光纤传感器测温设计报告[5篇范文]

第一篇：光纤传感器测温设计报告

课 程 设 计 报 告

学生姓名: 学 院: 班 级:

学 号： 电气工程学院 电技091

题 目:

光线温度传感器测温设计

指导教师： 陈宏起 职称:

2012 年 12 月 29 日

光纤温度传感器的设计

摘要：介绍了金属热膨胀式光纤温度传感器的设计，利用金属件的热膨胀的原理，通过绕制在金属件上的光纤损耗产生变化，当光源输出光功率稳定的情况下，探测器接收光功率受温度调制，通过光电转换，信号处理，完成温度的换算。传感器以光纤为传输手段，以光作为信号载体，抗干扰能力强，测量结果稳定、可靠，灵敏度高。

关键词：光纤，传感器，在光通信系统中，光纤是用作远距离传输光波信号的媒质。在实际光传输过程中，光纤易受外界环境因素的影响；如温度、压力和机械扰动等环境条件的变化引起光波量，如发光强度、相位、频率、偏振态等变化。因此，人们发现如果能测出光波量的变化，就可以知道导致这些光波量变化的物理量的大小，于是出现了光纤传感技术。

一：光纤传感器的基本原理

在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示 E=错误！未找到引用源。

式中，错误！未找到引用源。是光波的振幅：w是角频率；为初相角。该式包含五个参数，即强度错误！未找到引用源。、频率w、波长错误！未找到引用源。、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。

（一）强度调制

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。其基本原理如图5-39所示。光源S发出的发光强度为错误！未找到引用源。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，使得输出发光强度错误！未找到引用源。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。2.发光强度调制的方式

（1）利用光纤微弯效应；

（2）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；

（3）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；（4）在两根光纤间通过倏逝波的耦合实现发光强度调制；

（5）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.发光强度调制型传感器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。

4.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。

（二）相位调制

相位调制光纤传感器的基本原理

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。如图5-40其中图a、b、c分别为迈克尔逊、马赫-泽得和法布里-珀罗式的全光纤干涉仪结构。

（三）波长调制

波长调制光纤传感器的基本原理

波长调制传感器的基本结构如图5-41。

二.光纤传感器的特点

与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点是：（1）抗电磁干扰，电绝缘；本质安全（2）灵敏度高

（3）重量轻，体积小，外形可变（4）测量对象广泛（5）对被测介质影响小

（6）可以进行连续分布测量，便于复用，便于成网

光纤温度传感器

光纤温度传感器是上世纪70年代发展起来的一门新型的测温技术。它基于光信号传送信息，具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压等优势特征。在国外，光纤温度传感器发展很快，形成了多种型号的产品，并已应用到多个领域，取得了很好的效果。国内在这方面的研究也如火如荼，多个大学、研究所与公司展开合作，研发了多种光纤测温系统投入到了现场应用。按工作原理分，光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体，而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。其中应用最多当属分布式光纤温度传感器与光纤光栅温度传感器。

1）分布式光纤温度传感器

分布式光纤传感器最早是在1981 年由英国南安普敦大学提出的。激光在光纤传送中的反射光主要有瑞利散射（Rayleigh scatter）、拉曼散（Ramanscatter）、和布里渊散射（Brillouin scatter）三部分，如图1 所示。

分布式光纤传感器经历从最初的基于后向瑞利散射的液芯光纤分布式温度监控系统，到电力系统保护与控制基于光时域（OTDR）拉曼散射的光纤测温系统，以及基于光频域拉曼散射光纤测温系（ROFDA）等等。目前其测量距离最长可达30 km，测量精度最高可达0.5℃，空间定位精度最高可达0.25 m，温度分辨率最高可达到0.01℃左右。目前，分布式光纤温度传感器主要基于拉曼散射效应及光时域反射计(OTDR)技术实现连续分布式测量，如York Sensa、Sensornet 等公司产品。基于布里渊散射光时域及光频域系统也是当前光纤传感器领域研究的热点，LIOS、MICRION OPTICS等公司已有相应的产品。2）光纤光栅点式温度传感器

光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。光纤光栅以波长为编码，具有传统传感器不可比拟的优势，已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等。光纤光栅温度传感器主要有Bragg 光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg 光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg 光栅，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg 光栅效应，其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，满足如下光学方程：

λb = 2nΛ（1）式中：λb为Bragg 波长；Λ 为光栅周期；n 为光纤模式的有效折射率。

长周期光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，其传光原理是将前向传输的基模耦合到前向传输的包层模中。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的重视，是一种新型的宽带带阻滤波器。

光纤温度传感器的设计 根据光纤弯曲损耗的理论分析，光纤温度传感器结构由三大部分组成：温度敏感头、传输与信号处理部分，具体结构示意图如图3 所示。

1、温度敏感头

温度敏感头是温度传感器中最主要的部件，是将所测量温度转换成直接能够测量的参数，在这里，是转换成光纤的损耗大小，同等状态下，损耗大，探测器接收到的光功率小，反之，接收到功率就大。传感头主要由多模光纤与金属构件组成，如图3 所示，将光纤施加一定的张力后直接加载在多边形金属构件上，固定好后将光纤两端头引出，在引出光纤的两端制作连接器，外加光纤保护措施，传感头主要工序就已经完成了。金属零件随温度高低不同产生形变也不一样，加载在零件上光纤弯曲损耗大小随之改变金属件受到温度越高，形变越大，在光源输出光功率稳定情况下，光纤弯曲损耗增加时，探测器接收到的光功率就会减小，反之，接收到的光功率增大。当传感头处的温度场发生变化时，通过探测器将接收到的不同光信号转换成电信号，进一步处理、计算，输出外界的温度值大小。金属零件在热变形时，其变形量不仅与零件尺寸、组成该形体的材料线膨胀系数α、环境温度t 有关，而且与形体结构因子(取决于几何参数)有关，计算比较复杂，在这里采用传统的公式模拟来计算：

Lt=L[1+α(t-20°C)](5)式中，Lt—温度t 时的尺寸；L—20℃时的尺寸；α—线膨胀系数，其数学表达式比较复杂，可选用平均线膨胀系数，经过查表可知。为了提高传感器的灵敏度，温度敏感头金属材料需选用膨胀系数较大的，且膨胀系数在整个温度测量区间要较稳定，有较好重复性；温度敏感头的结构形状也是要考虑的另一个因素，不同的形状，对灵敏度影响很大。要提高传感头对温度的响应时间，需要选用导热系数较高的材料，比热越小越好，在温度突变时，能快速响应。经过课题组反复计算与试验，选用成本较低、加工容易、导热较快，并且满足使用范围的金属材料铝。通过试验，传感器在-40°C～＋80°C温度范围内均可精确工作。

2、传输部分

光纤在这里不仅要作为转换器件使用，同时也作为光信号传输载体，选用对弯曲损耗更敏感的多模光纤，一般地采用62.5/125μm 标准的多模光纤。由于加载光纤时要施加一定的张力控制，使得光纤缠绕在金属零件上，光纤本身就比较容易损坏，敏感头处光纤长时间受到一定内应力作用，必须对光纤的涂层进行加固耐磨处理，增加传感器使用的可靠性。

3、信号处理部分信号处理部分主要由发光管、探测器的驱动电路与数字电路处理两部分组成，发光管、探测器的驱动电路技术已经非常成熟。数字电路处理主要使用价廉物美的单片机，CPU使用美国ATMEL 公司生产的AT89C52 单片机，是一块具有低电压、高性能CMOS 8 位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes 的随机存取数据存储器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS－51 指令系统及8052 产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。A/D 转换采用AD 公司生产的12 位D574A 芯片，转换时间位25μs，数字位数可设定为12 位，也可设为8 位，内部集成有转换时钟、参考电压和三态输出锁存，可以与微机直接接口。为了方便在现场使用，光纤温度传感器扩展了LCD 显示接口，同时还扩展了一个RS-232 通信口，用于同上位机进行通信，将现场采集的数据传送到上位机，进一步分析处理。整个监控程序采用模块化设计，主要的功能模块有：系统初始化，A/D 采样周期设定，数字滤波，数据处理，串行通信，中断保护与处理，显示与键盘扫描程序等。程序采用单片机汇编语言来编写，使用广泛、运算的速度快等特点，有效的利用单片机上有限的RAM 空间，其中，由于温度的变化引起光强的变化不是线性的，因此我们采用查表法对其测量值进行线性补偿。

试验检验与数据处理

已经制作好的温度敏感头通过试验测试。第一步，在温度敏感头的一端光纤连接器上加载稳定的短波长的光源，另一端接相匹配的光功率计，将温度敏感头置入恒温槽中；

第二步，设置恒温槽温度，观察光功率计值的变化情况，要满足在测量的整个工作区间光功率都有变化；

第三步，定点测量，设定几个或更多温度点，记录下，温度与光功率对应值，反复多次试验，观察温度敏感头的重复性。光纤温度传感头通过试验测试，将温度与光功率相对应数据制成表格，具体见表1 所示，曲线图见图4。

通过上述试验表明，传感头满足使用要求，重复性非常好，加载发光管与探测器驱动电路以及信号处理电路，整体调试传感器，观察温度与传感器输出的电压值关系，重复操作上述试验第二、第三步，具体的温度与电压相对应值见表2，曲线图见图5。

通过观察上述两个曲线，形状基本一致，重复性较好，表明传感器整体性能满足要求。将几个特殊点电压值送到单片机进行处理，采用直线插值拟合或者最小二乘法曲线拟合，输出温度值。通过实测检验，与标准温度值误差最大值为±1°C，基于金属热膨胀式的光纤温度传感器设计是成功的，传感器整体测试精度较高。

小结：

近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。

本期学习了《检测技术与仪表》，此学科无论在理论基础、系统设计还是在设计程序、实验方法等方面都向着数字化、网络化和智能化方面发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

在本文中大体介绍了金属热膨胀式光纤温度传感器的设计，利用金属件的热膨胀的原理，通过绕制在金属件上的光纤损耗产生变化。

由于本人所学的是电气工程及其自动化专业，在平时的学习中我们比较多的接触到电动机、发电机和变压器等电磁设备。为了保证这些电磁设备工作在正常状态，我们必须对它们进行实时监测，而其中温度监测是其中之一。就于光纤的抗干扰能力优异于其他的传感器，本人特别介绍了光纤温度传感器。光纤温度传感器非常适合在电力行业中使用，但是在网上找了很多资料，大部分都是说可行性研究和论证，真正在实践中用到了传感器实物非常的少，和网络上销售情况也做了翻了解。光纤温度传感器作为一种新型的测温技术发展十分迅速，应用也越来越广泛。在电力系统中应用也得到了较好的发展，但存在以下几个方面的问题：①光纤温度传感器在价格上的劣势制约了其在电力系统中的推广应用，价格太高使得在某些应用场合监测的实际意义不大。②光纤在某些电气设备上的敷设较为困难，最好能在敷设方式和敷设工艺等方面形成业内认可的施工指导与标准规范。③目前生产光纤温度传感器的厂家基本都只具备专业研发与生产光纤温度传感器的能力，而在电力系统领域涉足较少，缺乏开发基于光纤温度传感器的电力系统故障诊断方面软件的理论支持与经验，难以将系统功能扩展。

本文介绍的光纤传感器的设计如果得到应用以及在电力应用上解决了上述问题，光纤温度传感器一定会在电力行业得到普及。

心得体会

首先这次课程设计是对以前学过的相关知识的一次综合的运用，是把课本知识转化为生活实际的一次实践性的实验，很大程度上锻炼了我的思考问题解决问题的能力，实验的内容贴近生活实际,使我们可以用自己所学的知识解决实际问题。这次课程设计在很大程度上调动了我的积极性和对专业浓厚的兴趣。温故而知新。课程设计开始，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。总的来说这次课程设计相对比较顺利，但是也遇到了一些问题，遇到问题并不是什么坏事，通过自己的思考以及向老师咨询，等把问题弄懂了，自己也从中学到了很多知识。下面说一下自己的得与失。通过本次设计确实让自己学到了不少知识，首先是对这个实验的原理有了更深的了解。同时对电路设计产生了极大的兴趣。另外还发现自己的一些问题。首先，是对很多学过的知识还不够熟练不能用到实际问题中。其次，是自己还不够条理，思考问题不全面等。就本实验具体问题谈一下自己的看法。设计虽然比较成功，但是实验还有很多需要改进和扩展的地方，我们要求设计的是比较简单的电路，在实际生活中的设计与应用要远比这次的课程设计复杂，在以后的课程中还要继续学习其他知识，以解决真正的实际问题，真正达到学以致用。

附 录

【1】叶杨高.基于金属热膨胀式光纤温度传感器.传感器世界.2007.4 【2】孙宝元 杨宝清.传感器及其应用手册.机械工业出版社.2004.5 【3】王化祥 张淑英.传感器原理及其应用.天津大学出版社.2004.7 【4】王俊杰.检测技术与仪表（第2版）.武汉理工大学出版社.2009.1 【5】张洪润 张亚凡.传感技术与应用教程.清华大学出版社。2005.1 【6】李强 王艳松 刘学民.光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述.电力系统保护与控制.2010.1.1第38卷第1期

【7】刘引.光纤传感器在电力系统中的应用.魅力中国.2009.5第77期

第二篇：光纤温度传感器 毕业论文

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，光纤传感器，光纤温度传感器，运用领域，空调器，空调器原理

Abstract 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。论文要求：

（1）详细分析国内外主要光纤温度测温方法的原理及特点，比较不同方法的温度测量范围和性能指标。

（2）掌握空调器的工作电气原理和基本的热力学过程。毕业论文综述：

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、1 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。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。光纤传感器的基本原理

在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示E=

式中，、频是光波的振幅：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。

5.1强度调制

5.1.1 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。其基本原理如图所示。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。

5.1.2 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。

5.1.3 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。

5.2相位调制 光纤传感器的基本原理

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。如图5-40其中图a、b、c分别为迈克尔逊、马赫-泽得和法布里-珀罗式的全光纤干涉仪结构。

5.3 波长调制光纤传感器的基本原理

波长调制传感器的基本结构如图5-41。光纤温度传感器

6.1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。

6.1.1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。分布式光纤传感器从最初提出的基于光时域散射fOTDRl的瑞利散射系统开始．经历了基于0TDR的喇曼散射系统和基于0TDR的布里渊散射系统．使得测温精度和范围大幅提高。光频域散射fOFDR)的提出也很早，但只有到了近期．伴随着喇曼散射和布里渊散射研究的深入．使OFDR和它们结合才显示出了它的优越性。基于0TDR和OFDR的分布式温度光纤传感器已经显示出了很大的优越性．所以基于OTDR0FDR的分布式温度光纤传感器仍将是研究的热点．尤其是基于OFDR的新的分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。土耳其Gunes Yilmaz研制出10km、温度分辨率为1℃、空间分辨率为1．22m的分布式光纤温度传感器。在国内，中国计量学院、重庆大学、浙江大学等单位根据应用的需要．先后开展了分布式光纤温度传感器的研究。中国计量学院1997年研制了一种用于煤矿、隧道温度自动报警的分布式光纤温度传感器系统，该系统光纤长为2km．测温范围为一50℃～150℃．测温精度为2℃．温度分辨率为O．1℃：2005年设计制造出31km远程分布式光纤温度传感器．测温范围0℃～100℃，温度测量不确定度为2℃．温度分辨率为0．1℃，测量时间为432s．空间分辨率为4m。6.1.2 光纤光栅温度传感器

光纤光栅温度传感技术主要研究Bmgg光纤传感技术。根据Bragg光纤光栅反射波长会随温度的变化而产生”波长移位”的原理制成光纤光栅温度传感器。1978年．加拿大渥太华通信研究中心的K．O．HiU等人首先发现掺锗石英光纤的光敏效应．采用注入法制成世界上第一只光纤光栅(FBG)，1989年，Morev首次报导将其用于传感。英国T．A1lsoD利用椭圆纤芯突变型光纤研制出温度分辨率为O．9℃、曲率分辨率为0．05的长周期光纤光栅曲率温度传感器。意大利A．Iadicicco利用非均匀的稀疏布拉格光纤光栅fThFBGsl同时测量折射率和温度．该传感器的温度分辨率为0．1℃．在折射率1．

45、1．33附近的折射率分辨率分别为10-s、104。中科院上海光机所利用光纤光栅的金属槽封装技术将光纤光栅温度传感器的灵敏度提高到O．02℃：哈尔滨工业大学把光纤光栅粘贴在金属半管上．使其分辨率达到0．04℃：黑龙江大学光纤技术研究所提出了一种光纤光栅fFBGl的Ti合金片封装工艺，使温度灵敏度达到0．05℃。6.1.3 光纤荧光温度传感器

光纤荧光温度传感器是目前研究比较活跃的新型温度传感器。荧光测温的工作机理是建立在光致发光这一基本物理现象上。所谓光致发光是一种光发射现象．就是当材料由于受紫外、可见光或红外区的光激发．所产生的发光现象。出射的荧光参数与温度有一一对应关系．通过检测其荧光强度或荧光寿命来得到所需的温度的。强度型荧光光纤传感器受光纤的微弯曲、耦合、散射、背反射影响，造成强度扰动，很难达到高精度：荧光寿命型传感器可以避免上述缺点，因此是采用的主要模式．荧光寿命的测量是测温系统的关键。美国密西西比州立大学用一种商用的环氧胶做温度指示f含有多环芳烃化合物：PAHs)。PAHs在用紫外光激发时发荧光．荧光的强度随环氧胶周围温度的升高而减小．该传感器可监测20℃～100℃范围内的温度。日本东洋大学根据Tb：Si0，和Tb：YAG的光致发光(PL)谱与温度有关．将其制成光纤温度传感器。在300～1200K的温度下．Tb：Si0，5 的PL峰值在540nm时的光强随温度的升高单调减小．Tb：YAG晶体的PL谱的形状随温度变化。韩国汉城大学发现lOcm长的Ybn、E一双掺杂光纤在915nm处．两荧光强度的比值在20℃～300℃间与温度成指数关系．这种双掺杂系统对于测量苛刻环境的温度非常有用。清华大学电子工程系利用半导体GaAs材料对光的吸收随温度变化的原理。研制出测温范围：O℃～150℃；分辨率：0．5℃的光纤温度传感器。燕山大学设计了一种利用荧光波分和时分多路传输技术．通过检测红宝石晶体的荧光强度实现温度测量的系统．该系统的测温范围：30℃～160℃：分辨率：0．5℃。海南大学用激光加热基座法生长出端部掺Cr的蓝宝石荧光光纤传感头．该传感器的测温范围：20℃～450℃：分辨率：1℃。中北大学用一种镀有陶瓷薄膜的蓝宝石光纤作为传感器的瞬态高温测试系统．该系统的测温范围：1200℃～2000℃。分辨率：1℃。6.1.4 干涉型光纤温度传感器

干涉型光纤温度传感器是一种相位调制型光纤传感器。它是利用温度改变Mach—Zehnder干涉仪、Fabry—Perot干涉仪、Sagnac干涉仪等一些干涉仪的干涉条纹来外界测量温度。英国的Samer K．Abi Kaed Bev用长周期光纤光栅做成Mach—Zehnder干涉型光纤温度传感器．其温度分辨率为O．7℃。燕山大学研制出基于白光干涉的Fabrv—Perot光纤温度传感器．其测温范围为一40℃～100℃．分辨率为0．01℃。哈尔滨工程大学研制出数字式Mach—Zehnder干涉型光纤传感器．其测温范围为35cC～80℃，压力、温度、位移分辨率分别为0．03kPa、0．07℃、2．5斗m。

干涉式光纤温度传感器工作示意图

6.1.5 基于弯曲损耗的光纤温度传感器

基于弯曲损耗的光纤温度传感器利用硅纤芯和塑料包层折射率差随温度变化引起光纤孔径的变化、光纤的突然弯曲引起的局部孔径的变化的原理测量温度。乌克兰采用EBOC伍ngIish—Bickford Optics Com—pany)生产的多模阶跃塑料包层硅纤芯光纤HCN～H，已做出基于弯曲损耗的光纤温度传感器．其测温范围一30℃～70℃．灵敏度达到O．5℃。法国研究出测温范围一20℃～60℃。灵敏度为0。2℃的基于弯曲损耗的光纤温度传感器。国内主要是对光纤的弯曲损耗与入射波长、弯曲半径、弯曲角度、弯曲长度、光纤参量和温度等的关系做了一些研究。实验装置图如图1所示。

6.2 几种光纤温度传感器的特点及各自的研究方向

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分别具有独特的优点和一定的不足，因此它们的研究方向不同。6.2.1 分布式光纤温传感器

分布式光纤温传感器具有其他温度传感器不可比拟的优点。它能够连续测量光纤沿线所在处的温度．测量距离在几千米范围．空间定位精度达到米的数量级。能够进行不问断的自动测量．特别适用于需要大范围多点测量的直用场合。目前对分布式光纤温度传感器研究的重点：实现单根光纤上多个物理参数或化学参数的同时测量：提高信号接收和处理系统的检测能力．提高系统的空间分辨率和测量不确定度：提高测量系统的测量范围．减少测量时间：基于二维或多维的分布式光纤温度传感器网络。6.2.2 光纤光栅温度传感器

光纤光栅温度传感器除了具有普通光纤温度传感器的许多优点外．还有一些明显优于其它光纤温度传感器的方面。其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于：测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响：避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要：能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式测量：很容易埋人材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量。尽管光纤光栅温度传感器有很多优点．但在应用中还需考虑很多因素：波长微小位移的检测；宽光谱、高功率光源的获得；光检测器波长分辨率的提高；交叉敏感的消除；光纤光栅的封装；光纤光栅的可靠性；光纤光栅的寿命。6.2.3 光纤荧光温度传感器

光纤荧光温度传感器于其它光纤温度传感器相比有自己独特的优点：由于荧光寿命与温度的关系从本质上讲是内在的．与光的强度无关．这样就可以制成自较准的光纤温度传感器．而一般的基于光强度检测的光纤温度传感器f如辐射型1则因为系统的光传输特性往往与传输光纤和光纤耦合器等相关而需经常校准：测量范围广，特别在高温情况下多用光纤荧光温度传感器。目前国外的研究主要围绕着荧光源的选择．主要为下面几个方面：蓝宝石和红宝石发光、稀土发光及半导体吸收。

6.2.4 干涉型光纤温度传感器

干涉型光纤温度传感器的温度分辨率高：动态响应宽：结构灵巧。研究干涉型光纤温度传感器的主要工作放在减小噪声干扰和信号解调上。6.2.5 基于弯曲损耗的光纤温度传感器

基于弯曲损耗的光纤温度传感器具有结构简单、体积小、成本低、测量方便不需要解调等优点。但是它还存在着很多的不足：测量精度低；由于它是强度调制型光纤传感器，光源的稳定性对其影响很大；使用寿命短等缺点。在今后的研究中主要从光纤的选择、测量条件的提高等方面开展工作。光纤温度传感器的应用

光纤温度传感自问世以来．主要应用于电力系统、建筑、化工、航空航天、医疗以至海洋开发等领域，并已取得了大量可靠的应用实绩。7.1.1 光纤温度传感器在电力系统有着重要的应用 电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控；高压配电装置内易发热部位的监测；发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统；各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断；火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管

道的温度和故障点检测：地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。7.1.2 光纤温度传感应用于建筑、桥梁上

光纤光栅温度传感器很容易埋人材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量．因而被广泛的应用于建筑、桥梁上。美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家早就开展了桥梁安全监测的研究．并在主要大桥上都安装了桥梁安全监测预警系统。用来监测桥梁的应变、温度、加速度、位移等关键安全指标。1999年夏，美国新墨西哥Las Cmces lO号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了120个光纤光栅温度传感器．创造了单座桥梁上使用该类传感器最多的记录。

7.1.3 光纤温度传感在航空航天业的应用

航空航天业是一个使用传感器密集的地方．一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使用的传感器超过100个．因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤传感器从尺寸小和重量轻的优点来讲．几乎没有其他传感器可以与之相比。7.1.4 传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的 光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量。提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的岗厂阴，等：光纤温度传感器的研究和应州损害非常小．足以避免对正常医疗过程的干扰。7.1.5 光纤光栅传感器永久井下测量的应用

因其抗电磁干扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感．挪威的Optoplan正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。空调器的工作电气原理和基本的热力学过程

8.1 空调器基本结构

是由制冷（热)、空气循环、电气控制三大系统组成。制冷系统: 用于制冷剂循环及气/ 液态变换。制冷剂系统的工作与否受控于电气系统。空气循环系统: 用于驱动空气进行循环，过滤室内空气，以及对制冷系统中蒸发器、冷凝器提供空气热交换条件，调节室内的温度等。电气控制系统: 用于控制冷系统与空气循环系统的工作与否。

8.1.1 制冷系统的结构和工作过程制冷系统的结构

由压缩机、冷凝器、过滤器、毛细管、蒸发器等首尾连接组成。其中，制冷剂的循环流通由压缩机负责，制冷剂气态转换由蒸发器负责，制冷剂液态转换由冷凝器负责，制冷剂压力变换由压缩机和毛细管负责，过滤器负责滤除制冷剂中微量脏物。对于制冷而言，其工

作过程以图1 所示窗式空调器为例说明如下：当接通电源后，压缩机及风扇开始运转，蒸发器内的低压气态制冷剂，通过管路被压缩机吸入，并压缩为高压、高温气态，再经过排气管排入冷凝器对室外空气放热自身降温变成液态。液态制冷剂经过滤器、毛细管节流后进入蒸发器，由蒸发器蒸发为气态，并在蒸发过程中自身吸热对室内空气降温，冷却后的空气由离心风扇吹向室内，室内的空气又由风扇的吸气端吸回。这样，空气不断循环，周而复始，室内的空气就得到了降温并维持在一定温度内，实现制冷目的。

8.1.2 制热系统的结构和工作过程制热系统的结构

对于制热而言，其工作过程可用图2 所示的冷暖空调制冷（热）系统来说明。它是

在单冷空调制冷系统的基础上增加了单换阀和辅助毛细管。制热时除制冷剂走向（箭头）与制冷时相反外，且室外侧热交换器作蒸发器用于吸热，室内侧热交换器作为冷凝器用于放热。

8.1.3 制冷（热）系统各器件的功能与作用 现说明如下：

(1)压缩机: 压缩机运转后，产生吸排气功能，并由低压管口（粗）吸气、高压管口（细）排气，推动制冷剂在制冷管路中循环流通。同时对低压管吸入的制冷剂进行压缩变为高压高温后由高压管口排出。

(2)冷凝器: 对压缩机排出的高压、高温气态进行制冷，在流经冷凝器的过程中，逐步散热降温而冷凝为液态／中温／高压制冷剂，实现制冷剂从气态到 液态的转换，以把制冷剂携带的热量散发到空气中，实现热量的转移。

(3)毛细管;是一根直径4 mm、长l m左右的细铜管，接于过滤器（或冷暖机单向阀）与蒸发器之间，对冷凝器流出的中温高压液态制冷剂进行节流降压，使蒸发器中形成低压环境。

(4)过滤器: 滤除制冷剂中微量脏物，保证制冷剂在制冷管路中的循环流通。(5)蒸发器: 经毛细管降压节流输出的制冷剂，在流经经蒸发器管路过程中逐步沸腾蒸发为气体，并在蒸发过程吸收外界空气的热量，使周围空气降温。

8.2 空气循环系统的结构和工作过程

图3 是窗机空气循环系统示意图。它由室内侧、室外侧空气循环两部位组成。两者的核心器件均是多绕组风扇电机。风扇电机的转速受控于功能开关（又称主令开关），风速设置不同，功能开关对风扇电机调速绕组抽头供电不同，调速绕组线圈匝数不同，它与运转绕组串联后的匝数不同，从而使风扇转速不同。

8.3 电气控制系统的结构和工作过程

电气控制系统的核心器件是压缩机和风扇电机，如图4 所示。这两个器件的CR 运行绕组在得到交流220 V 电源后，CS 启动绕组瞬间有启动电流流过就开始运转，把电能变换为机械能。压缩机运转产生的机械能带动制冷系统工作以实施制冷（热）；风扇电机运转产生的机械能，带动扇叶旋转以实现空气循环。

(1)压缩机工作控制

这里，以图4(a)所示的窗机置于高冷状态为例说明。由图可见，这时功能开关1 端

分别与4 端、8 端接通，对压缩机、风扇电机提供供电回路。其中压缩机供电回路如下：交流220 V 电源插头L 端→功能开关1端、8 端→温控器开关的C 端、L 端→F1 过载保护器的1 端、2 端→压缩机的C 端。此时分为两路：一路经R 端→C 启动电容的1 端（运转电流）；另一路径S 端子→C 启动电容2 端、1 端（启

动电流），最后至电源插头的N 端。这样，在压缩机接通电源后，就启动运转，空调开始制冷。当制冷达到设置温度时，温控器断开压缩机供电电路，压缩机停止运转，终止制冷。当室内温度上升到高于设置温度时，温控器再次自动接通压缩机供给回路，压缩机再次运转制冷，以后重复上述过程。至于过载保护器，它紧贴在压缩机外壳上以感知压缩机温度。在压缩机启动或运转中，电流过大或压缩机过热时过载保护器会呈现高阻（相当于断开），从而切断压缩机供电回路，达到保护压缩机的目的。毕业设计主要内容和拟采用的研究方案

9.1 光纤温度传感器的设计

根据光纤弯曲损耗的理论分析，光纤温度传感器结构由三大部分组成：温度敏感头、传输与信号处理部分，具体结构示意图如图3 所示。9.1.1 温度敏感头

温度敏感头是温度传感器中最主要的部件，是将所测量温度转换成直接能够测量的参数，在这里，是转换成光纤的损耗大小，同等状态下，损耗大，探测器接收到的光功率小，反之，接收到功率就大。传感头主要由多模光纤与金属构件组成，如图3 所示，将光纤施加一定的张力后直接加载在多边形金属构件上，固定好后将光纤两端头引出，在引出光纤的两端制作连接器，外加光纤保护措施，传感头主要工序就已经完成了。金属零件随温度高低不同产生形变也不一样，加载在 13 零件上光纤弯曲损耗大小随之改变金属件受到温度越高，形变越大，在光源输出光功率稳定情况下，光纤弯曲损耗增加时，探测器接收到的光功率就会减小，反之，接收到的光功率增大。当传感头处的温度场发生变化时，通过探测器将接收到的不同光信号转换成电信号，进一步处理、计算，输出外界的温度值大小。金属零件在热变形时，其变形量不仅与零件尺寸、组成该形体的材料线膨胀系数α、环境温度t 有关，而且与形体结构因子(取决于几何参数)有关，计算比较复杂，在这里采用传统的公式模拟来计算：

Lt=L[1+α(t-20°C)](5)式中，Lt—温度t 时的尺寸；L—20℃时的尺寸；α—线膨胀系数，其数学表达式比较复杂，可选用平均线膨胀系数，经过查表可知。为了提高传感器的灵敏度，温度敏感头金属材料需选用膨胀系数较大的，且膨胀系数在整个温度测量区间要较稳定，有较好重复性；温度敏感头的结构形状也是要考虑的另一个因素，不同的形状，对灵敏度影响很大。要提高传感头对温度的响应时间，需要选用导热系数较高的材料，比热越小越好，在温度突变时，能快速响应。经过课题组反复计算与试验，选用成本较低、加工容易、导热较快，并且满足使用范围的金属材料铝。通过试验，传感器在-40°C～＋80°C温度范围内均可精确工作。9.1.2 传输部分

光纤在这里不仅要作为转换器件使用，同时也作为光信号传输载体，选用对弯曲损耗更敏感的多模光纤，一般地采用62.5/125μm 标准的多模光纤。由于加载光纤时要施加一定的张力控制，使得光纤缠绕在金属零件上，光纤本身就比较容易损坏，敏感头处光纤长时间受到一定内应力作用，必须对光纤的涂层进行加固耐磨处理，增加传感器使用的可靠性。9.1.3 信号处理部分信号处理部分

主要由发光管、探测器的驱动电路与数字电路处理两部分组成，发光管、探测器的驱动电路技术已经非常成熟。数字电路处理主要使用价廉物美的单片机，CPU使用美国ATMEL 公司生产的AT89C52 单片机，是一块具有低电压、高性能CMOS 8 位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes 的随机存取数据存储器（RAM），全部采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS－51 指令系统及8052 产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。A/D 转换采用AD 公司生产的12 位D574A 芯片，转换时间位25μs，数字位数可设定为12 位，也可设为8 位，内部集成有转换时钟、参考电压和三态输出锁存，可以与微机直接接口。为了方便在现场使用，光纤温度传感器扩展了LCD 显示接口，同时还扩展了一个RS-232 通信口，用于同上位机进行通信，将现场采集的数据传送到上位机，进一步分析处理。整个监控程序采用模块化设计，主要的功能模块有：系统初始化，A/D 采样周期设定，数字滤波，数据处理，串行通信，中断保护与处理，显示与键盘扫描程序等。程序采用单片机汇编语言来编写，使用广泛、运算的速度快等特点，有效的利用单片机上有限的RAM 空间，其中，由于温度的变化引起光强的变化不是线性的，因此我们采用查表法对其测量值进行线性补偿。

9.2 试验检验与数据处理

已经制作好的温度敏感头通过试验测试。第一步，在温度敏感头的一端光纤连接器上加载稳定的短波长的光源，另一端接

相匹配的光功率计，将温度敏感头置入恒温槽中； 第二步，设置恒温槽温度，观察光功率计值的变化情况，要满足在测量的整个工作区间光功率都有变化；

第三步，定点测量，设定几个或更多温度点，记录下，温度与光功率对应值，反复多次试验，观察温度敏感头的重复性。光纤温度传感头通过试验测试，将温度与光功率相对应数据制成表格，具体见表1 所示，曲线图见图4。

通过上述试验表明，传感头满足使用要求，重复性非常好，加载发光管与探测器驱动电路以及信号处理电路，整体调试传感器，观察温度与传感器输出的电压值关系，重复操作上述试验第二、第三步，具体的温度与电压相对应值见表2，曲线图见图5。

通过观察上述两个曲线，形状基本一致，重复性较好，表明传感器整体性能满足要求。将几个特殊点电压值送到单片机进行处理，采用直线插值拟合或者最小二乘法曲线拟合，输出温度值。通过实测检验，与标准温度值误差最大值为±1°C，基于金属热膨胀式的光纤温度传感器设计是成功的，传感器整体测试精度较高。

9.3 设计方案

系统原理如图1 所示,采用可见光将光束直接射入2根经端面处理且并排放置的光纤中,同时为使2 根光纤输出的光强近似相等且最大,采用2 个不同焦距的透镜来增强光的耦合程度。根据马赫2曾德干涉原理,在出口处2 路光纤并排紧密放置,发生干涉。随后由CCD 传感器接收,并 在监视器上观测温度变化时条纹的变化规律。一方面通过温度标定得到温度与条纹数的对应关系, 另一方面使用MATLAB 对采集到的干涉图像进行处理,通过程序自动判别条纹数。从而得到温度的变化值,实现光纤温度传感测量。

马赫2泽德干涉型光纤温度传感器装置

9.3.1 实现方法与现象(1)平台的搭建

为了得到较好的效果,实现中应注意以下问题: ①耦合问题:在光纤传感系统中,各部件采用耦合效率较高的凸透镜耦合,如图2 所示。将激光器放在凸透镜的焦点上,使其为平行光,然后再用另一个凸透镜将平行光聚集到光纤端面上。整个耦合系统调整组装较容易,使用方便。

图2 光路耦合示意图

②光路准直:搭建实验平台时要注意使整个光路平行于平台,这就需要利用光屏十字法来校准光路。首先确定激光束与实验平台平行;其次在光路上分别加上透镜,调整光具座使透镜前后的光斑落在十字的中心位置。并且依据透镜焦距,使光纤的端面尽量位于透镜的焦点上。如 图3 所示。

图3 光路准直示意图

(2)产生的现象

根据前面论述的方案,通过光路调整等一系列过程,得到干涉图像如图4 所示。通过使光纤的感温部分受热,可以在监视器上观察到条纹的变化。当温度升高时,条纹几近匀速地向右移动;当温度降低时,条纹向相反的方向移动。这样的变化较为规律,但是对于温度检测电路来说,要求温度变化可测,从而得到定量的关系;对于图像检测而言,条纹要尽量清晰,明暗对比强烈,才能在图像处理时减少不必

要的误差。

图4 干涉条纹图像

9.3.2 信号检测及处理 1 温度标定

(1)方案: 为使感温部分的光纤均匀受热,选择2 个5 cm的薄铜片将光纤夹入其中。使用电烙铁为其加热,使其温度变化范围加大,条纹移动明显。对于其他不感温光纤,将其固定在绝热平台上,减小热源的影响。

(2)电路设计:本文使用热敏电阻标定温度与干涉条纹数之间关系,由于热敏电阻随温度变化呈指数规律,即其非线性是十分严重的。当进行温度测量时,应考虑将其进行线性化处理。测温电路如图5 所示。

图5 测温电路

本系统中所用的热敏电阻为负温度系数。其特性可

以表示为:Rt = Rt0 exp B1T-1T0(1)式中: Rt、Rt0分别为温度T 和T0 时的电阻值。根据式(1)以及压阻变换关系可以得到下面这个最终的根据电压的变化从而测得温度变化的表达式:1T=1BlnUtUt0+1T0(2)(3)数据处理

在测量过程中,为找到合适的电压测量点,选择时间为参考因素,以60 s 为一个阶段,测量一次热敏电阻两端电压,记录电压值,并根据公式得对应的温度,求得Δt。同时记录在这些点间的条纹移动数量,记为Δn。根据Δt 和Δn 可得到温度与条纹之间的函数关系。(4)结果分析

设条纹变化数为Δy ,温度变化数为Δx ,则根据实验数据可以得到这样一个近似线性的函数关系式:Δy = 8.30Δx。即温度升高1 ℃,条纹移动8.30 个。如果标定起始温度,根据这一关系,即可得到变化后的温度值。9.3.3 干涉条纹图像采集与处理

采用MVPCI 专业图像采集卡采集干涉条纹图像,采集程序如图6 所示。并对图像做如下处理(见图7): 对CCD 采集下来的图像(见7(a))需调用imfilter 函数进行图像滤波(滤波结果见图7(b))。并使用阈值操作将图像转换为二值图像(见图7(c)),从而很好地将对象从背景中分离出来。通常温度的判断基于处理后的条纹图像,因此需采用边缘检测来提取图像的特征。在MATLAB 中使用专门的边缘检测edge 函数,调用Sobel 算子进行检测。结果如图7(d)所示。

采集流程图

图7 干涉条纹图像采集与处理

9.3.4 条纹记数程序设计

(1)设计思路:根据边缘检测后条纹的图像质量,提取图像质量较好的横坐标为80 的一行元素的像素值,对其进行扫描,得到像素值为1 的位置,即条纹边缘的位置;由于边缘提取得到的条纹是原来条纹的轮廓,所以2 个边缘构成一个亮或暗条纹。因此需要将提取出来的边缘位置与原图像进行对比,从而对条纹精确定位;判定离标定位置最近的亮条纹的分布情况,找到条纹移动规律;计算条纹移动周期,借鉴光学测量中的相位展开原理,将图像变换为近似线性的曲线,从而得到条纹移动过总的像素值,除以周期,即得条纹移动个数。程序模块流程图如图8 所示。

(2)结果分析：通过上面的程序计算,得到距离标志位32 最近的亮条纹位置R 的变化情况(见图9)。可看出, R 的值是有规律地在变化,表明R 存在周期性。通过程序中得到的r(条纹边缘像素)计算周期,即T = 22。根据相位展开的相关原

图8 条纹记数程序流程图

理,把像素值小于32 ,且与其前相邻一个像素的差大于某一值时,将其加上一个周期,转换为类似线性的函数,如图10 所示。由图(10)可以得到移动条纹总的像素值M = 820 ,除以展开周期T = 22 , 即可以判别移动条纹个数N =M/ T = 37。由于确定的判别像素间距,程序在条纹小范围左右徘徊的状态时难以判别,会产生误差。因此,程序计算得到的数据与前面测温时数出来的条纹个数41～46(120 s)近似,说明此程序的处理较为正确。此时,根据前面温度检测得到的结果,即条纹数与温度变化的关系Δy = 8.30Δx ,得到温度变化值Δx =Δy/ 8.30 = N/ 8.30 = 4.46 ℃,对照前面热敏电阻计算的温度变化值5.27 ℃,结果较为一致。说明此程序可以用来判定条纹个数,对应温度变化与条纹数的关系,就可以得到温度变化值,从而实现光纤温度传感测量。

图9 距标定位最近的亮条纹分布图

图10 展开后的图像 结束语 毕业设计（论文）参考文献

[1]张志鹏, W A.Gambling，著，光纤传感器原理，中国计量出版社，1991 [2]王玉田.光电子学与光纤传感器技术[M].北京: 国防工业出版社, 2003.[5]廖延彪.光纤光学[M].北京:清华大学出版社,2000.[6]许忠保, 叶虎年, 叶 梅.半导体吸收式光纤温度传感器[J ].半导体光电, 2004 , 25(1): 62264.[7]赵仲刚, 杜柏林, 逢永秀, 等.光纤通信与光纤传感[M].上海: 上海科学技术文献出版社, 1993.[8]张福学，传感器应用及其电路精选.电子工业出版社，1991 [9]强锡富，传感器，哈尔滨工业大学，2001.5 [11]关荣峰，等，半导体光纤温度传感器特性研究，光电工程，V61240997 [13]王廷云，罗承沐，申烛，半导体吸收式光纤温度传感器，清华大学学 报(自然科学版)，2001 [14]黄玲.无线传感器网络简述 [J] [15]传感器世界.2005.11（10）

[16]UDD E , SEIM J.Fiber optic sensor for inf rast ructure applications [ Z ].Final Report SPR 374 , February 1998 ,Oregon Department of Transportation :53286.21

第三篇：光纤气体传感器总结

光纤气体传感器调研总结

光纤气体检测综述

1.1国内外光纤气体检测技术的发展

气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来, 并转换成电信号的器件, 人们很早就开始了气体传感器的研究, 将其用来对有毒、有害气体的探测, 对易爆、易燃气体的安全报警。对人类生产生活中所需了解的气体进行检测、分析研究等, 使得它在工业生产和日常生活中起到耳目的作用。

光纤传感技术是一项正在发展中的具有广阔前景的新型高技术。由于光纤本身在传递信息过程中具有许多特有的性质, 如光纤传输信息时能量损耗很小, 给远距离遥测带来很大方便。光纤材料性能稳定, 不受电磁场干扰, 在高温、高压、低温、强腐蚀等恶劣环境下保持不变所以光纤传感器从问世到如今, 一直都在飞速发展[1]。

世界上已有多种光纤传感器，诸如位移、速度、加速度、压力、流量等物理量都实现了不同性能的光纤传感。光纤气体传感技术是光纤传感技术的一个重要应用分支，主要基于气体的物理或化学性质相关的光学现象或特性。近年来，它在环境监测、电力系统以及油田、矿井、辐射区的安全保护等方面的应用显示出其独特的优越性[2]。

1989年，西安应用光学研究所的郭栓运对光纤气体传感器展开研究，在应用光学杂志上介绍了差分光谱吸收的基本原理，给出了实验框图和应用实例[15]。

1992年，中国矿业大学的王耀才等在光纤通信技术杂志上介绍了吸收型光纤瓦斯传感技术和干涉型瓦斯传感器的原理，并对其在煤矿重的应用前景做了探讨[16]。

1997年，山东矿业学院的曹永茂等人针对光纤瓦斯传感器光波波长的选择展开讨论，提出根据传感器技术指标来确定光纤瓦斯传感器的基本参数，并建立了相应的数学模型[17]。

1999年，大连理工大学刘文琦等人报道了一种新型透射式光纤甲烷传感器，用1.31μｍ InGaAsP型LED做光源测量甲烷浓度，通过研究制备一种纳米级多透射膜，增强了甲烷气体对激光的光谱吸收[18]。同年，香港理工大学,靳伟应用调制光盘技术对DFB激光器惊醒调制，研究光纤气体传感器的分时多路复用（TDM）技术。靳伟建立了计算仿真模型，仿真结果表明由20个甲烷气体传感器组成的光纤气体传感器阵列的检测灵敏度可以达到2000ppm[19-20]。之后靳伟博士与清华大学喻洪波合作，实现了连续波调频技术复用的光纤气体多点传感系统[21]。

2000年，浙江大学叶险峰等在对CH4分子近红外洗后光谱分析比较的基础上考虑与光纤的低损耗窗口相一致以及价格等因素，采用价廉的1.3μｍ波段的LED作为光源，实现了对甲烷气体的检测，检测灵敏度为1300ppm/m[6]。

2001年，燕山大学王玉田等根据甲烷气体的吸收光谱，研究了一种利用价格低廉的LED作为光源的新型投射式光纤甲烷气体传感器，选择两种同型号的LED光源作为差分吸收信号，光源驱动器自动实行交替斩波[7]。为了保证系统对甲烷气体检测的精度，采取了两项措施，一是设置了参考通道，二是采用了光源反馈通道以增强LED光源的稳定性[8]。

2005年，张爱军[3]对光谱吸收型光纤气体进行了研究。每一种气体都有固有的吸收谱，当光源的发射光波与气体的洗后光波长相吻合时，就会放生共振洗后，其洗后强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。以甲烷气体为例，通过实验研究，分析了吸收路径长度对传感器灵敏度的影响，增加吸收路径的长度，有利于提高传感器的灵敏度。气体体浓度较小时，通过增加吸收路径的长度来提高传感器的灵敏度效果明显。

2006年，中国科学院安徽光机所的阚瑞峰等可调谐二极管激光吸收光谱与多次反射池相结合，研制了用于地面环境空气中甲烷含量检测的便携式吸收光谱仪，并利用不同体积分数的甲烷气体对系统进行了测试，取得了很好的测试结果[9]。王晓梅等分析了TDLAS谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为曲线，对待测气体的谐波信号进行线性回归[10]。

2007年，燕山大学王艳菊等采用双光路、双波长来解决光源功率波动、光纤损耗等问题，在接受端采用旋转双色滤光器和单探测器消除了双光电器件的飘逸对测量结果的影响[11]。同年，中国科学院安徽光机所的陈玖等应用自平衡测量方法，消除了激光的共模噪声和其他同性干扰的影响，该方法不用加信号调制和所想放大器，减小了系统装置的体积，易于集成便携式痕量气体检测仪[12]。

2008年，褚衍平等通过光纤光栅和压电陶瓷对快带光源LED进行调制，获得了与气体吸收峰对应的窄带反射出射光，检测二次谐波实现气体浓度的高灵敏测量，利用测量气室和参考气室的二次谐波比值来消除吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响[13]。

2009年，华南理工大学肖兵等基于自平衡激光接收器和数字锁定放大器构造了TDLAS汽车尾气动态浓度测量系统，自平衡激光接收器通过引入一个低频反馈回路去维持吸收信号和参考信号的自动平衡，数字锁定放大器由DSP芯片实现相关检测算法，提高了系统的测量灵敏度[14]。

2010年，南京航空航天大学齐洁提出了基于光源扫描的光纤气体传感器系统设计方案，设计了一种新的基于查分吸收院里的气体传感系统，能对单一气体记性对波段测定检测，同时可以完成多种气体共存环境的检测。提出了一种基于最小二乘的背景噪声消除方法。利用传感气室的输入和输出的拟合曲线相除的方法，实现了传感器输出的归一化，解决了传感器背景噪声漂移的问题，同时解决了浓度对气体吸收谱拟合线的影响，提高了测量精度[4]。

2012年，张可可[5]以比尔-郎伯定律为理论基础，研究利用光谱吸收法测量气体的浓度，根据HIRAN数据库，选择近红外区甲烷2v3带R3支的三条气体吸收线记性研究，并确定吸收谱线的相关参数。研究波长调制光谱与谐波检测理论，利用傅立叶级数展开模型和泰勒级数展开模型分析各次谐波信号，在频率调制信号模型的基础上，采用频率-强度调制信号模型研究强度调制对各次谐波信号的影响。研究高斯线型和洛伦兹线型的各次谐波型号余波长调制系数的关系，确定各次谐波最佳的波长调制系数。对激光在光路中多次反射形成的标准具晓莹展开研究，为标准具噪声的抑制提供理论依据。

专利方面，国内发明专利《D形光纤消逝场化学传感器》，发明提出一种用于医疗、环境监控、食品安全等检测量的D形光纤消逝场化学传感器。《光纤生物传感器》这是一种光纤生物传感器，用于测定环境中微生物的种类、含量等。《光纤液位传感器》，一种光纤液位传感器，包括有光源，探测器和传感头。《带有光纤气体传感器的传感系统》 专利号：CN101545860 发明人：夏华;J·S·戈德米尔;K·T·麦卡锡;A·库马;R·安尼格里;E·伊尔梅茨;A·V·塔瓦尔;Y·赵。这是一种包括光纤芯(32)的光纤气体传感器(20),该传感器具有 位于光纤芯周围的具有不同调幅轮廓的第一和第二折射率周期调制光 栅结构（36、38)。光纤包层(40)位于所述第一和第二折射率周期 调制光栅结构周围。敏感层(42)位于所述折射率周期调制光栅结构 的其中一个的光纤包层周围。该敏感层包括由Pd基合金制成的敏感材 料,该Pd基合金例如是纳米PdOx、纳米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)或纳米 Pd/Au/WOx。光纤气体传感器提供对来自燃烧环境的局部温度校正气 体浓度和成分的测量。本发明也描述了具有一个或多个光纤气体传感 器的阵列的基于反射或基于透射的传感系统。《一种光纤气体传感器》 专利号：CN101059443 发明人：侯长军;霍丹群;张红英;廖海洋;郑小林;侯文生;杨军;皮喜田。这是一种光纤气体传感器,涉及检测光气及挥发性有机气体的光纤气体传感器。本发明传感器 主要包括入射光线和出射光纤、反应池及金属卟啉溶液等。由于本发明传感器具有操作简单、成本低廉；能使待测气体与金属卟啉溶液敏感物质充分反应,显著提高检测的灵敏度；同一 反应池能对多种目标气体同时进行有效检测；从反应池的加料口加入不同的金属卟啉溶液, 就能对不同的目标气体进行有效检测,检测范围广等特点,故本发明传感器可广泛应用于厂 房装修、室内装修、工业生产及精细化工等行业中检测光气及挥发性有机物气体,有利于环 境保护和人们的身心健康。SENSING SYSTEM WITH OPTICAL FIBER GAS SENSOR，专利号：JP2009244262发明人：XIA HUA;GOLDMEER JEFFREY SCOTT;MCCARTHY KEVIN THOMAS;KUMAR ADITYA;ANNIGERI RAVINDRA;YILMAZ ERTAN;TAWARE AVINASH VINAYAK;ZHAO YU。这个专利发明了一种传感系统以及传感器。传感系统包括一组不同类别的光纤气体传感器，这些传感器通过温度修正测量气体浓度。光纤气体传感器包括光纤芯，第一和第二折射率周期性调制光栅结在光纤芯里有不同的振幅调制方法。光纤包层包裹着第一和第二折射率周期性调制光纤结构。传感层位于光纤包层结构中。传感层包括一个由Pb合金传感材料，如纳米级氧化铂等。光纤气体传感器是在燃烧环境中通过温度修正测量气体浓度。

1.2光纤气体传感器分类

（1）光谱吸收型光纤气体传感器 光谱法通过检测样气透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强发生变化。根据比尔-朗伯定律，当波长为λ 的单色光在充有待测气体的气室中

传播距离为L 后，其吸收后的光强为：

I(λ)=I0(λ)exp(-αλCL)（1）

式（1）中，I0(λ)为波长为λ 的单色光透过不含待测气体的气室时的光强；C 为吸收气体的浓度；αλ为光通过介质的吸收系数。整理即：

I0)ICL

（2）

ln(通过检测通气前后光强的变化，就可以测出待测气体的浓度。利用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性制成吸收型光纤气体传感器原理如图1 所示。光源发出的光，由光纤送入气室，被气体吸收后，由出射光纤传至光电探测器，得到的信号光送入计算机进行信号处理，可得出气体浓度。

图1 光纤气体传感器原理框图

（2）渐逝场型光纤气体传感器

渐逝场型光纤传感器是利用光纤界面附近的渐逝场被气体吸收峰衰减来测量气体浓度的方法，是一种功能性光纤传感器，从本质上说，可以认为是一种特殊的光纤光谱吸收型传感器。（3）荧光型光纤气体传感器

这是一种通过测量与气体相应的荧光辐射来确定其浓度的光纤气体传感器。荧光可以由被测气体本身产生也可以由其相互作用的荧光染料产生。荧光物质受吸收光谱中特定波长的光照射时，被测气体的浓度既可以改变荧光辐射的强度，也可以改变其寿命。和吸收型光纤气体传感器相比，荧光行传感器使用波长（荧光波长）不同于激励波长。由于不同的荧光材料通常具有不同的荧光波长，因此荧光传感器对被测量的鉴别性好。实际上希望辐射波长和激励波长离开的越远越好，在输出端可用廉价的波长滤波器将激励光和传感光分开。通常激励波长在可见光或红外区，这一波段上光源技术成熟，几个也比较低廉。（4）燃料指示剂型光纤气体传感器

一些气体在石英光纤低耗窗口内没有较强的吸收峰，或者虽有吸收峰但相应波长的光源或检测器不存在或太昂贵，解决这些问题的方法之一是应用燃料指示剂作为中间物来实现间接传感。燃料与被测气体发生化学反应，使得燃料的光学性质发生变化，利用光纤传感器测量这种变化，就可以得到被测气体的浓度信息。最常见的燃料指示剂光纤气体传感器是pH值传感器，一些燃料指示剂的颜色会随着pH值得变化而变化，引起对光的吸收的变化。通过测量某些气体浓度变化带来的pH值变化，分析气体浓度信息。

图 2 1.3 光纤气体传感器的特点

由于光纤本身传输损耗和微型结构，光纤气敏传感器存在两个基本限制：一是光线的低损耗传输窗口的限制，石英光纤只在1.1~1.7um的近红外区有低损耗和低散射。若在中、远红外区进行探测会造成光信号较大的衰弱，致使光通过待测气体后的变化与气体的检测参数不成特定的关系。而多数气体在中、远红外光谱区存在较强的吸收光谱。另一限制是光纤本身的微型结构使得光纤只有较小的数值孔径，光耦合难以很高。但在短距离传输检测中，采用数值孔径较大的塑料光纤可提高光耦合，又不会产生较大的传输损耗。

尽管光纤气体传感纯在限制，但光纤气体传感器较传统的气体传感器仍具有很多优点：

（1）光纤气体传感器本质安全、抗电磁干扰、绝缘性能好，且耐高温、耐高压、防腐蚀、阻燃防爆，适用于远距离遥测和某些特殊环境的分析；（2）光纤传输损耗低，信息容量大，直径细，重量轻，光纤及探头均可微型化；

（3）测量范围宽，精度高，工作稳定，寿命长，成本低，可同时进行多参数或连续多点检测疑惑的大量信息；

（4）系统匹配性能好，容易实现检测及反馈控制的数字化、自动化和一体化；

（5）光纤探头对被测量场的影响小，灵敏度高，动态范围大，响应速度快；（6）光纤的生物兼容性好，加之良好的柔韧性和不带点的安全性，使之尤其适应于生物和临床医学上的实时、体内检测；

（7）在大多数情况先，光纤气体传感器不改变样品的组成，是非破坏性分析。

由于光纤气体闯爱情具有上述有点，尤其他的本质安全、抗电磁干扰的特点，是其他气体传感器无法比拟的。这使它可以安全方便地用于易燃易爆、强电磁干扰或其他恶劣环境中气体的检测。

产品调研

1、北京品傲光电科技有限公司 光纤传感器性能指标如图3：

图 3 系统设备及参数如图4：

图 4 光纤气体传感器课探测气体如图5：

图 5 产品实例图：

10,000 ppm= 1％ v / v（体积之比）价格：

35万左右。基恩士（香港）有限公司

目前产品只能测气体的有无，但工作温度能到达300度

2、深圳富凯士公司

只能测单一气体的话是有成品，但是要将混合气体的成分区分开来的话，我们还在实验室阶段，暂时没有成品提供。

3、北京蔚蓝仕没有相关光纤气体传感器。

浏览多家国外知名气体传感器厂家中国区主页，如英国City Technology；日本费加罗，欧姆龙（只能测物体数量）Nemoto；美国飞思卡尔，欧米伽；德国SENSOR等。未发现相关光纤气体传感器的产品。

长春光机所：期刊论文《用于石油测井和管道运输的分布式光纤传感技术》，阐述了我国分布式压力，温度光纤传感器在石油化工方面的应用情况。

发明专利《D形光纤消逝场化学传感器》，发明提出一种用于医疗、环境监控、食品安全等检测量的D形光纤消逝场化学传感器。《光纤生物传感器》，这是一种光纤生物传感器，用于测定环境中微生物的种类、含量等。《光纤液位传感器》，一种光纤液位传感器，包括有光源，探测器和传感头。安徽光机所： 王晓梅等《基于可调谐二极管激光吸收光谱的高精度痕量气体浓度定量方法》，分析了TDLAS谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为曲线，对待测气体的谐波信号进行线性回归。

参考文献

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第四篇：10KV开关柜光纤光栅测温系统技术方案要点

**市220KV双堰变电站

开关柜光纤光栅测温系统

技

术

方

案

概述

电力设备在正常工作时都会产生发热现象。线路、设备等的连接处由于环境影响，加工工艺等原因使连接部分压接不紧、压力不够、触头间的接触部分发生变化等引起接触电阻变大，发热现象会更加明显。长期如此会加速电力设备线路等的老化，引起电力设备的绝缘性能下降，严重的还能触发电弧短路，降低设备使用寿命，引起重大的电力事故。尤其是隔离开关活动的动、静触头部分、主变引线、电缆头发热现象比较突出，故障率高，每年均有此类问题发生。目前监视方法仍靠工作人员定期完成的，费时费力，工作效率极低，而且不能及时发现潜藏的隐患，有些电力设备的焊点与接头位于不便触及的里端，这又给检测人员带来了极大的不便。

光纤光栅传感技术是近年来发展起来的一门崭新的技术，是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而派生的全新概念的传感技术。光纤光栅传感器通过辨析光波长来检测、度量外界物理量的变化。作为传感器家族新成员，光纤光栅传感器具有以下明显的优点：

1)

抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、安全性好——对电绝缘，适合高电压场所；

2)

灵敏度高，温度精度高，寿命长，综合性能全面优于现有监测手段；

3)

重量轻、体积小、可挠曲，适用于狭小空间；

4)

测量对象广泛，对被测介质影响小；

5)

易于组网，实现远距离分布式测量。

系统设计目标

光纤光栅测温系统必须满足：

Ø

实施探测开关柜触头温度

Ø

准确定位异常温度开关柜地址；

Ø

光纤光栅测温系统应能及时、准确的检测开关柜中A,B,C三相电缆头；A,B,C三相静触头；开关柜内部环境实时温度，温度异常报警信号可通过光纤光栅测温主机传送给仪表操作室现有的火灾控制器，实现报警并在消防值班室的工控机显示，也可通过手机短信发送信息至相关人员手机。

系统设计范围

本系统设计包含针对本次系统的整体设计、设备供货、安装指导、调试开通、配合验收以及设备保修等服务。其中系统设备包含光纤光栅测温主机（AP-DTS800）、光纤光栅传感器（AP-DTS800A）、AP-PSTO绝缘增爬器及其他安装附件。

系统设计优点

1）

绝缘耐压性强：

在电力系统尤其是高压和超高压系统中使用的设备，首先要满足绝缘耐压的要求，即不能降低原有设备的电压等级和安全特性，基于光纤光栅原理的AP-DTS800光纤光栅在线测温系统在监测现场为全光测量，并且采用加涂特氟龙高性能特种涂料的特殊光缆完全满足高压开关柜内的绝缘耐压要求。

2）

C+L宽光源：

我公司DTS100光纤光栅传感分析仪采用C+L宽光源，输出光功率稳定性好，功率损耗低，使用寿命长；波长覆盖范围广1525nm-1610nm

。AP-DTS800光纤光栅传感分析仪每通道可连接最多40个光纤光栅温度传感器（采用普通光源的光纤光栅传感分析仪每通道最多连接25个光纤光栅温度传感器）。

3）

防污闪：

在高压开关柜这样的有限空间内，如何保证光纤留有足够的爬电距离是该系统能否保证原有系统安全的一大关键。四川安普光控科技有限公司提供的AP-DTS800A光纤光栅温度传感器采用耐污性能优良的硅橡胶外套光纤进行信号传输，从而保证了系统的安全性。DTS800A光纤光栅温度传感器加装防闪络绝缘增爬器（绝缘子），彻底解决光纤测温系统中由于光纤的接入可能存在的闪络问题，保障整个光纤测温系统在最恶劣的环境中也可以安全运行

4）

故障点准确定位：

传统的光纤测温方式定位精度低，而且为了定位需要将5米光纤盘成一个盘来安装，不仅安装复杂，而且测量周期很长，还有很多隐患。而光纤光栅测温系统由于采用了光纤光栅做测温敏感元件，所以可以通过光纤光栅温度传感器来准确定位，对过热相或温升异常相进行报警，不仅可以测温，同时还可以通过温度的监测间接判断小电流接地端，作为小电流接地监测的补充。

5）

实时探测报警能力：

传统光纤测温方式，如测温点在40点到100点之间，则测温周期在几分钟到半小时之间。采用新型的光纤光栅测温系统，全部测点测温周期小于50毫秒，充分的保证报警的及时性，同时由于测温周期短，可以在报警系统中引入温升趋势报警，提高了报警的可靠性和前瞻性，提高电力设备的安全性。

6）

系统稳定性高：

光纤光栅测温系统的整体结构简单，只有光纤光栅温度传感器和分析仪两大主要部分组成，因此无中间环节，而测量现场为全光测量，完全不受强电场和强磁场的干扰，保障了系统的稳定运行。

7）

高可靠性：

光纤光栅测温系统与传统测温方式相比有无误报、无漏报的特点，这是由于光纤光栅只对温度敏感，因此无论是其他条件发生何种变化，都不会对光纤光栅测量的准确性发生影响，另外，光纤光栅的加工方式采用物理加工的方式，因此，一旦产品完成后，除非破坏不会产生零点漂移，所以光纤光栅测温系统不需要向传统的测温系统那样，定期进行零点标定，从而非常方便于维护。

系统设计规范

光纤光栅测温系统的设计符合下列规范：

GB

2423.1

《电工电子产品基本环境试验规程

试验A（低温试验方法）》

GB

2423.2

《电工电子产品基本环境试验规程

试验B（高温试验方法）》

GB

4208

《外壳防护等级的分类》

GB/T

5226.1

《工业机械电气设备

第一部分：通用技术条件》

GB

5080.1

《设备可靠性试验总要求》

GB/T

11022-1999

《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》

GB/T

17626-1998

《电磁兼容、试验和测量技术》

GB/T

17626.2

《静电放电抗扰度试验》

GB/T

17626.3

《射频电磁场辐射抗扰度试验》

GB/T

17626.4

《电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》

GB/T

17626.5

《浪涌（冲击）抗扰度试验》

GB/T

17626.6

《射频场感应的传导骚扰抗扰度》

GB/T

17626.8

《工频磁场的抗扰度试验》

Q/CSG

0011-2005

220kV~500

kV

《变电站电气技术导则》

系统设备技术指标和性能

6.1

光纤光栅测温主机

品牌：四川安普

型号：DTS800

l

通道数：1-128

l

测温精度：±0.5℃

l

测温分辨率：0.1℃

l

测温速率：20Hz

l

传感器光纤最大传输距离：40km

l

通信接口：10/100M自适应以太网

l

报警接口：1)光电隔离继电器输出

2)手机短信报警模块

3）语音报警音频接口

l

供电电源：AC：220V

/50Hz

l

工作环境温度：-10℃～+50℃

l

机箱：标准19英寸工业机箱

6.2

光纤光栅传感器（DTS800A）

l

测温范围：-55℃～200℃

l

最大耐温能力：220℃

l

温度分辨率：0.1℃

l

精度：±0.5℃

l

响应时间：<2S

l

光缆最大传输距离：40km

6.3

AP-PSTO绝缘增爬器

气候潮湿地区，盐雾严重的沿海地区以及重工业集中、空气污染严重的区域，开关柜的运行环境相对恶劣。开关柜在长期运行过程中，由于水汽，尘埃，盐雾等的积累，导致内部绝缘部件尤其是表面绝缘强度大大降低，甚至发生闪络导致表面击穿，从而引发事故的发生。AP-PSTO系列防闪络绝缘增爬器的应用，彻底解决光纤测温系统中由于光纤的接入可能存在的闪络问题，保障整个光纤测温系统在最恶劣的环境中也可以安全运行。

AP-PSTO绝缘增爬器可应用于220kV及以下电气系统。在工厂内与光纤感温传感器以及传输光纤预装配为一个整体部分，不增加任何现场安装工序。AP-PSTO亦可以加装在已经运行的光纤测温系统中，彻底解决原有测温系统可能存在的绝缘安全隐患。

型号

AP-PSTO

AP

-PSTO

AP

-PSTO

额定电压等级

kv

35kv

110kv

适应污秽等级

Ⅳ

Ⅳ

Ⅳ

传感器安装步骤

1.清洁被测物体表面

将被测物体表面的灰尘、铁锈、污物等清理干净，如果有条件可以用酒精棉擦试被测物体表面，直到擦拭干净为止。

2.盘纤

对于被测物体表面只能采用单端出光缆的测点位置，将传感器固定好，光缆按照图所示盘纤，盘纤直径不小于50mm，盘完以后顺着开关柜用扎带分段捆扎。

绝缘扎带

传感器

绝缘耐高温光缆

3.固定捆扎传感器

感温区

传感器主体

耐高温光缆

4.传感器外形如图所示，将感温区涂上适量的导热绝缘胶，安放于被测物体表面。

被测物体

安装固定槽

传感器

安装示意图如图所示。

5.光缆接续盒熔接保护

首先需要将主光缆的一端用开缆刀剥掉230mm长的外层披覆，光缆盒的一端光缆剥掉120mm长的外层披覆，其中凯氟拉的长度不小于30mm。然后加热缩套管放进光纤熔接机进行熔接、热缩。将熔接好的光缆盘在光纤接续盒内固定结实。

6.接入主缆

传感器安装实例

传感器安装在10kv/35kv母排上，光缆要顺着自身母排的绝缘橡胶套走缆。距传感器安装10cm处要用定位吸盘固定紧，尽量避免光缆在柜内缠绕。盘圈的光缆要固定整齐，安装后要求传感器信号正常、安全无隐患。

传感器安装及走线规范图

传感器安装及走线规范图

传感器安装及走线规范图

传感器安装及走线规范图

分路器及盘纤的安装位置

通信光缆的布置

接续盒内的熔接整理规范

开关柜结构图

分析仪安装

安装前，检查设备使用说明书及有关文档（装箱单、装箱手册等)，针对使用要求对装箱单进行复核，确认所需部件己全部供齐。会同客户单位人员共同对设备进行开箱点验，办理移交手续。开箱时，对照装箱单以全部设备、零部件、附属材料及专用工具进行复核，清点，确认设备、零部件、规格、型号、数量与装箱文件和施工图纸或者合同相符，检查设备在运输过程中是否受到损伤，及时发现安装时可能发生的错误和损坏，各方有关负责人在产品接收单上签字、存档。

把分析仪、工控机安装在标准19英寸机柜上，接好短信报警模块、报警灯、用直通线把分析仪和工控机连接起来，把机柜的地脚螺钉锁紧，当心机柜倒塌。

在施工完毕后，把施工现场清理干净。

电力开关柜光纤在线测温系统软件功能

1.火灾自动报警

自动对光纤光栅温度传感器所在区域进行实时温度监控，检测现场温度的异常波动，在火灾发生前及时报警。

2.监测点定位

液晶显示屏以电子地图方式实时显示各电力设备及相应温度监测点的编号和当前温度值以及实际地理位置，方便管理人员操作和维护。

电子地图界面

3.远程网络在线状态查询

各个监测点的温度和报警信息都保存到大容量储存器中，系统按照时间将数据分为历史信息、实时信息；

管理操作人员可以动态调整被监测点的实时状态监测时间间隔满足实际要求；

管理操作人员可在局域网上查看各监测点的历史温度变化曲线，为决策和维护提供数据支持；

温度曲线界面

详细温度显示界面

4.报警设定

可对开关柜触头温度的过温报警触发条件进行设定，以适用不同季节气温条件下及不同负荷条件下电力开关柜实际运行温度的差异。系统出厂设定的缺省报警触发条件为：

温度超过75℃

温升速率超过8℃／min

超过区域内平均温度值15℃以上

5.温度统计

可给出设备最高运行温度值及其发生时间、持续时间及对应监测点的位置编号和地理信息。

6.系统联动

分析仪报警接口输出开关量可直接接入仪表操作室现有的火灾控制器，实现火灾报警并在消防值班室显示，也可通过手机短信发送信息至相关人员手机。

7.线路自检及故障定位

具有自检功能，可对光纤传输线路的损耗及断点位置进行准确定位，方便系统调试、维护及线路检修。

系统联网图

设备及材料清单

清单号

项目名称

型号规格

制造商及原产地

单位

数量

单价（元）

合计(元)

备注

19寸标准机柜

个

工控机

个

光纤光栅测温主机

DTS800

安普/四川

光纤光栅传感器

DTS800A

安普/四川

个

220

绝缘增爬器

AP-PSTO

安普/四川

个

220

以太网网线

根

光纤分线盒

个

通信光纤

米

1分6光纤接续盒

安普/四川

个

传感器固定卡扣

个

660

光纤光栅在线分析软件

安普/四川

套

安装附件

套

第五篇：DS18B20温度传感器设计报告

传感器课程设计

专 业： 计算机控制技术

---数字温度计

年 级： 2011 级 姓 名： 樊 益 明

学 号： 20113042

指导教师： 刘 德 春

阿坝师专电子信息工程系

1.引 言

1.1.设计意义

在日常生活及工农业生产中，经常要用到温度的检测及控制，传统的测温元件有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持。其缺点如下：

● 硬件电路复杂； ● 软件调试复杂； ● 制作成本高。

本数字温度计设计采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55～125℃，最高分辨率可达0.0625℃。

DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的热点。设计要求

2.1基本要求 1)用LCD12232实现实时温度显示温度和自己的学号。2)采用LED数码管直接读显示。2.2扩展功能

温度报警，能任意设定温度范围实现铃声报警；

33.1单片机89C52模块

单片机89C52是本设计中的控制核心，是一个40管脚的集成芯片构成。引脚部分：单片机引脚基本电路部分与普通设计无异，40脚接Vcc+5V，20脚接地。X1，X2两脚接12MHZ的晶振，可得单片机机器周期为1微秒。RST脚外延一个RST复位键，一端通过10K电阻接Vcc，一端通过10K电阻接地。AT89S52是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有8K的可编程Flash 存储器。使

资料准备 用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。P 0口接一个470的上拉电阻。P0口0~8脚接4位共阳数码管的段选，P2口0~4脚接4位共阳数码管的位选，P3.7接DS18B20采集信号。

3.2 DS18B20简介

DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、DS1822 “一线总线”数字化温度传感器 同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。DS1822的精度较差为± 2°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。DS18B20、DS1822 的特性 DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！DS1822与 DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。3.3 温度传感器的工作原理

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。DS18B20测温原理：低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值，即为所测温度。

3.4 DS18B20中的温度传感器对温度的测量

高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表5所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在 高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。

温度数据值格式

下表为12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际 温度。例如+125℃的数字输出为07D0H，实际温度=07D0H*0.0625=2000*0.0625=125℃。

例如-55℃的数字输出为FC90H，则应先将11位数据位取反加1得370H（符号位不变，也不作运算），实际温度=370H*0.0625=880*0.0625=55℃。

可见其中低四位为小数位。

DS18B20温度与表示值对应表

3.5 DS18B20的内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下:

DQ为数字信号输入/输出端；

GND为电源地；

VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

1)64位的ROM 光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

2)DS18B20温度传感器的存储器

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。

3.6 DS18B20的时序

由于DS18B20采用的是单总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对89C51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。

由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。

1）DS18B20的复位时序

2）DS18B20的读时序

对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。

对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。

3）DS18B20的写时序

对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。

对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。

4系统框架设计如下图所示：

按照系统设计功能的要求数字温度计总体电路结构框图如下图所示

5硬件设计

温度计采用AT89C51单片机作为微处理器，温度计系统的外围接口电路由晶振、LCD显示电路、复位电路、温度检测电路、LCD驱动电路。

温度计的工作过程是：初始化其接收需要检测的温度，并一直处于检测状态，并将检测到的温度值读取，并转化为十进制数值，通过LCD显示出来，再显示温度,方便用户来读数使用记录数据。

温度计系统的的硬件电路图如下图所示。

DS18B20测温和学号显示

6系统程序的设计

6.1主程序

主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量温度值。温度测量每1s进行一次。

主程序流程图如图4.1.1所示。

初始化调用显示子程序1s到？YN初次上电？N读出温度值温度计算处理显示数据刷新Y发温度转换开始命令

主程序流程图

6.2读出温度子程序

读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节。在读出时须进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。

读出温度子程序流程图如图4.2所示。

发DS18B20复位信号发跳过ROM命令CRC校验正确？发读取温度命令Y移入温度暂存器读取操作，CRC校验YNN结束9字节完？

6.3温度转换命令子程序

温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令。当采用12位分辨率时，转换时间大约为750ms。在本程序设计中，采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序图如图4.3所示。

发DS18B20复位uml发跳过ROM命令发温度转换开始命令

结束

6.4计算温度子程序

计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值的正负判断。

计算温度子程序流程图如图4.4所示。

开始计算小数位温度BCD值温度零下？N计算整数位温度BCD值Y置“+”标志温度值补码置“—”标志结束

6.5显示数据刷新子程序

显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中得显示数据进行刷新操作，当最高数据显示位为0时，将符号显示位移入下一位。

显示数据刷新子程序流程图如图4.5所示。设计总结

本设计利用89S51芯片控制温度传感器DS18B52，再辅之以部分外围电路实现对环境温度的控制，性能稳定，精度较高，而且扩展性很强。由于DS18B20支持单总线协议，我们可以将多个DS18B52并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B52通信，占用较少的微处理器的端口就可以实现多点测温监控系统。

我们在老师的指导下完成了基于DS18B20的数字温度计的设计和制作。在进行实验的过程中，我们了解并熟悉DS18B20、AT89C2051以及74LS244的工作原理和性能。并且通过温度计的制作，我们将电子技能实训课堂上学到的知识进行运用，并在实际操作中发现问题，解决问题，更加增加对知识的认识和理解。