光纤温度传感器的研究

光纤温度传感器的研究

毕业生：夏正娜

指导老师：王兆民孟瑜

摘要：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、抗电磁干扰等优点；特别适用于易爆、易燃、腐蚀性强等苛刻环境下的温度检测。因此，光纤温度传感器得到迅速发展。

本文根据双光束干涉原理，自行构成了一个干涉型光纤温度传感器，观察干涉图样，对其进行了实验研究，阐述了它的原理，实验步骤，将得到的数据进行了分析处理，验证了本实验测量温度的可行性，并对实验装置进行了改造。

关键词：光导纤维光纤温度传感器干涉原理干涉型光纤温度传感器

Abstract ：Optical fiber temperature sensor is a new developed type of sensor in the 70s of the Twentieth Century. Compared with the traditional temperature sensors，it owns a lot of advantages，such as higher sensitivity，smaller volume，slighter mess ，easier to bend and stronger capacity of Shielding the electro-magnetic interference. Particularly，it can be applied to detect the temperature of the explosive，flammable and corrosive matters in harsh environment. Therefore, optical fiber sensor developed rapidly in recent years.

This paper bases on the interference principle, it construct a interference optical fiber temperature sensor. Observing the interference fringe, analyzing the experiment result, detailing its principle and experiment steps, then I can get some data to deal with the data. The data copes the theory perfectly. At last, I propose some advices to improve this experiment.

Key word ：Optical fiber Optical fiber temperature sensor

Interference principle interference optical fiber temperature sensor.

1. 引言

温度是度量物理冷热程度的物理量，许多物理现象和化学现象都是在一定的温度下进行的。温度是作为衡量客观物质世界运动及其存在状态的一个重要物理量，温度信息的获得，可以使人们能够更好地掌握客观世界的内在规律。随着科学技术的发展，各个领域对测温元件的性能和效率提出了越来越高的要求，特别是工业、医学、电力等领域，在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下，传统温度传感器便受到很大的限制。

光纤传感器是上世纪70年代中期发展起来的一种新型的传感器，是光纤和光纤通信技术发展的产物。由于光纤具有体积小、重量轻、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、灵敏度高等特点，能完成传统的传感器很难完成或者不能完成的任务。光纤传感技术用于温度测量，除了具有以上特点外，与传统的温度测量仪器相比，还具有响应快、频带宽、防爆、抗电磁干扰等优点，因此，光纤温度传感器是光纤传感器发展的一个

重要分支。

光纤温度传感器按被测信号转换机理的不同分为两类：

1.利用利用光纤的各种特性（位相、波长、强度等）随温度的特点进行温度测定，它具有传感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中，属于功能型光纤温度传感器。

2．使用其他物理性质的敏感元件来对待待测对象的调制功能，光纤只作为信号的传输通道，来避开测温区域的复杂环境，属于传输型光纤温度传感器。

干涉型光纤温度传感器属于相位调制式功能型光纤温度传感器，它是利用两束光产生相位差并导致干涉现象来测量温度，主要应用于精密测温的领域。而干涉型光纤温度传感器以全光纤、灵敏度高、能实现多路传感以及传感量大等优点，在光纤温度传感器中占有十分重要的地位。

2. 干涉型光纤温度传感器

2.1干涉型光纤温度传感器的基本原理

在光纤中传播的光的相位由以下3个因素决定[1]：①光纤波导的物理长度；②光纤折射率及其分布；③光纤波导的横向几何尺寸。温度能直接改变上述三个因素的参数，产生相位变化。光纤长L ，对波长λ的光波以光纤入口平面为基准测得的相位为

L n k L

n L

100122===λπλπφ (3.1)

式中λ0为真空中的光波长；L 为光纤的长度；n 1为光纤芯的折射率；k 0为光在真空中的波长；

假设折射率分布随温度变化保持恒定，那么光纤中的相位随温度变化则表示为： d n L φφφφ∆+∆+∆=∆ （3.2）式中，L φ∆为光纤长度变化产生的相位变化，称为应变效应；n φ∆为光纤折射率变化产生的相位变化，称为光弹效应；d φ∆为光纤波导横向几何尺寸变化产生的相位变化，称为泊松效应[2]。

长度变化L ∆时光相位变化量为：

L L ∆=∆λπ

φ2 （3.3）

折射率变化n ∆时光相位变化量为：

n L n ∆=∆λ

πφ2 （3.4） 光纤波导横向几何尺寸变化d ∆时光相位变化量为：

d d

L d ∆∂∂⋅=∆λλπφ22 （3.5）