光纖溫度傳感器課件

1、光纖溫度傳感器課件 4.14.1光纖溫度傳感器的原理光纖溫度傳感器的原理 光纖溫度傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器， 待測參數(shù)溫度與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后， 導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)( 如光 的強(qiáng)度、波長、頻率、相位等) 發(fā)生變化， 稱為被調(diào)制的信號(hào)光。 再經(jīng) 過光纖送入光探測器， 經(jīng)解調(diào)后， 獲得被測參數(shù)。 光纖溫度傳感器種類很多 ， 但概括起來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

2、溫 度傳感器的光纖只是起到光信號(hào)傳輸?shù)淖饔茫?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 類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題， 增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性， 且對(duì)機(jī)械振動(dòng)之類的干擾比較敏感。 光纖溫度傳感器課件 4.24.2光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀 目前已研制成多種光纖溫度傳感器。 其中有代表性的有 光纖Fabry- perot 干涉型溫度傳感器、半導(dǎo)體吸收型光纖溫 度傳感器、光纖光柵溫度傳感器三種。我主要介紹一下半導(dǎo) 體吸收型光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀。 光纖溫度傳感器課件 4.34.3半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器半導(dǎo)體吸收型

3、光纖溫度傳感器 半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器是利用半導(dǎo)體材料的吸收 光譜隨溫度變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)的。 光通過半導(dǎo)體材料時(shí)， 材料會(huì)吸收一部分光子能量， 當(dāng)光子能量超過半導(dǎo)體禁帶寬 度能量Eg( T ) 時(shí)， 傳輸光的波長發(fā)生變化， 由于禁帶寬 度隨溫度的變化而變化， 因此半導(dǎo)體材料吸收的波長會(huì)隨溫 度而變化，同時(shí)進(jìn)入半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)將發(fā)生變化。 當(dāng)溫度 變化時(shí)進(jìn)入半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)將發(fā)生變化， 如果檢測出穿過 半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)， 即可得出對(duì)應(yīng)的溫度量。 利用半導(dǎo)體光吸收原理設(shè)計(jì)了一種可在高壓、強(qiáng)電磁干 擾環(huán)境下應(yīng)用的溫度傳感器。 如圖所示是系統(tǒng)的工作原理圖。 光纖溫度傳感器課件 系統(tǒng)的工作原理圖

4、 由發(fā)光管穩(wěn)壓電源驅(qū)動(dòng)AlGaAs， InGaAsP 兩發(fā)光 二極管發(fā)光， 控制電路控制光開關(guān)分時(shí)接收來自信號(hào) 光源( AlGaAs) 與參考光源( InGaAsP) 發(fā)出的光束， 探 頭中的GaAs 材料對(duì)光有吸收作用， 透射光強(qiáng)與溫度有 關(guān)。 首先是讓測量光通過， 然后是參考光通過，經(jīng)過的 路徑和前面完全一樣， 只是由于探頭中的GaAs材料對(duì)它 來說是完全透明的。 光纖溫度傳感器課件 兩光束通過光纖傳輸后經(jīng)PIN 光電二極管把參考 光束和信號(hào)光束轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)， 經(jīng)前置放大、濾 波后， 通過A/ D 接口到單片機(jī)， 經(jīng)除法運(yùn)算和數(shù) 據(jù)處理后輸出顯示。 光探頭是由半導(dǎo)體材料GaAs 制作， 其

5、厚度 約100 M，兩邊拋光， 鍍?cè)鐾改ぃ?探頭與光纖芯 的連接如圖所示。 傳感頭結(jié)構(gòu)圖 此傳感器其溫度測量范圍在- 10120 ， 精確度可達(dá)1 ， 響應(yīng)時(shí)間22 s， 特別適合超長距離和惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。 光纖溫度傳感器課件 基于半導(dǎo)體GaAs 對(duì)近紅外光的吸收波峰值隨溫度 升高向長波長移動(dòng)從而引起透射率隨溫度變化而變化這 一特性設(shè)計(jì)了一種單光路的半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感 器。測溫系統(tǒng)原理圖如圖所示： 傳感器原理圖 用7805 穩(wěn)壓器搭建穩(wěn)壓電路驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管 ( LED) ， 使LED 獲得穩(wěn)定的輸出功率， 經(jīng)耦合裝置將 LED 光源部分耦合進(jìn)入光纖， 經(jīng)敏感測頭的光能量攜 帶溫度信

6、號(hào)通過耦合裝置耦合到硅光電三極管， 采用 集成運(yùn)放LM324 進(jìn)行電壓放大處理， 最后進(jìn)行標(biāo)定。 敏感測頭如圖6 所示。 光纖溫度傳感器課件 敏感測頭結(jié)構(gòu) 采用經(jīng)研磨并拋光厚度達(dá)200 m， 面積約2mm ? 2 mm 的GaAs 片， 將其垂直置于直徑為2。 49mm 的陶瓷套管中 。 將GaAs 片粘在一邊的陶瓷插芯端面， 將光纖對(duì)準(zhǔn)并固定。 實(shí)驗(yàn)證明: 該單光路光纖溫度傳感器的測量精度可達(dá)到% 1 ， 響應(yīng)時(shí)間在20 s 之內(nèi)， 有良好的長期穩(wěn)定性、重復(fù)性; 在 20 70 具有良好的線性， 在這個(gè)范圍內(nèi)對(duì)某些環(huán)境下( 如 石油工業(yè)、電力工業(yè)) 可得到廣泛應(yīng)用。 根據(jù)傳感頭內(nèi)的各部 分材料特性， 以及光纖的熱穩(wěn)定性， 這種傳感器可在- l0 300 內(nèi)正常工作。 上面2 種傳感器后者比前者在響應(yīng)時(shí)間及適用溫度范圍方面均 有提高， 但前者適合超長距離使用。 光纖溫度傳感器課件 光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn) （1）靈敏度高 （2）幾何形狀具有多方面適應(yīng)性，可以制成任意 形狀的光纖傳感器 （3）可以制造傳感各種不同物理信息（如聲、磁、 溫度、旋度等）的器件 （4）可以用于高壓、電氣噪聲、高溫腐蝕或其他 惡劣環(huán)境 （5）而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性 (6)測量速度快 光的傳播速度最快且能傳送二維信息，