光纤温度传感器电子092班张洪亮2009131041光纤温度传感器摘要本文从光纤和光纤传感器以及光纤温度传感器的发展历程开始详细分析国内外主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较了不同方法的温度测量范围和性能指标以及各自的优缺点。

通过研究发现了当前的光纤温度传感器的种类和特点，详细介绍了光纤温度传感器的原理，种类和各自的特点和优缺点。

可以根据这些传感器各自特点将各种传感器应用到不同的领域，本文也简要分析了各种光纤温度传感器的运用范围和领域。

本文还通过图文并茂的方式比较详细地分析了介绍了空调器的基本结构，工作电气原理和基本的热力学过程。

本文对毕业设计主要内容和拟采用的研究方案也做出了详细地介绍分析。

关键词：光纤传感器，光纤温度传感器，运用领域，空调器，空调器原理1 引言：光纤温度传感器是一种新型的温度传感器．它具有抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点，其中几种主要的光纤温度传感器：分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光纤温度传感器更有着自己独特的优点。

与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高;是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。

它将在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下测温有着广阔的应用前景。

在本论文中将详细分析当前光纤温度传感器的主要种类和各自的原理，特点和应用范围。

70 年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。

1977 年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。

从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。

从70 年代中期到 80 年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。

从目前的情况看，己有一些形成产品投入市场，但大量的是处在实验室研究阶段。

光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点:灵敏度高; 是无源器件，对被测对象不产生影响;光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠;频带宽，动态范围大;几何形状具有多方面的适应性;可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制;体积小，重量轻等。

目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工作开展早的国家情况如下:美国对光纤传感器研究共有六个方面:这些项目分别是: 光纤传感系统;现代数字光纤控制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控; 民用研究计划。

以上计划仅在 1983 年就投资 12-14 亿美元。

美国从事光纤传感器研究的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等 28 个主要单位。

美国光纤传感器开始研制最早，投资最大，己有许多成果申请了专利。

英国政府特别是贸易工业部十分重视光纤传感器技术，早在 1982 年有该部为首成立了英国光纤传感器合作协会，到 1985 年为止，共有 26 个成员，其中包括中央电器研究所、Delta 控制公司、帝国化学工业公司、英国煤气公司、Taylor 仪器公司、标准电信研究所及几所主要大学。

德国的光纤陀螺的研究规模和水平仅次与美国居世界第二位，西门子公司在 1980 年就制成了高压光纤电流互感器的实验样机。

日本制定了 1979-1986 年“光应用计划控制系统”的七年规划，投资达 70 亿美金。

有松下、三菱、东京大学等 24 家著名的公司和大学从事光纤传感器研究。

从 1980 年 7 月到 1983 年 6 月，申请光纤传感器的专利 464 件，涉及 11 个领域。

主要应用于大型工厂，以解决强电磁千扰和易燃、易爆等恶劣环境中信息测量、传输和生产全过程的控制问题。

我国光纤传感器的研究工作于 80 年代初开始，在“七五”规划中提出 15 项光纤传感器项目，其中有光纤放射线探测仪、光纤温度传感器及温度测量系统、光纤陀螺、光纤磁场传感器、光纤电流、电压传感器、医用光纤传感器、分析用传感器、集成光学传感器等。

预计“七五”期间的研制成果可达到美、日等国 80 年代初、中期水平。

半导体吸收型光纤温度传感器基本上是 80 年代兴起的，其中以日本的研究最为广泛。

在 1981 年，Kazuo Kyuma 等四人在日本三菱电机中心实验室，首次研制成功采用 GaA、和 Care 半导体材料的吸收型光纤温度传感器。

由于人们对半导体材料认识的不断深入，以及半导体制造和加工工艺水平的不断提高，使人们对采用半导体材料来制作各种传感器的前景十分看好。

在 90 年代前后，出现了研究以硅材料作为温度敏感材料的光纤温度传感器。

在 1988 年，Roorkee 大学 R.P.Agarwal 等人，采用 CIrD(化学气象淀积)技术，在光纤端面上淀积多晶硅薄膜，试制了硅吸收型光纤温度传感器。

同年，Isko Kajanto 等人采用 SOI 结构，以光纤反射的方式，制作了单晶硅吸收型温度传感器。

目前，以 GaAs 和CdTe 直接带隙半导体材料的吸收型光纤温度传感器，已接近实用化。

国内对半导体吸收型光纤温度传感器的研究起步较晚，兴起于 90 年代后期。

主要集中在清华大学，华中理工大学，东南大学等高校。

他们对该种类型的传感器结构，特性和系统结构进行了详细的分析和实践。

但大量的研究只集中在 GaAs 半导体作为感温材料的传感器上，与国外在该领域的研究水平仍有较大差别。

2光纤温度传感器的特点：光纤温度传感器与传统的温度传感器相比具有很多优点：光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器件接收．可方便地进行光电或电光转换．易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配．光纤工作频率宽．动态范围大，是一种低损耗传输线，光纤本身不带电．体积小质量轻，易弯曲，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。

国外一些发达国家对光纤温度传感技术的应用研究已取得丰富成果．不少光纤温度传感器系统已实用化．成为替代传统温度传感器的商品。

所有与温度相关的光学现象或特性．本质上都可以用于温度测量．基于此．用于温度测量的现有光学技术相当丰富。

对于光纤温度传感器的研究占到将近所有光纤传感器研究的20％。

光纤温度传感器的研究．除对现有器件进行外场验证、完善和提高外，目前有以下几个发展动向：大力发展测量温度分布的测量技术．即由对单个点的温度测量到对光纤沿线上温度分布．以及大面积表面温度分布的测量：开发包括测量温度在内的多功能的传感器：研制大型传感器阵列．实现全光学遥测。

光纤测温传感器是用光纤来测量温度的。

有两种方法可实现。

一是利用被测表面辐射能随温度的变化而变化的特点；利用光纤将辐射能量传输到热敏元件上经过转换再变成可供纪录和显示的电信号。

这种方法独特之处就是可以远距离测量；另外一种方法是利用光在光导纤维内传输的相位随温度参数的改变而改变的特点，光信号的相位随温度的变化是由于光纤材料的尺寸和折射率都随温度改变而引起的。

3 光纤传感器的基本原理在光纤中传输的单色光波中w 是角频率；为初相角。

该式包含五个参数，即强度率 w、波长、相位（wt+ ）和偏振态。

光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已知调制的光信号进行检测，从而得到被测量。

当被测物理量作用于光纤传感头内传输的光波时，使的强度发生变化，就称为强度调制光纤传感器；当作用的结果使传输光的波长、相位或偏振态发生变化时，就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传感器。

3.1 强度调制3.1.1 发光强度调制传感器的调制原理光纤传感器中发光强度的调制的基本原理可简述为，以被测量所引起的发光强度变化，来实现对被测对象的检测和控制。

光源 S 发出的发光强度为的光柱入传感头，在传感头内，光在被测物理量的作用下强度发生变化，即受到了外场的调制，使得输出发光强度产生与被测量有确定对应关系的变化。

由光电探测器检测出发光强度的信号，经信号处理解调就得到了被测信号。

3.1.2 发光强度调制的方式利用光纤微弯效应；利用被测量改变光纤或者传感头对光波的吸收特性来实现发光强度调制；通过与光纤接触的介质折射率的改变来实现发光强度调制；在两根光纤间通过倏逝波的耦合实现发光强度调制；利用发送光纤和接收光纤作相对横向或纵向运动实现发光强度调制，这是当被测物理量引起接收光纤位移时，改变接收发光强度，从而达到发光强度调制的目的。

这种位移式发光强度调制的光纤传感器是一种结构简单，技术较为成熟的光纤传感器。

3.1.3 发光强度调制型传感器分类根据其调制环节在光纤内部还是在光纤外部可以分为功能型和非功能型两种。

强度调制式光纤传感器的特点解调方法简单、响应快、运行可靠、造价低。

缺点是测量精度较低，容易产生偏移，需要采取一些自补偿措施。

3.2 相位调制通过被测量的作用，使光纤内传播的光相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。

4 光纤温度传感器4.1几种光纤温度传感器的原理和研究现状 .1几种光纤温度传感器的原理和研究现状。

光纤温度传感器按其工作原理可分为功能型和传输型两种。

功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性 f 相位、偏振、强度等)随温度变换的特点，进行温度测定。

这类传感器尽管具有”传”、”感”合一的特点．但也增加了增敏和去敏的困难。

传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用．以避开测温区域复杂的环境．对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的。

这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题．增加了系统的复杂性，且对机械振动之类的干扰较敏感。

下面介绍几种主要的光纤温度传感器的原理和研究现状。

4.1.1 分布式光纤温度传感器分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统。

分布光纤传感器系统最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的．1983 年英国的 Hartog 用液体光纤的拉曼光谱效应进行了分布式光纤温度传感器原理性实验．1985 年英国的 Dakin 在实验室用氩离子激光器作为光源进行了用石英光纤的拉曼光谱效应的分布光纤温度传感器测温实验．同年 Hartog 和 Dakin 分别独立地用半导体激光器作为光源，研制了分布光纤温度传感器实验装置：此后。

分布光纤温度传感器得到了很大的发展．研究出了多种传感机理．有的还使用了特种光纤。

分布式光纤温度传感器是基于瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射三种分布式温度传感器。