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新型光纤温度传感器研究

时间:2011-08-18


第 2 3 卷第 2 期
20 0 1 年 4 月

压 电 与 声 光
P IEZO EL ECTR ICS & A COU STOO PT ICS

. V o l 23 N o. 2 A p r. 2001

  文章编号: 100422474 ( 2001) 0220100203

新型光纤温度传感器研究
裴 丽, 江中澳, 黄燕平, 简水生
( 北方交通大学 光波所, 北京 100044)

1 引言

要基础之一。 光纤传感器是光电子技术的新结晶, 它 的优点。

具有抗化学腐蚀, 精确度高等常规传感器无法比拟

导作为测温探头, 包层长度灵活可变。 它直接把被测 参量的变化转换成光功率的变化, 避免了象其他光 变化而产生的测量误差。 由于光纤本身衰耗很低, 因 纤传感器采用的声光、 磁光、 热光等物理效应的中间

此可用来实现远距离温度检测。 它具有分辨率高、 电 在有毒有害、 强电磁干扰等恶劣环境中, 尤其适用于 业特别是国防等领域中有在着巨大的应用潜力[ 1 ]。

绝缘、 抗电磁干扰、 抗化学腐蚀、 精度高等优点, 能用 油库等易燃、 易爆危险环境的温度检测。 在科研、 工

2 新型光纤温度传感器的测温原理
211 水银包层光波导的衰减特性
[2 ]

  收稿日期: 2000206227 基金项目: 国家自然科学基金资助项目; 国家 “八六三” 项目及北方交通大学 ( 论文) 攀登基金 PD 2084 资助项目 作者简介: 裴丽 (19702) , 女, 山西人, 讲师, 主要从事高速光纤通信网以及光纤通信关键技术等方面的研究工作。

Abstract: T h is a rticle describes the p robe con struction and the p rincip le of NO T S, the m ercu ry cladd ing op tica l w avegu ide to be m ade a s its tem p era tu re p robe1 ith 8098 m icrop rocesso r, w e i p lem en t the signa l detection and W m da ta p rocess1NO T S ha s si p le con struction, its rela tive p recision can a tta in 0102% , and its ab so lu te p recision is m 011 ° a t the tem p era tu re range 20 100 ° It is very i po rtan t fo r the tem p era tu re m ea su rem en t of the flamm a2 ~ C C. m b ility and exp lo sive p lace such a s o il w a rehou se and so on 1 Key words: m ercu ry cladd ing op tica l w avegu ide; NO T S; signa l detection  

  摘 要: 介绍水银包层光波导作为测温探头的新型光纤温度传感器的探头结构及测温原理。与 8098 单片机相 结合, 实现信号探测及数据处理。这种新型光纤温度传感器结构简单, 理论分析的相对测量精度可达 0102% 。实验 表明, 在 20 100 ° 的温度范围内, 测量精度为 011 °。 对诸如油库等易燃、 ~ 易爆危险环境的温度检测具有重要的 C C 意义。 关键词: 水银包层光波导; 新型光纤温度传感器; 信号检测 中图分类号: TN 92911   文献标识码: A

An Investiga tion on a New K ind of O ptica l F iber Tem pera ture Sen sor
(L igh t 2 ave T echno logy In stitu te, N o rthem J iao tong U n iversity, Beijing 100044, Ch ina ) w

PE IL i, J IANG Zhong-ao, HUANG Yan - p ing, J IAN Shu i- sheng

传感器技术是现代测量技术和自动化技术的重

本文介绍的新型光纤传感器利用水银包层光波

水银包层光波导实际上是一个半径为 a、 传输

? 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

介质为玻璃的金属同轴波导, 故其损耗特性可以用 经典电磁场理论来分析。 首先假定波导壁面是完纯 的, 得到壁面切向磁场和壁面表面电流的大小, 然后 由表面电流和壁面电阻计算损耗功率, 可由下式 单位长度损耗功率 ( 1)   A = 23 传输功率 计算衰减常数 A 。 最后按下式得出衰减系数 Β, 即   Β=
10
Z

P i 10 Pi ( 2) = lg - 2A Po Z P ie Z 式中 P o 为接收功率; P i 为入射光功率; z 为水银

lg

包层光波导中的传输长度。 具体计算如下: ′ ( 1) 设 E = E m e j(w t- Β z ) , 由麦克斯韦方程出发, 计 算在完纯波导壁情况下, 同轴波导中 TM 波和 T E 波的各场分量分布; ( 2) 由式 J s = n 3 H 计算 r = a 时壁面表面电流 的大小; ( 3) 由金属包层介质波导的特性可知:     Ρ=
N e m (B ′ jw ) +
2

( 3)

式中 B ′ 为单位质量的阻尼常数, 其典型量级为
1014 s- 1; m 为电子质量; e 为电子电荷量; N 为单位 体积内的电子电荷数。 利用式 ( 3) , 由传输常数 Θ =

 第 2 期

裴 丽等: 新型光纤温度传感器研究

101 

P TE。

+ 可得出壁面电阻 R S 的值。 Α jΒ′ ( 4) 由 P l = ( 5) 由 P =

如图 2 所示, 把水银注入一个底部有气泡的毛 细管中, 在底部形成一个水银泡, 该水银泡就是测量 探头的探测点, 在毛细管的中心垂直放置一根裸光 纤, 其两端从毛细管中穿出, 并与普通单模光纤连 接, 这种测温探头的结构类似于一个水银温度计, 不 同之处在于其中心多了一根裸光纤, 并且在封装等 制作工艺上提出了更高的要求。

1 Α R SJ S 可得 TM 波与 T E 波单 Π 2 位长度的损耗功率 P lTM m n , P lR Em n。

2 Α 1  Π   ( E r 2 + E Υ 2 ) rd rd Υ计算 2z 0 0 金属包层波导中 TM 波与 T E 波的传输功率 P TM ,

∫ ∫

   ( 6) 计算衰减系数 Β     Β=
10
Z

lg

其中 L i 为第 i 个 T E 模或 TM 模的功率占总功率

的比重系数; A i 为第 i 个 T E 模或 TM 模单独传输 时的衰减常数。 且  A  A
TM m n

= =

TM m n

( 由式 ( 5) 、 6) , 可以计算出任意一种 T E 或 TM

模的衰减常数。 式中 K cTM m n , K cT Em n 可由下式求得: TM 波: J m ( K cTM m n a ) = 0, n 对应 m 阶 B essel 函 数的第 n 个根。 ′ T E 波: J m ( K cTM m n a ) = 0, n 对应 m 阶 B essel 函 数的第 n 个根。 图 1 给出了不同芯径对应损耗随波长变化的理 论分析结果。 由图可知, 光波导芯径和光波长一定的 情况下, 光功率的衰耗随着水银包层光波导的长度 增加作线性增加; 水银包层光波导芯径一定的情况 一定的情况下, 波导越细, 则衰减系数 Β 越大。
图 1 不同芯径对应损耗随波长的变化
[3 ]

下, 随着传输光波长的增加, 衰减系数 Β 减小, 波长
212 测温探头结构

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P lTM m n ΞΕ SJ m + 1 ( K cTM m n a ) R = ′ 23 P TM m n K z aJ m ( K cTM m n a )
2 4 2

P lTM m n aR S K cT Em n m Kz = 1+ 4 2 23 P T Em n ΞΛ 2 K z m K cT Em n a

Pi - 2A Z = 20lge 2L iA P ie

i

( 4)

( 5) ( 6)

2

图 2 NO T S 的探头结构

T 1 时对应的水银体积分别为 V

213 测温原理
- 8

温度升高, 水银的体积膨胀, 假设温度为 T 0 和
0

和 V t, 且 T 1 > T 0 ,

光功率计的测量值分别为 w 0 , w t , t= T 1 - T 0 则 ( 7)     V 1 = V 0 ( 1+ Θ t+ Θ t2 ) 1 2 其中 Θ 和 Θ 为膨胀系数, Θ = 11818 6×101 2 1
= 0178×10 ° C
- 2 4

水银的体积增量为     ?V = V 0 ( Θ t+ Θ t2 ) 1 2 量为     ?H = 耗为     L = Β?H = 由于 Θ ? Θ , 故 1 2     L ≈ 则   w t = w 0 Π2 d Π2 d
4Β 0 Θ t V 1 4Β 0 Θ V 1

假设毛细管的内径为 d , 则毛细管内水银柱的上升
( Θ t + Θ t2 ) ( 9) 1 2 Π2 d 若水银包层光波导的衰减系数为 Β, 则光功率的衰
S

由式 ( 12) 可知, 所测温度与光功率计的测量值

成正比, 当外界温度发生变化时, 水银体积膨胀, 水

银包层光波导的长度随之而变, 水银包层光波导的

?V

=

4V

0

4V 0 Β

= w 0- w

Π2 d

(T 1 - T 0 ) = w 0 - K (T 1 - T 0 )

( Θ t + Θ t2 ) 1 2
t

°, Θ C 2
( 8) ( 10) ( 11) ( 12)

 102

压 电 与 声 光

2001 年 

衰减特性已在 211 中给出, 通过对光功率衰减的测 待测温度。

光源发出的光经调制, 可有效消除测量起始点 和外界杂散光的干扰, 测量的重复性高。 5 给出了 图 数据处理后调制检测的一组实验结果。 由图可见所 测温度值与实际温度值符合得很好。

量可得出包层长度, 进一步通过数据处理便可得出

3 实验和结果

利用图 2 所示的测温探头进行了大量实验, 生

产半导体器件的电烧结炉作为热源, 其温度指示器 作为计量标准, 为了便于耦合, 减小测量系统造成的 功率衰减, 选用 10 125 Λ 标准作为连接光纤, 裸 m 光光源, 毛细管直径 d = 1 mm , 长度 L ≥300 mm 。 柜实验条件, 因此实验测试温度范围为 20 100 °, ~ C 致。
图 3 接收光功率随温度的变化

光纤的直径 200 Λ , 长度 018 m , 由图 1 可知衰减 m 由于实验时的环境温度为 20 ° 加上不具备冷 C, 但从理论上来说, 在水银的液态范围内其传感测试 一组实验数据, 由图可见, 温度值与输出光功率呈函

系数 Β= 0106 dB mm , 选择波长 113 Λ 的稳定激 m 数关系, 其变化率约为 011 dB °, 与理论分析一 C

都是可行的。 图 3 给出了接收光功率随温度变化的

图 5 数据处理后调制检测的实验结果

5 结束语
光纤温度传感器种类繁多, 具有许多优良的性 能 , 特别适用于易燃易爆的环境, 从而弥补了传统
[6]

温度传感器的不足。 利用可变包层光波导测温, 在很 宽温度范围内, 测量精度为 011 °。 C 光功率及衰减的 测量简单, 精度高, 造价低, 因此这种新型光纤温度 传感器具有极大的应用潜力和使用价值。 参考文献:
[1] [2 ]

饶克谨, 谢处方. 电磁场与微波技术 [M ]. 北京: 高等教 育出版社, 1983. 2992348. 理工大学出版社, 1997.

4 信号探测及数据处理[ 4 ]

[3 ]

CU L SHAW B , DA K I J. 光纤传感器 [M ]. 武汉: 华中 N

本探测终端的特点是, 可实时检测待测参量, 准
[5]

确性好, 可靠性高。 结构如图 4 所示 。

[4]

[5 ]

王清正. 光电探测技术 [M ]. 北京: 电子工业出版社,
1989.

[6]

图 4 探测终端

? 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

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