光纤温度传感器的研制与开发摘要本文从光纤的基础入手,首先介绍了光纤的基础知识,诸如:光缆结构,光导纤维的导光原理等,然后结合传感器引入了光纤传感器的定义,分类及工作原理;而本次设计研究的对象是光纤温度传感器的定义,因此以温度为被测量对象,根据实际需要,结合具体传感器自身的特点,选用了半导体吸收型光纤传感器并介绍了其根本结构,基本原理,同时,针对这种方法所存在的缺点提出了几种改进方案并加以阐述;随后给出了半导体吸收型光纤温度传感器的实现电路,由此一个成熟的光纤温度传感器就设计完毕了。

当然光纤温度传感器有多种实用的设计方法,本文在探讨了半导体吸收型光纤温度传感器之后,又提到了PN结或硅晶体三极管类型的传感器,并把他们进行了比较,并给出最终结论：本课题应用半导体吸收型光纤温度传感器这种方法。

关键词：光纤，温度，光纤传感器，半导体AbstractThis paper has introduced that how fiber-optic propagate light, and then introduced the definition, the sort, and the principle of fiber-optic sensors. Because of measuring the temperature, we choose a kind of sensor which uses the semiconductor according to the practice and the own characteristic of the fiber-optic sensors. For this kind of sensor has some disadvantage, we improved the scheme and then give an idea of the circuit of the sensor.There have so many kinds of sensors, we then introduced others including the sensor which uses bimetal and the sensor which uses PN-junction and then compared the latter schemes with the former one. At last, we give the conclusion that in this paper the scheme we has chosen is the sensor that uses semiconductor.Key words:Fiber-optic ,temperature, fiber-optic sensors, semiconductorAbstract ...................................................................................................................................................... i i 绪论 . (1)1.光纤的基础知识介绍 (3)1．1光纤的结构 (3)1.2光纤传输原理 (4)1.2.1传输条件 (4)1.3光纤的温度特性 (5)1.4光纤的机械特性 (6)２.传感器的基本概念 (7)２.１传感器的定义与组成 (7)2.2光纤传感器基本工作原理及类型 (8)2.2.1光纤传感器基本工作原理 (8)2.2.2光纤传感器的类型 (8)2.2.3传感器的数学模型 (9)2.3光纤传感器的调制原理 (10)2.4光纤传感器的发展趋势 (11)3.半导体吸收型光纤温度传感器 (13)3.1工作原理 (13)3.2 测量装置结构 (13)3.3光探测器的简要介绍 (14)3.3.1 PIN光电二极管 (14)3.3.2雪崩二极管（APD） (15)3.3.3半导体发光二极管（LED） (16)3.4 光纤传感器的光源要求 (17)4.光发射机与光接收机 (19)4.1调制方式 (19)4.2调制方式的比较 (19)4.3光发射机要求 (20)4.4 光接收机 (21)4.4.1光接收机的性能指标 (21)5.半导体吸收型光纤温度传感器实现电路 (24)5.1、LED数字式驱动电路 (24)5.2 半导体吸收型光纤传感器的接收电路 (25)6.其他几种有效的光纤温度传感器 (27)6.1.光纤微弯位移传感器 (27)6.2 测温PN结或硅晶体三极管作为传感器 (27)6.2.1测温原理 (27)6.2.2.PN结及晶体管的温度特性 (28)6.3基于位移的双金属片光纤温度传感器 (28)7.几种常见方案的比较 (30)结论 (31)绪论我们知道传感器(sensor)是实现测试和自动控制(包括遥感、遥测、遥控)的首要环节。

传感器亦称换能器、变换器，是将被测的某一物理量（或信号）按一定的规律转换成与其对应的另一种物理输出的装置，是将被测的非电物理量如温度等转换成与之对应的易于精确处理的电量或电参量（电压、频率等）输出的一种测量装置。

现代的非电量电测系统通常由传感器来采集信息，再进行信息的电量与电量的转换、传输；测量电路（放大整形调解器）。

信息的显示，信息的处理等系统组成，而传感器又有敏感元件和转换元件构成，其中转换元器件是将感受到的非电量直接转换为电量的器件。

温度（temperature）是反映物体分子热运动的一个物理参数，它是表示物体冷热程度的物理量。

温度的测量只能通过物体的某些物理性质随温度变化的参数来加以间接的测量，而用来测温度的物体的物理性质应当是温度的单值，连续函数，而且复合性要好，由此可知温度传感器（temperature sensor）是感受温度并将温度转换为相应的电信号输出传感器。

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。

我们知道利用适当的仪器检出光纤中光信号相位的变化就可以测量温度。

由于应变或压力也会改变光导纤维的传输特性，使光信号相位变化，基于同一机理也可检测应变和压力。

对于单模光纤，检测相位变化的基本系统是马赫·曾德来干涉仪，在仪器中，来自信号光纤的光与一稳定的参考光来混合，由于信号光纤受被测参数的影响，其传播的光信号相位发生变化，因此两光束产生干涉。

原理上，用一适当的相位检测器可以检测小的变化，用条纹计数器可以检测大的变化，参考光束按应用状态不同可以经过或不经过频移，光的频移适常用布勒格盒完成。

一个主要难度就是光的偏振面经过光纤后散射，这样，有的因参考光束和信号光束正交偏振而观察不到干涉条纹。

光纤温度传感器是一种极灵敏的仪器，若参考光路平稳的话，则可测出几分之一摄氏温度变化，同时由于光纤传感器不受电磁辐射的影响，使用于电噪声环境中（如电力线、电器铁路和电气机械中）能避免产生火花，使用于油罐和易爆炸的气体中（如煤矿和石化工业）。

光纤绝缘材料做成，具有很好的电气绝缘性能，光纤电流传感器的吸引力在于它有可能取代现有电子系统中庞大昂贵的电流互感器，并且有很快的频响。

目前，国际上继续深入研究传感的理论技术，解决实用化问题，发展新原理的光纤传感原理。

其原理示意图如下。

图 光纤传感原理例如由于传感器用于实际测量的主要一个问题就是长时间漂移效应，单一光纤传感器无法通用于多参数多变量的测量，因此，国外就这些都进行着大量的研究。

在本次设计中，首先我们要探讨的是光纤传感器原理，就是光源的光经过光纤调制区，在调制区内外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤传入光探测器，光纤传感器和传感型光纤传感器，传光型中光纤仅作为传播光的介质，而传感型光纤传感器是利用对外界信息具在敏感能力和检测功能的光纤作为传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。

我们所要研究的是半导体吸收型光纤温度传感器是利用半导体材料的光吸收与温度的关系，做成透射式光纤温度传感器。

半导体材料吸收边的波长λg(T)随温度增加而向较长波长位移；选择适当的半导体发光二极管LED ，使其光谱范围正好落在吸收边的区域，这样，透过半导体材料的光强随温度T 的增加而减小，其中传感探头的内部结构是由两根光纤之间夹放一块半导体薄片，套入一根细的不锈钢之中固紧。

我们这次采用的传感器材料的半导体采用碲化镉和砷化镓，具体的有关此系统是怎样达到实际的可操作性将在后序中运用推导的方法来证明。

本设计从光纤的基础入手，在《光纤通信》的基础上，阐明光纤的导光原理。

然后去探索传感器的一些基本常识。

再把二者结合起来探讨光纤传感器定义分类和工作原理。

由于本次设计的是光纤温度传感器的设计，因此，我们主要弄清当测量对象为温度时的一系列要做的工作和注意事项。

了解半导体吸收型光纤温度传感器的基本结构和工作原理，在已有了光纤温度传感器设计的原则上检查所设计的光纤温度传感器的不足，从而对传感器的驱动电路和接受电路的方案进行改进，从而达到理想的效果。

1.光纤的基础知识介绍1．1光纤的结构光纤是由中心的纤芯和外围的包层组成的同轴圆柱形石英细丝。

纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯传输。

包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。

设纤芯和包层的折射率分别为1n 和2n ;光能量在光纤中传输的必要条件是1n >2n ，纤芯和包层的相对折射率差△=(1n -2n )/ 1n ，其典型值，单模光纤为 0.3％一0.6％，多模光纤为1％一2％。

△越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强。

图1.1 实用光纤三种基本类型（a ）突变型（SI ）多模光纤（b ）渐变型（GI ）多模光纤（c ）单模（SM ）光纤作为信息传输波导、实用光纤有多模和单模两种基本类型。

图1.1示出光线在纤芯中传播1.2光纤传输原理1.2.1传输条件为简单和直观起见，以突变型光纤交轴(子午)光线为例，用光线光学方法说明光纤传输条件，如图1.2所示、光线在光纤端面以不同角度θ从空气入射到纤芯(0n <1n )，折射角为1θ门折射后的光线在纤芯与包层交界面以不同角度ϕ入射到包层(1n >2n )，此时不同θ相应的光线将发生反射或折射。