光纤温度传感器课件.ppt

关于光纤温度传感器
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强度调制型光纤温度传感器原理
总长度为J。，有N个刻纹段的刻纹光纤(如图1)受轴向应变力拉伸时，刻纹光纤中传输的光信号输出
功率P对轴方向的应变相当敏感，很容易测量出光信
号输出功率减少，其原因是由于刻纹段光纤被拉仲时
纤芯折射率nco，。及纤芯半径a变化的结果[2,3]，且
纹段与未刻纹段将发生大小不同的应变。具有N个刻
纹段光纤的输出功率_P与其轴向应变的关系为[2]
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式(2)中：plL和p12为各向同性物质的弹光系数；口为
泊松比；b。和b。为刻纹段和未刻纹段包半径；L。为每个刻纹段的长度。
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对石英光纤n毛(p11—2apl2)+1的数值约为
1．06[，1。可见，G的数值由刻纹光纤的几何结构参数决
定：刻纹段数目N越多、刻纹段长度L。越短，刻纹深度
越深(即6。／6。的数值越小)，则G的数值越大。

实验结果表明[“：刻纹光纤中输出的光功率P虽
然对轴方向的应变相当敏感，但其对环境温度￡变化
的响应很小，数量级I dP IPdt=10-6／℃，所以刻纹
光纤不适于直接用于温度传感器。这样，在研究传感器
性能时，完全可以不考虑由于环境温度的变化而引起
的光纤纤芯折射率”。及纤芯半径a的变化。
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但如果给刻纹光纤敷上金属膜层后，情况就不同了。当外界环境温度发生变化时，由敷在刻纹光纤外表面上的金属敷层将随环境温度的变化而热胀冷缩，使光纤同时产生一个沿光纤轴方向的托伸应变从而引起光纤内传输的光信号变化，这种变化将导光纤输出光功率P发生改变。
假设温度为0℃时，金属敷层光纤段
假设温度为0℃时，金属敷层光纤段的长度为L。，
而L是湿度为‘℃时金属敷层光纤段的长度，a为敷
层金属的线胀系数。则：
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式中：P。为初始温度￡。时光纤巾输出的光功率数值。由式(4)可知：当温度t增加时，光纤输出的光信号功率P将减小，G的数值越大，敷层金属材料的线胀系数a越大，光功率P将减小得越快。这样．通测量输出信号光功率P的变化就可得到温度的变化。
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光纤温度传感器的制备传感器的制备包括如下过程：根据划纹光±r的结构参数，在玻璃板}i做成掩膜，通过旋转光纤使除去塑料套层后的光纤段(长度为j。)涂卜一层光刻胶，再将其放入烘箱中烘烤以增加胶膜与裸光纤的粘附，温度般在75℃左右，时间为10--20rain．然后将经过}：述处理过的光纤放在紫外光下进行曝光，再将其浸八丙酮巾。由十未被感光的部分能破丙酮溶解，被感光的部分就被保留下来用作腐蚀时的保护膜。
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显影后，再把光纤放入烘箱中烘烤，这样使留下来的胶膜较牢固地粘附在光纤上，同时也可增加胶膜本身的抗腐蚀能力．至此．待刻纹部分的图案就清晰地呈现在光纤上。使用氢氟酸作为腐蚀溶液，待光纤腐蚀到所需的半径
时，从溶液中取出，放在浓硫酸中，除去已刻纹的光钎外层，然后用去离子水洗净。最后，在真空镀膜机
巾对刻纹段光纤镀上金属膜层。
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结构参数和金属材料种类对传感器输出光功率P的影响
实验中对不同结构参数和不同金属敷层材料的传感器的温度响应进行了测试，如图2所


结果表明：传感器具有很好的温度响应。其输出光功率随温度t增加而减小。对于不同传感器，具有不同的温度响应特性：N越大、L．越短、刻纹深度越深
(即6。／6。的数值越小)、金属敷层材料线胀系数a的数值越 大，随温度f的增加输出光功率减小得越快
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结构参数和金属材料种类对传感器灵敏度
在理论上，刻纹光纤温度传感器灵敏度与传感器
本身的结构参数、敷层材料的种类以及温度f有关。对
于任一传感器，其灵敏度虽然随温度z增加而减小，但
减小的幅度却相当小。这主要是由于金属敷层材料银
和铝的线胀系数a的数量级为10。5／℃，所以在几百c
温度测量范围内，灵敏度随温度的变化是很小的，可近
似地认勾灵敏度不变，所以实验时测量传感器在初始
温度“时的灵敏度即可。因此可认为：敷层刻纹光纤温
度传感器灵敏度H与传感器本身的结构参数和敷层材
料的种类有关，与温度f几乎无关。即：
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