1、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)課程：醫(yī)用傳感器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)學(xué)生姓名：程勝雄學(xué)號:080921037專業(yè)班級：08 醫(yī)工醫(yī)療器械方向2010 年 12 月 8 日光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)摘要：介紹了金屬熱膨脹式光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)，利用金屬件的熱膨脹的原理， 通過繞制在金屬件上的光纖損耗產(chǎn)生變化，當(dāng)光源輸出光功率穩(wěn)定的情況下，探 測器接收光功率受溫度調(diào)制，通過光電轉(zhuǎn)換，信號處理，完成溫度的換算。傳感 器以光纖為傳輸手段，以光作為信號載體，抗干擾能力強(qiáng)，測量結(jié)果穩(wěn)定、可靠, 靈敏度咼。關(guān)鍵詞：光纖，傳感器，光纖傳感器，光纖溫度傳感器在光通信系統(tǒng)中，光纖是用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號的媒質(zhì)。在實(shí)際光傳輸過 程中，光纖易受外界

2、環(huán)境因素的影響；如溫度、壓力和機(jī)械擾動等環(huán)境條件的變 化引起光波量，如發(fā)光強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測出光波量的變化，就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的物理量的大小，于是出現(xiàn)了光纖傳感技術(shù)。一：光纖傳感器的基本原理在光纖中傳輸?shù)膯紊獠捎萌缦滦问降姆匠瘫硎綞=錯誤！未找到引用源。式中，錯誤!未找到引用源。 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(qiáng)度 錯誤!未找到引用源。、頻率w、波長 錯誤！未 找到引用源。、相位（wt+ J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(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對已知調(diào)制 的光信號進(jìn)行檢測，從而得

3、到被測量。當(dāng)被測物理量作用于光纖傳感頭內(nèi) 傳輸?shù)墓獠〞r，使的強(qiáng)度發(fā)生變化，就稱為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器；當(dāng)作用 的結(jié)果使傳輸光的波長、相位或偏振態(tài)發(fā)生變化時，就相應(yīng)的稱為波長、相位或偏振調(diào)制型光纖傳感器。（一）強(qiáng)度調(diào)制1.發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制傳感器的調(diào)制原理光纖傳感器中發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)制的基本原理可簡述為，以被測量所引起的發(fā)光強(qiáng)度變 化，來實(shí)現(xiàn)對被測對象的檢測和控制。其基本原理如圖5-39所示。光 源S發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度為 錯誤!未找到引用源。的光柱入傳感頭，在傳感 頭內(nèi)，光在被測物理量的作用下強(qiáng)度發(fā)生變化，即受到了外場的調(diào)制,光纖內(nèi)傳播的光相位發(fā)生變化，再利用干涉測量技術(shù)把使得輸出發(fā)光強(qiáng)度 錯誤!未找到引用源。

4、產(chǎn)生與被測量有確定對應(yīng)關(guān)系 的變化。由光電探測器檢測出發(fā)光強(qiáng)度的信號， 經(jīng)信號處理解調(diào)就得到 了被測信號。2.發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的方式（1） 利用光纖微彎效應(yīng)；（2） 利用被測量改變光纖或者傳感頭對光波的吸收特性來實(shí)現(xiàn)發(fā)光 強(qiáng)度調(diào)制；（3） 通過與光纖接觸的介質(zhì)折射率的改變來實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；（4） 在兩根光纖間通過倏逝波的耦合實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制；（5） 利用發(fā)送光纖和接收光纖作相對橫向或縱向運(yùn)動實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制，這是當(dāng)被測物理量引起接收光纖位移時，改變接收發(fā)光強(qiáng)度，從而達(dá)到發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的目的。 這種位移式發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制的 光纖傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)較為成熟的光纖傳感器。3.發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制型傳感器根據(jù)

5、其調(diào)制環(huán)節(jié)在光纖內(nèi)部還是在光纖外部可以 分為功能型和非功能型兩種。4.強(qiáng)度調(diào)制式光纖傳感器的特點(diǎn)解調(diào)方法簡單、響應(yīng)快、運(yùn)行可靠、造價低。缺點(diǎn)是測量精度較低，容易產(chǎn)生偏移，需要采取一些自補(bǔ)償措施（二）相位調(diào)制相位調(diào)制光纖傳感器的基本原理通過被測量的作用，使相位轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)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(jié)(三)波長調(diào)制波長調(diào)制光纖傳感器的基本原理二.光纖傳感器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點(diǎn)是:(1)抗電磁干擾，電絕緣；本質(zhì)安全(2)靈敏度高波長調(diào)制傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖5-410(3)重量輕，體積小，外

6、形可變(4)測量對象廣泛(5)對被測介質(zhì)影響小(6)可以進(jìn)行連續(xù)分布測量，便于復(fù)用，便于成網(wǎng)光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一門新型的測溫技術(shù)。它基于 光信號傳送信息，具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓等優(yōu)勢特征。在國外，光纖 溫度傳感器發(fā)展很快，形成了多種型號的產(chǎn)品，并已應(yīng)用到多個領(lǐng)域，取得了很 好的效果。國內(nèi)在這方面的研究也如火如荼，多個大學(xué)、研究所與公司展開合作， 研發(fā)了多種光纖測溫系統(tǒng)投入到了現(xiàn)場應(yīng)用。按工作原理分，光纖溫度傳感器可 分為功能性和傳輸型兩種。功能型溫度傳感器中光纖作為傳感器的同時也是光信 號的載體，而傳輸型溫度傳感器中光纖則只傳輸光信號。目前主要的光纖

7、溫度傳感器包括分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、 干涉型光纖溫度傳感器等。其中應(yīng)用最多當(dāng)屬分布式光纖溫度傳感器與光纖光柵 溫度傳感器。1)分布式光纖溫度傳感器分布式光纖傳感器最早是在1981年由英國南安普敦大學(xué)提出的。激光在光纖傳送中的反射光主要有瑞利散射(Rayleigh scatter)、拉曼散(Ramanscatter)、和布里淵散射(Brillouin scatter)三部分，如圖1所 示。Arli-Sliikes1:Mk -llSi分布式光殲溫用傳馬器搖本煉辿創(chuàng)同散叼、IntitleiL Li phStd齡bi聲I分布式光纖傳感器經(jīng)歷從最初的基于后向瑞利散

8、射的液芯光纖分布式溫度監(jiān) 控系統(tǒng)，到電力系統(tǒng)保護(hù)與控制基于光時域 （OTDR）拉曼散射的光纖測溫系統(tǒng)， 以及基于光頻域拉曼散射光纖測溫系（ROFDA）等等。目前其測量距離最長可 達(dá)30 km，測量精度最高可達(dá)0.5C,空間定位精度最高可達(dá)0.25 m，溫度分辨 率最高可達(dá)到0.01r左右。目前，分布式光纖溫度傳感器主要基于拉曼散射效應(yīng) 及光時域反射計(jì)（OTDR）技術(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)分布式測量，如York Sensa、Sensornet等公司產(chǎn)品。基于布里淵散射光時域及光頻域系統(tǒng)也是當(dāng)前光纖傳感器領(lǐng)域研究 的熱點(diǎn)，LIOS、MICRION OPTICS等公司已有相應(yīng)的產(chǎn)品。2）光纖光柵點(diǎn)式溫度傳感器光纖

9、光柵溫度傳感器是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯形成的空間相位光柵 來進(jìn)行測溫的。光纖光柵以波長為編碼，具有傳統(tǒng)傳感器不可比擬的優(yōu)勢，已廣 泛用于建筑、航天、石油化工、電力行業(yè)等。光纖光柵溫度傳感器主要有Bragg光纖光柵溫度傳感器和長周期光纖光柵傳感器。Bragg光纖光柵是指單模摻鍺光纖經(jīng)紫外光照射成柵技術(shù)而形成的全新光纖型Bragg光柵，成柵后的光纖纖芯折射率呈現(xiàn)周期性分布條紋并產(chǎn)生Bragg光柵效應(yīng)，其基本光學(xué)特性就是以 共振波長為中心的窄帶光學(xué)濾波器，滿足如下光學(xué)方程：/b = 2 nA（1）式中：入b為Bragg波長；A為光柵周期；n為光纖模式的有效折射率。長周期光纖光柵是一種特殊的光

10、纖光柵，其傳光原理是將前向傳輸?shù)幕ｑ?合到前向傳輸?shù)陌鼘幽Ｖ?。由于其寬帶濾波、極低的背景發(fā)射等特點(diǎn)引起人們的 重視，是一種新型的寬帶帶阻濾波器。光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)根據(jù)光纖彎曲損耗的理論 分析，光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)由 三大部分組成：溫度敏感頭、傳輸與信號處理部分，具體結(jié) 構(gòu)示意圖如圖3所示。1、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(zhuǎn)換成直接能夠測量 的參數(shù)，在這里，是轉(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)件上，固定好后將光纖

11、兩端頭引出，在引出光纖的兩端制作連接器，外加光纖保護(hù)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(dāng)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(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)一步處理、計(jì)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)a、環(huán) 境溫度t有關(guān)，而且與形體結(jié)構(gòu)因子(取決于幾何參數(shù))有關(guān)，計(jì)算比較復(fù)雜，在 這里采用傳統(tǒng)的公式模擬來計(jì)

12、算：Lt= L1+a(t-20 C)(5)式中，Lt溫度t時的尺寸；L20C時的尺寸；a線膨脹系數(shù)，其數(shù) 學(xué)表達(dá)式比較復(fù)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(fù)性；溫度敏感頭的結(jié)構(gòu)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(yīng)時間，需要選 用導(dǎo)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(yīng)。經(jīng)過課題 組反復(fù)計(jì)算與試驗(yàn)，選用成本較低、加工容易、導(dǎo)熱較快，并且滿足使用范圍的 金屬材料鋁。通過試驗(yàn)，傳感器在-40 C+80C溫度范圍內(nèi)均可精

13、確工作。2、傳輸部分光纖在這里不僅要作為轉(zhuǎn)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62.5/125阿標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)應(yīng)力作用，必須對光纖的涂層進(jìn)行加固 耐磨處理，增加傳感器使用的可靠性。3、信號處理部分信號處理部分主要由發(fā)光管、探測器的驅(qū)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(qū)動電路技術(shù)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(jī)，CPU使用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片 機(jī)，是一塊具有低電壓、高性能CM

14、OS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù) 擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes的隨機(jī)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(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS51指 令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存 儲單元，功能強(qiáng)大。A/D轉(zhuǎn)換采用AD公司生產(chǎn)的12位D574A芯片，轉(zhuǎn)換時 間位25 g，數(shù)字位數(shù)可設(shè)定為12位，也可設(shè)為8位，內(nèi)部集成有轉(zhuǎn)換時鐘、參 考電壓和三態(tài)輸出鎖存，可以與微機(jī)直接接口。為了方便在現(xiàn)場使用，光纖溫度傳感器擴(kuò)展了LCD顯示接口，同時還擴(kuò)展了一個RS-232通信口，用于同上位 機(jī)進(jìn)行通信，

15、將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)， 進(jìn)一步分析處理。整個監(jiān)控程序 采用模塊化設(shè)計(jì)，主要的功能模塊有：系統(tǒng)初始化，A/D采樣周期設(shè)定，數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)處理，串行通信，中斷保護(hù)與處理，顯示與鍵盤掃描程序等。程序采 用單片機(jī)匯編語言來編寫，使用廣泛、運(yùn)算的速度快等特點(diǎn)，有效的利用單片機(jī) 上有限的RAM空間，其中，由于溫度的變化引起光強(qiáng)的變化不是線性的，因此 我們采用查表法對其測量值進(jìn)行線性補(bǔ)償。試驗(yàn)檢驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理已經(jīng)制作好的溫度敏感頭通過試驗(yàn)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(jì)，將溫度敏感頭置入恒溫槽中；第二步，設(shè)置恒溫槽溫度，觀察光功率計(jì)值的變化情

16、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(diǎn)測量，設(shè)定幾去I溫度=比功申対應(yīng)值個或更多溫度點(diǎn)，記錄溫度值-40-15+15+40+70第撫2.341.S41.250.423下，溫度與光功率對應(yīng)功第二投2 351.831.270 S47G41Z第三次23S1.&41.2SO.85SQ41S值，反復(fù)多次試驗(yàn)，觀箒四次2鶉J,B21.240.418出均f苴pm)2.3251.6351 255C.8SS0.417察溫度敏感頭的重復(fù)性。光纖溫度傳感頭通過試驗(yàn)測試，將溫度與光功率相對應(yīng)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(yàn)表明，傳感頭滿足使用要求， 重復(fù)性 非常好， 加載發(fā)

17、光管與探測 器驅(qū)動電路以及信號處理 電路， 整體調(diào)試傳感器， 觀 察溫度與傳感器輸出的電壓值關(guān)系， 重復(fù)操作上述試驗(yàn)第二、第三步，具體的溫 度與電壓相對應(yīng)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(fù)性較好，表明傳感器整體性能 滿足要求。將幾個特殊點(diǎn)電壓值送到單片機(jī)進(jìn)行處理， 采用直線插值擬合或者最 小二乘法曲線擬合，輸出溫度值。通過實(shí)測檢驗(yàn)，與標(biāo)準(zhǔn)溫度值誤差最大值為土1 C,基于金屬熱膨脹式的光纖溫度傳感器設(shè)計(jì)是成功的，傳感器整體測試精度 較咼。小結(jié)：近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。本期學(xué)習(xí)了檢測技術(shù)與儀表，此學(xué)科無論在理論基礎(chǔ)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)還

18、是在 設(shè)計(jì)程序、實(shí)驗(yàn)方法等方面都向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方面發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu) 異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的 機(jī)械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性-40-15-15+40-70電第一5.24斗,111.3380 391壓第二5.264.01.8230.904第二5.234.022G111.7990 9M第H5.184.07279B1.S190 37S半均值(V)5.2284.072 7$91.S190 3$；2矍換電；對應(yīng)值能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能 等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對

19、人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還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。在本文中大體介紹了金屬熱膨脹式光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)， 利用金屬件的 熱膨脹的原理，通過繞制在金屬件上的光纖損耗產(chǎn)生變化。由于本人所學(xué)的是電氣工程及其自動化專業(yè)， 在平時的學(xué)習(xí)中我們比較多的 接觸到電動機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器等電磁設(shè)備。為了保證這些電磁設(shè)備工作在正常 狀態(tài)，我們必須對它們進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，而其中溫度監(jiān)測是其中之一。就于光纖的 抗干擾能力優(yōu)異于其他的傳感器，本人特別介紹了光纖溫度傳感器。光纖溫度傳 感器非常適合在電力行業(yè)中使用，但是在網(wǎng)上找了很多資料，大部分都是說可行 性研究和論證，真正在實(shí)踐中用到了傳感器實(shí)物非常的少， 和網(wǎng)絡(luò)上銷售情況也 做了翻了解。光纖溫度傳感器作為一種新型的測溫技術(shù)發(fā)展十分迅速，應(yīng)用也越來越廣泛。在電力系統(tǒng)中應(yīng)用也得到了較好的發(fā)展，但存在以下幾個方面的問題： 光纖溫度傳感器在價格上的劣勢制約了其在電力系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用，價格太高使得在某些應(yīng)用場合監(jiān)測的實(shí)際意義不大。 光纖在某些電氣設(shè)備上的敷設(shè)較為 困難，最