光纤传感器正文

光纤传感器的应用研究

李晓

（德州学院物理系，山东德州 253023）

摘 要 本文介绍了光纤传感器研究的目的、意义及其发展趋势，通过分析研究各类光纤传感器的基本原理，设计出了一种新颖的光纤数字传感真空计。首先从研究光纤传感器的工作原理出发，分析光导纤维的物理结构和传输原理，然后简单的介绍了光纤传感器的各种分类，接着又从研究真空技术出发，结合反射式光纤传感器的工作原理，设计出光纤数字传感真空计。 关键词 光导纤维； 光纤传感器； 光纤传感数字真空计

1绪论

光纤传感器是70年代末发展起来的一种新型传感器，它具有不受电磁场影响，本质上安全防爆，体积小，耐腐蚀，灵敏度高等优点。光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。可用在传统传感器难以涉足的极端恶劣环境，所以在军事、航空航天、生物医学、建筑施工等领域被受青睐。因此对光纤传感器的研究具有很重要的现实意义。传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。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。光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务[1]。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的魅力。因此，光纤传感技术应用的研究具有很好的前景。光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。

光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它 - 1 -

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同时具有光纤及光学测量的特点。 ①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。

⑤容易实现对被测信号的远距离监控[2]。

2光导纤维简介

光能够在玻璃纤维或塑料纤维中传递是利用光在折射率不同的两种物质的交界面处

产生“全反射”作用的原理。为了防止光线在传导过程中“泄露”，必须给玻璃细丝穿上“外套”，所以无论是玻璃光纤还是塑料光纤均主要由芯线和包层两部分组成。光纤的结构呈圆柱形，中间是直径为8微米或50微米的纤芯，具有高折射率，外面裹上低折射率的包层，最外面是塑料护套，整个外部直径为125微米。由于包层的折射率比芯线折射率小，这样进入芯线的光线在芯线与包层的界面上作多次全反射而曲折前进，不会透过界面，仿佛光线被包层紧紧地封闭在芯线内，使光线只能沿着芯线传送，就好象自来水只能在水管里流动一样。用特殊的接受仪器，加上纤维导管的传递作用，就完成了光导纤维的整个工作。

[3]

2.1光纤的结构

光纤的结构如图2-1所示。它是由纤芯、包层、涂敷层及套塑四部分组成。纤芯位于光纤的中心部位。它的主要成分是高纯度的二氧化硅，其纯度可达到99.99999%。其余成分为参入的极少量参杂剂，如五氧化二磷和二氧化锗。掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率，纤芯的直径2a一般为5-50微米。包层也是含有少量掺杂剂的高纯度的二氧化硅。掺杂剂有氟或硼。这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。包层的直径（包括纤芯在内）2b为125微米。包层的外面涂敷一层很薄的涂敷层。通常要进行两次涂敷，它的作用是增强光纤的机械强度。目前涂敷层的材料一般为环氧树脂或硅橡胶[4]。涂敷层之外就是套

塑。它的作用是加强光纤的机械强度。套塑的原料大都采用尼龙或聚乙烯。

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图2-1 光纤的结构

2.2光纤的性能

光纤是70年代为光通信而发展的一种新型材料，它主要是用玻璃预制棒拉丝成纤维，外直径仅100-150微米，有许多独特的性能。

1．良好的传光性能。

2．光纤传输的是光，而光的频率特别高，所以能够容纳更高的带宽。这是光纤能够 同时传输大量信息的根本原因[5]。

3光纤传感器简介

3.1光纤传感器的结构原理

以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电

源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图3-1。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量[6]。

可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础[7]。光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即A—电场E的振幅矢量；ω—光波的振动频率；φ—光相位；t—光的传播时间。

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信号处理 光发送器 光纤 光受信器 图3-1 光纤传感结构原理

敏感元件 当光线通过端面透入纤芯，在到达与包层的交界面时，由于光线的完全内反射，光线反射回纤芯层。这样经过不断的反射，光线就能沿着纤芯向前传播[8]。可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。这就是光纤传感器的基本工作原理。

3.2光纤传感器的分类

光纤传感器的分类有多种形式，可以根据光纤在传感器中的作用进行分类，也可以根据光受被测对象的调制形式进行分类。 3.2.1根据光纤在传感器中的作用分类

光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。 （1）功能型（全光纤型）光纤传感器

利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。 （2）非功能型（或称传光型）光纤传感器

光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续，此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低[9]。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。 （3）拾光型光纤传感器

用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等[10]。

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德州学院 物理系 2011届 电子信息工程专业 毕业设计 3.2.2根据光受被测对象的调制形式分类 （1）强度调制型光纤传感器

这是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。

优点：结构简单、容易实现，成本低。

缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。 （2）偏振调制光纤传感器

是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。 （3）频率调制光纤传感器

是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等[11]。 （4）相位调制传感器

其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高[12]。

3.3光纤端光场分布测试

3.3.1光纤端光场径向分布测试

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德州学院 物理系 2011届 电子信息工程专业 毕业设计 随着通信技术的发展，派生除了光纤传感技术及光纤传感器的应用。就外部调制型光纤传感器而言，如反射接受型、直接入射型、光闸型等等，一般由入射光源光纤、调制器件及接收光纤收集到的光强随外界物理扰动而变化，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据，大多与光纤初出射的光场相关。因而，光纤出射光场的场强分布对于这类传感器的分析和设计至关重要。通过纤端光场的分布的测量有助于使用者了解纤端光场的分布特点，并且对光纤传光特性有一定的定性和定量的掌握。同时它的测量涉及到光纤传感器的设计、使用方法等基本问题，具有重要意义。

光纤端径向分布测试可以定性了解光纤纤端光场的分布，掌握其测量方法、步骤及计算方法并且定量的测量一种光纤的纤端光场分布，绘出纤端光场的分布图。在测试中我们要用到光纤传感器实验仪主机、接受光纤、发射光纤、准三维调节架，主机电路原理图如下：

沿光纤传输的光可以近似看作平面波，此平面波在纤端出射时，可等价为平面波场垂直入射到不透明屏的圆孔表面上，形成圆孔衍射。实际情况接近两者的某种混合。为方便起见，以下假设：光纤端面：光场是由光强沿径向均匀分布的平面波和光强沿径向为高斯分布的高斯光束两部分构成的。出射光场：纤端出射光场由准平面波场的圆孔衍射和在自由空间传输的准高斯光束叠加而成的。在以上假设下可推导出理论公式如:

2222a22k20r2kr20220Ir,zI0p2J1a0q22exp4222r4zk0z4zk0 （3.1） 2 - 6 -

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上式表明，纤端出射光场场强分布是由不同权重下的高斯分布和平面波场的圆孔衍射分布叠加的结果。纤端光场既不是纯粹的高斯光束，也不是纯粹的均匀分布的几何光束，为了更好地与实际情况符合，我们综合这两种近似情况，并引入无量纲调合参数ζ，可以给出如下结果：

3/2z za01atg0 (3.2)

0实际使用过程中，对于渐变折射率光纤有时取σ=0.705;对于突变折射率分布的光纤通常采用σ=1，对于芯径较粗的多模光纤而言，衍射效应基本被平均化了，及取p≈0,q≈1。因而对于大芯径多模光纤，为使用方便式通常取如下形式;

I2a021z/a03/2tgcI02r2*exp23/22a1z/atgc00 (3.3) 2测试操作中应注意：（1）将光源光纤卡在纵向微动调节架上，将探测光纤卡在横向微动的调节架上，并使两光纤探头间距离调到月1mm左右。（2）接通电源，将LED驱动电流调到指定的电流大小（如：40mA）。（3）调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大，此时可认为入射光纤和出射光纤已对准。（4）调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数，然后将纵向微动调节架向相反的方向旋转，记录每转5个小格记录的电压输出值，直至输出电压变为零[13]。

在测试结束后，在坐标上作出理论曲线和实验曲线，并比较二者。注（还可以改变LED的驱动电流，然后再作曲线，以获取在不同驱动电流下的输出特性。）纤端光场径向分布理论曲线如下：

0.60.5光强(I/I0)z=0.5mm0.4z=1mm - 7 - 0.30.2 德州学院 物理系 2011届 电子信息工程专业 毕业设计

图3-3 纤端光场径向理论曲线

纤端光场径向分布实验曲线如下:

光强（归一化值）0.80.70.60.50.40.30.20.1200微米芯径光纤端场分布实验值（归一化）

z=0.5mmz=1.0mm000.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5横向坐标（mm)图3-4 纤端光场径向实验曲线

3.3.2光纤端光场轴向分布测试

纤端轴向分布测试采用的光纤探头由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接受反射镜反射的光。系统可工作在两个区域中，前沿工作区和后沿工作区。当在后沿区域中工作时，可以获得较宽的动态范围。测试中要用到光纤传感实验仪主机、反射接收光纤、准三维调节架[14]。主机在上节中已经介绍，反射接收光纤如下图

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图3-5 反射接收光纤

就外部调制非功能型光纤传感器而言，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据。该特性调制函数可借助于光纤端出射光场的场强分布函数给出：

r,x2a021x/a03/2I02r2*exp23/22a01x/a0 (3.4) 2

理论曲线200150光100强分布5001243距离（mm）56

图3-6 反射式调制特性曲线

由理论曲线可以看出，光纤位移传感器可工作在两个区域，既上升沿和下降沿，前沿工作区的灵敏度高但动态范围小，而后沿工作区灵敏度低而动作范围较大，可视需要而定。在作为光纤传感器使用时，对传感器需要进行标定。标定方法是：根据调制特性曲线选择线性区，然后在选好的线性区间内给出标定曲线，测试步骤类似于调制曲线测试的实验内容。每隔50µm记录下输出电压数值，作出光纤探头和反射镜间距与电压输出的特性曲线。于是，反射镜与光纤探头的距离可由曲线的多项式拟合出来[15]。

通过测验我们可以得到一个光强电压转换值与纤端纵向分布的坐标图。 - 9 -

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光强(电压转换值v)5.554.543.532.521.510.5000.511.52纵向坐标（mm)2.533.54纤端光场（纵向）系列1图3-7 纤端光场轴向分布

3.4光纤传感温度计的设计原理

当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长λg的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,λg称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即

hEg

（3.5）

h —普朗克常数；v —光频率 因λ＝c/v，则产生本征吸收条件： ghc （3.6） Eg因此，对于波长大于λg的光，能透过半导体，而波长小于λg的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图为在室温(20℃)时,120μm厚的GaAs材料的透射率曲线。 GaAs在室温时的本征吸收波长约为880nm左右，半导体的吸收光谱与Eg有关，而半导体材料的Eg随温度的不同而不同，Eg与温度t的关系可表示为：

t2EgtEg0   t - 10 - 德州学院 物理系 2011届 电子信息工程专业 毕业设计

常数(K)。

（3.7）

式中：Eg（0）——绝对零度时半导体的禁带宽度；α——经验常数(eV／K)；β——经验

对于GaAs材料，由实验得到: Eg01.522eV α =5.8×10-4eV/K β=300K 由此可见，半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长λg随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的λg(t)相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小[16]。即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。

4光纤传感温度计的设计

4.1设计思想

基于上述光纤传感器的特性，本人设计了一个光纤传感温度计。基本思路和步骤的步骤如下：

1.双金属片受热向左弯曲，导致接收光纤光强增大，输出电压提高。

2.将输出电压与温度对应关系定标，可得到温度直接显示的灵敏度远高于普通温度计的光纤传感温度计。

3、主机内再设计一个低噪音高增益直流电压放大器，以放大光电二极管的电信号，用于提高测量灵敏度。发光二极管可设计普通稳压电路，为其提供20毫安的恒定电流。它的整体构造如下图所示。反射镜、双金属片和底座构成了感应装置，当处于一定的温度场之中时，反射镜就会发生微小的位移。这种位移引起了光纤接受的光强的变化，通过光电二极管转化成了电压的变化。它的整体构造如图所示：

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发射光纤反射镜主机接收光纤双金属片底座

图4-1 光纤传感温度计图

4.2硬件组成

该光纤传感器由三部分组成：负责感应温度的双金属片；负责传递温度变化的光纤；负责将光强信号转化成电压的主机。

首先设计负责感应温度的双金属片，下图给出的是用于测温的对称组合式双金属片温

度变送装置。两个U形双金属片反转对称焊成一体，组合后的S形双金属片一端焊接在测温基座上，另一端与反射体相连。当温度变化时，双金属片的自由移动端带动反射体做水平方向的移动，调制反射接收光纤的光信号。从而实现了反射式光纤温度的测量。由于这种双金属温度变送装置是由两个相同的双金属片反转对称组合而成的，因此与单一的双金属结构相比，其性能会有所改善。

图4-2 双金属片结构

主机内包括一个直流电压放大器和一个光电二级管。发光二极管可设计普通稳压电路，为其提供20毫安的恒定电流。电压放大器必须是低噪音、高增益，下面我重点设计直流电压放大器。

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德州学院 物理系 2011届 电子信息工程专业 毕业设计 由于标准源电压输出范围宽、量程多，怎样合理地设计放大器的级数是一个关健问题。为了保证标准源的精度，应最大限度地应用关键元器件的动态范围。直流基准取样电路尤其是转换器和比较环节是保证精度的关键。因此系统设计为在各量程档输出为满度值时直流基准为10V,由于受AD637的最大输人信号的限制为(7V交流有效值)交流有效值，在取样电路中,电阻分压网络在单片机量程控制信号作用下将输出电压衰减为直流或交流,当为交流信号时则用变换器将其变换为的直流信号,再经放大倍数为的反相放大器放大至一,与直流基准一起送人比较积分环节。对于小量程（3伏及以下）电压输出,直接从输出反馈是不合适的。例如在档,若直接反馈需在取样电路中放大一倍达到一才能与直流基准比较,而小信号放大要保证其长期准确度对放大电路的零漂和温漂有很高要求,且取样电路处于整个闭环系统的反馈通道上,它的误差直接影响整机的准确度〔早期方案论证时曾用超精密运放作试验,证明在档保证长期稳定性较困难。基于上述原因,取样电路在小量程档设计时,反电压均取自巧量程档放大器的输出,而标准源实际电压输出为量程放大器经精密分压网络衰减后再经功率放大及电压跟随输出,这样降低了小量程档对元器件性能的要求。

电压放大器的原理框图如图，说明如下。

（1）K1—K6由继电器组实现,其输人由单片机系统的交直流及量程开关控制。它们控制着整个电路的接通和断开。

（2）前面的反相器是和后继的放大器均为反相放大器, 而在直流电压档时应保证各量程下均为正电压输出, 故应根据量程选择同相或反相输人(由K1决定)。 （3）15V/30V量程放大器的选择通过改变放大器的反馈电阻来实现。

（4）除了模拟电路电源和数字电路电源外,电压放大器需要另外两组电源：士65V和士250V。为了提高升压变压器的效率和降低对滤波电路指标要求,在直流电压输出状态下可以采用提高正弦信号频率的方法。

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输入信号15V放大器电源及保护-1k1k2升压变压器k4150V放大器k3k5整流滤波衰减跟随k6电压输出

图4-3 电压放大器原理示意图

整流滤波电路为三阶低通滤波器，不仅成本较低,而且能达到纹波小以及调节时间短等性能指标的要求。其电路图如下：

VCLF356C22kD1V-V-D3D4D2240p+1523D5D6C-1539075V75VR1R2

图4-4 整流滤波电路图

150V放大器电路它是一个电压负反馈反相放大器, 放大倍数为AV=R/R1 。运放以后的部分可看成是电压及功率扩展部分。用功率器件作为功率放大单元具有驱动简单和输出功率调整方便等优点。实际应用中用了四只分成上、下两组放大管。为了扩展放，大管的功率,采用两只管子串联方式。该放大器属于甲类放大电路,虽然效率较低,但输出波 - 14 -

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形失真小。其电路图如下所示：

+250V51k51k1uFC51K1ufR51k240P1.1K20P51kR1 50K+15VR110kC1240pOP37U1Q510k240pV630VCD1D110k-151uf51K200P51k51k61v20P12v19K10k51k51k-250V图4-5 150V放大器电路图

4.3温度测量的实现

首先，按照总体设计思路将各个部件组装成一个完整的系统。将光电二极管和直流放大器连接起来一并放入主机箱中。然后固定金属片的位置，调整光纤位置，使光纤接受光强处于最佳状态。光纤探头由两根光纤组成.一根用于发射光,一根用于接受反射镜反射的光。当在后沿区域中工作时,可以获得较宽的动态范围。就外部调制非功能型光纤传感器而言,其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据.该特性调制函数可借助于光 - 15 -

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纤端出射光场的场强分布函数给出：

r,x2a021x/a03/2I02r2*exp23/22a01x/a0 （4.1） 2式中,I0为由LED作为光源耦合入发送光纤中的光强;<(r,x)为纤端光场中位置(r,x)处的光通量密度;σ为一表征光纤折射率分布的相关参数,对于阶跃折射率光纤,σ=1;α为光纤的芯半径;ξ为与光源种类、光纤的数值孔径及光源与光纤耦合情况有关的综合调制参数。如果将同种光纤置于发送光纤纤端出射光场中作为探测接收器时,所接收到的光强可表示为：

r2 Ir,xr,xds*exp2ds (4.2) 2xssXI0 式中

xa01x/a03/2 (4.3)

在纤端出射光场的远场区,为简便计,可用接收光纤端面中心点处的光强来作为整个纤 芯面上的平均光强,在这种近似下,得到在接收光纤终端所探测到的光强公式：

r2 Ir,x *exp2t （4.4）2xxSI0

弄清原理以后我们就可以开始利用光纤传感器对温度进行测量。首先按照一定刻度给定知道的温度，然后用直流电压表测量出相应的电压值。然后按照比例刻度依次递增温度，然后观察电压表的读数，并记录下每个电压所对应的温度值。最后就可以得出一个温度—电压的定标曲线。如下图所示，光纤传感器测量的温度值和理论值基本保持一致，而且它的精确度很高。我们在实验中可以用一个普通的温度测量仪在相同的温度条件下一起跟光纤传感器进行测量，从测量结果可以看出光纤传感器的精确度要远高于普通的水银温度计。

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电压mv1801501209060300102030405060708090100温度T/C图4-6 温度—电压坐标图

设计的这种光纤温度传感计不仅精确度很高，而且能应用在一般温度测量计不能用的恶劣环境中。具有很高的实用价值。本模型的关键在于光纤探头的选择和直流电压放大器的设计。光纤传感器对温度的测量变相等价与光纤光强的变化所引起的电压变化。从而只需配上一个直流电压表然后对电压表进行读数，就可以知道准确的温度。

5结论

对光纤温度传感计进行的设计，我先从光导纤维和光纤传感器的基本原理入手。在了解了不同种类的光纤传感器和弄懂光纤传感器的基本结构和原理后，开始着手光纤温度传感计的设计。光纤传感器由三部分组成：负责感应温度的双金属片；负责传递温度变化的光纤；负责将光强信号转化成电压的主机。感应温度的金属片设计成两个U型双金属片反转对称焊成一体的装置。主机箱是设计的核心部分，主机箱中包含了一个直流电压放大器和一个光电二级管。发光二极管可设计普通稳压电路，为其提供20毫安的恒定电流。电压放大器设计为低噪音、高增益的电压放大器。同时主机箱中还设计有一个直流电压表接口，配上一个电压表进行读数，就可以实现对温度的准确测量。设计的核心思想就是把光纤接收的变化的光信号转换成可以读数的电压值。这种光纤温度传感计具有灵敏度高、抗干扰等优点，具有很好的实际应用价值。

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德州学院 物理系 2011届 电子信息工程专业 毕业设计

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Fiber Optical Sensor and its application

Lv wei

(Department of Physics ,Dezhou University,Dezhou,253023)

Abstract This paper describes the purpose of researching on FOS and its development. Based on the principle of all kinds of FOS，I have designed a good Temperature FOS. Firstly，I studied the principle of FOS and optical fiber which helps me know the structure and theory. Then this paper introduces some classifications of FOS .Secondly，because of the anlysis of the old FOS’framework，I combine some electric knowledge to finish the Fiber Temperature Sensor.

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Key words Optical fiber； Fiber Optical Sensor；Fiber Temperature Pressure

致 谢

值此论文完成之际，首先我要感谢我尊敬的导师赵杰老师，在他的精心指导下我完成了我的毕业设计。赵老师工作繁忙，但却抽出时间对我的论文设计给出了耐心指导，不论从选题、材料收集，还是后期论文修改及章节安排，赵老师都给予了我宝贵的意见和极大的帮助，使我的毕业设计撰写工作顺利完成。在撰写过程中，我深刻体会到了赵老师特有的高度的责任心、高尚的品格、渊博的学识。他严谨的治学态度、忘我的工作精神、缜密敏锐的科学思维、自由活泼的学术思想以及对科学孜孜不倦地追求我留下了深刻的印象，这必将使我终生受益非浅。没有赵老师精心指导和热情帮助，我的论文是难以顺利完成的。在此，我郑重地向他表示最诚挚的感谢。

同时，感谢在这次毕业设计中给予我帮助的老师和同学，他们严谨的学风、踏实的学习态度，给我树立了榜样。同时，他们对我的课题研究提出了宝贵意见，与您们的讨论，使我开阔了视野，纠正了错误，与您们的友好相处使我有一个良好的学习生活环境。感谢同学们对我论文材料收集上的帮助和精神上的鼓励、支持！

在本文的完成过程中我切实学到了理论和学术方面的知识。再次感谢所有关心我帮助我的老师和同学。

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