传感器.这两类的传感器工作原理和设计思想非常巧妙,研究工作都较为入.本设计采用后一种类型的光纤温度传感器，在光纤端面加装对折射率随温度而变化的透明材料，当光入射时就会因为折射率的不同使得进入光纤的光强不同，这样就可以得出光强与温度的变化关系，然后采集所得的信号电压，再通过软件处理就可以在数码管上显示温度信息，这样就可以完成对环境温度的探测。

图一一．原理框图及原理介绍为了得到最好的信噪比和排除环境温度以外的因素对所得数据的影响，本设计采用接收部分电路为两路：一路为参考信号，一路为实际信号；信号处理部分为一路，在同一时刻只对一路信号进行测量，然后用相除的方法对两路信号进行处理，使得两路信号在时间上分开，在空间上统一。

这样就可以大大降低外界非温度因素对系统的影响，提高噪比。

本系统原理框图如下：光纤温度传感器系统原理框图本设计的光纤温度传感器系统有方波发生器、发射驱动电路、接收驱动电路、前置放大电路、选通开关、放大滤波电路、同步相关电路、低通滤波电路、A/D 采样电路、单片机和显示单元等部分构成。

《传感器原理与应用》课程设计（2008级）项目名称光纤温度传感器的设计小组成员李翔 200803011015李斌 200803011016王搏 200803011008指导教师罗武胜鲁琴机电工程与自动化学院《测控技术与仪器》专业目录摘要 (v)Abstract (vi)第1章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2光纤传感器及其分类 (1)1.3光纤传感器的基本原理 (1)1.3.1光强调制型 (2)1.3.2相位调制型 (3)1.3.3偏振态调制型 (3)1.4光纤传感器的特点 (4)第2章光纤温度传感的理论基础 (5)2.1光纤温度传感器简介 (5)2.2分布式拉曼散射 (6)2.3拉曼散射原理 (6)2.3.1 拉曼散射的基本原理 (6)2.3.2自发拉曼散射 (7)2.3.3 受激拉曼散射 (9)2.4 本章小结 (9)第3章光纤测温系统的组成 (11)3.1 光纤测温系统的硬件总体结构 (11)3.1.1 系统的结构及作用过程 (11)3.1.2光纤测温系统的理论分析 (12)3.1.3温度数据的得到方法 (13)3.2 光纤温度传感系统的主要技术指标的影响因素 (14)3.2.2 温度分辨率 (15)3.2.3空间分辨率 (16)3.2.4精度测量 (17)3.2.5测量时间 (17)3.2.6传感用光纤长度的影响 (18)3.3 硬件各部分的具体实现 (18)3.3.1激光器和光纤 (18)3.3.2 分光器 (19)3.3.3光电转换电路 (19)3.3.4数据采集模块 (22)3.3.5 电脑 (22)3.4 软件的实现 (23)3.4.1 Delphi简介 (23)3.4.2 测温系统软件部分 (24)3.4.3 显示子模块 (27)3.5 整体调试 (28)3.5.1 系统调试和标定 (28)3.5.2 系统稳定性分析 (29)3.6 本章小结 (30)第4章光纤温度传感器的应用 (31)4.1 光纤温度传感器在电力设备中的应用 (31)4.2 影响系统稳定性的问题研究 (33)4.3 系统误差分析 (33)4.4 本章小结 (33)结论 (34)参考文献 (35)摘要分布式光纤温度传感器则是重要的利用光纤进行测量的温度传感器。

FBG温度传感器——波长调制
1、基本原理
短周期光纤光栅又称为光纤布拉格光栅（FBG）是一种典型的波长调制型光纤传感器这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。

其结构如图所示
基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长λB的调制来获取传感
信号，其数学表达式为错误！未找到引用源。

=2n eff A
错误！未找到引用源。

为Bragg波长，A为光栅周期，n为光纤模式的有效折射率。

引起光栅布拉格波长飘移的外界因素如温度、应力等会引起光栅周期A 和纤芯有效折射率的改变。

其中光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的变化可以近似地用方程
其中Δλ是反射波长的变化而λo 为初始的反射波长。

2、传感器结构设计
FBG温度传感器的基本构造如下图所示
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，光纤光栅反射波长的移动与温度的变化成线性关系，通过解调器测量光纤光栅反射波长的移动,便可确定环境温度T。

由于光纤布拉格光栅周期和纤芯的有效折射率会同时受到应变和温度变化的影响。

当进行温度测量的时候，光纤布拉格光栅必须保持在完全不受应变影响的条件下。

即需要对光纤光栅传感部分进行封装，保证传感部分不受到外界应力的影响。

光纤式温度传感器的设计光纤式温度传感器又被称为光纤温度计，是一种利用光纤技术来测量温度的传感器。

相比传统的热电偶和热敏电阻等温度传感器，光纤式温度传感器具有响应速度快、抗干扰能力强、耐高温性能好等优点，因此在工业自动化、电力系统、航空航天等领域得到广泛应用。

本文将详细介绍光纤式温度传感器的设计原理和实现方法。

光纤式温度传感器的设计原理主要基于光纤的热致发光效应和光纤光衰减的温度依赖特性。

当光纤受热时，光纤的折射率会发生变化，进而引起光纤信号的衰减。

利用这一原理，可以通过测量光纤信号的强度变化来确定环境的温度。

具体而言，光纤式温度传感器的设计包括传输光源、光纤传输介质、光纤传感部分和信号接收部分等几个关键组成部分。

传输光源通常采用光电二极管、激光二极管或LED等，经过滤波装置过滤出特定波长的光信号。

光纤传输介质一般选用具有低光损耗和高耐温性能的光纤。

光纤传感部分是光纤式温度传感器的核心部分，通常采用光纤光栅、光纤圈漂移或光纤布里渊散射等结构。

这些传感部分中，光纤光栅是目前应用最广泛的一种，其主要原理是通过光纤中周期性的折射率调制来实现传感。

在信号接收部分，光纤传感信号经过光电二极管、光电探测器等转换为电信号，并经过滤波、放大等处理得到温度信号。

同时，为了降低传输过程中的噪声干扰，还可以采用差分放大电路和滤波电路等技术手段。

实现光纤式温度传感器的设计需要考虑以下几个关键问题：首先是光纤的选择。

由于光纤是传输光信号的介质，其光损耗和耐温性能对传感器的性能有很大影响。

因此，在选择光纤时需要综合考虑其损耗特性、折射率温度依赖性、耐温性能等因素。

其次是光纤传感部分的设计。

光纤光栅、光纤圈漂移和光纤布里渊散射等传感结构都有自己的特点和适用范围，需要根据具体的应用场景进行选择。

另外，为了提高传感器的精度和稳定性，还需要考虑温度校准和补偿技术。

通过在不同温度下对传感器进行标定，可以建立温度与光信号强度之间的关系，并利用补偿算法对测量结果进行修正。

分布式光纤温度传感器的设计和优化设计和优化分布式光纤温度传感器随着科学技术的不断发展，智能化和自动化的趋势越来越明显。

分布式光纤温度传感器是一种新兴的传感技术，其通过光纤传感器将温度传感变成光的变化，可以在光纤传输过程中实时检测温度变化。

本文将对分布式光纤温度传感器的设计和优化进行探讨。

一、分布式光纤温度传感器概述分布式光纤温度传感器系统由光纤光源、光纤光学系统、探测器和信号处理器等组成。

传感器通过对光强的变化进行检测，实现对温度的监测和调节。

其优点在于：能够实时监测和控制相应区域的温度；光纤传输距离较长，传输损失小，不受干扰；传感器可以承受高温和腐蚀等恶劣环境，适用于各种工业领域。

二、分布式光纤温度传感器设计1. 光纤传感器的选择。

光纤传感器是分布式光纤温度传感器的核心，对传感器的性能影响较大。

通常采用光纤布拉格光栅传感器，其结构简单，易于集成，可靠性高，价格适中。

2. 光源和检测器的选择。

光源和检测器是分布式光纤温度传感器的两个重要部分。

光源采用光纤光源可以提供稳定、高亮度和均匀的光源。

检测器采用光电二极管和光纤光纤收发机，具有较高的信噪比和灵敏度。

3. 光纤的布置。

光纤的布置是分布式光纤温度传感器的另一个重要方面。

对于大型施工工程，可以采用在光纤缆中织入光纤传感器的方式进行布置，在沿途的路程中能够较为完整地记录温度变化的信息。

三、分布式光纤温度传感器优化1. 信号传输。

分布式光纤温度传感器的信号传输系统，包括光纤接头、光距离、放大器和滤波器等部分。

对于传感器信号的传输和处理，应该采用高速数字信号处理器，以提高信号处理和分析的精度和效率。

2. 线性化和实时响应。

为了提高分布式光纤温度传感器的精度和实时性，应该对光纤传感器进行线性化处理，以消除非线性误差。

同时，应该确保传感器的实时响应性，可以通过同时采集多个光信号来实现。

3. 精度验证和维护。

为了确保分布式光纤温度传感器的精度和可靠性，应该进行定期维护和检测。

目录1 绪论 (1)2 光纤的基础知识介绍 (3)2.1光纤的结构 (3)2.2光纤传输原理 (4)2.2.1传输条件 (4)2.3光纤的温度特性 (5)2.4光纤的机械特性 (6)3 传感器的基本概念 (7)3.1传感器的定义与组成 (7)3.2光纤传感器基本工作原理及类型 (8)3.2.1光纤传感器基本工作原理 (8)3.2.2光纤传感器的类型 (8)3.2.3传感器的数学模型 (9)3.3光纤传感器的调制原理 (10)3.4光纤传感器的特点和发展趋势 (11)3.4.1光纤传感器的特点 (11)3.4.2光纤传感器的发展趋势 (12)4 半导体吸收型光纤温度传感器 (13)4.1工作原理 (13)4.2测量装置结构 (13)4.3光探测器的简要介绍 (15)4.3.1 PIN光电二极管 (15)4.3.2雪崩二极管（APD） (16)4.4光纤传感器的光源要求 (18)5 半导体吸收型光纤温度传感器实现电路 (19)5.1 LED数字式驱动电路 (19)5.2半导体吸收型光纤传感器的接收电路 (21)6 结论 (22)参考文献 (23)致谢 (24)光纤温度传感器的设计中文摘要随着科技的发展，以光纤为核心的各类传感器开始应用于工业领域中，它具有传统各类传感器不可比拟的优点，它的抗干扰性、抗辐射性更强，能满足各种特殊场合的应用并且效果比传统的传感器更好。

本文主要讲叙了以光纤为核心的温度传感器的设计和开发，从光纤的基础入手，首先介绍了光纤的基础知识,诸如:光缆结构,光导纤维的导光原理等,然后结合传感器引入了光纤传感器的定义,分类及工作原理;而本次论述的对象是光纤温度传感器的定义,因此以温度为被测量对象,根据实际需要,结合具体传感器自身的特点,选用了半导体吸收型光纤传感器并介绍了其根本结构,基本原理,随后给出了半导体吸收型光纤温度传感器的实现电路,由此一个成熟的光纤温度传感器就论述完毕了。

当然光纤温度传感器有多种实用的设计方法,本课题应用半导体吸收型光纤温度传感器这种方法。

摘要分布式光纤传感技术是利用光纤的相关物理特性对被测量场的空间和时间行为进行实时监测的技术。

光纤传感器作为一种测量新技术，利用光波导原理，具有损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可挠性好、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、原料丰富、制造过程能耗少、节约大量有色金属等突出优点，近年来逐渐扩大应用范围和应用领域。

在光电子技术、计算机技术和微电子技术的发展带动下，分布式光纤传感技术迅速发展，从理论研究走向产品化，解决了很多使用传统传感器难以解决的问题，也是传感领域研究的一个热点。

分布式光纤温度传感器的光纤即是传输介质，又是传感介质，可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，测试用光纤的跨距可达几十千米，空间分辨率高，误差小，与单点或多点准分布测量相比具有较高的性能价格比，以其独特的技术优势广泛应用于工业、国防、航空航天、交通运输和日常生活等各个领域。

本论文对基于拉曼散射的分布式光纤温度传感及其数据处理技术进行了系统而深入的研究，通过对煤矿井下长距离皮带传输线工作特性进行分析，设计分布式光纤温度传感系统并应用于长距离皮带传输线的实际温度检测和火灾报警中。

主要工作有以下几个方面:1.了解基于散射的光纤传感技术所涉及的基础理论。

对光在光纤中的传输特性进行了分析，研究了光纤传感中的影响因素，获得了受温度调制的反斯托克斯光强的关系。

采用光时域反射技术和对温度不敏感的斯托克斯曲线求解反斯托克斯曲线，实现分布式光纤温度测量。

2光信号的调制与解调。

由于所有的信号最终要转换成电信号使用和控制，所以信号的调制与解调就非常重要。

对于所有的传感器来说，其都有精确的理论推导，但在实际应用中必须加以修正。

修正后还要考虑到以后更换光纤型号是否还能达到要求的精度，变换了环境是否还需要新的修正公式或者参数等，这些因素都会影响到最终读数的正确性，所以要进行大量的研究和推理。

3选择合理的元器件和数据处理方式。

基于系统稳定性、灵敏度、信噪比方面要求，激光器工作波长的选定、APD 最佳雪崩增益、光纤的耦合器选定、后向散射光的分离、放大电路的设计等都需要仔细研究，反复斟酌。

基于光纤传感技术的温度传感器设计与制作随着科技的发展，光纤传感技术在各行各业中被广泛应用。

光纤传感技术的优势在于对环境的侵扰小、可靠性高，同时具有灵敏度高、线性好等特点，可以实现对各种参数的高精度测量。

其中之一的应用就是温度传感技术。

基于光纤传感技术的温度传感器不仅可以实现高精度测量，还具有抗干扰能力强等优势，成为工业领域中常用的一种传感技术。

一、基本原理及光纤温度传感技术的特点基于光纤传感技术的温度传感器原理是利用光纤的光学特性，将传感器与被测物体相连，当被测温度发生变化时，通过光纤的传输，产生不同的光学信号，通过分析这些信号的变化，即可得到被测物体的温度值。

与传统温度测量技术相比，基于光纤传感技术的温度传感器具有以下特点：1. 高精度：光纤传感技术可以实现高精度的温度测量，达到0.1℃的测量精度。

2. 可靠性高：光纤传感器不易受到电磁波等外部干扰，具有较高的抗干扰能力，并且可以在高温和高压的环境下正常工作。

3. 多路传感：光纤传感技术可以实现多路温度传感，一个系统中可以同时测量不同位置的温度。

4. 线性优良：基于光纤传感技术的温度传感器具有线性好的特点，可以实现稳定的测量结果。

5. 远程监控：基于光纤传感技术的温度传感器可以实现远程监控，可以将多个传感器的数据通过网络传输到控制中心，方便管理和处理。

二、基于光纤传感技术的温度传感器设计方案1. 光纤传感层设计传感层是光纤传感器的关键结构，主要包括光纤、保护层、镀金层和高温隔离层。

在选用光纤时，需要选择具有高纯度、高抗拉强度、低吸水率的光纤。

保护层主要是为了保护光纤免受外部损伤，一般采用耐腐蚀性能较好的镀铝层或氧化锌保护膜。

高温隔离层主要用于隔离光纤传感层和被测物体之间的温度，同时也起到保护光纤不受高温侵袭的作用。

2. 光纤耦合器设计光纤耦合器主要用于将光纤传感层中的光信号转换成电信号，以方便后续的数据处理。

光纤耦合器包括探头、光耦合引线、探头基座和分光器。

基于光纤传感技术的温度传感器设计近年来，传感技术在生产、医疗、安防等众多领域中起到了越来越大的作用。

其中，基于光纤传感技术的温度传感器是目前比较热门的研究方向之一。

本文将从传感器的原理、设计以及应用等多个方面来深入探讨基于光纤传感技术的温度传感器。

一、原理基于光纤传感技术的温度传感器，是将光纤作为测量单元，通过光纤中的光信号来实现温度的测量。

传统温度传感器在测量过程中存在许多缺点，如灵敏度低、响应速度慢等，而基于光纤传感技术的温度传感器则具有响应速度快、灵敏度高、不易受到干扰等优点。

光纤传感技术的温度传感器采用了纤维布里-珀罗效应（F-P效应）。

F-P效应是指在光纤的两端分别镀上透明膜，当光线在光纤中传输时，会在两端的膜层之间来回反射，当光束达到一定条件时，会在光纤中形成共振现象，从而形成峰值。

当温度改变时，光纤的长度也会随之改变，这样就会导致光的波长发生变化，进而使F-P效应的峰值位置发生变化，因此可以通过检测峰值位置的移动来测量温度的变化。

二、设计基于光纤传感技术的温度传感器的设计需要考虑多种因素，如光纤的选择、光纤尺寸、膜层的厚度等。

1. 光纤的选择在选择光纤时，需要考虑其材质、直径、切口方式和长度等因素。

一般采用光学单模光纤，其直径一般是9μm或10μm，切口方式一般为45度角，长度则要根据实际情况来选择。

2. 光纤尺寸光纤长度、直径会直接影响到传感器的灵敏度和响应速度。

光纤长度越长，灵敏度就越高，但响应速度会减慢。

光纤直径越小，灵敏度越高，但损耗也会增加。

因此需要综合考虑实际应用要求来选择合适的尺寸。

3. 膜层的厚度膜层的厚度直接影响到F-P效应的峰值位置和传感器的灵敏度。

膜层越薄，峰值位置越敏感，但灵敏度也会相应降低。

膜层越厚，灵敏度越高，但峰值位置也会相应移动得更慢。

因此需要在实验中进行不同厚度的调试。

三、应用基于光纤传感技术的温度传感器主要应用于航空、航天、电力、化工以及环保等领域。

根据贵公司所提供的资料和要求，该荧光式光纤温度传感器采用的发光管为约400nm的蓝紫光，接收管的接收光为约700nm的红光，根据西安固态产品硬件的初步破解来看，其具体方案如图1所示。

图1 荧光式光纤温度传感器结构图
1、发光二极管驱动电路：
该部分电路是通过单片机PIC18F1330的PWM控制轨到轨运算放大器MCP6293E，进而驱动场效应管SI2301实现的。

2、光电接收及放大电路：
反射光通过接收管接收后，通过CMOS型输入运放LMV797进行信号放大，然后通过单片机PIC18F1330的AD引脚采集到单片机中。

3、与底板的通信采用单片机PIC18F1330自带的RS232引脚RX、TX进行通讯。