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1、传感器原理与应用 课程设计传感器原理与应用课程设计（2008级）项目名称 光纤温度传感器的设计小组成员 李翔 200803011015李斌 200803011016王搏 200803011008指导教师 罗武胜 鲁琴 机电工程与自动化学院测控技术与仪器专业目录摘 要iiiAbstractv第1章 绪论11.1引言11.2光纤传感器及其分类11.3光纤传感器的基本原理11.3.1光强调制型21.3.2相位调制型31.3.3偏振态调制型31.4光纤传感器的特点4第2章 光纤温度传感的理论基础52.1光纤温度传感器简介52.2分布式拉曼散射62.3拉曼散射原理62.3.1 拉曼散射的基本原理62.3
2、.2自发拉曼散射72.3.3 受激拉曼散射92.4 本章小结10第3章 光纤测温系统的组成113.1 光纤测温系统的硬件总体结构113.1.1 系统的结构及作用过程113.1.2光纤测温系统的理论分析123.1.3温度数据的得到方法133.2 光纤温度传感系统的主要技术指标的影响因素143.2.2 温度分辨率153.2.3空间分辨率163.2.4精度测量173.2.5测量时间183.2.6传感用光纤长度的影响183.3 硬件各部分的具体实现193.3.1激光器和光纤193.3.2 分光器193.3.3光电转换电路193.3.4数据采集模块223.3.5 电脑233.4 软件的实现233.4.1
3、 Delphi简介233.4.2 测温系统软件部分243.4.3 显示子模块273.5 整体调试283.5.1 系统调试和标定283.5.2 系统稳定性分析303.6 本章小结30第4章 光纤温度传感器的应用314.1 光纤温度传感器在电力设备中的应用314.2 影响系统稳定性的问题研究334.3 系统误差分析334.4 本章小结33结 论34参考文献35摘 要分布式光纤温度传感器则是重要的利用光纤进行测量的温度传感器。其原理是基于光纤中的后向散射现象和光时域反射的理论，使它能够在整条光纤的长度上，以距离为主要的连续函数的形式来测量光纤上各点温度值。本文从理论到实际应用，在以下四个方面进行了研
4、究和试验：首先，论述了分布式光纤温度传感器目前在国内外研究的状况。立足于国内外现有的元器件和制造工艺，通过对多种可行技术方案的比较、分析，在光纤光栅传感器以及各种分布式传感器中，确定了基于自发拉曼散射中斯托克斯与反斯托克斯光强做对比的方式，来进行光纤温度检测的方案。其次，通过对实际中的反斯托克斯光和物理温度相关的特性进行分析，并结合光时域反射技术，确定了由自发拉曼散射和受激拉曼散射产生的定量描述，为本系统中的分布式的光纤温度传感器的合理应用做出了理论依据。再次，设计了系统硬件的总体结构。考虑到拉曼散射信号光功率、环境温度、亮电流与暗电流以及热噪声等多种因素，并结合工作稳定性、温度灵敏度、系统信
5、噪比等几个方面的综合要求，对系统中各个部件的型号确定下来，使各个部分更好的衔接起来。最后，设计了系统软件，能实现温度的检测和一些系统的设置，并结合现场测量实际要求，完成了测量中一些问题的分析和解决，达到了良好的使用效果。关键词： 光纤传感器；分布式；测温；拉曼散射；系统硬件；系统软件AbstractDistributed optic fiber temperature sensor is important to use light to measure the temperature sensorsThe principle is based on optical fiber in the
6、backward scattering phenomena and the theory of optical time domain reflect meter，it can in the entire length to the distance as the primary form of continuous function to measure the fiber temperature at various pointsThe article researches and tests in the following four aspects from theory to pra
7、ctical application：First，it demonstrates the current researches on distributed optical fiber temperature sensor at home and abroadThis research is based on the existing domestic and foreign components and manufacturing processesThrough a variety of comparison and analysis of the possible technical s
8、olutions，it determines the way to detect the optical fiber temperature by contrasting the light intensity between spontaneous Raman scattering and Anti-stokes among the fiber Bragg grating sensors and a variety of distributed sensorsSecond，through the analysis on the relation between Anti-stokes lig
9、ht and thetemperature in practice，and combining with optical time domain reflectometry techniques，the research established the quantitative description of the spontaneous Raman scattering and stimulated Raman scattering，thus providing a theoretical foundation for appropriate application of the distr
10、ibuted fiber-optic temperature sensor in the systemThird，it designed the overall structure of the system hardwareTaking intoaccount the Raman scattering signal optical power, ambient temperature，light current and dark current and thermal noise and other factors，and combining with the comprehensive r
11、equirements on working stability, temperature sensitivity, SNR，and several other aspects， this research determines the model of various components of the system，thus making the various parts of the link up betterLast，it designed the system software，and is able to achieve the temperature detection an
12、d system settings，and it analyzed and solved a number of problems in measurement when combined with the field measurement requirements，and it has achieved good effects.第36页第1章 绪 论1.1引言在光通信系统中，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
13、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。1.2光纤传感器及其分类光纤是利用光的全反射原理来引导光波的，如图所示为光纤结构图。当光波在光纤中传输时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)，会由于被测参量(温度、压力、加速度、电场、磁场等)对光纤的作用而发生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号光，再经过光探测器和解调器从而获得被测参量的参数。光纤传感器可以按传感原理分为两类，一类称为功能型传感器，它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用，即它具有传与感合一的特点。另一类称为非功能型传感器，它的光纤仅起传输的作用，而对被测信号的感觉
14、则是利用其他光学敏感元件来完成的。光纤传感器还可以按光波在光纤中被调制的原理分为：光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等几种形式。下面介绍这几种光纤传感器的应用原理及其基本特点。1.3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=E0cos(wt+)式中，E0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E02、频率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。1.3.1光强调制型这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。能够引起光纤中光强发生变化的因素有；改变光纤的微弯状态，改变光纤对光波的吸收特性，改变光纤包层的折射率。下面分别讨论利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。改变光纤的微弯状态 利用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理如图。它是利用多模光纤在受到弯曲时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量这一原理，通过测包层模式能量的变化来测量位移。例如：利用这一
