光纖溫度傳感器

關于光纖溫度傳感器強度調制型光纖溫度傳感器原理總長度為J。，有N個刻紋段的刻紋光纖(如圖1)受軸向應變力拉伸時，刻紋光纖中傳輸?shù)墓庑盘栞敵龉β蔖對軸方向的應變相當敏感，很容易測量出光信號輸出功率減少，其原因是由于刻紋段光纖被拉仲時纖芯折射率nco，。及纖芯半徑a變化的結果[2,3]，且紋段與未刻紋段將發(fā)生大小不同的應變。具有N個刻紋段光纖的輸出功率_P與其軸向應變的關系為[2]

第2頁,共18頁，2024年2月25日，星期天式(2)中：plL和p12為各向同性物質的彈光系數(shù)；口為泊松比；b。和b。為刻紋段和未刻紋段包半徑；L。為每個刻紋段的長度。第3頁,共18頁，2024年2月25日，星期天對石英光纖n毛(p11—2apl2)+1的數(shù)值約為

1．06[，1。可見，G的數(shù)值由刻紋光纖的幾何結構參數(shù)決定：刻紋段數(shù)目N越多、刻紋段長度L。越短，刻紋深度越深(即6。／6。的數(shù)值越小)，則G的數(shù)值越大。

實驗結果表明[“：刻紋光纖中輸出的光功率P雖然對軸方向的應變相當敏感，但其對環(huán)境溫度￡變化的響應很小，數(shù)量級IdPIPdt=10-6／℃，所以刻紋光纖不適于直接用于溫度傳感器。這樣，在研究傳感器性能時，完全可以不考慮由于環(huán)境溫度的變化而引起的光纖纖芯折射率”。及纖芯半徑a的變化。

第4頁,共18頁，2024年2月25日，星期天但如果給刻紋光纖敷上金屬膜層后，情況就不同了。當外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時，由敷在刻紋光纖外表面上的金屬敷層將隨環(huán)境溫度的變化而熱脹冷縮，使光纖同時產生一個沿光纖軸方向的托伸應變從而引起光纖內傳輸?shù)墓庑盘栕兓?，這種變化將導光纖輸出光功率P發(fā)生改變。假設溫度為0℃時，金屬敷層光纖段假設溫度為0℃時，金屬敷層光纖段的長度為L。，而L是濕度為‘℃時金屬敷層光纖段的長度，a為敷層金屬的線脹系數(shù)。則：第5頁,共18頁，2024年2月25日，星期天式中：P。為初始溫度￡。時光纖巾輸出的光功率數(shù)值。由式(4)可知：當溫度t增加時，光纖輸出的光信號功率P將減小，G的數(shù)值越大，敷層金屬材料的線脹系數(shù)a越大，光功率P將減小得越快。這樣．通測量輸出信號光功率P的變化就可得到溫度的變化。第6頁,共18頁，2024年2月25日，星期天光纖溫度傳感器的制備傳感器的制備包括如下過程：根據劃紋光±r的結構參數(shù)，在玻璃板}i做成掩膜，通過旋轉光纖使除去塑料套層后的光纖段(長度為j。)涂卜一層光刻膠，再將其放入烘箱中烘烤以增加膠膜與裸光纖的粘附，溫度般在75℃左右，時間為10--20rain．然后將經過}：述處理過的光纖放在紫外光下進行曝光，再將其浸八丙酮巾。由十未被感光的部分能破丙酮溶解，被感光的部分就被保留下來用作腐蝕時的保護膜。第7頁,共18頁，2024年2月25日，星期天顯影后，再把光纖放入烘箱中烘烤，這樣使留下來的膠膜較牢固地粘附在光纖上，同時也可增加膠膜本身的抗腐蝕能力．至此．待刻紋部分的圖案就清晰地呈現(xiàn)在光纖上。使用氫氟酸作為腐蝕溶液，待光纖腐蝕到所需的半徑時，從溶液中取出，放在濃硫酸中，除去已刻紋的光釬外層，然后用去離子水洗凈。最后，在真空鍍膜機巾對刻紋段光纖鍍上金屬膜層。第8頁,共18頁，2024年2月25日，星期天結構參數(shù)和金屬材料種類對傳感器輸出光功率

P的影響實驗中對不同結構參數(shù)和不同金屬敷層材料的傳感器的溫度響應進行了測試，如圖2所

結果表明：傳感器具有很好的溫度響應。其輸出光功率隨溫度t增加而減小。對于不同傳感器，具有不同的溫度響應特性：N越大、L．越短、刻紋深度越深

(即6。／6。的數(shù)值越小)、金屬敷層材料線脹系數(shù)a的數(shù)值越大，隨溫度f的增加輸出光功率減小得越快

第9頁,共18頁，2024年2月25日，星期天

結構參數(shù)和金屬材料種類對傳感器靈敏度

在理論上，刻紋光纖溫度傳感器靈敏度與傳感器本身的結構參數(shù)、敷層材料的種類以及溫度f有關。對于任一傳感器，其靈敏度雖然隨溫度z增加而減小，但減小的幅度卻相當小。這主要是由于金屬敷層材料銀和鋁的線脹系數(shù)a的數(shù)量級為10。5／℃，所以在幾百c溫度測量范圍內，靈敏度隨溫度的變化是很小的，可近似地認勾靈敏度不變，所以實驗時測量傳感器在初始溫度“時的靈敏度即可。因此可認為：敷層刻紋光纖溫度傳感器靈敏度H與傳感器本身的結構參數(shù)和敷層材料的種類有關，與溫度f幾乎無關。即：

第10頁,共18頁，2024年2月25日，星期天通過對具有不同結構參數(shù)和不同金屬材料種類的傳感器的溫度響應靈敏度研究發(fā)現(xiàn)：傳感器具有很高的靈敏度dPl／Pdt．其值可達100／℃數(shù)量級．和刻紋光纖未鍍金屬敷層時相比，數(shù)值上大了3個數(shù)量級“I。對于不同結構參數(shù)的傳感器，具有不同的溫度響應靈敏度：N越大、L。越短，刻紋深度越深(即6。／6。的數(shù)值越小)，靈敏度將越高；同時，如果選擇線脹系數(shù)n數(shù)值大的金屬作為敷層材料，那么傳感器將具有更高的靈敏度。如表1所示。第11頁,共18頁，2024年2月25日，星期天微型F—P腔干涉／強度調制型光纖溫度傳感器

第12頁,共18頁，2024年2月25日，星期天基本工作原理為：1)由于構成F-P腔傳感頭的光纖與毛細管的熱膨脹系數(shù)不同，傳感頭感受到的溫度與F—P腔的空隙長度d有一定的對應關系。如果溫度的改變使得d的變化范圍在多光束干涉強度變化的一個極大值和極小值之間，則溫度與干涉強度之間有一一對應關系。2)利用兩束不同干涉特性的光在傳感頭溫度改變時的不同響應特性和相似的傳輸特性，進行自補償運算，消除光纖傳輸損耗和光源功率變化對溫度測量的影響。由圖1可以看出，傳感信號來自于F—P腔多光束干涉的反射光，由于入射光石英玻璃光纖端面上的菲涅耳反射率僅為

3．5％，可以將多光束干涉近似為雙光束干涉[5]，如圖2所示，對于光功率為j。一P(A)的入射光，由F—P腔反射回的光強J，為第13頁,共18頁，2024年2月25日，星期天其中8—4積d／A，為產生干涉的相鄰光束的相位差，d為F—P腔長度，取空氣折射率卵一1，R為光纖端面的反射率；L為耦合器C。到傳感頭的光纖長度，口(A)為光纖的損耗系數(shù)；M。，為耦合器C。由入射端1到出射端1的分光比，在光源光譜范圍內，可認為耦合器的分光比與波長無關。發(fā)光二極管發(fā)光屬于自發(fā)輻射，光譜的線型近似于高斯型，其輸出光功率按頻率分布可表示為第14頁,共18頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共18頁，2024年2月25日，星期天這是一種反射式的探頭，紫外光經輸入光纖照射到前方的熒光粉上，熒光粉受激激發(fā)的可見光光譜的某些譜線的強度會隨著熒光粉所處溫度的變化而變化［!］，因此，只要測出某條發(fā)射光