基于反射式強(qiáng)度調(diào)制的光纖溫度傳感器_馬乃兵

1、 1999年第1期工業(yè)儀表與自動化裝置57基于反射式強(qiáng)度調(diào)制的光纖溫度傳感器馬乃兵駱飛孟愛東南京航空航天大學(xué)測試工程系南京:210016*摘要本文提出了一種新型的光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu), 并建立了傳感器的數(shù)字模型, 推導(dǎo)出傳感器輸出光信號與溫度的相應(yīng)關(guān)系, 最后在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到了輸出光信號與溫度變化的關(guān)系曲線。關(guān)鍵詞光纖溫度傳感器反射式強(qiáng)度調(diào)制1引言由于光纖本身具有電絕緣性能好、不受電磁干擾、無火花、能在易燃易爆的環(huán)境中使用等優(yōu)點(diǎn)而越來越受到人們的重視, 各種光纖傳感器已相繼問世。光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù), 也是工業(yè)中應(yīng)用最多的光纖傳感器之一。目前研究的光纖溫度傳感器主要有輻射溫度

2、傳感器、半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、光纖液體溫度傳感器、光纖熱色溫度傳感器、光纖偏振溫度傳感器、外差干涉溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、分布式光纖溫度傳感器等。所有這些傳感器, 有的只能應(yīng)用于某些特殊場合, 有的尚處于研究之中, 而且基本上都是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴。利用雙金屬片的溫度特性制成的光纖溫度傳感器已有報(bào)道, 但采用的多是傳輸型結(jié)構(gòu)。A . Mencaglia 等人提出的反射型光纖溫度傳感器采用了透鏡-反射鏡面結(jié)構(gòu)2, 但其測量范圍比較小, 這就限制了它的應(yīng)用場合。所以研究一種能應(yīng)用于多種場合、動態(tài)范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉的光纖溫度傳感器具有現(xiàn)實(shí)意義。利用光纖反射式強(qiáng)

3、度調(diào)制的機(jī)理、雙金屬片良好的溫度特性以及杠桿式千分尺機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性, 本文研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用范圍廣的新型光纖溫度傳感器。1微位移(<100L m , 在此范圍內(nèi), 接收到的反射光強(qiáng)與光纖端面和反射鏡面之間的距離成線性關(guān)系 。O1、O2、O3為固定軸心, 杠桿BD 可以繞O1轉(zhuǎn)動, 杠桿式扇齒輪機(jī)構(gòu)的桿端可以繞O2轉(zhuǎn)動, 杠桿AO 3與小齒輪固定, 可以帶動小齒輪繞O 3轉(zhuǎn)動。A 端活接在雙金屬片的頂端, 并留有一段活動余地, 如圖2-2a 所示?；钊慕Y(jié)構(gòu)如圖2-2b 所示, 為了保證活塞在導(dǎo)向槽中移動自如, 我們采取了3點(diǎn)措施, 一是選擇輕質(zhì)材料, 其次采用滾珠形式, 再者在活塞端

4、面上打了許多圓孔以減輕重量。圖2-1溫度探頭2傳感機(jī)理2. 1傳感器的基本結(jié)構(gòu)傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。杠桿式千分尺-活塞機(jī)構(gòu)將雙金屬片的彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)殓R面的水平當(dāng)溫度升高時, 雙金屬片受熱變形, 其端部A 將產(chǎn)生位移, 帶動杠桿A O3及定齒輪繞軸心O3轉(zhuǎn)動, 通過杠桿式扇齒輪機(jī)構(gòu)將A 端的位移變?yōu)镈 的微位移, 再通過杠桿BD 、BC 的傳動變?yōu)殓R面的水平微位移。通過改變鏡面與光纖端面的距離, 從而使58光的強(qiáng)度, 可以確定溫度的大小。工業(yè)儀表與自動化裝置1999年第1期圖2-4雙金屬片受熱引起的變形(a A 端的結(jié)構(gòu)(b 活塞的結(jié)構(gòu)圖2-2(2 杠桿式千分尺-活塞機(jī)構(gòu)杠桿式千分尺-活塞

5、機(jī)構(gòu)如圖2-5所示。設(shè)雙金屬片受熱變形使得A 點(diǎn)產(chǎn)生的位移為x , 活塞水平移動的位移為y , 杠桿式千分尺-活塞機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)為M , 則y =M x 6204(2-22. 2光路組成傳感系統(tǒng)的光路如圖2-3所示, 傳輸光纖的E 端與溫度探頭的光纖相連接。從光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器到傳輸光纖, 進(jìn)入溫度探頭的光纖中, 入射到鏡面上。由于溫度的變化而引起鏡面和溫度探頭中光纖端面的距離發(fā)生變化, 從而引起耦合進(jìn)光纖的反射光的強(qiáng)度發(fā)生變化。反射光再耦合進(jìn)光纖中, 經(jīng)傳輸光纖和耦合器, 由光電探測、信號處理得到隨溫度變化的信號。光源選用波長為1300nm 的LED, 其驅(qū)動電路為自制的高穩(wěn)定度恒流源組成

6、。光電探測器為探測波長1300nm 的PIN 管。耦合器采用3dB 的Y 型結(jié)構(gòu), 光纖為普通的通信用多模階躍光纖。這種機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)M 可以做到1/5801/圖2-5杠桿式千分尺-活塞機(jī)構(gòu)(3 反射光與光纖端面的耦合我們選用的光纖其折射率為階躍型分布, 設(shè)光纖端面到反射鏡面的距離為d , 光纖的纖芯直徑為2a , 數(shù)值孔徑為N A , 在反射鏡面上的光斑直徑為圖2-3光路組成2r , 這時光纖所接收的光強(qiáng)等效于輸入光纖像所發(fā)出的光強(qiáng)。在設(shè)計(jì)中, 我們選擇合適的參數(shù), 使得在活塞的移動過程中, 光纖完全處于其像的光錐之內(nèi)。如圖2-6所示。這時(2-1(2-3 d由于H =sin -1N A ,

7、 所以式(2-3 可以改寫成tg H =r =a +d tg H =a +d tg (sin -1N A (2-4假定反射面無吸收, 光功率耦合效率則為交疊2. 3數(shù)學(xué)模型的建立(1 雙金屬片當(dāng)雙金屬片受熱變形時, 其端部產(chǎn)生的位移量由下式給定2X =h式中:$3溫度變化l 雙金屬片長度 3彈性系數(shù)K 由兩種金屬熱膨脹系數(shù)之差、1999年第1期工業(yè)儀表與自動化裝置592F =(a +d tg (sin N A (2- 5-1所示。由圖可以看出, 光強(qiáng)隨著溫度的增加而遞增, 與我們得到的數(shù)學(xué)模型相一致。對得到的曲線進(jìn)行分段線性或曲線擬合, 就可以得到確定光強(qiáng)與溫 度的對應(yīng)關(guān)系。圖2-6反射式強(qiáng)度

8、調(diào)制這種反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖系統(tǒng)具有非接觸、探頭小、頻響高、線性度好等特點(diǎn)。在系統(tǒng)中為了提高耦合效率, 將光纖端面燒制成球透鏡, 其原理是通過擴(kuò)大光纖接收角2H c , 使進(jìn)入光纖的光強(qiáng)增加, 從而提高耦合效率。這種具有球透鏡端面形狀的光纖接收角H c 提高后可達(dá)H c =sin-1n 1sin sin -1(c 2+cos -1( 2r c n 1圖3-1光信號與溫度變化之間的關(guān)系c(2-6 2r c式中n 1, n 2分別為纖芯和包層的折射率-sin -1(d c 芯徑r c 球半徑(4 接收光強(qiáng)與溫度變化的關(guān)系設(shè)光纖端面和反射鏡面的初始距離為d 0, 當(dāng)溫度變化$T 時, 反射鏡面水平位移

9、為x , 此時, 光纖端面和鏡面之間的距離為d =d 0-x(2-74結(jié)論本文提出的光纖溫度傳感器, 在理論模型的基礎(chǔ)上, 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。通過改變雙金屬片的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以得到較大的溫度測量范圍。這種光纖溫度傳感器對于易燃、易爆環(huán)境下的溫度檢測具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1張志鵬, (英 W . A . Gambling 著. 光纖傳感器原理. 中國計(jì)量出版社, 1991. 9. p 1751852A. M encaglia , M. Br enci, A. G. M ig nani. Optica l-fibersenso r net wo rk for tempera ture a nd pr ox imit y co ntro l, First Eur o pean Co nference o n Smar t Str uctures a nd M a-terials, 1992. 5, P 45483余瑞芬主編. 傳感器原理. 航空工業(yè)出版社, 1995, 8,p2424陳國華. 儀器機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用. 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1986, 3p3738由式(2-1