文档介绍：燕山大学
硕士学位论文
分布式光纤温度传感器的系统设计
姓名:吕宗岩
申请学位级别:硕士
专业:测试计量技术及仪器
指导教师:王玉田
20050901
摘要分布式光纤温度传感器是近年来开始研究的新型传感技术。基于光纤中后向散射现象和光时域反射理论,它能在整条光纤的长度上,以距离的连续函数形式测量出光纤上各点的温度值。分布式光纤温度传感器中的光纤既是传输介质又是传感介质,它还具有抗电磁干扰、防燃、尺寸小、对被测温度场的影响小等其它传感器无法比拟的优点。目前,分布式光纤传感技术已得到广泛应用。本文对分布式光纤温度传感器进行了较全面的理论分析与实验研究,主要工作如下:紫嚷凼隽朔秩缡焦庀宋露却ǜ衅鞯墓谕庋芯孔纯觥Mü远嘀可行技术方案的比较、分析,立足于国内外现有元器件和制造工艺,最终选择基于自发拉曼散射中反颊托克斯与斯托克斯光强比方式的分布式光纤温度传感方案。凼隽斯馐庇蚍瓷浼际酰隽俗苑⒗⑸洹⑹芗だ⑸涞亩量描述,论证了实际应用中反斯托克斯光与温度相关的特性,为正确应用分柿式光纤温度传感系统提供了理论依据。杓葡低车淖芴蹇蛲肌4酉低承旁氡取⑽露攘槊舳群凸ぷ魑榷ㄐ缘几个方面综合考虑系统工作的中心波长。从环境温度、拉曼散射信号光功率、热噪声和暗电流等多种因素出发,求出了最佳雪崩增益的表达式,为分析墓ぷ髯刺峁┝艘谰荨凼鱿低成杓乒讨屑父龉丶际酰J笛樯杓拼蛳吕砺刍关键词分布式光纤;温度传感器;拉曼散射;光时域反射;半导体激光器
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第滦髀引言作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤,具有一系列独特式光纤温度传感器测量系统的传感元件——光纤,以二氧化硅为主要原料,温度是⋯个基本的物理量,自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早丌发,应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查,年,温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从世纪初伽利略发明温度计开始,人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是年由德国物理学家赛贝发明的,这就是后来的热电偶传感器。年以后,另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下,本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、结温度传感器和集成温度传感器。与之相应,根据波与物质的相互作用规律,相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。以电信号为工作基础的传统的温度传感器,如热电偶、热敏电阻、热释电探测器等温度传感器的发展已经非常成熟,它们以其结构简单、测量精度高、成本低等特点而广泛应用在国民经济、科研、国防等领域。但在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下,基于电信号测量的传统温度传感器便受至艽蟮南薮。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。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。光纤传感技术是世纪年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的,以光波为载体,光纤为媒质,感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。的、其它载体和媒质难以相比的优点。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。与传统的温度传感器相比,分布
分布式光纤温度传感器的发展状况及应用前景分布式光纤温度传感器的国内外发展状况纤细、柔软、低损耗,因而具有电绝缘性、耐腐蚀性、几何结构易变性、信号传输带宽较宽、信息长距离传输损耗低等固有的特性和本质安全性。而光纤工作频带宽、动态范围大,适合于遥测遥控,是一种优良的低损耗传输线,且光纤自身既是温度传感的功能元件,又是作为温度传感的信息传输通道,这是传统的传感器所无法比拟的。因此,光纤传感技术一问世,就受到极大重视,应用范围十分广泛⋯。光纤温度传感与测量技术是仪器仪表领域重要的发展方向之一。由于光纤具有体积小、重量轻、可绕、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围大、灵敏度高等特点,对传统的传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的作用,完成前者很难完成甚至不能完成的任务。光纤传感技术用于温度测量,除了具有以上特点外,与传统的温度测量仪器相比,还具有响应快、频带宽、防爆、防燃、抗电磁干扰等特点,因此,光纤温度传感技术受到各国科技人员的高度重视并进行了深入研究。它可用于冶金、化工、电力、建材等领域,解决电磁干扰大、环境恶劣场合的温度测量与控制问题【最早的一种分布式光纤温度传感系统是年代末由提出的利用后向散射光强随温度变化来实现温度分布测量的方案,称为偏振光光时域后向散射际。其原理是利用单模光纤传输中线偏振光的偏振态受沿光纤分布的温度调制而引起的后向瑞利散射光变化的关系来检测温度分布。具体的实验装置,由等人于年研制出。由于此类传感光纤同时对应力、电流、环境振动等诸多因素敏