光纖溫度傳感器畢業(yè)論文

1、摘 要本文從光纖和光纖傳感器以及光纖溫度傳感器的發(fā)展歷程開始詳細分析國內外主要光纖溫度測溫方法的原理及特點，比較了不同方法的溫度測量范圍和性能指標以及各自的優(yōu)缺點。通過研究發(fā)現(xiàn)了當前的光纖溫度傳感器的種類和特點，詳細介紹了光纖溫度傳感器的原理，種類和各自的特點和優(yōu)缺點?？梢愿鶕?jù)這些傳感器各自特點將各種傳感器應用到不同的領域，本文也簡要分析了各種光纖溫度傳感器的運用范圍和領域。本文還通過圖文并茂的方式比較詳細地分析了介紹了空調器的基本結構，工作電氣原理和基本的熱力學過程。本文對畢業(yè)設計主要內容和擬采用的研究方案也做出了詳細地介紹分析。關鍵詞：光纖，光纖傳感器，光纖溫度傳感器，運用領域，空調器，空

2、調器原理Abstract1 引言：光纖溫度傳感器是一種新型的溫度傳感器它具有抗電磁干擾、耐高壓、耐腐蝕、防爆防燃、體積小、重量輕等優(yōu)點，其中幾種主要的光纖溫度傳感器：分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器更有著自己獨特的優(yōu)點。與傳統(tǒng)的傳感器相比具有一下優(yōu)點:靈敏度高;是無源器件，對被測對象不產(chǎn)生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環(huán)境下安全可靠;頻帶寬，動態(tài)范圍大;幾何形狀具有多方面的適應性;可以與光纖遙測技術相配合，實現(xiàn)遠距離測量和控制;體積小，重量輕等。它將在航空航天、遠程控制、化學、生物化學、醫(yī)療、安全保險、電力

3、工業(yè)等特殊環(huán)境下測溫有著廣闊的應用前景。在本論文中將詳細分析當前光纖溫度傳感器的主要種類和各自的原理，特點和應用范圍。2 論文要求：（1）詳細分析國內外主要光纖溫度測溫方法的原理及特點，比較不同方法的溫度測量范圍和性能指標。（2）掌握空調器的工作電氣原理和基本的熱力學過程。3 畢業(yè)論文綜述： 70年代中期，人們開始意識到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構成一種新的直接交換信息的基礎，無需任何中間級就能把待測的量與光纖內的導光聯(lián)系起來。1977年，美國海軍研究所開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計劃，這被認為是光纖傳感器問世的日子。從這以后，光纖傳感器在全世界的許多實驗室里出現(xiàn)。從70年代中期到80年代

4、中期近十年的時間，光纖傳感器己達近百種，它在國防軍事部門、科研部門以及制造工業(yè)、能源工業(yè)、醫(yī)學、化學和日常消費部門都得到實際應用。從目前的情況看，己有一些形成產(chǎn)品投入市場，但大量的是處在實驗室研究階段。光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比具有一下優(yōu)點:靈敏度高;是無源器件，對被測對象不產(chǎn)生影響;光纖耐高壓，耐腐蝕，在易燃、易爆環(huán)境下安全可靠;頻帶寬，動態(tài)范圍大;幾何形狀具有多方面的適應性;可以與光纖遙測技術相配合，實現(xiàn)遠距離測量和控制;體積小，重量輕等。 目前，世界各國都對光纖傳感器展開了廣泛，深入的研究，幾個研究工作開展早的國家情況如下:美國對光纖傳感器研究共有六個方面:這些項目分別是:光纖傳感系統(tǒng)

5、;現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng);光纖陀螺;核輻射監(jiān)控;飛機發(fā)動機監(jiān)控;民用研究計劃。以上計劃僅在1983年就投資12-14億美元。美國從事光纖傳感器研究的有美國海軍研究所、美國宇航局、西屋電器公司、斯坦福大學等28個主要單位。美國光纖傳感器開始研制最早，投資最大，己有許多成果申請了專利。 英國政府特別是貿(mào)易工業(yè)部十分重視光纖傳感器技術，早在1982年有該部為首成立了英國光纖傳感器合作協(xié)會，到1985年為止，共有26個成員，其中包括中央電器研究所、Delta控制公司、帝國化學工業(yè)公司、英國煤氣公司、Taylor儀器公司、標準電信研究所及幾所主要大學。 德國的光纖陀螺的研究規(guī)模和水平僅次與美國居世界第二位

6、，西門子公司在1980年就制成了高壓光纖電流互感器的實驗樣機。 日本制定了1979-1986年“光應用計劃控制系統(tǒng)”的七年規(guī)劃，投資達70億美金。有松下、三菱、東京大學等24家著名的公司和大學從事光纖傳感器研究。從1980年7月到1983年6月，申請光纖傳感器的專利464件，涉及11個領域。主要應用于大型工廠，以解決強電磁千擾和易燃、易爆等惡劣環(huán)境中信息測量、傳輸和生產(chǎn)全過程的控制問題。 我國光纖傳感器的研究工作于80年代初開始，在“七五”規(guī)劃中提出15項光纖傳感器項目，其中有光纖放射線探測儀、光纖溫度傳感器及溫度測量系統(tǒng)、光纖陀螺、光纖磁場傳感器、光纖電流、電壓傳感器、醫(yī)用光纖傳感器、分析用

7、傳感器、集成光學傳感器等。預計“七五”期間的研制成果可達到美、日等國80年代初、中期水平。 半導體吸收型光纖溫度傳感器基本上是80年代興起的，其中以日本的研究最為廣泛。在1981年，Kazuo Kyuma等四人在日本三菱電機中心實驗室，首次研制成功采用GaA、和Care半導體材料的吸收型光纖溫度傳感器。由于人們對半導體材料認識的不斷深入，以及半導體制造和加工工藝水平的不斷提高，使人們對采用半導體材料來制作各種傳感器的前景十分看好。在90年代前后，出現(xiàn)了研究以硅材料作為溫度敏感材料的光纖溫度傳感器。在1988年，Roorkee大學R.P.Agarwal等人，采用CIrD(化學氣象淀積)技術，在光

8、纖端面上淀積多晶硅薄膜，試制了硅吸收型光纖溫度傳感器。同年，Isko Kajanto等人采用SOI結構，以光纖反射的方式，制作了單晶硅吸收型溫度傳感器。目前，以GaAs 和CdTe直接帶隙半導體材料的吸收型光纖溫度傳感器，已接近實用化。 國內對半導體吸收型光纖溫度傳感器的研究起步較晚，興起于90年代后期。主要集中在清華大學，華中理工大學，東南大學等高校。他們對該種類型的傳感器結構，特性和系統(tǒng)結構進行了詳細的分析和實踐。但大量的研究只集中在GaAs半導體作為感溫材料的傳感器上，與國外在該領域的研究水平仍有較大差別。4 光纖溫度傳感器的特點：光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比具有很多優(yōu)點：光波不

9、產(chǎn)生電磁干擾，也不怕電磁干擾，易被各種光探測器件接收可方便地進行光電或電光轉換易與高度發(fā)展的現(xiàn)代電子裝置和計算機相匹配光纖工作頻率寬動態(tài)范圍大，是一種低損耗傳輸線，光纖本身不帶電體積小質量輕，易彎曲，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。國外一些發(fā)達國家對光纖溫度傳感技術的應用研究已取得豐富成果不少光纖溫度傳感器系統(tǒng)已實用化成為替代傳統(tǒng)溫度傳感器的商品。所有與溫度相關的光學現(xiàn)象或特性本質上都可以用于溫度測量基于此用于溫度測量的現(xiàn)有光學技術相當豐富。對于光纖溫度傳感器的研究占到將近所有光纖傳感器研究的20。光纖溫度傳感器的研究除對現(xiàn)有器件進行外場驗證、完

10、善和提高外，目前有以下幾個發(fā)展動向：大力發(fā)展測量溫度分布的測量技術即由對單個點的溫度測量到對光纖沿線上溫度分布以及大面積表面溫度分布的測量：開發(fā)包括測量溫度在內的多功能的傳感器：研制大型傳感器陣列實現(xiàn)全光學遙測。光纖測溫傳感器是用光纖來測量溫度的。有兩種方法可實現(xiàn)。一是利用被測表面輻射能隨溫度的變化而變化的特點；利用光纖將輻射能量傳輸?shù)綗崦粼?，?jīng)過轉換再變成可供紀錄和顯示的電信號。這種方法獨特之處就是可以遠距離測量；另外一種方法是利用光在光導纖維內傳輸?shù)南辔浑S溫度參數(shù)的改變而改變的特點，光信號的相位隨溫度的變化是由于光纖材料的尺寸和折射率都隨溫度改變而引起的。5 光纖傳感器的基本原理在光纖

11、中傳輸?shù)膯紊獠捎萌缦滦问降姆匠瘫硎綞=式中，是光波的振幅：w是角頻率；為初相角。該式包含五個參數(shù)，即強度、頻率w、波長、相位（wt+）和偏振態(tài)。光纖傳感器的工作原理就是用被測量的變化調制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對已知調制的光信號進行檢測，從而得到被測量。當被測物理量作用于光纖傳感頭內傳輸?shù)墓獠〞r，使的強度發(fā)生變化，就稱為強度調制光纖傳感器；當作用的結果使傳輸光的波長、相位或偏振態(tài)發(fā)生變化時，就相應的稱為波長、相位或偏振調制型光纖傳感器。5.1強度調制5.1.1 發(fā)光強度調制傳感器的調制原理 光纖傳感器中發(fā)光強度的調制的基本原理可簡述為，以被測量所引起的發(fā)光強度變化，來實現(xiàn)對

12、被測對象的檢測和控制。其基本原理如圖所示。光源S發(fā)出的發(fā)光強度為的光柱入傳感頭，在傳感頭內，光在被測物理量的作用下強度發(fā)生變化，即受到了外場的調制，使得輸出發(fā)光強度產(chǎn)生與被測量有確定對應關系的變化。由光電探測器檢測出發(fā)光強度的信號，經(jīng)信號處理解調就得到了被測信號。5.1.2 發(fā)光強度調制的方式利用光纖微彎效應；利用被測量改變光纖或者傳感頭對光波的吸收特性來實現(xiàn)發(fā)光強度調制；通過與光纖接觸的介質折射率的改變來實現(xiàn)發(fā)光強度調制；在兩根光纖間通過倏逝波的耦合實現(xiàn)發(fā)光強度調制；利用發(fā)送光纖和接收光纖作相對橫向或縱向運動實現(xiàn)發(fā)光強度調制，這是當被測物理量引起接收光纖位移時，改變接收發(fā)光強度，從而達到發(fā)光

13、強度調制的目的。這種位移式發(fā)光強度調制的光纖傳感器是一種結構簡單，技術較為成熟的光纖傳感器。5.1.3 發(fā)光強度調制型傳感器分類根據(jù)其調制環(huán)節(jié)在光纖內部還是在光纖外部可以分為功能型和非功能型兩種。強度調制式光纖傳感器的特點 解調方法簡單、響應快、運行可靠、造價低。缺點是測量精度較低，容易產(chǎn)生偏移，需要采取一些自補償措施。5.2相位調制 光纖傳感器的基本原理通過被測量的作用，使光纖內傳播的光相位發(fā)生變化，再利用干涉測量技術把相位轉換為光強變化，從而檢測出待測的物理量。如圖5-40其中圖a、b、c分別為邁克爾遜、馬赫-澤得和法布里-珀羅式的全光纖干涉儀結構。5.3 波長調制光纖傳感器的基本原理波長

14、調制傳感器的基本結構如圖5-41。6 光纖溫度傳感器6.1幾種光纖溫度傳感器的原理和研究現(xiàn)狀光纖溫度傳感器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f相位、偏振、強度等)隨溫度變換的特點，進行溫度測定。這類傳感器盡管具有”傳”、”感”合一的特點但也增加了增敏和去敏的困難。傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號傳輸?shù)淖饔靡员荛_測溫區(qū)域復雜的環(huán)境對待測對象的調制功能是靠其他物理性質的敏感元件來實現(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)的復雜性，且對機械振動之類的干擾較敏感下面介紹幾種主要的光纖溫度傳感器的原理和研究現(xiàn)狀。分布式光纖溫度傳感器分

15、布式光纖測溫系統(tǒng)是一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感器系統(tǒng)。分布光纖傳感器系統(tǒng)最早是在1981年由英國南安普敦大學提出的1983年英國的Hartog用液體光纖的拉曼光譜效應進行了分布式光纖溫度傳感器原理性實驗1985年英國的Dakin在實驗室用氬離子激光器作為光源進行了用石英光纖的拉曼光譜效應的分布光纖溫度傳感器測溫實驗同年Hartog和Dakin分別獨立地用半導體激光器作為光源，研制了分布光纖溫度傳感器實驗裝置：此后。分布光纖溫度傳感器得到了很大的發(fā)展研究出了多種傳感機理有的還使用了特種光纖。分布式光纖溫度傳感器是基于瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射三種分布式溫度傳感器。分布式光纖傳感器從最

16、初提出的基于光時域散射fOTDRl的瑞利散射系統(tǒng)開始經(jīng)歷了基于0TDR的喇曼散射系統(tǒng)和基于0TDR的布里淵散射系統(tǒng)使得測溫精度和范圍大幅提高。光頻域散射fOFDR)的提出也很早，但只有到了近期伴隨著喇曼散射和布里淵散射研究的深入使OFDR和它們結合才顯示出了它的優(yōu)越性?；?TDR和OFDR的分布式溫度光纖傳感器已經(jīng)顯示出了很大的優(yōu)越性所以基于OTDR0FDR的分布式溫度光纖傳感器仍將是研究的熱點尤其是基于OFDR的新的分布式光纖傳感器將是一個重要的發(fā)展方向。土耳其Gunes Yilmaz研制出10km、溫度分辨率為1、空間分辨率為122m的分布式光纖溫度傳感器。在國內，中國計量學院、重慶大學

17、、浙江大學等單位根據(jù)應用的需要先后開展了分布式光纖溫度傳感器的研究。中國計量學院1997年研制了一種用于煤礦、隧道溫度自動報警的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)光纖長為2km測溫范圍為一50150測溫精度為2溫度分辨率為O1：2005年設計制造出31km遠程分布式光纖溫度傳感器測溫范圍0100，溫度測量不確定度為2溫度分辨率為01，測量時間為432s空間分辨率為4m。 光纖光柵溫度傳感器光纖光柵溫度傳感技術主要研究Bmgg光纖傳感技術。根據(jù)Bragg光纖光柵反射波長會隨溫度的變化而產(chǎn)生”波長移位”的原理制成光纖光柵溫度傳感器。1978年加拿大渥太華通信研究中心的KOHiU等人首先發(fā)現(xiàn)摻鍺石英光

18、纖的光敏效應采用注入法制成世界上第一只光纖光柵(FBG)，1989年，Morev首次報導將其用于傳感。英國TA1lsoD利用橢圓纖芯突變型光纖研制出溫度分辨率為O9、曲率分辨率為005的長周期光纖光柵曲率溫度傳感器。意大利AIadicicco利用非均勻的稀疏布拉格光纖光柵fThFBGsl同時測量折射率和溫度該傳感器的溫度分辨率為01在折射率145、133附近的折射率分辨率分別為10-s、104。中科院上海光機所利用光纖光柵的金屬槽封裝技術將光纖光柵溫度傳感器的靈敏度提高到O02：哈爾濱工業(yè)大學把光纖光柵粘貼在金屬半管上使其分辨率達到004：黑龍江大學光纖技術研究所提出了一種光纖光柵fFBGl的

19、Ti合金片封裝工藝，使溫度靈敏度達到005。 光纖熒光溫度傳感器光纖熒光溫度傳感器是目前研究比較活躍的新型溫度傳感器。熒光測溫的工作機理是建立在光致發(fā)光這一基本物理現(xiàn)象上。所謂光致發(fā)光是一種光發(fā)射現(xiàn)象就是當材料由于受紫外、可見光或紅外區(qū)的光激發(fā)所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。出射的熒光參數(shù)與溫度有一一對應關系通過檢測其熒光強度或熒光壽命來得到所需的溫度的。強度型熒光光纖傳感器受光纖的微彎曲、耦合、散射、背反射影響，造成強度擾動，很難達到高精度：熒光壽命型傳感器可以避免上述缺點，因此是采用的主要模式熒光壽命的測量是測溫系統(tǒng)的關鍵。美國密西西比州立大學用一種商用的環(huán)氧膠做溫度指示f含有多環(huán)芳烴化合物：PAHs)

20、。PAHs在用紫外光激發(fā)時發(fā)熒光熒光的強度隨環(huán)氧膠周圍溫度的升高而減小該傳感器可監(jiān)測20100范圍內的溫度。日本東洋大學根據(jù)Tb：Si0，和Tb：YAG的光致發(fā)光(PL)譜與溫度有關將其制成光纖溫度傳感器。在3001200K的溫度下Tb：Si0，的PL峰值在540nm時的光強隨溫度的升高單調減小Tb：YAG晶體的PL譜的形狀隨溫度變化。韓國漢城大學發(fā)現(xiàn)lOcm長的Ybn、E一雙摻雜光纖在915nm處兩熒光強度的比值在20300間與溫度成指數(shù)關系這種雙摻雜系統(tǒng)對于測量苛刻環(huán)境的溫度非常有用。清華大學電子工程系利用半導體GaAs材料對光的吸收隨溫度變化的原理。研制出測溫范圍：O150；分辨率：05

21、的光纖溫度傳感器。燕山大學設計了一種利用熒光波分和時分多路傳輸技術通過檢測紅寶石晶體的熒光強度實現(xiàn)溫度測量的系統(tǒng)該系統(tǒng)的測溫范圍：30160：分辨率：05。海南大學用激光加熱基座法生長出端部摻Cr的藍寶石熒光光纖傳感頭該傳感器的測溫范圍：20450：分辨率：1。中北大學用一種鍍有陶瓷薄膜的藍寶石光纖作為傳感器的瞬態(tài)高溫測試系統(tǒng)該系統(tǒng)的測溫范圍：12002000。分辨率：1。 干涉型光纖溫度傳感器干涉型光纖溫度傳感器是一種相位調制型光纖傳感器。它是利用溫度改變MachZehnder干涉儀、FabryPerot干涉儀、Sagnac干涉儀等一些干涉儀的干涉條紋來外界測量溫度。英國的Samer KAb

22、i Kaed Bev用長周期光纖光柵做成MachZehnder干涉型光纖溫度傳感器其溫度分辨率為O7。燕山大學研制出基于白光干涉的FabrvPerot光纖溫度傳感器其測溫范圍為一40100分辨率為001。哈爾濱工程大學研制出數(shù)字式MachZehnder干涉型光纖傳感器其測溫范圍為35cC80，壓力、溫度、位移分辨率分別為003kPa、007、25斗m。干涉式光纖溫度傳感器工作示意圖 基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器利用硅纖芯和塑料包層折射率差隨溫度變化引起光纖孔徑的變化、光纖的突然彎曲引起的局部孔徑的變化的原理測量溫度。烏克蘭采用EBOC伍ngIishBickford

23、Optics Company)生產(chǎn)的多模階躍塑料包層硅纖芯光纖HCNH，已做出基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器其測溫范圍一3070靈敏度達到O5。法國研究出測溫范圍一2060。靈敏度為0。2的基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器。國內主要是對光纖的彎曲損耗與入射波長、彎曲半徑、彎曲角度、彎曲長度、光纖參量和溫度等的關系做了一些研究。實驗裝置圖如圖1所示。6.2 幾種光纖溫度傳感器的特點及各自的研究方向分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器和基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器分別具有獨特的優(yōu)點和一定的不足，因此它們的研究方向不同。 分布式光纖溫傳感器分布式光纖溫傳感器具

24、有其他溫度傳感器不可比擬的優(yōu)點。它能夠連續(xù)測量光纖沿線所在處的溫度測量距離在幾千米范圍空間定位精度達到米的數(shù)量級。能夠進行不問斷的自動測量特別適用于需要大范圍多點測量的直用場合。目前對分布式光纖溫度傳感器研究的重點：實現(xiàn)單根光纖上多個物理參數(shù)或化學參數(shù)的同時測量：提高信號接收和處理系統(tǒng)的檢測能力提高系統(tǒng)的空間分辨率和測量不確定度：提高測量系統(tǒng)的測量范圍減少測量時間：基于二維或多維的分布式光纖溫度傳感器網(wǎng)絡。 光纖光柵溫度傳感器光纖光柵溫度傳感器除了具有普通光纖溫度傳感器的許多優(yōu)點外還有一些明顯優(yōu)于其它光纖溫度傳感器的方面。其中最重要的就是它的傳感信號為波長調制。這一傳感機制的好處在于：測量信號

25、不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響：避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點的需要：能方便地使用波分復用技術在一根光纖中串接多個布喇格光柵進行分布式測量：很容易埋人材料中對其內部的溫度進行高分辨率和大范圍地測量。盡管光纖光柵溫度傳感器有很多優(yōu)點但在應用中還需考慮很多因素：波長微小位移的檢測；寬光譜、高功率光源的獲得；光檢測器波長分辨率的提高；交叉敏感的消除；光纖光柵的封裝；光纖光柵的可靠性；光纖光柵的壽命。 光纖熒光溫度傳感器光纖熒光溫度傳感器于其它光纖溫度傳感器相比有自己獨特的優(yōu)點：由于熒光壽命與溫度的關系從本質上講是內在的與光的強度無關這樣就可以制成

26、自較準的光纖溫度傳感器而一般的基于光強度檢測的光纖溫度傳感器f如輻射型1則因為系統(tǒng)的光傳輸特性往往與傳輸光纖和光纖耦合器等相關而需經(jīng)常校準：測量范圍廣，特別在高溫情況下多用光纖熒光溫度傳感器。目前國外的研究主要圍繞著熒光源的選擇主要為下面幾個方面：藍寶石和紅寶石發(fā)光、稀土發(fā)光及半導體吸收。 干涉型光纖溫度傳感器干涉型光纖溫度傳感器的溫度分辨率高：動態(tài)響應寬：結構靈巧。研究干涉型光纖溫度傳感器的主要工作放在減小噪聲干擾和信號解調上。 基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器具有結構簡單、體積小、成本低、測量方便不需要解調等優(yōu)點。但是它還存在著很多的不足：測量精度低；由于它是強度調

27、制型光纖傳感器，光源的穩(wěn)定性對其影響很大；使用壽命短等缺點。在今后的研究中主要從光纖的選擇、測量條件的提高等方面開展工作。7 光纖溫度傳感器的應用光纖溫度傳感自問世以來主要應用于電力系統(tǒng)、建筑、化工、航空航天、醫(yī)療以至海洋開發(fā)等領域，并已取得了大量可靠的應用實績。 光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)有著重要的應用電力電纜的表面溫度及電纜密集區(qū)域的溫度監(jiān)測監(jiān)控；高壓配電裝置內易發(fā)熱部位的監(jiān)測；發(fā)電廠、變電站的環(huán)境溫度檢測及火災報警系統(tǒng)；各種大、中型發(fā)電機、變壓器、電動機的溫度分布測量、熱動保護以及故障診斷；火力發(fā)電廠的加熱系統(tǒng)、蒸汽管道、輸油管道的溫度和故障點檢測：地熱電站和戶內封閉式變電站的設備溫度監(jiān)測

28、等等。 光纖溫度傳感應用于建筑、橋梁上光纖光柵溫度傳感器很容易埋人材料中對其內部的溫度進行高分辨率和大范圍地測量因而被廣泛的應用于建筑、橋梁上。美國、英國、日本、加拿大和德國等一些發(fā)達國家早就開展了橋梁安全監(jiān)測的研究并在主要大橋上都安裝了橋梁安全監(jiān)測預警系統(tǒng)。用來監(jiān)測橋梁的應變、溫度、加速度、位移等關鍵安全指標。1999年夏，美國新墨西哥Las Cmces lO號州際高速公路的一座鋼結構橋梁上安裝了120個光纖光柵溫度傳感器創(chuàng)造了單座橋梁上使用該類傳感器最多的記錄。 光纖溫度傳感在航空航天業(yè)的應用航空航天業(yè)是一個使用傳感器密集的地方一架飛行器為了監(jiān)測壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態(tài)、機翼

29、和方向舵的位置等，所需要使用的傳感器超過100個因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。光纖傳感器從尺寸小和重量輕的優(yōu)點來講幾乎沒有其他傳感器可以與之相比。 傳感器的小尺寸在醫(yī)學應用中是非常有意義的光纖光柵傳感器是現(xiàn)今能夠做到最小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進行內部測量。提供有關溫度、壓力和聲波場的精確局部信息。光纖光柵傳感器對人體組織的崗廠陰，等：光纖溫度傳感器的研究和應州損害非常小足以避免對正常醫(yī)療過程的干擾。 光纖光柵傳感器永久井下測量的應用因其抗電磁干擾、耐高溫、長期穩(wěn)定并且抗高輻射非常適合用于井下傳感挪威的Optoplan正在開發(fā)用于永久井下測量的光纖

30、光柵溫度和壓力傳感器。8 空調器的工作電氣原理和基本的熱力學過程8.1 空調器基本結構是由制冷（熱)、空氣循環(huán)、電氣控制三大系統(tǒng)組成。制冷系統(tǒng): 用于制冷劑循環(huán)及氣/ 液態(tài)變換。制冷劑系統(tǒng)的工作與否受控于電氣系統(tǒng)?？諝庋h(huán)系統(tǒng): 用于驅動空氣進行循環(huán)，過濾室內空氣，以及對制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)器、冷凝器提供空氣熱交換條件，調節(jié)室內的溫度等。電氣控制系統(tǒng): 用于控制冷系統(tǒng)與空氣循環(huán)系統(tǒng)的工作與否。 制冷系統(tǒng)的結構和工作過程制冷系統(tǒng)的結構由壓縮機、冷凝器、過濾器、毛細管、蒸發(fā)器等首尾連接組成。其中，制冷劑的循環(huán)流通由壓縮機負責，制冷劑氣態(tài)轉換由蒸發(fā)器負責，制冷劑液態(tài)轉換由冷凝器負責，制冷劑壓力變換由壓縮機

31、和毛細管負責，過濾器負責濾除制冷劑中微量臟物。對于制冷而言，其工作過程以圖1 所示窗式空調器為例說明如下：當接通電源后，壓縮機及風扇開始運轉，蒸發(fā)器內的低壓氣態(tài)制冷劑，通過管路被壓縮機吸入，并壓縮為高壓、高溫氣態(tài)，再經(jīng)過排氣管排入冷凝器對室外空氣放熱自身降溫變成液態(tài)。液態(tài)制冷劑經(jīng)過濾器、毛細管節(jié)流后進入蒸發(fā)器，由蒸發(fā)器蒸發(fā)為氣態(tài)，并在蒸發(fā)過程中自身吸熱對室內空氣降溫，冷卻后的空氣由離心風扇吹向室內，室內的空氣又由風扇的吸氣端吸回。這樣，空氣不斷循環(huán)，周而復始，室內的空氣就得到了降溫并維持在一定溫度內，實現(xiàn)制冷目的。 制熱系統(tǒng)的結構和工作過程制熱系統(tǒng)的結構對于制熱而言，其工作過程可用圖2 所示的

32、冷暖空調制冷（熱）系統(tǒng)來說明。它是在單冷空調制冷系統(tǒng)的基礎上增加了單換閥和輔助毛細管。制熱時除制冷劑走向（箭頭）與制冷時相反外，且室外側熱交換器作蒸發(fā)器用于吸熱，室內側熱交換器作為冷凝器用于放熱。 制冷（熱）系統(tǒng)各器件的功能與作用現(xiàn)說明如下：( 1) 壓縮機: 壓縮機運轉后，產(chǎn)生吸排氣功能，并由低壓管口（粗）吸氣、高壓管口（細）排氣，推動制冷劑在制冷管路中循環(huán)流通。同時對低壓管吸入的制冷劑進行壓縮變?yōu)楦邏焊邷睾笥筛邏汗芸谂懦觥? 2) 冷凝器: 對壓縮機排出的高壓、高溫氣態(tài)進行制冷，在流經(jīng)冷凝器的過程中，逐步散熱降溫而冷凝為液態(tài)中溫高壓制冷劑，實現(xiàn)制冷劑從氣態(tài)到液態(tài)的轉換，以把制冷劑攜帶的熱量

33、散發(fā)到空氣中，實現(xiàn)熱量的轉移。( 3) 毛細管; 是一根直徑4 mm、長l m左右的細銅管，接于過濾器（或冷暖機單向閥）與蒸發(fā)器之間，對冷凝器流出的中溫高壓液態(tài)制冷劑進行節(jié)流降壓，使蒸發(fā)器中形成低壓環(huán)境。( 4) 過濾器: 濾除制冷劑中微量臟物，保證制冷劑在制冷管路中的循環(huán)流通。( 5) 蒸發(fā)器: 經(jīng)毛細管降壓節(jié)流輸出的制冷劑，在流經(jīng)經(jīng)蒸發(fā)器管路過程中逐步沸騰蒸發(fā)為氣體，并在蒸發(fā)過程吸收外界空氣的熱量，使周圍空氣降溫。8.2 空氣循環(huán)系統(tǒng)的結構和工作過程圖3 是窗機空氣循環(huán)系統(tǒng)示意圖。它由室內側、室外側空氣循環(huán)兩部位組成。兩者的核心器件均是多繞組風扇電機。風扇電機的轉速受控于功能開關（又稱主令

34、開關），風速設置不同，功能開關對風扇電機調速繞組抽頭供電不同，調速繞組線圈匝數(shù)不同，它與運轉繞組串聯(lián)后的匝數(shù)不同，從而使風扇轉速不同。8.3 電氣控制系統(tǒng)的結構和工作過程電氣控制系統(tǒng)的核心器件是壓縮機和風扇電機，如圖4 所示。這兩個器件的CR 運行繞組在得到交流220 V 電源后，CS 啟動繞組瞬間有啟動電流流過就開始運轉，把電能變換為機械能。壓縮機運轉產(chǎn)生的機械能帶動制冷系統(tǒng)工作以實施制冷（熱）；風扇電機運轉產(chǎn)生的機械能，帶動扇葉旋轉以實現(xiàn)空氣循環(huán)。( 1) 壓縮機工作控制這里，以圖4(a)所示的窗機置于高冷狀態(tài)為例說明。由圖可見，這時功能開關1 端分別與4 端、8 端接通，對壓縮機、風扇電

35、機提供供電回路。其中壓縮機供電回路如下：交流220 V 電源插頭L 端功能開關1端、8 端溫控器開關的C 端、L 端F1 過載保護器的1 端、2 端壓縮機的C 端。此時分為兩路：一路經(jīng)R 端C 啟動電容的1 端（運轉電流）；另一路徑S 端子C 啟動電容2 端、1 端（啟動電流），最后至電源插頭的N 端。這樣，在壓縮機接通電源后，就啟動運轉，空調開始制冷。當制冷達到設置溫度時，溫控器斷開壓縮機供電電路，壓縮機停止運轉，終止制冷。當室內溫度上升到高于設置溫度時，溫控器再次自動接通壓縮機供給回路，壓縮機再次運轉制冷，以后重復上述過程。至于過載保護器，它緊貼在壓縮機外殼上以感知壓縮機溫度。在壓縮機啟動

36、或運轉中，電流過大或壓縮機過熱時過載保護器會呈現(xiàn)高阻（相當于斷開），從而切斷壓縮機供電回路，達到保護壓縮機的目的。9 畢業(yè)設計主要內容和擬采用的研究方案9.1 光纖溫度傳感器的設計根據(jù)光纖彎曲損耗的理論分析，光纖溫度傳感器結構由三大部分組成：溫度敏感頭、傳輸與信號處理部分，具體結構示意圖如圖3 所示。 溫度敏感頭溫度敏感頭是溫度傳感器中最主要的部件，是將所測量溫度轉換成直接能夠測量的參數(shù)，在這里，是轉換成光纖的損耗大小，同等狀態(tài)下，損耗大，探測器接收到的光功率小，反之，接收到功率就大。傳感頭主要由多模光纖與金屬構件組成，如圖3 所示，將光纖施加一定的張力后直接加載在多邊形金屬構件上，固定好后將

37、光纖兩端頭引出，在引出光纖的兩端制作連接器，外加光纖保護措施，傳感頭主要工序就已經(jīng)完成了。金屬零件隨溫度高低不同產(chǎn)生形變也不一樣，加載在零件上光纖彎曲損耗大小隨之改變金屬件受到溫度越高，形變越大，在光源輸出光功率穩(wěn)定情況下，光纖彎曲損耗增加時，探測器接收到的光功率就會減小，反之，接收到的光功率增大。當傳感頭處的溫度場發(fā)生變化時，通過探測器將接收到的不同光信號轉換成電信號，進一步處理、計算，輸出外界的溫度值大小。金屬零件在熱變形時，其變形量不僅與零件尺寸、組成該形體的材料線膨脹系數(shù)、環(huán)境溫度t 有關，而且與形體結構因子(取決于幾何參數(shù))有關，計算比較復雜，在這里采用傳統(tǒng)的公式模擬來計算：Lt=L

38、1+ (t-20°C) (5)式中，Lt溫度t 時的尺寸；L20時的尺寸；線膨脹系數(shù)，其數(shù)學表達式比較復雜，可選用平均線膨脹系數(shù)，經(jīng)過查表可知。為了提高傳感器的靈敏度，溫度敏感頭金屬材料需選用膨脹系數(shù)較大的，且膨脹系數(shù)在整個溫度測量區(qū)間要較穩(wěn)定，有較好重復性；溫度敏感頭的結構形狀也是要考慮的另一個因素，不同的形狀，對靈敏度影響很大。要提高傳感頭對溫度的響應時間，需要選用導熱系數(shù)較高的材料，比熱越小越好，在溫度突變時，能快速響應。經(jīng)過課題組反復計算與試驗，選用成本較低、加工容易、導熱較快，并且滿足使用范圍的金屬材料鋁。通過試驗，傳感器在-40°C80°C溫度范圍內均

39、可精確工作。 傳輸部分光纖在這里不僅要作為轉換器件使用，同時也作為光信號傳輸載體，選用對彎曲損耗更敏感的多模光纖，一般地采用62.5/125m 標準的多模光纖。由于加載光纖時要施加一定的張力控制，使得光纖纏繞在金屬零件上，光纖本身就比較容易損壞，敏感頭處光纖長時間受到一定內應力作用，必須對光纖的涂層進行加固耐磨處理，增加傳感器使用的可靠性。 信號處理部分信號處理部分主要由發(fā)光管、探測器的驅動電路與數(shù)字電路處理兩部分組成，發(fā)光管、探測器的驅動電路技術已經(jīng)非常成熟。數(shù)字電路處理主要使用價廉物美的單片機，CPU使用美國ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89C52 單片機，是一塊具有低電壓、高性能CMOS 8

40、 位單片機，片內含8k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，與標準MCS51 指令系統(tǒng)及8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大。A/D 轉換采用AD 公司生產(chǎn)的12 位D574A 芯片，轉換時間位25s，數(shù)字位數(shù)可設定為12 位，也可設為8 位，內部集成有轉換時鐘、參考電壓和三態(tài)輸出鎖存，可以與微機直接接口。為了方便在現(xiàn)場使用，光纖溫度傳感器擴展了LCD 顯示接口，同時還擴展了一個RS-232 通信口，用于同上位機進行

41、通信，將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機，進一步分析處理。整個監(jiān)控程序采用模塊化設計，主要的功能模塊有：系統(tǒng)初始化，A/D 采樣周期設定，數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)處理，串行通信，中斷保護與處理，顯示與鍵盤掃描程序等。程序采用單片機匯編語言來編寫，使用廣泛、運算的速度快等特點，有效的利用單片機上有限的RAM 空間，其中，由于溫度的變化引起光強的變化不是線性的，因此我們采用查表法對其測量值進行線性補償。9.2 試驗檢驗與數(shù)據(jù)處理已經(jīng)制作好的溫度敏感頭通過試驗測試。第一步，在溫度敏感頭的一端光纖連接器上加載穩(wěn)定的短波長的光源，另一端接相匹配的光功率計，將溫度敏感頭置入恒溫槽中；第二步，設置恒溫槽溫度，觀察光功率計值

42、的變化情況，要滿足在測量的整個工作區(qū)間光功率都有變化；第三步，定點測量，設定幾個或更多溫度點，記錄下，溫度與光功率對應值，反復多次試驗，觀察溫度敏感頭的重復性。光纖溫度傳感頭通過試驗測試，將溫度與光功率相對應數(shù)據(jù)制成表格，具體見表1 所示，曲線圖見圖4。通過上述試驗表明，傳感頭滿足使用要求，重復性非常好，加載發(fā)光管與探測器驅動電路以及信號處理電路，整體調試傳感器，觀察溫度與傳感器輸出的電壓值關系，重復操作上述試驗第二、第三步，具體的溫度與電壓相對應值見表2，曲線圖見圖5。通過觀察上述兩個曲線，形狀基本一致，重復性較好，表明傳感器整體性能滿足要求。將幾個特殊點電壓值送到單片機進行處理，采用直線插

43、值擬合或者最小二乘法曲線擬合，輸出溫度值。通過實測檢驗，與標準溫度值誤差最大值為±1°C，基于金屬熱膨脹式的光纖溫度傳感器設計是成功的，傳感器整體測試精度較高。9.3 設計方案 系統(tǒng)原理如圖1 所示,采用可見光將光束直接射入2根經(jīng)端面處理且并排放置的光纖中,同時為使2 根光纖輸出的光強近似相等且最大,采用2 個不同焦距的透鏡來增強光的耦合程度。根據(jù)馬赫2曾德干涉原理,在出口處2 路光纖并排緊密放置,發(fā)生干涉。隨后由CCD 傳感器接收,并在監(jiān)視器上觀測溫度變化時條紋的變化規(guī)律。一方面通過溫度標定得到溫度與條紋數(shù)的對應關系, 另一方面使用MATLAB 對采集到的干涉圖像進行處理

44、,通過程序自動判別條紋數(shù)。從而得到溫度的變化值,實現(xiàn)光纖溫度傳感測量。 1 馬赫2澤德干涉型光纖溫度傳感器裝置 實現(xiàn)方法與現(xiàn)象(1) 平臺的搭建為了得到較好的效果,實現(xiàn)中應注意以下問題:耦合問題:在光纖傳感系統(tǒng)中,各部件采用耦合效率較高的凸透鏡耦合,如圖2 所示。將激光器放在凸透鏡的焦點上,使其為平行光,然后再用另一個凸透鏡將平行光聚集到光纖端面上。整個耦合系統(tǒng)調整組裝較容易,使用方便。 圖2 光路耦合示意圖光路準直:搭建實驗平臺時要注意使整個光路平行于平臺,這就需要利用光屏十字法來校準光路。首先確定激光束與實驗平臺平行;其次在光路上分別加上透鏡,調整光具座使透鏡前后的光斑落在十字的中心位置。

45、并且依據(jù)透鏡焦距,使光纖的端面盡量位于透鏡的焦點上。如圖3 所示。圖3 光路準直示意圖(2) 產(chǎn)生的現(xiàn)象根據(jù)前面論述的方案,通過光路調整等一系列過程,得到干涉圖像如圖4 所示。通過使光纖的感溫部分受熱,可以在監(jiān)視器上觀察到條紋的變化。當溫度升高時,條紋幾近勻速地向右移動;當溫度降低時,條紋向相反的方向移動。這樣的變化較為規(guī)律,但是對于溫度檢測電路來說,要求溫度變化可測,從而得到定量的關系;對于圖像檢測而言,條紋要盡量清晰,明暗對比強烈,才能在圖像處理時減少不必要的誤差。圖4 干涉條紋圖像 信號檢測及處理1 溫度標定(1) 方案: 為使感溫部分的光纖均勻受熱,選擇2 個5 cm的薄銅片將光纖夾入

46、其中。使用電烙鐵為其加熱,使其溫度變化范圍加大,條紋移動明顯。對于其他不感溫光纖,將其固定在絕熱平臺上,減小熱源的影響。(2) 電路設計:本文使用熱敏電阻標定溫度與干涉條紋數(shù)之間關系,由于熱敏電阻隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律,即其非線性是十分嚴重的。當進行溫度測量時,應考慮將其進行線性化處理。測溫電路如圖5 所示。圖5 測溫電路本系統(tǒng)中所用的熱敏電阻為負溫度系數(shù)。其特性可以表示為:Rt = Rt0 exp B1T-1T0(1)式中: Rt 、Rt0分別為溫度T 和T0 時的電阻值。根據(jù)式(1)以及壓阻變換關系可以得到下面這個最終的根據(jù)電壓的變化從而測得溫度變化的表達式:1T=1BlnUtUt0+1T0

47、(2)(3) 數(shù)據(jù)處理在測量過程中,為找到合適的電壓測量點,選擇時間為參考因素,以60 s 為一個階段,測量一次熱敏電阻兩端電壓,記錄電壓值,并根據(jù)公式得對應的溫度,求得t。同時記錄在這些點間的條紋移動數(shù)量,記為n。根據(jù)t 和n 可得到溫度與條紋之間的函數(shù)關系。(4) 結果分析設條紋變化數(shù)為y ,溫度變化數(shù)為x ,則根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以得到這樣一個近似線性的函數(shù)關系式:y = 8. 30x。即溫度升高1 ,條紋移動8. 30 個。如果標定起始溫度,根據(jù)這一關系,即可得到變化后的溫度值。 干涉條紋圖像采集與處理采用MVPCI 專業(yè)圖像采集卡采集干涉條紋圖像,采集程序如圖6 所示。并對圖像做如下處理(見圖7) : 對CCD 采集下來的圖像(見7 (a) ) 需調用imfil