葛小偉畢業(yè)論文2

1、南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論 文) 題目 光纖溫度傳感器在SL檢查工程生產(chǎn)線上的應(yīng)用 系部 自動(dòng)化工程系 專業(yè) 檢測技術(shù)及應(yīng)用 姓名 葛小偉 學(xué)號(hào) G1340126 指導(dǎo)教師 徐念玲 2016 年 4 月 18 日 目錄摘要.1緒論.31.1課題來源、意義.51.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.72.1設(shè)計(jì)思想.92.2具體實(shí)現(xiàn).112.3結(jié)論.132.4致謝.152.5參考文獻(xiàn).17摘要 隨著信息時(shí)代的到來，計(jì)算機(jī)、各類智能儀器、機(jī)器人等高科技得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在信息化時(shí)代，各種信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理都需要必不可少的“感覺器官”傳感器。計(jì)算機(jī)被稱為“電腦”，傳感器被稱為“電五官

2、”。信息的獲取和處理都離不開“大腦和五官”。作為提供信息的傳感技術(shù)及傳感器倍受重視，進(jìn)入到了一個(gè)飛速發(fā)展的新階段。傳感器種類繁多，其原理也各種各樣。傳感技術(shù)是一門知識(shí)密集型技術(shù)，它與許多學(xué)科相關(guān)，傳感器技術(shù)已經(jīng)成為各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是電子信息工程、電氣工程、自動(dòng)控制工程、機(jī)械工程等領(lǐng)域中不可缺少的技術(shù)。傳感技術(shù)與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)并列稱為支撐現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。如果沒有精度高和性能可靠的傳感器，沒有先進(jìn)的傳感器技術(shù)，那么信息的準(zhǔn)確獲取將無從談起，信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)將成為無源之水 .溫度是度量物理冷熱程度的物理量，許多物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象都是在一定的溫度下進(jìn)行的。溫度是作為衡量客觀物質(zhì)世界

3、運(yùn)動(dòng)及其存在狀態(tài)的一個(gè)重要物理量，溫度信息的獲得，可以使人們能夠更好地掌握客觀世界的內(nèi)在規(guī)律。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)y溫元件的性能和效率提出了越來越高的要求，特別是工業(yè)、醫(yī)學(xué)、電力等領(lǐng)域，在有強(qiáng)電磁干擾或易燃易爆的場合下，傳統(tǒng)溫度傳感器便受到很大的限制。光纖傳感器是上世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種新型的傳感器，是光纖和光纖通信技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。由于光纖具有體積小、重量輕、電絕緣性好、柔性彎曲、耐腐蝕、靈敏度高等特點(diǎn)，能完成傳統(tǒng)的傳感器很難完成或者不能完成的任務(wù)。光纖傳感技術(shù)用于溫度測量，除了具有以上特點(diǎn)外，與傳統(tǒng)的溫度測量儀器相比，還具有響應(yīng)快、頻帶寬、防爆、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此，光纖

4、溫度傳感器是光纖傳感器發(fā)展的一個(gè)重要分支。關(guān)鍵詞：信息時(shí)代、傳感器技術(shù)、溫度、光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器在SL檢查工程生產(chǎn)線上的應(yīng)用1.1課題來源、意義：隨著電子行業(yè)的飛速發(fā)展，傳感器的應(yīng)用在電子行業(yè)也有了廣泛的應(yīng)用和推廣。隨著電子行業(yè)的飛速發(fā)展，傳感器的應(yīng)用在電子行業(yè)也有了廣泛的應(yīng)用和推廣。光纖溫度傳感器采用一種和光纖折射率相匹配的高分子溫敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纖外面，使光能由一根光纖輸入該反射面出另一根光纖輸出，由于這種新型溫敏材料受溫度影響，折射率發(fā)生變化，因此輸出的光功率與溫度呈函數(shù)關(guān)系。其物理本質(zhì)是利用光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奶卣鲄⒘?，如振幅、相位、偏振態(tài)、波長和模式等，對(duì)外界環(huán)

5、境因素，如溫度，壓力，輻射等具有敏感特性。它屬于非接觸式測溫。SL檢查工程主要承擔(dān)著產(chǎn)品的檢測，主要的技術(shù)活有；點(diǎn)燈，雷電修復(fù)，儀器的自動(dòng)修復(fù)。光纖溫度傳感器起到了不可或缺的一部分。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：我國傳感器的現(xiàn)狀我國傳感器行業(yè)雖起步較早,但直到1986年“七五”開始才正式將傳感器技術(shù)列入國家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目,展開以機(jī)械敏、力敏、氣敏、溫敏、生物敏為主的5大敏研究。經(jīng)過十幾年的發(fā)展,現(xiàn)已形成了一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)格局,其特點(diǎn)有:(1)廠商多,上規(guī)模的企業(yè)少。(2)地區(qū)發(fā)展不平衡。(3)品種多,檔次不高。目前國內(nèi)共有主要傳感器產(chǎn)品1000多種,國產(chǎn)敏感元器件950種,基本涵蓋了信息采集的各種領(lǐng)域。但

6、是,水平還處在國際80年代末或90年代初的水平。(4)生產(chǎn)研發(fā)多以大學(xué)和研究所為依托,專業(yè)公司少。光纖溫度傳感器的種類很多，還有光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器以及基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器等等，由于其種類很多，應(yīng)用發(fā)展也很廣泛，例如，應(yīng)用于電力系統(tǒng)、建筑業(yè)、航空航天業(yè)以及海洋開發(fā)領(lǐng)域等等。分布式光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用中得到發(fā)展，由于電力電纜溫度、高壓配電設(shè)備內(nèi)部溫度、發(fā)電廠環(huán)境的溫度等，都需要使用光纖傳感器進(jìn)行測量，因此就促進(jìn)了光纖傳感器的不斷完善和發(fā)展。尤其是分布式光纖溫度傳感器得到了改善，經(jīng)過在電力系統(tǒng)行業(yè)的應(yīng)用，從而使其接收信號(hào)和處理

7、檢測系統(tǒng)的能力都得到了提升。光纖光柵溫度傳感器在建筑業(yè)的發(fā)展光纖光柵溫度傳感器由于其較高的分辨率和測量范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)溫度測量工作中。西方很多發(fā)達(dá)國家都已普遍采用此系統(tǒng)，進(jìn)行建筑物的溫度、位移等安全指標(biāo)的測試工作，例如，美國墨西哥使用光柵溫度傳感器，對(duì)高速公路上橋梁的溫度進(jìn)行檢測。通過廣泛使用，光柵溫度傳感器所存在的問題，如：交叉敏感的消除、光纖光柵的封裝等都得到了解決，因而此系統(tǒng)得到了完善。航空航天業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展航空航天業(yè)使用傳感器的頻率較高，包括對(duì)飛行器的壓力、溫度、燃料等各方面的檢測，都需要使用光纖溫度傳感器進(jìn)行檢測，并且所使用到的傳感器數(shù)量多達(dá)百個(gè)，所以對(duì)傳感器的大小

8、和重量要求很嚴(yán)格。因此，基于航空航天業(yè)對(duì)傳感器的要求，光纖溫度傳感器的體積、重量規(guī)格方面都經(jīng)過了調(diào)整。國外研究：美國對(duì)光纖傳感器研究共有六個(gè)方面:這些項(xiàng)目分別是:光纖傳感系統(tǒng);現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng);光纖陀螺;核輻射監(jiān)控;飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控;民用研究計(jì)劃。以上計(jì)劃僅在1983年就投資12-14億美元。美國從事光纖傳感器研究的有美國海軍研究所、美國宇航局、西屋電器公司、斯坦福大學(xué)等28個(gè)主要單位。美國光纖傳感器開始研制最早，投資最大，己有許多成果申請(qǐng)了專利。英國政府特別是貿(mào)易工業(yè)部十分重視光纖傳感器技術(shù)，早在1982年有該部為首成立了英國光纖傳感器合作協(xié)會(huì)，到1985年為止，共有26個(gè)成員，其中包括中

9、央電器研究所、Delta控制公司、帝國化學(xué)工業(yè)公司、英國煤氣公司、Taylor儀器公司、標(biāo)準(zhǔn)電信研究所及幾所主要大學(xué)。德國的光纖陀螺的研究規(guī)模和水平僅次與美國居世界第二位，西門子公司在1980年就制成了高壓光纖電流互感器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。未來光纖傳感器市場發(fā)展?jié)摿薮?，其技術(shù)發(fā)展的主要方向有:全光纖微型化;多參數(shù)、實(shí)時(shí)化;陣列化、網(wǎng)絡(luò)化;集成化、多功能化;高精度、實(shí)用化.土耳其開發(fā)出了一種分布式光纖溫度傳感器，此傳感器的溫度分辨率是1，空間分辨率是1.23m。在我國也有很多大學(xué)展開了對(duì)分布式光纖溫度傳感器的研究。光纖溫度傳感器在SL檢查工程生產(chǎn)線上的應(yīng)用幾種光纖溫度傳感器的原理和研究現(xiàn)狀 光纖溫度傳

10、感器按其工作原理可分為功能型和傳輸型兩種。功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性(相位、偏振、強(qiáng)度等)隨溫度變換的特點(diǎn), 進(jìn)行溫度測定。這類傳感器盡管具有傳、感合一的特點(diǎn), 但也增加了增敏和去敏的困難。傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號(hào)傳輸?shù)淖饔? 以避開測溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境, 對(duì)待測對(duì)象的調(diào)制功能是靠其他物理性質(zhì)的敏感元件來實(shí)現(xiàn)的。這類傳感器由于存在而產(chǎn)生波長移位的原理制成光纖光柵溫度傳感器。1978 年, 加拿大渥太華通信研究中心的 K.O.Hill 等人首先發(fā)現(xiàn)摻鍺石英光纖的光敏效應(yīng), 采用注入法制成世界上第一只光纖光柵(FBG) , 1989 年, Morey首次報(bào)導(dǎo)將其用于傳感

11、 。 英國 T. allsop 利用橢圓纖芯突變型光纖研制出溫度分辨率為 0.9、曲率分辨率為 0.05 的長周期光纖光柵曲率溫度傳感器 。意大利 A. Iadicicco 利用非均勻的稀疏布拉格光纖光柵(ThFBGs)同時(shí)測量折射率和溫度, 該傳感器的溫度分辨率為 0.1, 在折射率1.45、1.33 附近的折射率分辨率分別為 10-5、10-4。中科院海光機(jī)所利用光纖光柵的金屬槽封裝技術(shù)將光纖光柵溫度傳感器的靈敏度提高到 0.02 ; 哈爾濱工業(yè)大學(xué)把光纖光柵粘貼在金屬半管上, 使其分辨率達(dá)到 0.04 ; 黑龍江大學(xué)光纖技術(shù)研究了一種光纖光柵(FBG)的 Ti 合金片封裝工藝, 使溫度靈

12、敏度達(dá)到 0.05 。1.1 光纖熒光溫度傳感器 光纖熒光溫度傳感器是目前研究比較活躍的新型溫度傳感器。熒光測溫的工作機(jī)理是建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上。所謂致發(fā)光是一種光發(fā)射現(xiàn)象, 就是當(dāng)材料由于受紫外、可見光或紅外區(qū)的光激發(fā), 所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。出射的熒光參數(shù)與溫度有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系, 通過檢測其熒光強(qiáng)度或熒光壽命來得到所需的溫度的。強(qiáng)度型熒光光纖傳感器受光纖的微彎曲、耦合、散射、背反射影響, 造成強(qiáng)度擾動(dòng), 很難達(dá)到高精度; 熒光壽命型傳感器可以避免上述缺點(diǎn), 因此是采用的主要模式, 熒光壽命的測量是測溫系統(tǒng)的關(guān)鍵。美國密西西比州立大學(xué)用一種商用的環(huán)氧膠做溫度指示(含有多環(huán)芳烴化合物:

13、PAHs), PAHs 在用紫外光激發(fā)時(shí)發(fā)熒光, 熒光的強(qiáng)度隨環(huán)氧膠周圍溫度的升高而減小, 該傳感器可監(jiān)測 20100范圍內(nèi)的溫度 。日本東洋大學(xué)根據(jù) Tb:SiO2和 Tb:YAG 的光致發(fā)光(PL) 譜與溫度有關(guān), 將其制成光纖溫度傳感器。在3001200K 的溫度下, Tb:SiO2的 PL 峰值在 540nm 時(shí)的光強(qiáng)隨溫度的升高單調(diào)減小, Tb:YAG 晶體的 PL 譜的形狀隨溫度變化 。韓國漢城大學(xué)發(fā)現(xiàn) 10cm 長的Yb3+、Er3+雙摻雜光纖在 915nm 處, 兩熒光強(qiáng)度的比值在 20300間與溫度成指數(shù)關(guān)系。這種雙摻雜系統(tǒng)對(duì)于測量苛刻環(huán)境的溫度非常有用 。清華大學(xué)電子工程系

14、利用半導(dǎo)體 GaAs 材料對(duì)光的吸收隨溫度變化的原理, 研制出測溫范圍: 0150; 分辨率: 0.5的光。2 幾種光纖溫度傳感器的特點(diǎn)及各自的研究方向 分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器分別具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和一定的不足, 因此它們的研究方向不同。(1) 分布式光纖溫傳感器具有其他溫度傳感器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。它能夠連續(xù)測量光纖沿線所在處的溫度, 測量距離在幾千米范圍, 空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級(jí), 能夠進(jìn)行不間斷的自動(dòng)測量, 特別適用于需要大范圍多點(diǎn)測量的直用場合。目前對(duì)分布式光纖溫度傳感器研究的重點(diǎn): 實(shí)現(xiàn)單根光纖上多

15、個(gè)物理參數(shù)或化學(xué)參數(shù)的同時(shí)測量; 提高信號(hào)接收和處理系統(tǒng)的檢測能力, 提高系統(tǒng)的空間分辨率和測量不確定度; 提高測量系統(tǒng)的測量范圍,減少測量時(shí)間; 基于二維或多維的分布式光纖溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)。 (2) 光纖光柵溫度傳感器除了具有普通光纖溫度傳感器的許多優(yōu)點(diǎn)外, 還有一些明顯優(yōu)于其它光纖溫度傳感器的方面。其中最重要的就是它的傳感信號(hào)為波長調(diào)制。這一傳感機(jī)制的好處在于: 測量信號(hào)不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響; 避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對(duì)固有參考點(diǎn)的需要; 能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個(gè)布喇格光柵進(jìn)行分布式測量; 很容易埋入材料中對(duì)其內(nèi)部

16、的溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測量。盡管光纖光柵溫度傳感器有很多優(yōu)點(diǎn), 但在應(yīng)用中還需考慮很多因素: 波長微小位移的檢測; 寬光譜、高功率光源的獲得; 光檢測器波長分辨率的提高; 交叉敏感的消除; 光纖光柵的封裝; 光纖光柵的可靠性;光纖光柵的壽命。3 光纖溫度傳感器的應(yīng)用 光纖溫度傳感自問世以來, 主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)、建筑、化工、航空航天、醫(yī)療以至海洋開發(fā)等領(lǐng)域,并已取得了大量可靠的應(yīng)用實(shí)績。(1) 光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)有著重要的應(yīng)用。 電力電纜的表面溫度及電纜密集區(qū)域的溫度監(jiān)測監(jiān)控; 高壓配電裝置內(nèi)易發(fā)熱部位的監(jiān)測; 發(fā)電廠、變電站的環(huán)境溫度檢測及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng); 各種大、中型發(fā)電機(jī)、變壓

17、器、電動(dòng)機(jī)的溫度分布測量、熱動(dòng)保護(hù)以及故障診斷; 火力發(fā)電廠的加熱系統(tǒng)、蒸汽管道、輸油管道的溫度和故障點(diǎn)檢測; 地?zé)犭娬竞蛻魞?nèi)封閉式變電站的設(shè)備溫度監(jiān)測等等。 (2) 光纖溫度傳感特別是光纖光柵溫度傳感器很容易埋入材料中對(duì)其內(nèi)部的溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測量, 因而被廣泛的應(yīng)用于建筑、橋梁上。美國、英國、日本、加拿大和德國等一些發(fā)達(dá)國家早就開展了橋梁安全監(jiān)測的研究, 并在主要大橋上都安裝了橋梁安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng), 用來監(jiān)測橋梁的應(yīng)變、溫度加速度、位移等關(guān)鍵安全指標(biāo)。1999 年夏, 美國新墨西哥 Las Cruces 10 號(hào)州際高速公路的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁上安裝了 120 個(gè)光纖光柵溫度傳感器,

18、創(chuàng)造了單座橋梁上使用該類傳感器最多的記錄。 (3) 航空航天業(yè)是一個(gè)使用傳感器密集的地方,一架飛行器為了監(jiān)測壓力、溫度、振動(dòng)、燃料液位、起落架狀態(tài)、機(jī)翼和方向舵的位置等, 所需要使用的傳感器超過 100 個(gè), 因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。光纖傳感器從尺寸小和重量輕的優(yōu)點(diǎn)來講, 幾乎沒有其他傳感器可以與之相比。 (4) 傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常有意義的, 光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對(duì)人體組織功能進(jìn)行內(nèi)部測量, 提供有關(guān)溫度、壓力和聲波場的精確局部信息。光纖光柵傳感器對(duì)人體組織的技術(shù)相當(dāng)豐富。對(duì)于光纖溫度傳感器的研究占到將近所

19、有光纖傳感器研究的 20%。光纖溫度傳感器的研究, 除對(duì)現(xiàn)有器件進(jìn)行外場驗(yàn)證、完善和提高外, 目前有以下幾個(gè)發(fā)展動(dòng)向: 大力發(fā)展測量溫度分布的測量技術(shù), 即由對(duì)單個(gè)點(diǎn)的溫度測量到對(duì)光纖沿線上溫度分布, 以及大面積表面溫度分布的測量; 開發(fā)包括測量溫度在內(nèi)的多功能的傳感器; 研制大型傳感器陣列, 實(shí)現(xiàn)全光學(xué)遙測。1.研究目的： 傳感器行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)傳感器、生物傳感器、納米傳感器等更尖端的傳感器已進(jìn)入國內(nèi)市場，進(jìn)入我們的生活。當(dāng)前技術(shù)水平下的傳感器系統(tǒng)正向著微小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。今后，隨著CAD技術(shù)、MEMS技術(shù)、信息理論及數(shù)據(jù)分析算法的繼續(xù)向前發(fā)展

20、，未來的傳感器系統(tǒng)必將變得更加微型化、綜合化、多功能化、智能化和系統(tǒng)化。我們有理由相信，傳感器這顆璀璨的明珠，必將放射出更加耀眼的光芒2.主要內(nèi)容及技術(shù)： 1光纖溫度傳感器的基本知識(shí)和原理2光纖溫度傳感器技術(shù)的發(fā)展。3光纖溫度傳感器技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀4光纖溫度傳感器在SL生產(chǎn)線上技術(shù)的應(yīng)用5結(jié)論3.研究方法： 調(diào)查法，觀察法，文獻(xiàn)研究法，總結(jié)和歸納法等等4.預(yù)期成果： 通過社會(huì)的不斷調(diào)查，了解其發(fā)展?fàn)顩r及在社會(huì)上的應(yīng)用，找出更好的策略讓傳感器更好的應(yīng)用于各個(gè)方面。5.論文提綱（或?yàn)楫厴I(yè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊）：1：搜集資料，填寫開題報(bào)告2：撰寫論文提綱3：撰寫材料綜述4：撰寫論文初稿5:撰寫論文二稿、

21、三稿6:答辯資格審查，論文校對(duì)打印7:答辯準(zhǔn)備.2.2具體實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)程安排起訖日期設(shè)計(jì)（論文）各階段工作內(nèi)容備 注2015.10-12搜集資料，填寫開題報(bào)告2015.1-2撰寫論文提綱撰寫材料綜述2015.2-3撰寫論文二稿、三稿2015.4-5答辯資格審查，論文校對(duì)打印.答辯準(zhǔn)備2.3結(jié)論：與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點(diǎn)是：（1）抗電磁干擾，電絕緣；本質(zhì)安全（2）靈敏度高（3）重量輕，體積小，外形可變（4）測量對(duì)象廣泛（5）對(duì)被測介質(zhì)影響小（6）可以進(jìn)行連續(xù)分布測量，便于復(fù)用，便于成網(wǎng)2.4致謝光陰似箭，日月如棱。三年的時(shí)間，在我們漫長的人生旅途中是那么的短暫，但是，這